WO2011063939A1 - Image acquisition device, image-generating device and spectroscope for spatially resolved spectroscopy - Google Patents

Image acquisition device, image-generating device and spectroscope for spatially resolved spectroscopy Download PDF

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WO2011063939A1
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Albrecht Geist
Eberhard Derndinger
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Carl Zeiss Ag
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Definitions

  • the invention relates to an image sensor (also called an image sensor) for the digital recording of a two-dimensional color image, an imaging device for reproducing a two-dimensional color image and a spectroscope for two-dimensionally spatially resolved spectroscopy.
  • an image sensor also called an image sensor
  • an imaging device for reproducing a two-dimensional color image
  • a spectroscope for two-dimensionally spatially resolved spectroscopy.
  • Imagers for the digital recording of a two-dimensional) len color image usually have a matrix-like arrangement of photosensitive sensor pixels.
  • the sensor pixels are provided with a color filter which is only for light of a spectral component, z. B. red, green or blue light, are permeable 15. If, for example, incident light contains a green spectral component and strikes this light on a sensor pixel whose color filter is transparent to green light, the sensor pixel generates an electrical output signal that depends on the intensity of the green spectral component.
  • a 20 evaluation of the image sensor determines the color information of the image to be recorded from the output signals of all sensor pixels provided with color filters.
  • CONFIRMATION COPY A higher photosensitivity have image sensors in which not all, but only a part of the sensor pixels is provided with color filters. The remaining sensor pixels detect the intensity of the incident light color independently, ie for all wavelengths within the visible spectrum. However, the gain in photosensitivity is paid for in this variant with a loss of color information.
  • an image sensor for use in scanners according to the preamble of claim 1 wherein the color divider elements, which are arranged along a single line and designed as diffractive optical elements, the incident polychromatic light on three lines from sensor pixels.
  • the color divider elements are in this case arranged in the vicinity of an image plane of an imaging optical unit, in which an image of the illuminated scanner slot is formed. The division onto the color pixel associated sensor pixels takes place along the scan direction. Since no absorbing color filters are used, this known scanner is very sensitive to light.
  • the object of the present invention is to provide a particularly light-sensitive image recorder for the digital recording of a two-dimensional color image.
  • this object is achieved by an image sensor having a plurality of photosensitive sensor pixels and a plurality of color divider elements arranged next to one another.
  • Each color divider element is assigned at least two sensor pixels.
  • each color divider element is designed in such a way that it distributes incident polychromatic light onto its associated sensor pixels with a distribution ratio that depends on the spectral composition of the incident light.
  • the color divider elements are arranged in a two-dimensional pattern.
  • the inventors have realized that it is possible to realize a highly photosensitive imager when a plurality of small color divider elements are arranged in a two-dimensional pattern in or in the immediate vicinity of a recording plane in which the two-dimensional color image is to be recorded.
  • Each color divider element spectrally dissects the incident light and distributes the spectral components to its assigned sensor pixels. Since the spectral decomposition of the incident colored light is largely lossless with the aid of diffractive or refractive optical elements, virtually no light is lost in the determination of the color information. Therefore, the imager according to the invention has a very high photosensitivity.
  • color divider elements which spectrally dissect the incident light and direct it to the sensor pixels. Since the color divider elements are arranged not in a single line, but in a two-dimensional pattern, the color image does not have to be scanned, so that the image sensor is also suitable for video cameras, for example.
  • a two-dimensional pattern is understood to mean that at least one color divider element in a first direction and one color divider element in a second direction orthogonal thereto are adjacent to each color divider element to which at least two sensor pixels are assigned.
  • the pattern will generally be regular and may in particular have rows and columns. However, there are also irregular or varying over its area varying patterns into consideration.
  • the entire pattern of color filter elements preferably covers an area whose aspect ratio is less than 5: 1.
  • the color splitter elements are preferably arranged in a recording plane in which the color image is to be recorded and which can coincide with an image plane of a preceding imaging optics.
  • the color splitter elements will be designed to divert different spectral components of the incident polychromatic light in different directions, as in diffractive ones, for example optical elements or prisms is the case.
  • the color divider elements make a division of the different spectral components in a different way. For example, the wavelength dependence of certain birefringent elements could be used to code the color information in the polarization state.
  • the light could be distributed to the associated sensor pixels with the aid of polarization-selective optical elements.
  • color-splitter elements are diffractive optical elements.
  • the zeroth diffraction order is suppressed and only the first diffraction order is used.
  • the diffractive optical elements can have blazed diffraction structures.
  • the first diffraction order is always emitted obliquely.
  • the diffractive structures may be carried by a wedge-shaped prism so that light of a certain wavelength can pass through the color-splitter element without deflection.
  • prisms or arrangements of multiple prisms can be used as a color divider elements.
  • the use of a straight-line prism is particularly preferred, since this too has the property that light of a certain wavelength can pass through the straight-viewing prism without deflection.
  • each color divider element is associated with a collection optical collection element located between the color divider element and the sensor pixels so as to be exposed to all light rays from the respective color divider element to that color divider element assigned sensor pixels be directed.
  • a collection optical collection element in which it is z. B. can be a lens or an achromatometeres diffractive optical element, can be used to focus the incident light and to direct to the sensor pixels that light of a wavelength falls only on at most one sensor pixel. This effect can be achieved even if the color divider elements themselves have a collecting effect.
