DE102019008472B4 - Multi-lens camera system and method for hyperspectral imaging - Google Patents
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Abstract
Multilinsen-Kamerasystem (1) zur hyperspektralen Aufnahme von Bildern umfassend einen flächigen Bildsensor (3), ein ortssensitives spektrales Filterelement (4) und ein Abbildungssystem, wobei das spektrale Filterelement (4)- einen linearvariablen Filter mit Filterlinien umfasst und/oder- einen Mosaik-Filter umfasst, wobei das Mosaik des Mosaik-Filters so angeordnet ist, dass große Wellenlängenschritte innen sind, währen kleinere Intervalle außen sind und wobei das Abbildungssystem- eine flächige Linsenmatrix (2) mit einer Vielzahl von Einzellinsen (2a) umfasst, welche so angeordnet sind, dass sie zu einem ersten Aufnahmezeitpunkt eine Vielzahl von rasterförmig angeordneten ersten Abbildungen (AS) eines Motivs (M) in einem ersten Bereich auf dem Bildsensor (3) erzeugen, und- zusätzlich eine weitere Linse (2b) umfasst, die In der Ebene der Linsenmatrix (2) oder abgesetzt von der Ebene der Linsenmatrix (2) angeordnet ist und dazu ausgestaltet ist, in einem zweiten Bereich des Bildsensors (3) und/oder zu einem zweiten Aufnahmezeitpunkt eine zweite Abbildung (AO) des Motivs (M) auf dem Bildsensor (3) zu erzeugen, wobei die weitere Linse (2b) eine Brennlinie und/oder verglichen mit der Vielzahl von Einzellinsen eine andere Brennweite aufweist, und und so positioniert ist, dass sich ihre zweite Abbildung (AO) von den ersten Abbildungen (AS) zumindest in einer Flächendimension des Bildsensors (3) bezüglich der Größe und/oder bezüglich der vor dem Filterelement (4) vorliegenden Bildinformation des Motivs (M) unterscheidet.Multi-lens camera system (1) for hyperspectral recording of images, comprising a flat image sensor (3), a location-sensitive spectral filter element (4) and an imaging system, the spectral filter element (4) - comprising a linearly variable filter with filter lines and/or - a mosaic -Filter comprises, wherein the mosaic of the mosaic filter is arranged in such a way that large wavelength steps are on the inside, while smaller intervals are on the outside and wherein the imaging system comprises a flat lens matrix (2) with a multiplicity of individual lenses (2a) which are arranged in this way are that they generate a plurality of grid-like arranged first images (AS) of a motif (M) in a first area on the image sensor (3) at a first recording time, and additionally comprises a further lens (2b) which is in the plane of the lens matrix (2) or offset from the plane of the lens matrix (2) and is designed to produce a second image (AO) of the motif (M) in a second area of the image sensor (3) and/or at a second recording time the image sensor (3), the further lens (2b) having a focal line and/or a different focal length compared to the plurality of individual lenses, and being positioned such that its second image (AO) differs from the first images ( AS) differs at least in one surface dimension of the image sensor (3) with regard to the size and/or with regard to the image information of the motif (M) present in front of the filter element (4).
Description
Die Erfindung betrifft ein Multilinsen-Kamerasystem und ein Verfahren zur hyperspektralen Aufnahme von Bildern und insbesondere auch zur Bearbeitung bzw. Verarbeitung dieser Bilder.The invention relates to a multi-lens camera system and a method for hyperspectral recording of images and in particular also for processing these images.
In vielen Bereichen der Wirtschaft und Wissenschaft werden Kameras verwendet, die zusätzlich zu einer Ortsauflösung eine spektrale Auflösung besitzen, welche oftmals über das sichtbare Spektrum hinausgeht. Beispielsweise werden bei Vermessungen der Erdoberfläche aus der Luft oftmals Kameras eingesetzt, die nicht nur eine normale RGB-Farbauflösung besitzen, sondern ein hochaufgelöstes Spektrum ggf. bis in den UV- oder Infrarotbereich hinein liefern. Mittels dieser Messungen ist z.B. eine Erkennung einzelner Bepflanzungsbereiche in landwirtschaftlich genutzten Gebieten möglich. Damit kann beispielsweise der Wachstumszustand oder die Gesundheit von Pflanzen oder die Verteilung verschiedener chemischer Elemente wie Chlorophyll oder Lignin bestimmt werden.In many areas of business and science, cameras are used which, in addition to spatial resolution, also have a spectral resolution that often goes beyond the visible spectrum. For example, when surveying the earth's surface from the air, cameras are often used that not only have a normal RGB color resolution, but also deliver a high-resolution spectrum, possibly extending into the UV or infrared range. Using these measurements, for example, it is possible to identify individual planting areas in agricultural areas. This can be used, for example, to determine the state of growth or the health of plants or the distribution of various chemical elements such as chlorophyll or lignin.
Zu diesen Messungen hat sich in den letzten Jahrzehnten eine spektral hochauflösende Bildnahmetechnik bewährt, die als „Hyperspectral Imaging“ bezeichnet wird. Dieses Hyperspectral Imaging erlaubt beispielsweise eine Erkennung und Unterscheidung verschiedener chemischer Elemente aufgrund des ortsaufgelöst aufgenommenen Spektrums.For these measurements, a spectrally high-resolution imaging technique known as "hyperspectral imaging" has proven itself in recent decades. This hyperspectral imaging allows, for example, different chemical elements to be recognized and differentiated on the basis of the spatially resolved spectrum recorded.
Der ursprüngliche Aufbau eines hyperspektralen Bildgebungssystems verwendet einen sogenannten „Pushbroom“-Abtastaufbau, bei dem auf einem zweidimensionalen Bildsensor eine Dimension für eine räumliche Bestimmung und die andere Dimension für eine Spektralbestimmung verwendet wird. Neue Ansätze in der hyperspektralen Bildgebung und die Entwicklung von höher aufgelösten Sensoren und Computerhardware haben sogenannte Snapshot-Full-Frame-Hyperspektralsysteme ermöglicht.The original hyperspectral imaging system setup uses a so-called "pushbroom" scanning setup, where on a two-dimensional image sensor one dimension is used for spatial determination and the other dimension for spectral determination. New approaches in hyperspectral imaging and the development of higher-resolution sensors and computing hardware have enabled so-called snapshot full-frame hyperspectral systems.
Ein sehr kompaktes System für die hyperspektrale Bildgebung wird z.B. in der Veröffentlichung „Ultra-compact micro-optical system for multispectral imaging“ von M. Hubold et al. bechrieben (Proc. SPIE 10545, MOEMS and Miniaturized Systems XVII, 105450V; 22. Februar 2018).A very compact system for hyperspectral imaging is described, for example, in the publication "Ultra-compact micro-optical system for multispectral imaging" by M. Hubold et al. (Proc. SPIE 10545, MOEMS and Miniaturized Systems XVII, 105450V; 22 February 2018).
WO 2014 / 143 338 A2 offenbart ein Bildgeberarray, das kann als Teil eines Bildgebungssystems bereitgestellt werden kann. Es umfasst mehrere Infrarotbildgebungsmodule, wobei jedes Infrarotbildgebungsmodul mehrere Infrarotsensoren enthält, die einem optischen Element zugeordnet sind. Die Infrarotbildgebungsmodule sind im Wesentlichen in einer Ebene ausgerichtet und so konfiguriert, dass sie Bilder von der gleichen Szene erfassen. Die InfrarotBildgebungsmodule können Filter oder Linsenbeschichtungen enthalten, um gewünschte Bereiche der Infrarotstrahlung selektiv zu erfassen.WO 2014/143 338 A2 discloses an imager array that can be provided as part of an imaging system. It includes multiple infrared imaging modules, each infrared imaging module containing multiple infrared sensors associated with an optical element. The infrared imaging modules are essentially aligned in one plane and configured to capture images of the same scene. The infrared imaging modules may contain filters or lens coatings to selectively capture desired areas of infrared radiation.
Nachteil des Standes der Technik ist jedoch immer noch, dass eine hohe zweidimensionale Bildauflösung stets auf Kosten einer hohen spektralen Auflösung geht und umgekehrt.However, the disadvantage of the prior art is still that a high two-dimensional image resolution always comes at the expense of a high spectral resolution and vice versa.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Multilinsen-Kamerasystem zur Verfügung zu stellen, welches sowohl eine hohe spektrale Auflösung als auch eine hohe Ortsauflösung eines Motivs erreicht.The object of the present invention was to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a multi-lens camera system that achieves both a high spectral resolution and a high spatial resolution of a motif.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.This object is achieved by a device and a method according to the claims.
Das erfindungsgemäße Multilinsen-Kamerasystem zur hyperspektralen Aufnahme von Bildern umfasst einen flächigen Bildsensor, ein ortssensitives spektrales Filterelement und ein Abbildungssystem.The multi-lens camera system according to the invention for hyperspectral recording of images comprises a planar image sensor, a location-sensitive spectral filter element and an imaging system.
Das Abbildungssystem umfasst dabei eine flächige Linsenmatrix mit einer Vielzahl von Einzellinsen, welche so angeordnet sind, dass sie zu einem ersten Aufnahmezeitpunkt eine Vielzahl von rasterförmig angeordneten ersten Abbildungen eines Motivs in einem ersten Bereich auf dem Bildsensor erzeugen. Des Weiteren umfasst das Abbildungssystem zusätzlich eine weitere Linse, die in der Ebene der Linsenmatrix oder abgesetzt von der Ebene der Linsenmatrix angeordnet ist (bevorzugt vor der Linsenmatrix) und dazu ausgestaltet ist, in einem zweiten Bereich des Bildsensors und/oder zu einem zweiten Aufnahmezeitpunkt eine zweite Abbildung des Motivs auf dem Bildsensor zu erzeugen. Die Linsen sind z.B. sphärische Linsen, Zylinderlinsen, holographische Linsen oder Fresnellinsen oder Linsensysteme (z.B. Objektive) aus mehreren solcher Linsen. Im Weiteren wird zum besseren Verständnis nur von „Linsen“ gesprochen, ohne die Allgemeinheit einzuschränken.The imaging system comprises a flat lens matrix with a large number of individual lenses which are arranged in such a way that at a first recording time they produce a large number of first images of a motif arranged in a grid in a first region on the image sensor. Furthermore, the imaging system also includes a further lens, which is arranged in the plane of the lens matrix or offset from the plane of the lens matrix (preferably in front of the lens matrix) and is designed to to generate a second image of the subject on the image sensor in a second area of the image sensor and/or at a second recording time. The lenses are, for example, spherical lenses, cylindrical lenses, holographic lenses or Fresnel lenses or lens systems (eg lenses) made up of several such lenses. For better understanding, only “lenses” are used below, without restricting the generality.
