DE3819828A1 - Strahlenteilung fuer opto-elektronische bildaufnahme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die opto- elektronische Bildaufnahme vorzugsweise mit linearen Zeilensensoren, die nach dem sog. "Push-broom" - oder "Whisk-broom"-Verfahren das Objekt zeilenweise abtasten. Die Zeilensensoren bestehen oft aus Einzeldetektoren, die in einer Reihe angeordnet sind.

Für hohe geometrische Auflösungen besteht der Bedarf nach einer entsprechend großen Zahl der diskreten Detektorelemente. Aus verschiedenen, hier nicht weiter zu erörternden Gründen stehen jedoch für gewisse Aufgabenstellungen keine Sensoren mit genügend großer Detektorzahl zur Verfügung. Dieses Problem kann nach dem Stand der Technik auf verschiedene Weise gelöst werden.

Eine Möglichkeit besteht darin, im Strahlengang des Aufnahme­ objektives halbdurchlässige Strahlenteiler anzuordnen und in den so entstehenden Bildebenen mehrere Detektoren anzuordnen, die das Bild abtasten (siehe O. Hofmann: Digitale Aufnahme­ technik, Bildmessung und Luftbildwesen 50 (1982) Heft 1, S. 22, 23). Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß mindestens 50% der Strahlungsleistung durch den Strahlenteiler verloren geht.

Eine zweite Möglichkeit besteht darin, zwei oder mehr Objektive mit parallelen optischen Achsen zu benützen, die in ihren Bildebenen identische Bilder erzeugen, die mit mehreren Sen­ soren abgetastet werden (siehe Deutsche Patentschrift Nr. DE 27 29 291 C2, Photoelektrischer Bildwandler).

Der im ersten Beispiel entstehende Strahlungsverlust wird hierbei vermieden. Aber durch das zweite Objektiv entstehen zusätzlicher Aufwand, größere Gerätedimensionen und höheres Gewicht, was besonders bei aufwendigen und großen optischen Systemen nachteilig ist.

Daher besteht der Bedarf mit nur einem optischen Hauptsystem und ohne oder nur geringen Strahlungsverlusten durch Einsatz mehrerer Sensoren mit beschränkter Detektorzahl das Bild ab­ zutasten, wobei die grundlegende Forderung besteht, daß dies lückenlos und überdeckungsfrei geschieht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in der Bildebene des optischen Aufnahmesystems oder in der unmittel­ baren Nähe dieser Bildebene zwei oder mehrere Reflexions­ flächen angeordnet sind, die das in dieser Bildebene ent­ stehende Bild in Teilbilder teilt und über entsprechend zuge­ ordnete Relais-Optiken entsprechende Teilbilder erzeugt, die von entsprechenden Sensoren abgetastet werden.

Für die technische Realisierung dieses Grundgedankens ist es erforderlich, daß die Reflexionsflächen so angeordnet und ausgebildet sind, daß sie technisch herstellbar sind und daß eine saubere Trennung der Teilstrahlengänge ohne gegenseitige Störungen stattfindet und keine oder nur geringe Strahlungs­ verluste durch Pupillenbeschneidung entstehen. Vollkommen streng und ohne Pupillenbeschneidung funktioniert diese Lösung nur, wenn nach den "Push-broom"- oder "Whisk-broom"-Verfahren das Bild zeilenförmig abgetastet wird und demzufolge in der Bildebene nur eine Bildzeile abzutasten ist. Je größer die Ausdehnung des abzutastenden Bildes quer zu dieser Zeile ist, um so stärker werden die das Bild bildenden Strahlen durch die benachbarten Reflexionsflächen beschnitten, wodurch ein entsprechender Strahlungs- bzw. Lichtverlust in den Randzonen der Teilbilder entsteht, der aber ggf. durch radiometrische Kalibrierungs- und Korrekturmaßnahmen kompensiert werden kann.