  • the color-splitter elements are designed and arranged relative to the sensor pixels such that light of one wavelength falls on at least two sensor pixels assigned to the same color splitter element. If the distribution ratio for the respective wavelength between the at least two sensor pixels is known, its spectral components can be determined even when polychromatic light strikes. Any ambiguities that may be present may be resolved by considering the output signals generated by sensor pixels associated with a neighboring color divider element. Allowing the light of one wavelength to coincide with multiple sensor pixels simultaneously also reduces the need to provide additional collection optical elements that focus the deflected light and direct them to individual sensor pixels.
  • At least one sensor pixel is associated with adjacent color divider elements, then there must be at least one wavelength at which the color divider elements deflect light from the same direction of at least one wavelength in a direction that is different for the two color divider elements , In general, this will cause adjacent color divider elements to be pairwise different. It is preferred in this context if the different directions are mirror-symmetrical with respect to a plane of symmetry which extends between the two color-splitter elements.
  • each color divider element is associated with a first, a second and a third sensor pixel.
  • the first sensor pixel is additionally assigned to a color divider element adjacent to one side
  • the second sensor pixel is additionally assigned to a color divider element adjacent to another side.
  • the light incident on the third sensor pixel have wavelengths that are on average between the wavelengths of the light incident on the first and second sensor pixels. In general, this will be light in the green spectral range.
  • each sensor pixel is associated with an optical element having a collecting or dissipating effect, that between the color divider element and the sensor pixels are arranged to be exposed only to the light rays directed by the respective color divider element onto a single associated sensor pixel.
  • the optical element with a collecting or scattering effect has the task of individually bundling or dispersing the light incident on the sensor pixels and thus achieving an adaptation to the size of the photosensitive surface of the sensor pixel and the numerical aperture, in which maximum sensitivity is achieved. In particular, it can be achieved that no or less light falls into interspaces between the sensor pixels.
  • each color divider element and the sensor pixels disposed between each color divider element and the sensor pixels is a refractive ray displacement element associated with the color divider element which alters the split ratio at which the color divider element disperses polychromatic light incident thereon to the pixels associated therewith and the parallel optical surfaces having.
  • the distribution ratio can be changed in such a way that an optimal adaptation to the spectral sensitivity of the suppository of the human eye responsible for color perception is achieved.
  • the optical surfaces of the beam displacement element may be kinked or curved.
  • the image recorder may have evaluation electronics which are designed such that they combine output signals of the sensor pixels associated with a color divider element with spectral sensitivity functions and derive color values from them.
  • the invention further relates to a digital camera with an imaging optical system, with which an object can be imaged on an image plane, and with an image recorder according to the invention.
  • the color divider elements are then arranged in or in the immediate vicinity of an image plane of the imaging optics, as already mentioned above.
  • the imaging optics is telecentric at least on the image side. In this way, it is ensured that the incident on the color divider elements bundles of light with vertical principal ray pass through the image plane, which facilitates the design of the color divider elements. It is furthermore preferred if the imaging optics have a double-sided numerical aperture of less than 0.1 and preferably less than 0.05. Such a small numerical aperture is convenient because most eligible color-splitter elements additionally distract the spectrally dispersed light as the direction of incidence of the incident
  • An image generating device has a plurality of switchable light pixels and a plurality of overlay elements arranged next to one another.
  • Each overlay element is associated with at least two light pixels that produce light of different colors.
  • the overlay elements are arranged in a two-dimensional pattern, wherein each overlay element is designed such that it overlays the light, which strikes from different directions with different colors, to form a common beam.
  • Each overlay element may be associated with a gathering optical collection element located between the overlay element and the light pixels such that it is exposed to all light rays directed from the light pixels to the associated overlay element.
  • the overlay elements can be configured and arranged relative to the light pixels such that light of a wavelength of at least two light pixels is generated and falls on the overlay element associated therewith.
  • At least one, but not all, luminous pixels associated with an overlay element can additionally be assigned to an adjacent overlay element.
  • adjacent heterodyne elements can deflect light which is incident with the same wavelength from one direction, which is different for the two adjacent heterodyne elements, in the same direction.
  • the different directions of the incident light are preferably mirror-symmetrical with respect to a symmetry plane extending between the two overlay elements.
  • Each overlay element can be assigned a first, a second and a third light pixel, wherein the first light pixel is additionally assigned to an overlay element adjacent to one side and the second light pixel is additionally assigned to an overlay element adjacent to another side.
  • light generated by the third light-emitting pixel preferably has wavelengths that lie, on average, between the wavelengths of light generated by the first and second light-emitting pixels.
  • Each light-emitting pixel may be associated with an optical element having a collecting or dispersing effect, which is arranged between the superposition element and the light-emitting pixels such that it is only exposed to the light rays generated by a single light-emitting pixel.
  • At least one overlay element may comprise a diffractive optical element.
  • the overlay element then has a wedge-shaped prism with diffractive structures carried therefrom.
  • the wedge-shaped prisms may have alternating wedge angles.
  • At least one overlay element may comprise a refractive optical element, in particular a prism and more particularly a straight-line prism.