Dabei weist die weitere Linse eine Brennlinie und/oder verglichen mit der Vielzahl von Einzellinsen eine andere Brennweite auf und ist so positioniert, dass sich ihre zweite Abbildung von den ersten Abbildungen zumindest in einer Flächendimension des Bildsensors bezüglich der Größe und/oder bezüglich der vor dem Filterelement vorliegenden Bildinformation des Motivs unterscheidet.The additional lens has a focal line and/or a different focal length compared to the plurality of individual lenses and is positioned in such a way that its second image differs from the first images at least in one surface dimension of the image sensor with regard to size and/or with regard to the Filter element present image information of the subject differs.
Flächige Bildsensoren sind dem Fachmann im Grunde bekannt. Es handelt sich hierbei besonders bevorzugt um Pixeldetektoren, welche eine elektronische Aufnahme von Bildpunkten („Pixeln“) erlauben. Bevorzugte Pixeldetektoren sind CCD-Sensoren (CCD: „charge-coupled device“; dt. „ladungsgekoppeltes Bauteil“) oder CMOS-Sensoren (CMOS: „Complementary metal-oxide-semiconductor“; dt. „sich ergänzender Metall-Oxid-Halbleiter“). Besonders bevorzugt sind auf Silizium basierende Sensoren, aber auch InGaAs-Sensoren sowie auf Bleioxid oder Graphen basierte Sensoren, insbesondere für Wellenlängenbereiche außerhalb des sichtbaren Bereichs.Areal image sensors are basically known to the person skilled in the art. These are particularly preferably pixel detectors which allow image points (“pixels”) to be recorded electronically. Preferred pixel detectors are CCD (charge-coupled device) sensors or CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) sensors. ). Sensors based on silicon are particularly preferred, but also InGaAs sensors and sensors based on lead oxide or graphene, in particular for wavelength ranges outside the visible range.
Ein spektrales Filterelement, welches so gestaltet ist, dass es an unterschiedlichen Positionen der Fläche des Filterelements unterschiedliche Spektralanteile von auftreffendem Licht transmittiert und andere Spektralanteile nicht transmittiert, wird hier als „ortssensitives spektrales Filterelement“ bezeichnet, wobei es auch als „ortsabhängiges spektrales Filterelement“ bezeichnet werden könnte. Es dient dazu, die durch das Abbildungssystem erzeugten Abbildungen auf dem Bildsensor nach unterschiedlichen (kleinen) Spektralbereichen zu filtern.A spectral filter element that is designed in such a way that it transmits different spectral components of incident light at different positions on the surface of the filter element and does not transmit other spectral components is referred to here as a "location-sensitive spectral filter element", which is also referred to as a "location-dependent spectral filter element". could become. It is used to filter the images generated by the imaging system on the image sensor according to different (small) spectral ranges.
Für die Anordnung des Filterelements gibt es mehrere Möglichkeiten. Das Filterelement kann beispielsweise direkt vor der Linsenmatrix positioniert sein oder zwischen Linsenmatrix und Bildsensor. Es ist auch bevorzugt, dass Komponenten des Abbildungssystems als Filterelement ausgestaltet sind, insbesondere die Linsenmatrix. Beispielsweise kann das Substrat der Linsenmatrix als Filterelement ausgestaltet sein.There are several options for arranging the filter element. For example, the filter element can be positioned directly in front of the lens matrix or between the lens matrix and the image sensor. It is also preferred that components of the imaging system are designed as filter elements, in particular the lens matrix. For example, the substrate of the lens matrix can be configured as a filter element.
Eine Linsenmatrix im Sinne der Erfindung umfasst eine Vielzahl von Linsen die rasterförmig zueinander, also in einer regelmäßigen Anordnung, angeordnet sind, insbesondere auf einem Träger. Die Linsen sind bevorzugt in regelmäßigen Zeilen und Spalten oder versetzt zueinander angeordnet. Besonders bevorzugt ist eine rechteckige bzw. quadratische oder eine hexagonale Anordnung. Die Linsen können beispielsweise sphärische Linsen oder zylindrische Linsen sein, aber auch asphärische Linsen sind in einigen Anwendungsfällen bevorzugt. Weiter unten wird eine bevorzugte Linsenmatrix genauer beschrieben.A lens matrix within the meaning of the invention comprises a multiplicity of lenses which are arranged in a grid in relation to one another, ie in a regular arrangement, in particular on a carrier. The lenses are preferably arranged in regular rows and columns or offset from one another. A rectangular or square or a hexagonal arrangement is particularly preferred. The lenses can be, for example, spherical lenses or cylindrical lenses, but aspheric lenses are also preferred in some applications. A preferred lens array is described in more detail below.
Erfindungsgemäß ist die Linsenmatrix so zu dem Bildsensor angeordnet, dass sie von einem Motiv eine Vielzahl von rasterförmig angeordneten Abbildungen auf dem Bildsensor erzeugt. Da im Rahmen der Erfindung zwei Arten unterschiedlicher Abbildungen vorliegen, werden die Abbildungen der Einzellinsen als „erste Abbildungen“ bezeichnet. In einer besonderen Unterart herkömmlicher Spektralkameras (s. dazu auch
Als „Motiv“ wird ein Objekt bzw. eine Szenerie bezeichnet, also ein im Grunde beliebiger Bereich des Raumes der von dem Multilinsen-Kamerasystem aufgenommen wird. Es kann sich bei dem Motiv z.B. um eine (geographische) Bodenfläche handeln aber auch um einzelne Objekte, z.B. Produkte in einer Produktionslinie.An object or a scenery is referred to as a "motif", i.e. basically any area of the room that is recorded by the multi-lens camera system. The motif can be a (geographical) floor area, for example, but also individual objects, e.g. products in a production line.
In der Regel zeigen bei hyperspektralen Aufnahmen die ersten Abbildungen stets den gleichen Bereich des Motivs (bzw. das gesamte Motiv). Durch das Filterelement werden diese ersten Abbildungen mit jeweils unterschiedlichen (Licht)Wellenlängen bzw. in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen vom Bildsensor aufgenommen. Es wird hier angemerkt, dass im Hinblick auf den geforderten Unterschied der Bildinformation des Motivs gerade nicht dieser durch den Filter erzeugte spektrale Unterschied gemeint ist, da die vor dem Filterelement vorliegende Bildinformation des Motivs gemeint ist, also die Art der Darstellung der Abbildungen, wie sie ohne Filterelement erfolgen würde.As a rule, in the case of hyperspectral recordings, the first images always show the same area of the subject (or the entire subject). These first images are recorded by the image sensor with different (light) wavelengths or in different wavelength ranges through the filter element. It is noted here that with regard to the required difference in the image information of the motif, this spectral difference generated by the filter is not meant, since the image information of the motif present in front of the filter element is meant, i.e. the type of representation of the images as they are would take place without a filter element.
Das Multilinsen-Kamerasystem umfasst zusätzlich zu der Linsenmatrix eine weitere Linse. Hier wird explizit darauf hingewiesen, dass der Ausdruck „eine“ (wie am Ende der Beschreibung noch einmal deutlich generell gesagt wird) als „mindestens eine“ zu lesen ist, und damit „eine einzige“ aber auch „zwei oder mehr“ bedeuten kann. Diese weitere Linse kann also eine einzige weitere Linse sein, aber auch zwei oder mehr Linsen derselben oder einer anderen Form.The multi-lens camera system includes a further lens in addition to the lens matrix. It is explicitly pointed out here that the expression "one" (as is clearly stated again at the end of the description) should be read as "at least one", and thus "one" can also mean "two or more". This further lens can therefore be a single further lens, but also two or more lenses of the same or a different shape.
Die weitere Linse ist in der Ebene der Linsenmatrix, insbesondere auf der Linsenmatrix, oder abgesetzt von der Ebene der Linsenmatrix angeordnet. Bevorzugt ist die weitere Linse vor der Linsenmatrix angeordnet, also so, dass die Linsenmatrix zwischen der weiteren Linse und dem Bildsensor liegt. Im Falle, dass zwei oder mehr weitere Linsen vorliegen, ist die Angabe der Positionierung so zu verstehen, dass alle weiteren Linsen in der Ebene der Linsenmatrix, insbesondere auf der Linsenmatrix (oder auf einer anderen gemeinsamen Ebene) liegen können oder aber auch in unterschiedlichen Abständen zu der Linsenmatrix angeordnet sein können. Es kann durchaus zwei oder mehr Linsenmatrices geben, z.B. eine Linsenmatrix mit Einzellinsen und eine Linsenmatrix mit weiteren Linsen. Die weitere Linse kann also durchaus auf einer weiteren Linsenmatrix angeordnet sein oder eine weitere Linsenmatrix bilden. Bei einer einzigen weiteren Linse wäre dies eine 1×1-Matrix, bei mehreren weiteren Linsen eine A×B-Matrix.The additional lens is arranged in the plane of the lens matrix, in particular on the lens matrix, or offset from the plane of the lens matrix not. The further lens is preferably arranged in front of the lens matrix, ie in such a way that the lens matrix lies between the further lens and the image sensor. If there are two or more additional lenses, the indication of the positioning is to be understood in such a way that all additional lenses can lie in the plane of the lens matrix, in particular on the lens matrix (or on another common plane) or else at different distances can be arranged to the lens matrix. There can certainly be two or more lens matrices, for example a lens matrix with individual lenses and a lens matrix with additional lenses. The further lens can therefore be arranged on a further lens matrix or form a further lens matrix. With a single additional lens this would be a 1×1 matrix, with several additional lenses an A×B matrix.
Die zweite Abbildung unterscheiden sich von den ersten Abbildungen und wird durch die zweite Linse erzeugt (bzw. werden mehrere zweite Abbildungen durch eine Anzahl weiterer Linsen erzeugt) und zwar in einem zweiten Bereich des Bildsensors und/oder zu einem zweiten Aufnahmezeitpunkt. Liegen mehrere weitere Linsen vor, so liegen in der Regel auch mehrere zweite Abbildungen vor, da bevorzugt jede weitere Linse eine zweite Abbildung erzeugt. Betreffend den zweiten Aufnahmezeitpunkt ist dieser Fall gleichbedeutend zu dem Merkmal ist, dass die weitere Linse verstellbar ist oder zu einer veränderbaren Optik gehört. In diesem bevorzugten Fall wird durch Verstellung der Linse bzw. durch Veränderung der Optik die weitere Abbildung in ihrer Größe oder bezüglich anderer Parameter die Bildinformation betreffend geändert und es liegt automatisch zu einem anderen Aufnahmezeitpunkt eine andere Abbildung vor, selbst wenn sich das Motiv nicht verändert.The second images differ from the first images and are generated by the second lens (or multiple second images are generated by a number of additional lenses) in a second area of the image sensor and/or at a second recording time. If several further lenses are present, then as a rule there are also several second images, since each further lens preferably produces a second image. With regard to the second recording time, this case is equivalent to the feature that the further lens is adjustable or belongs to variable optics. In this preferred case, by adjusting the lens or by changing the optics, the further image is changed in terms of its size or with regard to other parameters relating to the image information and there is automatically a different image at a different recording time, even if the motif does not change.