Die Abb. 1 bis 3 erläutern die Funktionsprinzipien. Die Abb. 1 stellt ein System mit zwei Teilabschnitten eines Systems mit zeilenförmiger Abtastung nach dem Push-broom- Prinzip in Grund-, Auf- und Seitenriß dar, wobei die Spiegel­ normalen der Reflexionsflächen stets senkrecht auf den in die Reflexionsflächen abgebildeten Sensorzeilen stehen.

Die Abb. 2 zeigt in einer Variante des in Abb.1 dargestellten Systems einen dreiteiligen Strahlenteiler.

Die Abb. 3 zeigt ebenfalls ein System mit zwei Teilabschnitten mit zeilenförmiger Abtastung nach dem Push-broom-Prinzip, wobei die Spiegelnormalen der Reflexionsflächen mit den Sensorzeilen bzw. ihren jeweils in die Bildebene des Aufnahmeobjektives abge­ bildeten Bildern in einer Ebene liegen.

In der Abb. 1 erzeugt das optische Hauptsystem (1) in der Hauptbildebene bzw. im Fokalpunkt (6) ein Bild, das an zwei Reflexionsflächen (5) und (7) reflektiert wird. Diese Re­ flexionsflächen kreuzen sich unter einem bestimmten Winkel (im vorliegenden Beispiel der Abb. 1 beträgt dieser Winkel 90°), wobei die Spiegelnormalen der Reflexionsflächen in einer Ebene liegen. Die durch den Kreuzungsschnitt der Re­ flexionsflächen gebildete und in den Reflexionsflächen liegende Gerade enthält den Fokalpunkt (6) und steht senk­ recht auf der optischen Achse des optischen Hauptsystems (1).

Die durch die zwei Reflexionsflächen geteilten Teilbilder werdem jeweils über die beiden Relais-Objektive (4) bzw. (8) in deren Bildebenen (3) bzw. (9) abgebildet, wo sie von den Sensoren (3) bzw. (9) abgetastet werden. Die entsprechenden Sensorträger (2) bzw. (10) können z.B. Kühlkörper (Dewars) für die Kühlung von Infrarot-Detektoren sein.

Diese Sensoren (3) bzw. (9) können z.B. aus linearen Zeilen­ sensoren bestehen, die jeweils eine gewisse Zahl von Einzel- Detektoren enthalten, die die in diese Sensorzeile abgebilde­ ten Bildpunkte abtasten. Die Zeilensensoren (3) bzw. (9) sind jeweils so ausgerichtet und fokussiert, daß ihre über die Relaisoptiken in die Reflexionsflächen (5) bzw. (7) abge­ bildeten Bilder (11) bzw. (12) mit der durch den Kreuzungs­ bzw. Fokalpunkt (6) verlaufenden Schnittlinie der Reflexions­ flächen zusammenfallen und somit die Gesamtbildzeile in ihren einzelnen Teilabschnitten von den zugeordneten Sensoren abge­ tastet werden.

In Abb. 1 sind die Reflexionsflächen (5) und (7) des Strahlen­ teilers als oberflächenverspiegelte Prismenflächen dargestellt.

Diese Ausbildung des Strahlenteilers kann ggf. dazu führen, daß Verunreinigungen auf der in der Hauptbildebene liegenden Reflexionsflächen zu Bildstörungen führen.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, kann man den Strahlenteiler so ausbilden, wie er in Abb. 2 dargestellt ist. Die verspie­ gelten Prismenflächen (14) und (16) der Prismen (19) bzw. (23) sind dort durch Prismen (22) und (21) abgedeckt und zu Würfeln ergänzt. Durch Aneinanderreihung mehrerer derartiger Reflexionswürfel kann die Hauptbildzeile soweit verlängert und in Teilbildabschnitte zerlegt werden, wie es der Bild­ winkel des optischen Systems (1) zuläßt.

In Abb. 2 sind 3 derartige Würfel zusammengefügt, wobei der mittlere Würfel (20) ohne Reflexionsfläche ist und den direkten, unreflektierten Strahlendurchgang für den mittleren Bildzeilen­ abschnitt zuläßt, dessen Bild von einem hinter dem Strahlen­ teiler in Richtung (17) liegenden (nicht dargestellten Sensor) abgetastet wird.