  • Each light pixel may include a diffractive optical element and a light switch.
  • the light switch may be, for example, a switchable LCD element or a tiltable mirror.
  • the invention also relates to a digital image projector with an imaging optical system, with which an object can be imaged onto an image plane, and with an image generation device according to the invention.
  • the overlay elements are preferably arranged in an image plane of the imaging optics, which can be telecentric at least on the object side and has an object-side numerical aperture of less than 0.1 and more preferably less than 0.05.
  • the invention also relates to a spectroscope for spatially resolved spectroscopy with a plurality of photosensitive sensor pixels and a plurality of juxtaposed Color separator elements.
  • Each color divider element is associated with at least four sensor pixels. Further, each color divider element is configured to distribute polychromatic light incident thereon to its associated sensor pixels at a split ratio that depends on the spectral composition of the incident light. According to the invention, the color divider elements are arranged in a two-dimensional pattern.
  • FIG. 1 shows a color camera according to the invention according to a first
  • FIG 2 is an enlarged detail of an image pick-up which is part of the color camera shown in Figure 1;
  • Figure 3 is a plan view of that shown in FIG.
  • FIG. 4 shows a color camera according to the invention according to a second exemplary embodiment of the invention in a simplified meridional section
  • FIG. 5 shows an enlarged detail of an image recorder, which is part of the color camera shown in FIG. 4, with a beam path for light with a wavelength in the red spectral component;
  • FIG. 6 shows a representation as in FIG. 5, but for
  • Figure 7 is a representation as in Figure 5, but for
  • Figure 8 is a plan view of the image sensor in the
  • Figure 4 shown color camera
  • FIG. 9 shows an enlarged detail of an image sensor for the color camera shown in FIG. 4 according to a first embodiment variant
  • FIG. 10 shows an enlarged detail of an image recorder for the color camera shown in FIG. 4 according to a second embodiment variant
  • FIG. 11 is a side sectional view of an imager, are used in the color divider elements diffractive optical elements;
  • FIGS. 12a and 12b show a detail of the image sensor shown in FIG. 6 with a beam path for vertical or oblique incidence of light;
  • FIG. 13 shows a side view of an image recorder in which straight-viewing prisms are used as color divider elements
  • Figure 14 is an enlarged view of two adjacent
  • FIG. 15 shows an imaging device according to the invention
  • FIG. 16 shows an imaging device according to the invention
  • FIG. 17 shows a spectroscope according to the invention for spatially resolved spectroscopy in a simplified meridional section.
  • FIG. 1 shows a color camera according to the invention designated overall by 10 in a meridional section shown schematically.
  • the color camera 10 has a housing 12 which accommodates an imaging optics 14 and an image recorder 16.
  • the imaging optics 14 forms an object indicated at 18, which is located in an object plane 20 of the imaging optics 14, in an image plane 22 of the imaging optics 14.
  • the imaging optics 14 is simplified as a single converging lens indicated; Of course, the imaging optics 14 may also include multiple lenses and other optical elements.
  • the image plane 22 of the imaging optics 14 coincides with a recording plane of the image recorder 16 in which it receives the image of the object 18 generated by the imaging optics 14; In the following, therefore, the same reference numeral 22 is used for the image plane and the recording plane.
  • a plurality of color divider elements 24 are arranged in a two-dimensional regular pattern.
  • the area covered by the color divider elements 24 in the receiving plane 22 has an aspect ratio of at most 5: 1 and determines the maximum size of the image that can be picked up by the imager 16.
  • the color divider elements 24 have the task of spectral polychromatic light emanating from the object 18 and incident in the receiving plane 22 on the color divider elements 24 to disassemble and distribute the various spectral components on sensor pixels 26, which are arranged on a carrier 28.
  • the sensor pixels 26 detect the intensity of the incident light as far as possible independently of the wavelength and produce intensity-dependent electrical output signals. These output signals are fed to evaluation electronics 30 of the image recorder 16, which calculates therefrom color values for the individual color divider elements 24, for example in an RGB color space. These color values may then be stored in a memory 32 of the imager 16.
  • FIG. 2 shows an enlarged detail of a part of the image sensor 16 shown in FIG.
  • the color divider elements 24 are configured to divert different spectral components of the incident colored light 34 in different directions. For the sake of simplicity, it is first assumed here that incident polychromatic light 34 is collimated and impinges perpendicularly on the color divider elements 24. If these deflect the spectral components of the incident light 34 in different directions, without influencing the parallelism of the light per se, emerge from exit surfaces of the color divider elements 24 collimated beams whose propagation direction depends on the wavelength.
  • the imager 16 includes a matrix-like array of converging lenses 36 mounted between the color divider elements 24 and the sensor pixels 26.
  • Each color divider element 24 is associated with a converging lens 36, wherein the distance between the color divider elements 24 and the converging lenses 36 is so small, that the entire light passing through a color divider element 24 also passes through the respectively assigned converging lens 36.
  • each color divider element 24 is assigned three sensor pixels 26, specifically a first sensor pixel 26a for the blue spectral component, a second sensor pixel 26b for the green spectral component and a third sensor pixel 26c for the red spectral component.