Die weitere Linse weist eine Brennlinie auf (ist also in diesem Fall eine Zylinderlinse). Alternativ oder zusätzlich weist sie verglichen mit der Vielzahl von Einzellinsen eine andere Brennweite auf. Zudem ist die weitere Linse (bzw. sind alle weiteren Linsen) so positioniert, dass sich ihre zweite Abbildung von der ersten Abbildungen zumindest in einer Flächendimension des Bildsensors bezüglich der Größe und/oder bezüglich der vor dem Filterelement vorliegenden Bildinformation des Motivs unterscheidet. Wie oben bereits gesagt, sind also Abbildungen gemeint, wie sie ohne Filterelement auf dem Bildsensor vorliegen würden.The further lens has a focal line (in this case it is a cylindrical lens). Alternatively or additionally, it has a different focal length compared to the multiplicity of individual lenses. In addition, the further lens (or all further lenses are) positioned in such a way that its second image differs from the first image at least in one surface dimension of the image sensor with regard to size and/or with regard to the image information of the motif present in front of the filter element. As already mentioned above, what is meant are images as they would exist on the image sensor without a filter element.
Dies bedeutet, dass sich die die zweite Abbildung von den ersten Abbildungen unterscheidet. Dieser Unterschied liegt bevorzugt relativ zu beiden Flächendimension des Bildsensors vor (also sowohl dessen x- und y-Koordinate), muss aber grundsätzlich nur in einer Flächendimension vorliegen, (also entweder in x- oder in y-Richtung der sensitiven Fläche des Bildsensors). Der Unterschied betrifft dabei die Größe der Bilder, womit gemeint ist, dass die zweite Abbildung eine kleinere oder eine größere Fläche auf dem Bildsensor einnimmt als die ersten Abbildungen (bevorzugt ist dabei der Fall, dass die zweite Abbildung größer ist als die ersten Abbildung und somit eine höhere Ortsauflösung erzeugt). Alternativ oder zusätzlich kann der Unterschied aber auch die vor dem Filterelement vorliegende Bildinformation des Motivs betreffen. Also diejenige Bildinformation, die noch nicht vom Filterelement gefiltert worden ist. Damit ist gemeint, dass abgesehen von der Wirkung des Filterelements die Bildinformation die zweite Abbildung eine andere Bildinformation hat als die ersten Abbildungen (z.B. die Abbildung einer Zylinderlinse als zweite Abbildung und die Abbildungen von sphärischen Linsen als erste Abbildungen). Der Einfluss des Filterelements fällt also nicht ins Gewicht (es werden hier Bildinformationen so betrachtet, als wenn das Filterelement nicht da wäre).This means that the second image differs from the first images. This difference is preferably relative to both surface dimensions of the image sensor (i.e. both its x and y coordinates), but in principle only has to be present in one surface dimension (i.e. either in the x or y direction of the sensitive surface of the image sensor). The difference relates to the size of the images, which means that the second image occupies a smaller or larger area on the image sensor than the first images (it is preferred that the second image is larger than the first image and thus generates a higher spatial resolution). Alternatively or additionally, however, the difference can also relate to the image information of the motif that is present in front of the filter element. In other words, the image information that has not yet been filtered by the filter element. This means that apart from the effect of the filter element, the image information of the second image has different image information than the first images (e.g. the image of a cylindrical lens as the second image and the images of spherical lenses as the first images). The influence of the filter element is therefore not significant (image information is viewed here as if the filter element were not there).
Die Bildinformation bezieht sich besonders bevorzugt auf die Bildauflösung. Beispielsweise kann der Fall vorliegen, dass die weitere Linse eine einzelne Linse mit längerer Brennweite ist. Diese Linse erzeugt eine Abbildung des Objekts auf dem Sensor, welche denselben Bildausschnitt wie jede der Einzellinsen abbildet, aber auf z.B. der vierfachen Sensorfläche. So kann mit der weiteren Linse eine höheraufgelöste Ortsinformation desselben Motivs erzeugt werden.The image information particularly preferably relates to the image resolution. For example, it may be the case that the further lens is a single lens with a longer focal length. This lens creates an image of the object on the sensor, which depicts the same image section as each of the individual lenses, but on e.g. four times the sensor area. In this way, a higher-resolution location information of the same motif can be generated with the additional lens.
Je nach Anwendungsfall bezieht sich die Bildinformation besonders bevorzugt auf die Darstellung durch eine Zylinderlinse. Diese bildet das Motiv aufgrund der Brennlinie in einer Flächendimension des Bildsensors ab, in der anderen Flächendimension könnten dann (mittels des Filterelements) spektrale Informationen gemessen werden. Unabhängig von dem Filterelement unterscheidet sich jedoch das Bild einer Zylinderlinse z.B. von dem sphärischer Einzellinsen. In dem Fall, in dem die Einzellinsen Zylinderlinsen sind, müsste die weitere Linse z.B. eine größere/kleinere Zylinderlinse oder generell eine nicht-Zylinderlinse sein, z.B. eine sphärische Linse. Auch ist eine Ausführungsform mit ausschließlich gleichgroßen Linsen in der Linsenmatrix möglich, deren Form jedoch unterschiedliche ist. Zudem kann auch eine Zoomoptik vorliegen, mittels der die Linsenmatrix oder Teile der Linsenmatrix vergrößert oder verkleinert werden kann, wobei die Linsenmatrix hier auch homogen aus Einzellinsen aufgebaut sein kann. Es sind auch Kombinationen der oben genannten Fälle möglich.Depending on the application, the image information particularly preferably relates to the representation through a cylindrical lens. Due to the focal line, this images the motif in one surface dimension of the image sensor, and spectral information can then be measured (by means of the filter element) in the other surface dimension. Regardless of the filter element, however, the image of a cylindrical lens differs from that of spherical individual lenses, for example. In the case where the lenslets are cylindrical lenses, the further lens would have to be, for example, a larger/smaller cylindrical lens or generally a non-cylindrical lens, e.g., a spherical lens. An embodiment with exclusively lenses of the same size in the lens matrix is also possible, but their shape is different. In addition, zoom optics can also be present, by means of which the lens matrix or parts of the lens matrix can be enlarged or reduced, with the lens matrix here also being able to be constructed homogeneously from individual lenses. Combinations of the above cases are also possible.
Im Folgenden werden einige Fälle noch einmal anhand von Beispielen dargestellt. Beispielsweise haben die ersten Abbildungen eine Auflösung von 500 x 500 Pixel auf dem Bildsensor und eine zweite Abbildung eine Auflösung von 1000 x 1000 (bei einer sphärischen weiteren Linse mit größerer Brennweite). Eine zweite Abbildung kann aber auch eine Auflösung von 500 x 1 (oder gar 8000 x 1) haben, wenn die weitere Linse eine Zylinderlinse ist. In diesem Fall werden aber weitere Bildpunkte des Bildsensors benutzt, um (mit dem Filterelement) aus dem gesamten durch die Zylinderlinse ausgeleuchteten Bereich spektrale Informationen zu gewinnen. Eine Zylinderlinse als weitere Linse mit derselben Größe und derselben Brennweite wie die ersten Linsen könnte zwar auch eine Abbildung in der Größe 500×500 Pixel auf dem Bildsensor erzeugen (gesamt ausgeleuchteter Bereich), die jedoch im Unterschied zu den ersten Abbildungen nur eine Ortsauflösung von 500×1 hat und sich daher bezüglich der Bildinformation des Motivs von den ersten Abbildungen unterscheidet.In the following, some cases are presented again using examples. For example, the first images have a resolution of 500 x 500 pixels on the image sensor and a second image a resolution of 1000 x 1000 (with a further spherical lens with a larger focal length). However, a second image can also have a resolution of 500 x 1 (or even 8000 x 1) if the additional lens is a cylindrical lens. In this case, however, further image points of the image sensor are used in order (with the filter element) to obtain spectral information from the entire area illuminated by the cylindrical lens. A cylindrical lens as an additional lens with the same size and the same focal length as the first lenses could also generate an image with a size of 500 × 500 pixels on the image sensor (total illuminated area), but in contrast to the first images it only has a spatial resolution of 500 ×1 and therefore differs from the first illustrations with regard to the image information of the motif.
Die ersten und zweiten Abbildungen könnten auch als Gruppen zusammengefasst werden (insbesondere wenn zwei oder mehr sich unterscheidende zweite Abbildungen vorliegen). In dem oben ebenfalls umfassten Fall, dass zeitlich aufeinanderfolgende Aufnahmen betrachtet werden, sollte zum besseren Verständnis das Motiv unverändert geblieben sein. Selbstverständlich kann in der Praxis, z.B. bei der Aufnahme von Luftbildern, die Kamera relativ zum Motiv bewegt werden. Wichtig ist hier jedoch, dass diese Bewegung zur Erlangung der beiden Gruppen von Abbildungen nicht notwendig ist, da die Abbildungsoptik an sich so gestaltet ist, dass unterschiedliche Arten von Abbildungen erzeugt werden. Eine zweite Gruppe der Abbildungen umfassend die oben genannten zweiten Abbildungen hat gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine höhere Ortsauflösung als eine erste Gruppe der Abbildungen umfassend die ersten Abbildungen. Mit dem Filterelement bietet aufgrund der Vielzahl der ersten Abbildungen die erste Gruppe der Abbildungen eine höhere spektrale Auflösung als die zweite Gruppe der Abbildungen.The first and second images could also be grouped together (particularly when there are two or more distinct second images). In the case also covered above, in which sequential recordings are viewed, the motif should have remained unchanged for better understanding. Of course, in practice, e.g. when taking aerial photos, the camera can be moved relative to the subject. However, it is important here that this movement is not necessary to obtain the two groups of images, since the imaging optics are designed in such a way that different types of images are generated. According to a preferred embodiment, a second group of images comprising the second images mentioned above has a higher spatial resolution than a first group of images comprising the first images. With the filter element, due to the large number of first images, the first group of images offers a higher spectral resolution than the second group of images.