Dieser Strahlenteiler, in den aus Richtung (13) die Strahlen vom optischen Hauptsystem einfallen, teilt die Bildzeile so­ mit in 3 Teilbilder, wobei die Reflexionsflächen (14) und (16) die Strahlen in die Richtungen (18) bzw. (15) zu entsprechenden Sensoren ablenken.

Die einzelnen benachbarten Teile und Würfel des Strahlen­ leiters müssen durch Kitt oder Ansprengen so aneinander gefügt sein, daß ein ungehinderter Strahlenfluß über die Trennflächen möglich ist. Damit wird ein Pupillenbe­ schnitt vermieden.

Die Breite b der beiden äußeren Prismenwürfel muß, um diesen Pupillenbeschnitt zu vermeiden entsprechend größer sein.

Die Abb. 3 stellt eine weitere Ausbildungsform des Strahlen­ teilers dar. In diesem Fall ist ein Strahlenteilerprisma (25) so angeordnet, daß seine Dachkante im Brennpunkt (6) des optischen Hauptsystems (1) und rechtwinkelig zu dessen optischer Achse liegt. Diese Dachkante teilt das Bild in zwei Teilabschnitte (11) und (12) und die Reflexionsflächen (24) und (26) reflektieren diese beiden Teilbilder, die jeweils von den Relais-Optiken (4) bzw. (8) auf die Zeilen- Sensoren (3) bzw. (9) abgebildet und von ihnen abgetastet werden. Diese Zeilensensoren sind so ausgerichtet und fokussiert, daß ihr jeweiliges Bild rechtwinklig zur Dachkante des Strahlenteilerprismas (25) steht und mit dem Fokuspunkt (6) bzw. der Dachkante zusammenfällt.

Während die erste, in den Abb. 1 und 2 dargestellte Lösung die Aufteilung der Hauptbildzeile in mehr als zwei Teilab­ schnitte erlaubt, ist bei der in Abb. 3 dargestellten Lösung die Aufteilung in nur zwei Abschnitte möglich. Diese Lösung hat allerdings den Vorteil, daß die Teilbilder (11) und (12) nicht auf den Reflexionsflächen (24) und (26) liegen und da­ her durch Verumreinigungen keine Bildstörungen auftreten können.

Auch bei der in Abb. 3 dargestellten Lösung ist es möglich, eine der beiden Reflexionsflächen (24) oder (26) wegfallen zu lassen und das entsprechende Teilbild mit den durchgehenden unreflektierten Strahlen über die nunmehr hinter dem Strahlen­ teilerprisma anzuordnende Relaisoptik auf den Zeilensensor abzubilden. Um Pupillenbeschneidungen zu vermeiden ist es zweck­ mäßig, wie in Abb. 2 dargestellt, sowohl die reflektierten als auch die gerade durchtretenden Strahlen durch Prismenwürfel zu leiten.

Die hier beschriebenen Lösungen der Aufteilung des Haupt­ bildes in Teilbilder gewährt einen weiteren Vorteil. In der Regel sind für derartig abtastende Systeme große Öffnungsver­ hältnisse erwünscht, um auch für große Objektentfernungen, z.B. für die militärische Aufklärung mit Infrarot- Detektoren, ein ausreichend großes Signal/Rauschver­ hältnis zu erlangen.

Die Vergrößerung der Öffnung bei gleicher Brennweite des Hauptsystems (1) und unveränderter, in der Regel vorgegebener Detektorgröße führt unter Umständen zu nicht akzeptablen großen Abbildungsfehlern in der Hauptbildebene. Um dieses Problem zu umgehen, kann man bei konstantem Öffnungsverhältnis

die Absolutwerte der ursprünglichen Öffnung D auf D′ und die ursprüngliche Brennweite F des Hauptsystems (1) auf F′ proportional vergrößern und diese Vergrößerung durch eine entsprechende Verkleinerung des Abbildungsmaßstabes β der Relaisoptiken wieder auf den ursprünglichen Wert

F = β F′

reduzieren. Unter Beibehaltung der vergrößerten Öffnung D′ erhält damit das Gesamtsystem das vergrößerte Öffnungs­ verhältnis

unter Beibehaltung der vorgegebenen Brennweite F und Detektor­ größe.