  • the sensor pixels 26 are arranged at least approximately in a focal plane of the converging lenses 36, so that they focus the collimated, but in different directions propagating beams on the sensor pixels 26, as shown in Figures 1 and 2 for three different wavelengths in the blue, green and red spectral component is indicated by dotted, solid or dashed lines.
  • the converging lens 36 sets the different
  • the evaluation electronics 30 can determine how much light in the blue, green and red spectral range impinges on the color divider element 24, and from this a color value for the impinging Derive light.
  • Each color divider element 24 thus represents a pixel that can be resolved in the acquisition plane 22. The size and density of the color divider elements 24 thus determines the resolution of the imager 16.
  • the color divider elements 24 generate a continuous spectrum over at least a relatively large wavelength range so that light also falls into intermediate spaces between the sensor pixels 26a, 26b and 26c. This light is lost for evaluation by the imager 16, why the spaces between the sensor pixels 26a, 26b, 26c should be as small as possible.
  • FIG. 3 shows a section of the image sensor 16 in plan view.
  • the color divider elements 24 indicated by thick black lines cover in each case a converging lens 36 and three sensor pixels 26a, 26b, 26c.
  • each pixel to which a color divider element 24, a condenser lens 36, and three sensor pixels 26a, 26b, 26c are assigned are constructed identically.
  • dashed lines which are merely intended to indicate a functional separation of the adjacent color divider elements.
  • the sensor pixels 26 have a hexagonal base surface, so that they can be arranged on the carrier 28 with minimal spacings and, with reference to a group of three sensor pixels 26a, 26b, 26c, associated with a color divider element 24 ,
  • the associated color divider element must in this case be designed such that it is able to deflect the different spectral components not only in one plane, but in two orthogonal planes.
  • the rotationally symmetrical lens 36 is replaced by a cylindrical lens 136, which thus has refractive power only along one direction. Perpendicular to this direction extend the sensor pixels 126 across the entire dimension of the associated color divider element 126.
  • the image sensor 16 With approximately lossless color divider elements 24, the image sensor 16 according to the exemplary embodiment illustrated in FIGS. 1 to 3 makes it possible to supply almost 100% of the light incident in the recording plane 22 to the sensor pixels 26. Therefore, the imager 16 of the color camera 10 has a very high luminous efficacy. The color camera 10 can therefore achieve excellent color resolutions even in unfavorable lighting conditions.
  • FIG. 4 shows, in a representation similar to FIG. 1, a color camera according to the invention designated overall by 10 'according to a second exemplary embodiment.
  • the same or corresponding components are identified by the same reference numerals.
  • no converging lenses 36 are provided in the image sensor 16 of the color camera 10 'which focus the spectral components of the incident light deflected by the color elements 24 onto the individual sensor pixels 26.
  • each color divider element 24 directs light of any wavelength not only to a single sensor pixel 26, but also to the two adjacent sensor pixels.
  • light from a color divider element 24a of a wavelength that is not deflected hits not only one sensor pixel 26b but also some of the neighboring sensor pixels 26a and 26c.
  • the division ratio is in the exemplary embodiment shown in FIG a: b: c, with a, b, c 0.
  • the distribution ratio will be slightly different for each wavelength.
  • the distribution ratio can be, for example, 2: 1: 1, 1: 2: 1 and 1: 1: 2, respectively much light falls on the spectrally "correct" sensor pixel as on the two "wrong" sensor pixels.
  • the distribution ratio depends in particular on the structure of the color divider elements 24, but also on the arrangement of the sensor pixels 26. If the distribution ratio is known for all wavelengths, the evaluation electronics 30 can calculate the color values from the electrical output signals generated by the sensor pixels 26 using algorithms known per se. The operation is so far not unlike that of the human eye, in which the responsible for the color sensation suppositories are also sensitive to all wavelengths and the color information results only from the differences in sensitivity for a particular wavelength. However, such a determination of the color values is only possible if the distribution ratio is not 1: 1: 1 for all wavelengths, ie light of a certain wavelength falls in equal parts on three adjacent sensor pixels.
  • the width of the sensor pixels 26 may not be one third of the width of a beam splitter element 24, which in turn approximately corresponds to the cross section of the output from the color divider elements 26 light beam of a particular wavelength.
  • the width was the sensor pixel is smaller than this value; However, if the widths should be greater than this value, then each beam splitter element 26 can not be clearly assigned to three different sensor pixels 26a, 26b, 26c.
  • FIGS. 5 to 7 show an enlarged section from FIG. 4. Shown are two adjacent color divider elements 24a, 24b, 24c and sensor pixels 26, which are marked for better distinctness with the first letters of the primary colors red, green and blue.
  • FIG. 5 shows how light of a wavelength in the red spectral component is deflected by the color divider elements 24.
  • the deflection takes place in such a way that this light falls primarily on the sensor pixel 26 associated with the red spectral color, which are designated by the lower case letter r.
  • adjacent color divider elements 24 in each case deflect light of this wavelength in opposite directions.
  • the directions in which the light of this wavelength is deflected by adjacent color divider elements are mirror-symmetrical with respect to a plane of symmetry extending between the respective adjacent color divider elements.
  • FIG. 6 shows in a representation similar to FIG. 5 the conditions for light whose wavelength lies in the blue spectral component.