Eine zweite Abbildung kann, zumindest wenn sie eine vergleichsweise höhere Ortsauflösung als die ersten Abbildungen hat, zum besseren Verständnis auch als „Ortsrasterbild“ bezeichnet werden. Die zweiten Abbildungen haben gemäß einer bevorzugten Ausführungsform den Zweck, das Motiv oder einen Bereich des Motivs sehr genau (hochaufgelöst) darzustellen. Im Falle der Verwendung einer Zylinderlinse als weitere Linse hat die zweite Abbildung in einer Dimension der Fläche des Bildsensors eine geringere Ortsauflösung (aufgrund der Brennlinie). Jedoch erhält man dafür eine sehr hohe spektrale Auflösung, zumindest höher als die der ersten Abbildungen. Es ist besonders bevorzugt, dass sich die zweite Abbildung von den ersten Abbildungen dadurch unterscheidet, dass sie zumindest in einer Flächendimension des Bildsensors eine höhere Ortsauflösung von Bereichen des Motivs hat oder eine höhere spektrale Auflösung (hier nach dem Filterelement betrachtet). Die höhere spektrale Auflösung kann z.B. mittels einer Zylinderlinse und dem Filterelement erreicht werden, In einer Flächendimension des Bildsensors (orthogonal zur Abbildungsachse) kann im Grunde bei einem entsprechenden Filterelement jeder Sensorpixel eine individuelle spektrale Information liefern.A second image, at least if it has a comparatively higher spatial resolution than the first images, can also be referred to as a "spatial grid image" for better understanding. According to a preferred embodiment, the purpose of the second images is to display the motif or a region of the motif very precisely (with high resolution). If a cylindrical lens is used as an additional lens, the second image has a lower spatial resolution in one dimension of the surface of the image sensor (due to the focal line). However, you get a very high spectral resolution, at least higher than that of the first images. It is particularly preferred that the second image differs from the first images in that it has a higher spatial resolution of areas of the motif, at least in one surface dimension of the image sensor, or a higher spectral resolution (here viewed after the filter element). The higher spectral resolution can be achieved, for example, by means of a cylindrical lens and the filter element. In a surface dimension of the image sensor (orthogonal to the imaging axis), each sensor pixel can basically provide individual spectral information with a corresponding filter element.
Beispielsweise ist es bei Luftbildmessungen von Vorteil eine hohe Ortsauflösung zu haben, z.B. eine Abbildung im Bereich zwischen 3 und 6 Megapixeln, damit eine genaue Positionierung benachbarter Aufnahmen mittels (gut aufgelöster) Landmarken vorgenommen werden kann. Die zweite Gruppe von Abbildungen kann mehrere Ortsrasterbilder umfassen, das erfindungsgemäße Ziel kann aber bereits mit einem einzigen (hochaufgelösten) Ortsrasterbild erreicht werden. Mehrere Ortsrasterbilder haben den Vorteil, dass sie in verschiedenen Teilen des Spektrums aufgenommen werden können und die zweite Gruppe von Abbildungen somit bereits eine gewisse spektrale Auflösung bietet.For example, it is advantageous for aerial measurements to have a high spatial resolution, e.g. an image in the range between 3 and 6 megapixels, so that neighboring images can be precisely positioned using (well-resolved) landmarks. The second group of images can include several spatial grid images, but the goal according to the invention can already be achieved with a single (high-resolution) spatial grid image. Several spatial grid images have the advantage that they can be recorded in different parts of the spectrum and the second group of images thus already offers a certain spectral resolution.
Zumindest in dem Falle, in denen die zweite Abbildung (in beiden Flächendimensionen des Bildsensors) eine höhere Ortsauflösung bietet, können die ersten Abbildungen zum besseren Verständnis auch als „Spektralbilder“ bezeichnet werden. Im Unterschied zu einer zweiten Abbildungen, bei der die hohe Ortsauflösung bereits mit einem einzigen Ortsrasterbild erreicht werden kann, trägt hier typischerweise die Anzahl der Spektralbilder (jedes mittels des Filterelements bei einer anderen Wellenlänge aufgenommen) zu der hohen spektralen Auflösung der ersten Abbildungen bei. Die ersten Abbildungen haben den Zweck, das Motiv oder einen Bereich des Motivs mit einer sehr guten Qualität des vom Bilddetektor aufnehmbaren Spektrums darzustellen. Wie oben gesagt, erlangt man die gute spektrale Auflösung auf Kosten der Ortsauflösung.At least in the case in which the second image (in both surface dimensions of the image sensor) offers a higher spatial resolution, the first images can also be referred to as "spectral images" for better understanding. In contrast to a second image, in which the high spatial resolution can already be achieved with a single spatial grid image, here the number of spectral images (each recorded at a different wavelength using the filter element) typically contributes to the high spectral resolution of the first images. The purpose of the first images is to show the subject or a part of the subject with a very good quality of the spectrum that can be picked up by the image detector. As mentioned above, good spectral resolution is achieved at the expense of spatial resolution.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Aufnahme von Daten mit einem erfindungsgemäßen Multilinsen-Kamerasystem umfasst die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen eines Motivs. Das Multilinsen-Kamerasystem wird also auf ein Motiv gerichtet.
- - Aufnahme des Motivs mittels des Multilinsen-Kamerasystems. In diesem Rahmen wird eine Vielzahl von rasterförmig angeordneten Abbildungen auf dem Bildsensor erzeugt, wobei in unterschiedlichen Bereichen des Bildsensors und/oder zu unterschiedlichen Aufnahmezeiten eine Vielzahl erster Abbildungen und eine Anzahl zweiter Abbildungen von Bereichen desselben Motivs aufgenommen wird. Dabei unterscheidet sich eine zweite Abbildung von den ersten Abbildungen zumindest in einer Flächendimension des Bildsensors bezüglich der Größe und/oder bezüglich der vor dem Filterelement vorliegenden Bildinformation des Motivs.
- - Providing a motive. The multi-lens camera system is thus aimed at a subject.
- - Recording of the subject using the multi-lens camera system. In this framework, a large number of images arranged in a grid pattern is generated on the image sensor, with a large number of first images and a number of second images of areas of the image sensor being in different areas of the image sensor and/or at different recording times same subject is recorded. A second image differs from the first images at least in one surface dimension of the image sensor with regard to the size and/or with regard to the image information of the motif present in front of the filter element.
Insbesondere umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte:
- - Erzeugen einer Vielzahl von rasterförmig angeordneten ersten Abbildungen eines Motivs in einem ersten Bereich auf dem Bildsensor mittels einer flächigen Linsenmatrix mit einer Vielzahl von Einzellinsen zu einem ersten Aufnahmezeitpunkt.
- - Erzeugen einer zweite Abbildung des Motivs in einem zweiten Bereich des Bildsensors und/oder zu einem zweiten Aufnahmezeitpunkt mittels einer weiteren Linse, die in der Ebene der Linsenmatrix oder abgesetzt von der Ebene der Linsenmatrix angeordnet ist.
- - Generating a multiplicity of grid-like arranged first images of a motif in a first area on the image sensor by means of a flat lens matrix with a multiplicity of individual lenses at a first recording time.
- - Generating a second image of the motif in a second area of the image sensor and/or at a second recording time by means of a further lens which is arranged in the plane of the lens matrix or offset from the plane of the lens matrix.
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass ein Motiv mit einem solchen Multilinsen-Kamerasystem sowohl mit einer hohen Bildauflösung abgebildet werden kann als auch mit einer hohen spektralen Auflösung aufgenommen werden kann. Es liegen beide Gruppen von Abbildungen zur Auswertung gemeinsam vor. Die Erfindung erreicht somit eine hohe spektrale Auflösung mit einem hyperspektralen („Full Frame Snapshot“) Multilinsen-Kamerasystem während ebenfalls eine hohe Ortsauflösung erreicht wird. Beispielsweise sind eine optimale spektrale Vermessung von Bodenflächen aus der Luft sowie eine Steuerung industrieller Prozesse und Anlagen nur möglich, wenn gleichzeitig eine hohe räumliche Auflösung bei gleichzeitig hoher spektraler Auflösung erreicht wird. Dieses Erfindung erfüllt dabei beide Anforderungen.The advantage of the present invention is that a motif can be imaged with such a multi-lens camera system both with a high image resolution and with a high spectral resolution. Both groups of images are available together for evaluation. The invention thus achieves a high spectral resolution with a hyperspectral (“full frame snapshot”) multi-lens camera system while also achieving a high spatial resolution. For example, optimal spectral measurement of ground surfaces from the air and control of industrial processes and systems are only possible if high spatial resolution is achieved at the same time as high spectral resolution. This invention fulfills both requirements.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass ein bevorzugtes Multilinsen-Kamerasystem auch analog zu der entsprechenden Beschreibung des Verfahrens ausgestaltet sein kann und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.Preferred embodiments of the invention are described below. It is pointed out that a preferred multi-lens camera system can also be configured analogously to the corresponding description of the method and, in particular, individual features of different exemplary embodiments can also be combined with one another.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Linsenmatrix eine Vielzahl von Einzellinsen und zusätzlich eine weitere Linse, welche verglichen mit den Einzellinsen einen unterschiedlichen Durchmesser und/oder eine unterschiedliche Brennweite und/ oder eine unterschiedliche Substratdicke und/oder einen unterschiedlichen Abstand zum Bildsensor hat. Die Linsenmatrix ist dabei so ausgestaltet, dass sie Abbildungen unterschiedlicher Größe auf dem Bildsensor erzeugt. Dies hat den Vorteil, dass das Motiv im Hinblick auf zwei Abbildungen mit den unterschiedlichen Linsen jeweils von einer unterschiedlichen Anzahl von Bildsensoren aufgenommen wird, was zur Folge hat, dass das Motiv mit unterschiedlichen Auflösungen aufgenommen wird. Selbstverständlich wird hier davon ausgegangen, dass die Dichte der Bildpunkte des Bildsensors über seine Fläche im Wesentlichen homogen ist. Die größeren Abbildungen, also diejenigen mit der höheren Ortsauflösung kann den zweiten Abbildungen (Ortsrasterbilder) zugeordnet werden. Die kleineren Abbildungen, also diejenigen mit der geringeren Ortsauflösung kann den ersten Abbildungen (Spektralbilder) zugeordnet werden. Die Abbildungen können durchaus noch in weiteren Gruppen von Abbildungen zusammengefasst werden, z.B. wenn auf dem Bildsensor drei oder mehr systematisch unterschiedliche Bildgrößen vorliegen. Für die Erfindung genügen aber bereits zwei unterschiedliche Abbildungen.According to a preferred embodiment, the lens matrix comprises a large number of individual lenses and an additional lens which, compared to the individual lenses, has a different diameter and/or a different focal length and/or a different substrate thickness and/or a different distance from the image sensor. The lens matrix is designed in such a way that it generates images of different sizes on the image sensor. This has the advantage that, with regard to two images with the different lenses, the motif is recorded by a different number of image sensors in each case, with the result that the motif is recorded with different resolutions. Of course, it is assumed here that the density of the pixels of the image sensor is essentially homogeneous over its area. The larger images, ie those with the higher spatial resolution, can be assigned to the second images (local grid images). The smaller images, ie those with the lower spatial resolution, can be assigned to the first images (spectral images). The images can certainly be combined in further groups of images, e.g. if there are three or more systematically different image sizes on the image sensor. However, two different images are sufficient for the invention.