Diese vorstehend beschriebenen Lösungen der Bildteilung weisen folgende Vorzüge auf:

• a. Mit einem einzigen optischen Hauptsystem läßt sich, soweit es dessen Bildwinkel zuläßt, dessen Bild in mehrere Teilabschnitte unterteilen und von ent­ sprechenden, jeden Teilabschnitt zugeordneten Sensor beschränkter Detektorzahl abtasten.
• b. Die Bild- bzw. Strahlenteilung erfolgt ohne oder nur mit verhältnismäßig geringem Strahlungsverlust.
• c. Die Sensoren zur Abtastung der Teilbilder können in äußeren Abmessungen praktisch beliebig groß sein ohne sich gegenseitig zu behindern. Das ist besonders wichtig bei der Abtastung mit Infrarotdetektoren, die zur Kühlung in eine Kühlvorrichtung (Dewar) einge­ bettet sind.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur opto-elektronischen Bildaufnahme durch Abtastung vorzugsweise mit Zeilensensoren nach dem sog. Push-broom-Prinzip dadurch gekennzeichnet,

• - daß ein optisches Hauptsystem ein Bild erzeugt, das von zwei oder mehr in oder in unmittelbarer Nähe der Bildebene angeordneten Reflexionsflächen geteilt und über entsprechend zugeordnete Relaisoptiken ent­ sprechende Teilbilder erzeugt, die von entsprechenden Sensoren abgetastet werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Reflexionsflächen sich unter einem bestimmten, vorzugsweise rechten Winkel kreuzen wobei die Spiegel­ normalen in einer Ebene liegen und die durch den Kreuzungsschnitt gebildete und in den Reflexionsflächen liegende Gerade den Fokalpunkt (6) des optischen Haupt­ systems (1) enthält und senkrecht auf dessen optischer Achse steht und
• - daß die Bildabtastung der Teilbilder jeweils mit einem vorzugsweise zeilenförmigen Sensor nach dem Push-broom- Prinzip erfolgt der so ausgerichtet ist, daß das über die Relaisoptik erzeugte Bild der Sensorzeile jeweils mit der Kreuzungs-Schnittgeraden der Reflexionsflächen zusammenfällt und der entsprechende Zeilenabschnitt ab­ getastet wird.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die den Strahlenteiler bildenden Reflexions­ flächen jeweils durch verspiegelte Diagonalflächen gebildet werden und die einzelnen benachbarten Prismenwürfel durch optischen Kitt oder Ansprengen so aneinandergefügt sind, daß der Strahlendurchtritt von einem zum anderen Prismenwürfel ohne nennenswerten Strahlungsverlust erfolgt.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Prismenwürfel ohne Reflexionsfläche ist und der entsprechende Teilabschnitt im direkten Strahlendurchtritt ohne Reflektion auf einen entsprechenden Sensor abgebildet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlenteilerprisma so angeordnet ist, daß seine Dachkante im Brennpunkt des optischen Hauptsystems und rechtwinklig zu dessen optischer Achse liegt und daß die Zeilensensoren so angeordnet und fokussiert sind, daß ihr jeweiliges Bild rechtwinklig zur Dachkante des Strahlenteilerprismas steht und ihre Teilbilder in einer Ebene mit der die Dachkante des Strahlenteilerprismas enthaltenden Hauptbildebene liegen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Verkleinerung des Abbildungsmaßstabes β der Relais-Optiken bei gleichzeitiger proportionaler Vergrößerung der Brennweite von F auf F′ und der Öffnung von D auf D′ des optischen Haupt­ systems das Öffnungsverhältnis des Gesamtsystems auf vergrößert werden kann, wobei die Gesamtbrennweite F und damit die Detektorgröße den ursprünglichen, vorgegebenen Wert behalten.