  • FIG. 7 shows, in a representation likewise similar to FIG. 5, a special case in which light with a wavelength of the green spectral component strikes the sensor pixels 26 without being deflected by the color divider elements 24. Light of this wavelength does not overlap with light of the same wavelength that has passed through an adjacent color divider element. Consequently, at this wavelength, each sensor pixel g for the spectral component is assigned in green exactly to a color divider element 24. Thus, compared to red or blue light, this resolution achieves twice the resolution given by the number of color divider elements 24.
  • the light has a wavelength that is between the wavelengths whose distribution is shown on the sensor pixels 26 in Figs. 5-7.
  • the resolution is computationally between the minimum resolution shown in Figures 5 and 6 and the maximum resolution shown in Figure 7.
  • FIG. 8 shows the image recorder 16 of the color camera 10 'in a plan view.
  • different hatchings indicate that the adjacent ones are in each case
  • Color divider elements 24 incident light of the same wavelength (apart from the special case of undeflected light shown in Figure 7) in different Rieh- deflected as shown in Figures 5 and 6.
  • the hatching is omitted in order to understand the arrangement of the color divider elements 24 relative to the underlying detectable sensor pixels 26 can; in the lower third of the color divider elements 24 are not shown.
  • the sensor pixels 26 in this exemplary embodiment form an arrangement in which the sensor pixels labeled with the letter g appear twice as often for the green spectral component as the sensor pixels labeled with the letters r and b corresponding to the red and the blue spectral component are assigned.
  • This imbalance of the individual spectral components takes into account the higher sensitivity of the human eye to green light and is therefore also realized in conventional imagers in which the individual photosensitive sensor pixels are provided with color filters and arranged in the Bayer pattern.
  • color values for positions between sensor pixels 26 which are assigned to a specific spectral component can be interpolated.
  • the image sensor 16 With approximately lossless color divider elements 24, the image sensor 16 according to the exemplary embodiment illustrated in FIGS. 4 to 8 makes it possible to supply almost 100% of the light incident in the recording plane 22 to the sensor pixels 26. Therefore, the imager 16 of the color camera 10 'also has a very high luminous efficacy. The color camera 10 'can therefore still achieve excellent color resolutions even in unfavorable lighting conditions.
  • the structural design is even simpler than in the case of the color camera 10 according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3, since the arrangement of converging lenses 34 is omitted.
  • the color divider elements in the color camera 10 'shown in FIGS. 4 to 8 must be significantly smaller, since not three, but only two sensor pixels 26 must be arranged on the surface of a color divider element 24. Correspondingly smaller and less expensive, with the same resolution, and the imaging optics 14 fail.
  • FIG. 9 shows a variant of the second exemplary embodiment illustrated in FIGS. 4 to 8, in which collecting lenses 38 are likewise arranged between the color divider elements 24 and the sensor pixels 26, as in the first exemplary embodiment shown in FIGS. However, the collecting lenses 38 are not arranged in the vicinity of the color divider elements 24, but in the vicinity of the sensor pixels 26.
  • the converging lenses 38 will only pass through light which is incident on a sensor pixel 26 to which the respective converging lens 38 is assigned.
  • the converging lenses 38 make it possible to direct all the light which passes through the color divider elements 24 to the sensor pixels 26, even if, as indicated in FIG. 9, they are separated from one another by greater distances.
  • the converging lenses 38 allow the spectrally dispersed light having a numerical aperture to fall on the sensor pixels 26 at which they have optimum sensitivity. In contrast to the collection lenses 36 shown in Figure 2 but can be here by a small lateral displacement of the converging lenses 38 cause the light to strike all sensor pixels 26 at similar angles.
  • FIG. 10 shows a further variant of the image sensor 16 shown in FIGS. 4 to 8, in which between each
  • the color divider element 24 associated beam displacement element 40 is arranged, which changes the division ratio, with which the spectral components of the incident light are distributed to the relevant color divider element 24 sensor pixel 26.
  • the beam displacement elements 40 are formed as a roof-like bent plates with parallel surfaces 42, 44.
  • a bend line 46 of the beam displacement elements 40 extends perpendicular to the direction in which the spectral components are deflected by the color divider elements 24.
  • the beam displacement element displaces light of a wavelength lying in the green spectral component such that more light than the embodiment shown in FIG. 7 strikes the sensor pixel associated with the green spectral component and therefore marked with the letter g. In this way, the division ratio is increased in favor of the sensor pixels g. Due to the parallelism of the interfaces 42, 47, the propagation direction of the light does not change as it passes through the beam displacement element 40.
  • the beam displacement is greatest for normal incidence on the beam displacement element 40, as shown in the center of FIG.
  • the division ratio can be changed so that an optimal, adapted to the spectral sensitivity of the human eye color determination is possible.
  • the beam displacement elements 40 in particular corrugated parallel
  • the roof-shaped beam displacement elements 40 arranged next to one another in a row can also be combined to form a plurality of strip-shaped components or even to a single larger component which has approximately the size of the image to be recorded.
  • the beam displacement elements 40 arranged next to one another are therefore delimited from one another only by dashed lines.
  • Suitable Color Divider Elements The following describes examples of color divider elements that can be used in the imagers 16 of the color cameras 10, 10 'described above. a. Diffractive optical elements
  • FIG. 11 shows, in an enlarged section, a section through a plurality of color divider elements 24 and their associated sensor pixels 26.