Beispielsweise umfasst die Linsenmatrix zwei unterschiedliche Linsengrößen, wobei auch nur eine einzige große Linse und eine Vielzahl von kleinen Linsen vorliegen kann. Wichtig ist hierbei, dass die Anzahl der Spektralbilder (viel) größer ist, als die Anzahl der Ortsrasterbilder, insbesondere um ein ganzzahliges Vielfaches. Bevorzugt beträgt die Anzahl der Spektralbilder mehr als das 5-fache, besonders bevorzugt mehr als das 10-fache der Ortsrasterbilder. Die Spektralbilder werden bei unterschiedliche Wellenlängen aufgenommen, z.B. mittels eines Filters, wie er weiter unten genauer beschrieben wird. Ein Ortsrasterbild kann bei einer einzigen Wellenlänge aufgenommen werden, bevorzugt ist jedoch eine Aufnahme in einem Wellenlängenintervall, bevorzugt einem Intervall, welches die Wellenlängen mehrerer Spektralbilder umfasst. Es ist auch ein panchromatisches Ortsrasterbild bevorzugt, insbesondere wenn nur ein einziges Ortsrasterbild auf dem Bildsensor vorliegt.For example, the lens matrix includes two different lens sizes, it also being possible for only a single large lens and a multiplicity of small lenses to be present. It is important here that the number of spectral images is (much) greater than the number of spatial grid images, in particular by an integer multiple. The number of spectral images is preferably more than 5 times, particularly preferably more than 10 times, the spatial grid images. The spectral images are recorded at different wavelengths, e.g. using a filter, as will be described in more detail below. A spatial grid image can be recorded at a single wavelength, but recording in one wavelength interval is preferred, preferably an interval that includes the wavelengths of a plurality of spectral images. A panchromatic spatial grid image is also preferred, in particular if only a single spatial grid image is present on the image sensor.
In dem bevorzugten Fall, in dem das Linsensystem als weitere Linse eine sphärische oder zylindrische Linse aufweist, die größer ist als die übrigen Einzellinsen der Linsenmatrix und die eine andere Brennweite als diese Einzellinsen aufweist, liegt in der Regel automatisch der Fall vor, dass sich die durch diese weitere Linse erzeugte zweite Abbildung von den ersten Abbildungen zumindest in einer Flächendimension des Bildsensors bezüglich der Größe unterscheidet. Diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung könnte also zusammenfassend wie folgt dargestellt werden:
- Multilinsen-Kamerasystem zur hyperspektralen Aufnahme von Bildern umfassend einen flächigen Bildsensor, ein ortssensitives spektrales Filterelement und ein Abbildungssystem, wobei das Abbildungssystem eine flächige Linsenmatrix mit einer Vielzahl von Einzellinsen umfasst, welche so angeordnet sind, dass sie (zu einem ersten Aufnahmezeitpunkt) eine Vielzahl von rasterförmig angeordneten ersten Abbildungen eines Motivs in einem ersten Bereich auf dem Bildsensor erzeugen, und zusätzlich eine weitere Linse umfasst, die in der Ebene der Linsenmatrix, insbesondere auf der Linsenmatrix, angeordnet ist und dazu ausgestaltet ist, in einem zweiten Bereich des Bildsensors eine zweite Abbildung des Motivs auf dem Bildsensor zu erzeugen.
- Multi-lens camera system for hyperspectral recording of images, comprising a flat image sensor, a location-sensitive spectral filter element and an imaging system, the imaging system comprising a flat lens matrix with a large number of individual lenses, which are arranged in such a way that they generate (at a first recording time) a large number of first images of a motif arranged in a grid-like manner in a first area on the image sensor, and additionally comprises a further lens which is in the plane of the lens matrix, in particular on the lens matrix, is arranged and is designed to generate a second image of the motif on the image sensor in a second area of the image sensor.
Es ist bevorzugt, dass die weitere Linse bezogen auf das Raster der Linsenmatrix den Platz von einem ganzzahligen Vielfachen der Einzellinsen einnimmt. Auf der Linsenmatrix (bzw. in der in der Ebene der Linsenmatrix) liegt also bevorzugt eine Anzahl von sphärischen und/oder zylindrischen Linsen vor (weitere Linsen), die größer sind als eine Gruppe anderer Linsen der Linsenmatrix (Einzellinsen). Bevorzugt sind die größeren Linsen um einen (insbesondere ganzzahligen) Faktor von 2 oder mehr größer als die anderen Linsen der Linsenmatrix, zumindest in einer Dimension der Linsenmatrix.It is preferred that the additional lens takes the place of an integer multiple of the individual lenses in relation to the grid of the lens matrix. On the lens matrix (or in the plane of the lens matrix) there is preferably a number of spherical and/or cylindrical lenses (additional lenses) which are larger than a group of other lenses in the lens matrix (individual lenses). The larger lenses are preferably larger by a factor (in particular an integer) of 2 or more than the other lenses of the lens matrix, at least in one dimension of the lens matrix.
Es sollte dazu beachtet werden, dass eine Zylinderlinse verglichen mit sphärischen Linsen nicht zwingend zu einer höheren Ortsauflösung beiträgt, obwohl es in einer Flächendimension des Bildsensors durchaus der Fall sein kann. Während die ersten Abbildungen der sphärischen Linsen der Linsenmatrix beispielsweise eine Auflösung von z.b: 300x300 Pixeln auf dem Bildsensor haben, werden diese ersten Abbildungen nur mit 1 Spektralfilter pro Linse abgebildet. Die Zylinderlinse kann dagegen z.B. eine (Orts-)Auflösung von 300x1 Pixel haben (eine Flächendimension des Bildsensors), aber mit vielen (z.B. 6000) spektralen Kanälen (in der anderen Flächendimension des Bildsensors). Es kann selbstverständlich mehr als eine Zylinderlinse geben. Selbstverständlich muss die Zylinderlinse keine exakte Kreisbahn als Mantelfläche haben. Die Linsenoberfläche könnte durchaus die Extrusion einer anderen Kurve darstellen z.B. einer Ellipse. Die Zylinderlinse kann vorteilhaft Zur besseren Interpolation des Spektrums der Einzellinsen genutzt werden, sie kann aber auch einen anderen Bildausschnitt abbilden, z.B. um das Umgebungslicht aufzunehmen. Hierdurch kann z.B. die Änderung des Umgebungslichts im Spektrum korrigiert werden.It should be noted that a cylindrical lens does not necessarily contribute to a higher spatial resolution compared to spherical lenses, although this may well be the case in one surface dimension of the image sensor. While the first images of the spherical lenses of the lens matrix have a resolution of e.g. 300x300 pixels on the image sensor, these first images are only imaged with 1 spectral filter per lens. The cylindrical lens, on the other hand, can have a (spatial) resolution of 300x1 pixels (one surface dimension of the image sensor), but with many (e.g. 6000) spectral channels (in the other surface dimension of the image sensor). There can of course be more than one cylindrical lens. Of course, the cylindrical lens does not have to have an exact circular path as the lateral surface. The lens surface could well represent the extrusion of another curve, e.g. an ellipse. The cylindrical lens can be used to advantage for better interpolation of the spectrum of the individual lenses, but it can also display a different image section, e.g. to record the ambient light. This can be used, for example, to correct the change in the ambient light in the spectrum.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das optische Abbildungssystem eine Optik, bevorzugt eine Zoomoptik, zwischen Linsenmatrix und Bildsensor welche dazu ausgestaltet ist, Abbildungen zumindest eines Teils der Linsen der Linsenmatrix zu unterschiedlichen Aufnahmezeiten in einer unterschiedlichen Größe darzustellen und/oder unterschiedlich große Bereiche des Motivs in Form unterschiedlicher Abbildungen darzustellen. Dabei ist eine Zoomoptik je nach Anwendungsfall bevorzugt zum Zoom aller Abbildungen ausgelegt (wirkt also für die Abbildungen aller Linsen der Linsenmatrix) oder bevorzugt zum Zoom eines Teils der Abbildungen ausgelegt (wirkt also für die Abbildungen eines Teils der Linsen der Linsenmatrix). Die Linsen der Zoomoptik gehören also zu den weiteren Linsen. Bei der ersten Alternative werden bevorzugt die größer aufgenommenen Aufnahmen (zu einem anderen Zeitpunkt aufgenommen als kleiner aufgenommenen erste Abbildungen) als zweite Abbildungen betrachtet. Bei der zweiten Alternative werden bevorzugt diejenigen Aufnahmen, die mit der Zoomoptik gezoomt werden können, als zweite Abbildungen betrachtet. Diese Ausführungsform ermöglicht unterschiedliche Aufnahmemodi der ersten und zweiten Abbildungen (der Ortsrasterbilder und der Spektralbilder).According to a preferred embodiment, the optical imaging system includes optics, preferably zoom optics, between the lens matrix and the image sensor, which is designed to display images of at least some of the lenses of the lens matrix at different recording times in a different size and/or different-sized areas of the subject in shape display different images. Depending on the application, zoom optics are preferably designed to zoom all images (i.e. it affects the images of all lenses in the lens matrix) or preferably to zoom some of the images (i.e. it affects the images of some of the lenses in the lens matrix). The lenses of the zoom optics therefore belong to the other lenses. In the first alternative, the larger images (taken at a different point in time than the smaller first images) are preferably considered as second images. In the second alternative, those recordings that can be zoomed with the zoom optics are preferably considered as second images. This embodiment enables different recording modes of the first and second images (the spatial grid images and the spectral images).
Die Zoomoptik ist bevorzugt so ausgestaltet, dass sie den Winkel des Filters nachführt. Je nach Art der Zoomoptik bzw. der Art des Zoomens könnte der Fall auftreten, dass „Lücken“ im gemessenen Spektrum entstehen, die ggf. nicht gleichmäßig verteilt sind. Hier wirkt sich eine Nachführung vorteilhaft aus, die bevorzugt eine laterale Bewegung parallel zur Filterebene und/oder eine Drehung um die Flächennormale der Filterebene bzw. um die optische Achse der Kamera umfasst. Im Grunde sind aber auch laterale Bewegungen in andere Richtungen und/oder Drehungen des Filterelements um andere Achsen zur Nachführung möglich. Wird der Filter in dem oben geschilderten Beispielfall z.B. um die optische Achse (bzw. innerhalb der Ebene in der der Filter liegt) gedreht, wird der Nachteil der „Lücken“ kompensiert. In dem Fall, in dem eine feste Beziehung zwischen Vergrößerungsmaßstab der Zoomoptik und dem Winkel des Filters vorliegt, ist es bevorzugt, dass der Drehwinkel des Filterelements über eine mechanische oder elektronische Kompensationseinheit (z.B, eine mechanische Verbindung zur Zoomoptik) automatisch nachgeführt wird. Die Nachführung umfasst also insbesondere eine Ausführungsform, bei der der Winkel des Filterelements zu seiner Flächennormalen (bzw. zur optischen Achse des Multilinsen-Kamerasystems) nicht fest ist, sondern einstellbar gestaltet ist und besonders bevorzugt von der Einstellung des optischen Abbildungssystems abhängt bzw. in Abhängigkeit der Einstellung des optischen Abbildungssystems regelbar ist.The zoom optics are preferably designed in such a way that they track the angle of the filter. Depending on the type of zoom optics or the type of zooming, there could be "gaps" in the measured spectrum that may not be evenly distributed. A tracking that preferably includes a lateral movement parallel to the filter plane and/or a rotation about the surface normal of the filter plane or about the optical axis of the camera has an advantageous effect here. In principle, however, lateral movements in other directions and/or rotations of the filter element around other axes for tracking purposes are also possible. If the filter in the example described above is rotated around the optical axis (or within the plane in which the filter is located), the disadvantage of the "gaps" is compensated. In the case where there is a fixed relationship between the magnification scale of the zoom optics and the angle of the filter, it is preferred that the angle of rotation of the filter element is automatically tracked via a mechanical or electronic compensation unit (e.g., a mechanical connection to the zoom optics). The tracking thus includes in particular an embodiment in which the angle of the filter element to its surface normal (or to the optical axis of the multi-lens camera system) is not fixed, but is designed to be adjustable and particularly preferably depends or is dependent on the setting of the optical imaging system the setting of the optical imaging system can be regulated.
In dem Fall, in dem das Multilinsen-Kamerasystem die vorangehend beschriebene Optik zwischen Linsenmatrix und Bildsensor enthält, liegt in der Regel automatisch der Fall vor, dass diese eine andere Brennweite aufweist als die Einzellinsen der Linsenmatrix und dass sich zweite Abbildungen von den ersten Abbildungen zumindest in einer Flächendimension des Bildsensors bezüglich der Größe und/oder bezüglich der vor dem Filterelement vorliegenden Bildinformation des Motivs unterscheiden, da diese zu unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten vergrößert oder verkleinert werden können. Diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung könnte also zusammenfassend wie folgt dargestellt werden:
- Multilinsen-Kamerasystem zur hyperspektralen Aufnahme von Bildern umfassend einen flächigen Bildsensor, ein ortssensitives spektrales Filterelement und ein Abbildungssystem, wobei das Abbildungssystem eine flächige Linsenmatrix mit einer Vielzahl von Einzellinsen umfasst, welche so angeordnet sind, dass sie zu einem ersten Aufnahmezeitpunkt eine Vielzahl von rasterförmig angeordneten ersten Abbildungen eines Motivs in einem ersten Bereich auf dem Bildsensor erzeugen, und zusätzlich eine Optik, bevorzugt eine Zoomoptik, zwischen Linsenmatrix und Bildsensor (als weitere Linsen) umfasst,
- Multi-lens camera system for hyperspectral recording of images, comprising a flat image sensor, a location-sensitive spectral filter element and an imaging system, the imaging system comprising a flat lens matrix with a large number of individual lenses, which are arranged in such a way that at a first recording time they have a large number of lenses arranged in a grid generate first images of a motif in a first area on the image sensor, and additionally includes optics, preferably zoom optics, between the lens matrix and image sensor (as further lenses),
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Filterelement einen Mosaik-Filter, welcher insbesondere in Verwendung zusammen mit einer Zoomoptik Vorteile bietet. Bevorzugt ist das Mosaik des Mosaik-Filters so angeordnet, dass große Wellenlängenschritte innen sind, währen kleinere Intervalle außen sind. Bei einer bevorzugten Form des Mosaik-Filters ist ein Farbmosaik, insbesondere ein Farbglasmosaik, auf einer Seite eines Substrats, bevorzugt Glas, aufgebracht, insbesondere aufgedampft. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist auf der Vorderseite eines Substrats das Filterelement (ein Mosaik-Filter oder ein anderer Filter) aufgebracht und auf der Rückseite des Substrats die Linsenmatrix (z.B. aufgeprägt). Bevorzugt transmittiert ein Mosaik-Filter für jede Einzellinse eine andere Wellenlänge.According to a preferred embodiment, the filter element comprises a mosaic filter, which offers advantages in particular when used together with zoom optics. Preferably, the mosaic of the mosaic filter is arranged such that large wavelength steps are on the inside while smaller intervals are on the outside. In a preferred form of the mosaic filter, a colored mosaic, in particular a colored glass mosaic, is applied, in particular vapor-deposited, to one side of a substrate, preferably glass. According to an advantageous embodiment, the filter element (a mosaic filter or another filter) is applied to the front side of a substrate and the lens matrix (e.g. embossed) on the back side of the substrate. A mosaic filter preferably transmits a different wavelength for each individual lens.
Bei dem Filterelement ist bevorzugt (insbesondere bei einer Ausführung als Mosaik-Filter), dass es in dem Abbildungsbereich einer weiteren Linse auf dem Bildsensor durchsichtig gestaltet ist, und bevorzugt dort ein durchsichtiges Element im Filterelement vorliegt.In the case of the filter element, it is preferred (in particular when designed as a mosaic filter) that it is designed to be transparent in the imaging area of a further lens on the image sensor, and that there is preferably a transparent element in the filter element.
Gemäß einer bevorzugten Alternative oder Ergänzung ist dieses Abbildungssystem dazu ausgestaltet, Abbildungen zumindest eines Teils der Linsen der Linsenmatrix zu unterschiedlichen Aufnahmezeiten in einer unterschiedlichen Größe darzustellen. Diese Ausführungsform kann insbesondere mit der vorgenannten Zoomoptik realisiert werden. Zu einem ersten Aufnahmezeitpunkt wird das gesamte Motiv aufgenommen. Man erhält mittels des Linsenrasters eine Vielzahl von Abbildungen des Motivs mit einer vergleichsweise geringen Ortsauflösung aber dafür mit einer hohen spektralen Auflösung (aufgrund der hohen Anzahl der Spektralbilder). Zu einem zweiten Aufnahmezeitpunkt (der vor oder nach dem ersten Aufnahmezeitpunkt liegen kann), wird ein größeres, höheraufgelöstes Bild des Motivs (zweite Abbildung) aufgenommen. Die Abbildungsoptik ist also so beschaffen, dass die einzelnen Abbildungen auf dem Bildsensor beim zweiten Aufnahmezeitpunkt größer sind als beim ersten Aufnahmezeitpunkt (wobei bevorzugt das gesamte Motiv in jeder Abbildung abgebildet wird). Hierbei werden natürlich die Abbildungen einiger Linsen der Linsenmatrix nicht mehr vom Bildsensor registriert. Man erhält somit Ortsrasterbilder (die Aufnahmen mit höherer Ortsauflösung) und Spektralbilder (die Aufnahmen mit niedrigerer Ortsauflösung).According to a preferred alternative or supplement, this imaging system is designed to display images of at least some of the lenses of the lens matrix at different recording times in a different size. This embodiment can be realized in particular with the aforementioned zoom optics. The entire motif is recorded at a first recording time. By means of the lenticular grid, a large number of images of the motif are obtained with a comparatively low spatial resolution but with a high spectral resolution (due to the large number of spectral images). At a second capture time (which may be before or after the first capture time), a larger, higher-resolution image of the subject (second image) is captured. The imaging optics are thus designed in such a way that the individual images on the image sensor are larger at the second recording time than at the first recording time (with the entire motif preferably being imaged in each image). Of course, the images of some lenses in the lens matrix are no longer registered by the image sensor. One thus obtains spatial grid images (the recordings with a higher spatial resolution) and spectral images (the recordings with a lower spatial resolution).
Alternativ oder ergänzend ist das Abbildungssystem dazu ausgestaltet, unterschiedlich große Bereiche des Motivs in unterschiedlichen Abbildungen darzustellen. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Abbildungsoptik so beschaffen ist, dass einzelnen Linsen der Linsenmatrix eine individuelle Zoomoptik zugeordnet wird, wobei die unterschiedlichen Zoomoptiken so ausgestaltet sind, dass jeweils in unterschiedliche Bereiche des Motivs gezoomt wird. Beispielsweise können vier Linsen einer uniformen Linsenmatrix so mit einer Abbildungsoptik versehen sein, dass die Abbildung der einen Linse das rechte untere Viertel des Motivs vergrößert in ihrer jeweiligen Abbildung auf dem Bildsensor anzeigt, die zweite Linse das rechte obere Viertel, und die beiden anderen Linsen jeweils das linke untere und obere Viertel. Aus den Vierteln (vier Ortsrasterbilder) ergibt sich insgesamt dann das gesamte Motiv in einer höheren Ortsauflösung während die übrigen Abbildungen der Linsenmatrix auf dem Bildsensor als Spektralbilder der ersten Abbildungen zugeordnet werden.Alternatively or additionally, the imaging system is designed to display areas of the motif of different sizes in different images. This is preferably achieved in that the imaging optics are designed in such a way that individual lenses of the lens matrix are assigned individual zoom optics, the different zoom optics being designed in such a way that different areas of the subject are zoomed in each case. For example, four lenses of a uniform lens matrix can be provided with imaging optics in such a way that the image of one lens shows the lower right quarter of the motif enlarged in its respective image on the image sensor, the second lens shows the upper right quarter, and the other two lenses each the lower left and upper quarter. From the quarters (four spatial grid images), the entire motif then results in a higher spatial resolution, while the remaining images of the lens matrix on the image sensor are assigned to the first images as spectral images.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das optische Abbildungssystem, bevorzugt die Linsenmatrix, als weitere Linse eine Zylinderlinse, z.B. in deren obersten Zeile. Das Multilinsen-Kamerasystem ist dabei bevorzugt so ausgestaltet, dass derjenige Teil des Bildsensors, auf dem die Abbildung der Zylinderlinse erzeugt wird, unabhängig vom übrigen Teil des Bildsensors ausgelesen werden kann. Damit kann der Sensor-Readout auf die Abbildung der Zylinderlinse beschränkt werden, was den Vorteil hat, dass die Ausleserate erhöht wird, da der übrige Teil des Bildsensors in diesem Fall nicht mehr ausgelesen wird. Damit kann das Multilinsen-Kamerasystem auf einfache Weise als Linienscanner mit einer hohen Ausleserate eingesetzt werden, z.B. zur Erkennung von Produkten in einer Produktionslinie.According to a preferred embodiment, the optical imaging system, preferably the lens matrix, comprises a cylindrical lens as a further lens, e.g. in its top row. The multi-lens camera system is preferably designed in such a way that that part of the image sensor on which the image of the cylindrical lens is generated can be read out independently of the remaining part of the image sensor. This allows the sensor readout to be limited to the image of the cylindrical lens, which has the advantage that the readout rate is increased, since the remaining part of the image sensor is no longer read out in this case. This means that the multi-lens camera system can easily be used as a line scanner with a high read rate, e.g. to identify products in a production line.