  • Each color divider element 24 has a prismatic, essentially wedge-shaped, support 45, which carries diffraction structures 47.
  • the diffraction structures 47 are configured as blazed structures which are dimensioned in this way and exposed to the incident light 34. are directed to suppress the zeroth diffraction order and the majority of the incident light 34 is deflected in one of the first two diffraction orders. This diffraction is dependent on the wavelength of the light, so that the desired dependence of the deflection angle on the wavelength results.
  • the application of the diffraction structures 47 to the wedge-shaped support 45 ensures that there is no net deflection on average. In other words, in FIG. 11 as much light is deflected by a color divider element 24 to the right as to the left, whereby the spectral components are divided symmetrically relative to the direction in which the light 34 impinges on the color divider elements 24.
  • the color divider elements 24 are mutually arranged on an envelope, whereby each two adjacent color divider elements 24 are different, but symmetrical with respect to a plane of symmetry extending along the boundary between the color divider elements. In this way it is achieved that the wavelength-dependent deflection of the light takes place in the manner described above with reference to FIGS. 5 and 6.
  • the two color divider elements 24 shown on the left in FIG. 11 direct the blue spectral component onto the common sensor pixel 26a, as was explained above with reference to FIG.
  • FIGS. 12a and 12b show how the deflection of the spectral components changes with an oblique incidence of light when the color splitter elements 24 are designed as diffractive optical elements as shown in FIG. It can be seen in FIG. 12a how light having a wavelength in the blue spectral component is deflected by a color splitter element 24 and falls on a sensor pixel 26, which is associated with the spectral color blue and is therefore marked with the letter b.
  • the oblique incidence of light has the result that there is a kind of offset of the deflection angle, i. H. all wavelength-dependent deflection angles change by a certain amount.
  • This offset causes obliquely incident light to leave the color divider element 24 at a different angle than perpendicularly incident light of the same wavelength and thus also incident on the sensor pixels 26 at a different split ratio.
  • this offset in the plane of the sensor pixel 26 for light 34, which strikes the color splitter element 24 at a maximum angle inclined to the optical axis, is denoted by d; the dashed lines indicate for comparison the light path for perpendicularly incident light.
  • d this offset in the plane of the sensor pixel 26 for light 34, which strikes the color splitter element 24 at a maximum angle inclined to the optical axis.
  • dashed lines indicate for comparison the light path for perpendicularly incident light.
  • the offset by the amount d on both sides results in light of a particular wavelength not illuminating the area of two sensor pixels 26 as a whole, but of more than two sensor pixels.
  • the associated smearing of the color information is still tolerable, as long as this additionally illuminated area is not greater than about half the area of a sensor pixel.
  • the imaging optics 14 In order to keep this smearing of the color information as low as possible, it should be ensured by the imaging optics 14 that the numerical aperture NA of the light impinging on the color divider elements 24 is as small as possible. For this reason, imaging optics which enlarge the objects 18 in the object plane 20 onto the recording plane 22 are particularly suitable. The image-side numerical aperture is then smaller by the amount of the image scale than the object-side numerical aperture of the imaging optics 14. Well suited, for example, microscope objectives whose image-side numerical aperture is often less than 0.1 or even 0.05. b. Refractive optical elements
  • the color divider elements 24 are designed as refractive optical elements.
  • Each color divider element consists of a straight-line prism of the type known in the art as the Amici prism.
  • Each straight prism comprises three prisms 50, 52 and 54, the refractive surfaces of which each enclose an angle of 60 °.
  • the three prisms 50, 52, 54 are arranged one behind the other on envelope and cemented together in a conventional manner.
  • the two outer prisms 50, 54 are made of crown glass, while the middle prism 52 is made of flint glass. This results in the beam path illustrated in FIG. 14 for light of different wavelengths.
  • the image-side numerical aperture of the imaging optics 14 should be as small as possible.
  • planar arrangement of color divider elements in the receiving plane 22 according to the invention can be used in the light reversal direction to superimpose light of different colors produced by light pixels in order to produce a two-dimensional color image therefrom in an image-forming device. This will be explained below with reference to FIGS. 15 and 16 by means of exemplary embodiments which each show a color image projector 110. Parts corresponding to one of the above-described embodiments for a color camera 10 or 10 'are designated by reference numerals increasing by one hundred.
  • the color image projector 110 shown in a schematic meridional section in FIG. 15 has a housing 112 in which an imaging optics indicated at 114 and an image generation device 116 are arranged.
  • the image generation device 116 contains a digital data memory 132, which is connected to a control electronics 130 for light pixels 126, which are applied to a carrier 128.
  • Each group of three light-emitting pixels 126 is assigned a superposition element 124, wherein the superimposition elements are arranged side by side in a two-dimensional pattern in an object plane of the imaging optics 114.
  • the overlay elements 124 respectively associated luminous pixels 126 generate different spectral colors, which are superimposed by the superposition elements 124 to a polychromatic light beam.