In dem Fall, in dem das Multilinsen-Kamerasystem eine Zylinderlinse als weitere Linse umfasst, liegt automatisch der Fall vor, dass diese eine Brennlinie aufweist, und dass sich ihre zweite Abbildung von den ersten Abbildungen zumindest in einer Flächendimension des Bildsensors bezüglich der vor dem Filterelement vorliegenden Bildinformation des Motivs unterscheidet. Diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung könnte also zusammenfassend wie folgt dargestellt werden:
- Multilinsen-Kamerasystem zur hyperspektralen Aufnahme von Bildern umfassend einen flächigen Bildsensor, ein ortssensitives spektrales Filterelement und ein Abbildungssystem, wobei das Abbildungssystem eine flächige Linsenmatrix mit einer Vielzahl von Einzellinsen umfasst, welche so angeordnet sind, dass sie zu einem ersten Aufnahmezeitpunkt eine Vielzahl von rasterförmig angeordneten ersten Abbildungen eines Motivs in einem ersten Bereich auf dem Bildsensor erzeugen, und zusätzlich eine Zylinderlinse als weitere Linse umfasst, die in der Ebene der Linsenmatrix, insbesondere auf der Linsenmatrix, vor der Linsenmatrix oder zwischen Linsenmatrix und Bildsensor angeordnet ist und dazu ausgestaltet ist, in einem zweiten Bereich des Bildsensors eine zweite Abbildung des Motivs auf dem Bildsensor zu erzeugen.
- Multi-lens camera system for hyperspectral recording of images, comprising a flat image sensor, a location-sensitive spectral filter element and an imaging system, the imaging system comprising a flat lens matrix with a large number of individual lenses, which are arranged in such a way that at a first recording time they have a large number of lenses arranged in a grid generate first images of a motif in a first area on the image sensor, and additionally comprises a cylindrical lens as a further lens, which is arranged in the plane of the lens matrix, in particular on the lens matrix, in front of the lens matrix or between the lens matrix and image sensor and is designed to a second area of the image sensor to generate a second image of the motif on the image sensor.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Multilinsen-Kamerasystem eine Verarbeitungseinheit, welche dazu ausgestaltet ist, die ersten Abbildungen mit einer zweiten Abbildung zu überlagern und/oder zu registrieren und/oder entsprechende Bildbereiche der ersten Abbildungen mit einer zweiten Abbildung miteinander datentechnisch zu verknüpfen, wobei die Verarbeitungseinheit insbesondere dazu ausgestaltet ist, spektrale Daten von Bildpunkten der zweiten Abbildung durch spektrale Daten basierend auf den ersten Abbildungen zu ergänzen und/oder Bildpunkten der ersten Abbildungen durch räumliche Daten der zweiten Abbildung zu ergänzen.According to a preferred embodiment, the multi-lens camera system comprises a processing unit which is designed to superimpose and/or register the first images with a second image and/or to link corresponding image areas of the first images with a second image with one another using data technology, with the Processing unit is configured in particular to supplement spectral data from pixels of the second image with spectral data based on the first images and/or to supplement pixels of the first images with spatial data of the second image.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Filterelement einen linearvariablen Filter mit Filterlinien („Verlaufsfilter“), welcher bevorzugt im Hinblick auf die Ausrichtung der Filterlinien bezüglich der Linsenmatrix in einem Winkel zwischen 1° und 45° verdreht ist. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Filterelement eine Filtermatrix, besonders bevorzugt einen Mosaik-Filter. Wie oben bereits gesagt ist der Mosaik-Filter insbesondere für die Zoomoptik von Vorteil. Allen Filtern ist gemein, dass zumindest jeweils jeder ersten Abbildung (also der in der Regel jedem Bild der Vielzahl von Einzellinsen) eine unterschiedliche Filtercharakteristik, in der Regel ein jeweils anderer Spektralbereich, zugeordnet wird.According to a preferred embodiment, the filter element comprises a linearly variable filter with filter lines (“gradient filter”), which is preferably rotated at an angle of between 1° and 45° with regard to the alignment of the filter lines with respect to the lens matrix. Alternatively or additionally, the filter element comprises a filter matrix, particularly preferably a mosaic filter. As mentioned above, the mosaic filter is particularly advantageous for zoom optics. What all filters have in common is that at least each first image (that is, generally each image of the multiplicity of individual lenses) is assigned a different filter characteristic, generally a different spectral range in each case.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Multilinsen-Kamerasystem eine Aperturmaske zwischen Linsenmatrix und Bildsensor, wobei Aperturen auf der Aperturmaske entsprechend den Linsen der Linsenmatrix positioniert sind und die Aperturmaske so positioniert ist, dass Licht der Abbildungen der einzelnen Linsen durch Aperturen der Aperturmaske tritt. Die Aperturmaske weist also das gleiche Muster wie die Linsenmatrix auf, wobei statt der Linsen dort Aperturen vorliegen. Ein optischer Abbildungssystem, z.B. eine Zoomoptik, ist bevorzugt zwischen Aperturmaske und Bildsensor positioniert. Die Aperturmaske verbessert die Abbildungen, da sie Streulicht herausfiltert.According to a preferred embodiment, the multi-lens camera system comprises an aperture mask between the lens matrix and the image sensor, with apertures on the aperture mask being positioned corresponding to the lenses of the lens matrix and the aperture mask being positioned such that light from the images of the individual lenses passes through apertures in the aperture mask. The aperture mask thus has the same pattern as the lens matrix, with apertures being present there instead of lenses. An optical imaging system, such as zoom optics, is preferably positioned between the aperture mask and the image sensor. The aperture mask improves the images because it filters out stray light.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird im Rahmen einer zweiten Abbildung (also mindestens einem Ortsrasterbild) eine panchromatische Bildaufnahme aufgenommen. Dabei werden bevorzugt an unterschiedlichen Positionen des Bildsensors (insbesondere gleichzeitig) und/oder zu unterschiedlichen Messzeiten mehrere panchomatische Aufnahmen unterschiedlicher Bereiche des Motivs und/oder mit unterschiedlicher spektraler Auflösung angefertigt. Bevorzugt wird eine panchromatische Bildaufnahme mit (hyperspektralen) Daten der ersten Aufnahmen überlagert. Dies hat den Vorteil dass damit eine neue Basis der Zuordnung dieser Daten geschaffen wird.According to a preferred embodiment of the method, a panchromatic image recording is recorded as part of a second image (ie at least one spatial grid image). In this case, multiple panchomatic recordings of different areas of the subject and/or with different spectral resolutions are preferably made at different positions of the image sensor (in particular simultaneously) and/or at different measurement times. A panchromatic image recording is preferably superimposed with (hyperspectral) data from the first recordings. This has the advantage that a new basis for the allocation of this data is created.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Daten einer zweiten Abbildung (mindestens einem Ortsrasterbild) mit den Daten der ersten Abbildungen (den Spektralbildern) zur Auswertung der Daten überlagert und/oder registiert und/oder miteinander in Beziehung gesetzt (s. obige Ausführungen zur Verarbeitungseinheit oder z.B. „Pan-sharpening“). Die zweite Abbildung kann durchaus auch von einer Zylinderlinse stammen.According to a preferred embodiment of the method, the data of a second image (at least one spatial grid image) is overlaid with the data of the first images (the spectral images) for the evaluation of the data and/or registered and/or related to one another (see above statements on the processing unit or e.g. "pan sharpening"). The second image can also come from a cylindrical lens.
Dabei werden die Daten einer zweiten Abbildung bevorzugt zu den folgenden Operationen als einzelne Operationen oder als kombinierte Operationen verwendet.
- - Extrapolation der spektralen Daten der ersten Abbildungen an verschiedenen räumlichen Positionen (unter Verwendung von höher auflösenden zweiten Abbildungen). Damit erhält man eine bessere räumliche Einordnung der spektralen Daten.
- - Ermittlung räumlich präzisierter Bezugspunkte. Dies ist vorteilhaft zur Erstellung von Geokoordinaten für hyperspektrale Karten.
- - Durchführung von Dimensionsmessungen an dem Motiv. Beispielsweise kann eine Längenmessung durchgeführt werden.
- - Ermittlung einer räumlichen Zuordnung mit höherer räumlicher Auflösung als die räumliche Zuordnung der spektralen Daten der ersten Abbildungen. Damit wird die räumliche Zuordnung der spektralen Daten verbessert.
- - Extrapolation of the spectral data of the first images at different spatial positions (using higher resolution second images). This gives a better spatial classification of the spectral data.
- - Determination of spatially precise reference points. This is advantageous for creating geo-coordinates for hyperspectral maps.
- - Carrying out dimensional measurements on the motif. For example, a length measurement can be carried out.
- - Determination of a spatial assignment with a higher spatial resolution than the spatial assignment of the spectral data of the first images. This improves the spatial assignment of the spectral data.