  • the light beams impinging on the overlay elements 124 from different directions are thereby combined by the overlay elements 124 in such a way that they are telecentric, i. with parallel to the optical axis main rays, the superposition elements
  • the image formed on the overlay elements 124 is now imaged with the aid of the imaging optics 114 on an image plane 120 on which it can be viewed. So that the light beams generated by the individual light pixels 126 are superimposed as completely as possible in the superposition elements 124, the light beams emerging from the superposition elements 124 must have a small numerical aperture, as is the case for an object point on the left edge of FIG.
  • Object level of the imaging optics 114 is indicated by a dashed beam. Due to this small numerical aperture, the optical conductivity of imaging optics 114, which is defined as the product of numerical aperture and field size, is also small. The small optical conductivity, in turn, allows the use of small and simply constructed imaging optics 114.
  • the light pixels 126 should be as small as possible, since their dimensions determine the size of the overlay elements 124 and thus the resolution of the color image projector 110 significantly. Since such small light pixels 126 usually generate only relatively little light, in the exemplary embodiment of a color image projector 110 'shown in FIG. 16 it is intended to produce colored light spots using the color divider elements described in FIGS. 1 to 14.
  • the image generation device 116 does not have any self-radiating luminous pixels 126 there, but a light source 160 which illuminates a first arrangement of color divider elements 124a via a collimator lens 162.
  • These color divider elements 124a are constructed in the same way as described above with reference to FIGS. 4 to 8.
  • an array of switchable light control pixels 164 occurs in the image generation device 116. The transmittance of the light control pixels 164 can thereby be changed from one with a digital one
  • the light control pixels 164 are illuminated with light of different colors.
  • the light emitted by the light control pixels 164 is then superimposed by the following superposition elements 124b, so that a colored image is formed on the exit surface of the superposition elements 124b, which can be imaged onto an image plane 120 with the aid of the imaging optics 114.
  • the light control pixels 164 thus correspond functionally to the light pixels 126 of the embodiment of a color image proctor 110 shown in FIG. 15, because they too can emit colored light of variable intensity.
  • the light control pixels 164 may, for example, be realized as LCD cells, as is known, for example, from flat panel displays. However, tiltable micromirrors which can be part of a microelectromechanical system (MEMS), as is frequently used, for example, in beamers, are also suitable as light control pixels 164.
  • MEMS microelectromechanical system
  • the image generating device 116 shown in FIG. 16 makes it possible to use very high-intensity light sources and to produce the light generated therefrom virtually loss-free, ie. H. without the use of absorbing color filters, for the generation of the color image in the image plane 120 to use.
  • FIGS. 1 to 3 for a color camera 10 can be modified such that a spectroscope for spatially resolved spectroscopy is obtained. In this case, only the number of sensor pixels 26 needs to be increased sufficiently.
  • FIG. 17 shows an exemplary embodiment of a spectrograph 210, in which each color divider element 24 is assigned nine sensor pixels. The larger the number of sensor pixels, which corresponds to a single color are associated with divider element 23, the higher the spectral resolution of the spectrograph 210.
  • the construction of the spectrograph 210 corresponds to those explained above with reference to FIGS. 1 to 3 for the color camera 10.

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Abstract

The invention relates to an image acquisition device for the digital acquisition of a two-dimensional colour image comprising a plurality of light-sensitive sensor pixels (26) and a plurality of juxtaposed colour splitter elements (24), wherein at least two sensor pixels (26) are assigned to each colour splitter element (24). Furthermore, each colour splitter element (24) is designed such that it distributes polychromatic light (34) impinging thereon to the sensor pixels (26) assigned thereto at a distribution ratio that is dependent on the spectral composition of the impinging light. According to the invention, the colour splitter elements (24) are arranged in a two-dimensional pattern.

Description

BILDAUFNEHMER, BILDERZEUGUNGSEINRICHTUNG  PICTORIAL PICTURES, PICTURE PRODUCTION DEVICE
SOWIE SPEKTROSKOP FÜR DIE ORTSAUFGELÖSTE SPEKTROSKOPIE  AND SPECTROSCOPE FOR LOCATED SPECTROSCOPY
HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
1. Gebiet der Erfindung 1. Field of the invention
Die Erfindung betrifft einen Bildaufnehmer (auch Bildsensor genannt) für die digitale Aufnahme eines zweidimensionalen 5 Farbbildes, eine Bilderzeugungseinrichtung für die Wiedergabe eines zweidimensionalen Farbbildes sowie ein Spektroskop für die zweidimensional ortsaufgelöste Spektroskopie. The invention relates to an image sensor (also called an image sensor) for the digital recording of a two-dimensional color image, an imaging device for reproducing a two-dimensional color image and a spectroscope for two-dimensionally spatially resolved spectroscopy.