Die aufgenommenen Daten werden bevorzugt wie folgt verarbeitet. Dabei findet die Berechnung im Falle von Luftbildern bevorzugt auf einer Recheneinheit direkt im Fluggerät (z.B. einem Flugzeug, einer Drohne oder einem Satelliten) statt oder nachträglich auf einer Recheneinheit am Boden („Boden-PC“). Dies beinhaltet:
- a) Eine Verrechnung von ersten Aufnahmen mit einer zweiten Aufnahme, wobei die zweite Aufnahme insbesondere ein hochauflösendes Einzelkanalbild ist. Die Berechnung kann z.B. wie vorangehend beschrieben erfolgen.
- b) Eine optische Bildkorrektur (räumlich und spektral). Diese erfolgt bevorzugt unter Zuhilfenahme von Umgebungslichtsensoren, z.B. einer Photodiode oder einem Spektrometer.
- c) Eine Ermittlung von Objekteigenschaften und/oder eine Unterscheidung von Objekten Insbesondere aus den spektralen Informationen kann mittels einer angeschlossenen Recheneinheit Indexbasiert auf Objekteigenschaften wie die chemische Zusammensetzung des Objekts geschlossen werden oder mit Klassifikationsverfahren zwischen verschiedenen Substanzen und Objekten unterschieden werden. Bei der Klassifikation kann neben der spektralen Bildinformation insbesondere die Strukturinformation aus dem hochaufgelösten Sensorbild mitberücksichtigt werden.
- d) Eine Überlagerung von Bildsequenzen,
- - zur Erstellung einer Karte, z.B. einer geolokalisierten Messkarte, bevorzugt unter Zuhilfenahme der hochaufgelösten Bildinformation zur automatischen Erzeugung von eindeutigen Passpunkten zwischen überlappenden Bildern verschiedener Orte, welche eine automatisches Stitching der hochaufgelösten Bilddaten ermöglicht und so auch die Verortung der niedriger aufgelösten spektralen Information erlaubt. Hierbei kann die Verwendung von Positionierungsdaten (z.B. GPS-Daten oder Daten eines Beschleunigungssensors) hilfreich sein und die Genauigkeit des Stitchings erhöhen, was der Einordnung der Aufnahmen in eine (geografische) Karte an mit der Realität übereinstimmenden Positionen dient, und/oder
- - zur Berechnung eines hochauflösenden Bildes, welches insbesondere bei einem Zeilenscanner-Aufbau mit einer Zylinderlinse als eine weitere Linse vorteilhaft ist.
- a) Offsetting first recordings with a second recording, the second recording being in particular a high-resolution single-channel image. The calculation can take place, for example, as described above.
- b) An optical image correction (spatial and spectral). This is preferably done with the help of ambient light sensors, such as a photodiode or a spectrometer.
- c) Determination of object properties and/or differentiation of objects. In particular from the spectral information, index-based object properties such as the chemical composition of the object can be inferred using a connected processing unit, or different substances and objects can be differentiated using classification methods. In addition to the spectral image information, the structural information from the high-resolution sensor image can also be taken into account in the classification.
- d) A superimposition of image sequences,
- - to create a map, e.g. a geolocalized measurement map, preferably with the help of the high-resolution image information for the automatic generation of clear control points between overlapping images of different locations, which enables automatic stitching of the high-resolution image data and thus also allows the localization of the lower-resolution spectral information. The use of positioning data (eg GPS data or data from an acceleration sensor) can be helpful here and increase the accuracy of the stitching, which serves to classify the recordings in a (geographical) map at positions that correspond to reality, and/or
- - For the calculation of a high-resolution image, which is particularly advantageous in a line scanner structure with a cylindrical lens as a further lens.
Die Resultate z.B. berechnete Pflanzenschutzparameter, können dann auf der Rechnereinheit im Fluggerät oder dem Boden PC abgespeichert werden oder umgehend an eine ausführende Einheit, z.B. eine Landmaschine gesendet werden um geolokalisierte Arbeitsschritte (z.b.: Pflanzenschutz oder Düngung) auf Basis der soeben erhobenen Erkenntnisse der spektralen Messung durchzuführen.The results, e.g. calculated plant protection parameters, can then be stored on the computer unit in the aircraft or on the ground PC, or sent immediately to an executing unit, e.g to perform.
Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Abbildungen dargestellt.
-
1 zeigt schematisch ein Multilinsen-Kamerasystem gemäß dem Stand der Technik. -
2 zeigt schematisch ein Multilinsen-Kamerasystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. -
3 zeigt ein Beispiel für eine Anordnung von Abbildungen. -
4 zeigt schematisch ein Multilinsen-Kamerasystem gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. -
5 zeigt ein Beispiel für eine weitere Anordnung von Abbildungen. -
6 zeigt ein Beispiel für eine bevorzugte Linsenmatrix. -
7 zeigt ein weiteres Beispiel für eine bevorzugte Linsenmatrix. -
8 zeigt schematisch ein weiteres Multilinsen-Kamerasystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
-
1 shows schematically a multi-lens camera system according to the prior art. -
2 FIG. 1 shows schematically a multi-lens camera system according to a preferred embodiment of the invention. -
3 shows an example of an arrangement of images. -
4 shows schematically a multi-lens camera system according to a further preferred embodiment of the invention. -
5 shows an example of another arrangement of images. -
6 shows an example of a preferred lens array. -
7 shows another example of a preferred lens array. -
8th shows schematically another multi-lens camera system according to a preferred embodiment of the invention.
Zur Verbesserung der Qualität der ersten Abbildungen AS ist eine Aperturmaske 5 zwischen Bildsensor 3 und Linsenmatrix 2 angeordnet. Jede Apertur 5a der Aperturmaske 5, ist einer Einzellinse 2a zugeordnet und genau hinter dieser angeordnet. Zum Erhalt der spektralen Informationen ist ein Filterelement 4 zwischen Aperturmaske 5 und Bildsensor 3 angeordnet. Dieses Filterelement 4 kann in anderen Ausführungen auch vor der Linsenmatrix angeordnet sein (s. z.B.
Durch diese größere weitere Linse 2b ist das Multilinsen-Kamerasystem 1 dazu in der Lage, bei unveränderter Positionierung des Multilinsen-Kamerasystems 1 zum Motiv M (s.
Da der Bildsensor 3 eine homogene Pixelverteilung hat, zeigen die zweite Abbildung AO und die ersten Abbildungen AS zwar dasselbe Motiv M in unterschiedlichen Bereichen des Bildsensors, jedoch hat das Ortsrasterbild (zweite Abbildung AO) die vierfache Ortsauflösung verglichen mit den Spektralbildern (erste Abbildungen AS).Since the
Bei der linken Aufnahme ist die Abbildungsoptik 6 so eingestellt, dass zwar das gesamte Motiv M aufgenommen wird, aber nicht alle Bilder der Abbildungsoptik auf den Bildsensor „passen“ (gestrichelter Rand). Hier haben die einzelnen Abbildungen eine vergleichsweise große Ortsauflösung, da vergleichsweise viele Pixel des Bildsensors von einem Bild überdeckt werden. Diese Aufnahmen können als zweite Abbildungen AO angesehen werden.In the picture on the left, the imaging optics 6 are adjusted in such a way that the entire motif M is recorded, but not all images of the imaging optics "fit" on the image sensor (dashed edge). Here, the individual images have a comparatively high spatial resolution, since a comparatively large number of pixels of the image sensor are covered by one image. These recordings can be viewed as second images AO.
Bei der rechten Aufnahme ist die Abbildungsoptik 6 so eingestellt, dass alle Abbildungen der Linsenmatrix auf den Bildsensor „passen“. Demzufolge sind sie kleiner als die Aufnahmen in der linken Darstellung und haben auch eine geringere Ortsuflösung. Diese Aufnahmen können als erste Abbildungen AS angesehen werden.In the picture on the right, the imaging optics 6 are set in such a way that all images of the lens matrix “fit” on the image sensor. As a result, they are smaller than the images in the illustration on the left and also have a lower spatial resolution. These recordings can be viewed as the first images AS.
Zum einen gibt es zwei Linsenmatrizen 2, eine flächige Linsenmatrix 2 aus gleichförmigen Einzellinsen 2a und eine Linsenmatrix 2 mit einer größeren weiteren Linse 2b, welches etwas weiter vom Bildsensor 3 entfernt ist.On the one hand there are two
Zum zweiten ist das Filterelement 4 vor den beiden Linsenmatrizen 2 angeordnet.Secondly, the
Zum dritten ist das Filterelement 4 ein Mosaikfilter, welcher für jede Einzellinse eine andere Wellenlänge transmittiert (durch die durchsichtigen Kästen im Filterelement 4 angedeutet). Vor der weiteren Linse 2b befindet sich bevorzugt ein durchsichtiges Element im Filterelement 4, was dort durch den größeren durchsichtigen Kasten angedeutet ist.Thirdly, the
Abschließend wird angemerkt, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel, wie z.B. „ein“ oder „eine“, nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. So kann „ein“ auch als „mindestens ein“ gelesen werden. Begriffe wie „Einheit“ oder „Vorrichtung“ schließen nicht aus, dass die betreffenden Elemente aus mehreren zusammenwirkenden Komponenten bestehen können, die nicht unbedingt in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, auch wenn der Fall eines umfassenden Gehäuses bevorzugt ist. Im Bereich der Optik kann insbesondere das Element der Linse aus einer einzelnen Linse oder einem System von Linsen oder einem Objektiv bestehen ohne dass dies einer genauen Differenzierung bedarf.Finally, it is noted that the use of the indefinite article, such as "a" or "an", does not rule out the possibility that the relevant characteristics can also be present more than once. So "a" can also be read as "at least one". Terms such as "unit" or "device" do not exclude that the elements in question can consist of several cooperating components, which are not necessarily housed in a common housing, although the case of a comprehensive housing is preferred. In the field of optics, in particular, the element of the lens can consist of a single lens or a system of lenses or an objective without this requiring precise differentiation.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Multilinsen-KamerasystemMulti-lens camera system
- 22
- Linsenmatrixlens matrix
- 2a2a
- Einzellinsesingle lens
- 2b2 B
- Weitere LinseMore lens
- 33
- Bildsensorimage sensor
- 44
- Filterelementfilter element
- 55
- Aperturmaskeaperture mask
- 5a5a
- Aperturaperture
- 66
- Abbildungsoptikimaging optics
- ASAS
- Erste AbbildungFirst figure
- AOoh
- Zweite AbbildungSecond figure
- MM
- Motivmotive
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019008472.1A DE102019008472B4 (en) | 2019-01-18 | 2019-01-18 | Multi-lens camera system and method for hyperspectral imaging |
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