2. Beschreibung des Standes der Technik 2. Description of the Related Art
Bildaufnehmer für die digitale Aufnahme eines zweidimensionale) len Farbbildes, wie sie häufig in Photo- oder Videokameras eingesetzt werden, weisen meist eine matrixartige Anordnung lichtempfindlicher Sensorpixel auf. Die Sensorpixel sind mit einem Farbfilter versehen, die nur für Licht eines Spektralanteils, z. B. rotes, grünes oder blaues Licht, durchlässig 15 sind. Enthält auftreffendes Licht beispielsweise einen grünen Spektralanteil und trifft dieses Licht auf einen Sensorpixel auf, dessen Farbfilter für grünes Licht durchlässig ist, so erzeugt der Sensorpixel ein elektrisches Ausgangssignal, das von der Intensität des grünen Spektralanteils abhängt. Eine 20 Auswerteelektronik des Bildaufnehmers ermittelt aus den Ausgangssignalen aller mit Farbfiltern versehenen Sensorpixel die Farbinformationen des aufzunehmenden Bildes. Imagers for the digital recording of a two-dimensional) len color image, as they are often used in photo or video cameras, usually have a matrix-like arrangement of photosensitive sensor pixels. The sensor pixels are provided with a color filter which is only for light of a spectral component, z. B. red, green or blue light, are permeable 15. If, for example, incident light contains a green spectral component and strikes this light on a sensor pixel whose color filter is transparent to green light, the sensor pixel generates an electrical output signal that depends on the intensity of the green spectral component. A 20 evaluation of the image sensor determines the color information of the image to be recorded from the output signals of all sensor pixels provided with color filters.
Nachteilig bei diesem bekannten Typ von Bildaufnehmern ist allerdings, dass durch die Farbfilter ein Großteil des auf 25 die Sensorpixel auftreffenden Lichts absorbiert wird. Daher haben derartige Bildaufnehmer eine relativ geringe Lichtempfindlichkeit . However, a disadvantage of this known type of imagers is that most of the light incident on the sensor pixels is absorbed by the color filters. Therefore, such image sensors have a relatively low photosensitivity.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Eine höhere Lichtempfindlichkeit haben Bildaufnehmer, bei denen nicht alle, sondern nur ein Teil der Sensorpixel mit Farbfiltern versehen ist. Die übrigen Sensorpixel erfassen die Intensität des auftreffenden Lichts farbunabhängig, d. h. für alle Wellenlängen innerhalb des sichtbaren Spektrums. Der Zugewinn an Lichtempfindlichkeit wird aber bei dieser Variante mit einem Verlust an Farbinformation erkauft. CONFIRMATION COPY A higher photosensitivity have image sensors in which not all, but only a part of the sensor pixels is provided with color filters. The remaining sensor pixels detect the intensity of the incident light color independently, ie for all wavelengths within the visible spectrum. However, the gain in photosensitivity is paid for in this variant with a loss of color information.
Eine weitgehend vollständige Nutzung des auftreffenden Lichts ist bei Bildaufnehmern möglich, bei denen das auftreffende Licht unter Verwendung eines dichroitischen Prismas oder eines anderen Farbteilers auf mehrere (in der Regel drei) Bildaufnehmer verteilt wird, welche die Intensität des auf sie auftreffenden Lichts wellenlängenunabhängig erfassen. Derartige Bildaufnehmer benötigen jedoch deutlich mehr Bau- räum, erfordern einen hohen Justageaufwand und sind deswegen relativ teuer. Extensive use of the incident light is possible with imagers in which the incident light is distributed to a plurality (usually three) of imagers using a dichroic prism or other color divider, which detect the intensity of the light incident on them in a wavelength independent manner. However, such image sensors require significantly more construction space, require a high adjustment effort and are therefore relatively expensive.
Aus der EP 0 383 308 A2 ist ein Bildaufnehmer für den Einsatz in Scannern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem Farbteiler-Elemente, die entlang einer einzigen Zeile angeordnet und als diffraktive optische Elemente ausgebildet sind, das auftreffende polychromatische Licht auf drei Zeilen von Sensorpixeln aufteilen. Die Farbteiler-Elemente sind hierbei in der Nähe einer Bildebene einer Abbildungsoptik angeordnet, in der ein Bild des ausgeleuchteten Scanner- Schlitzes entsteht. Die Aufteilung auf die den Farbteiler- Elementen zugeordneten Sensorpixel erfolgt dabei entlang der Scanrichtung. Da keine absorbierenden Farbfilter eingesetzt werden, ist dieser bekannte Scanner sehr lichtempfindlich. From EP 0 383 308 A2 an image sensor for use in scanners according to the preamble of claim 1 is known, wherein the color divider elements, which are arranged along a single line and designed as diffractive optical elements, the incident polychromatic light on three lines from sensor pixels. The color divider elements are in this case arranged in the vicinity of an image plane of an imaging optical unit, in which an image of the illuminated scanner slot is formed. The division onto the color pixel associated sensor pixels takes place along the scan direction. Since no absorbing color filters are used, this known scanner is very sensitive to light.
Um mit diesem bekannten Scanner ein zweidimensionales Farb- bild aufnehmen zu können, muss dieses zeilenweise abgescannt werden. Damit wird von der insgesamt zur Verfügung stehenden Lichtmenge jedoch stets nur ein kleiner Bruchteil zu einem gegebenen Zeitpunkt ausgenutzt, wodurch letztlich sogar noch mehr Licht verloren geht als bei den eingangs beschriebenen Bildaufnehmer mit Farbfiltern. In order to be able to record a two-dimensional color image with this known scanner, it must be scanned line by line. However, only a small fraction of the total available amount of light is always utilized at a given time, which ultimately even more light is lost than in the image recorder described above with color filters.
Ähnliche Scanner mit Farbteiler-Elementen, die als diffrakti- ve optische Elemente ausgebildet sind, sind aus der US Similar scanners with color divider elements, which are designed as diffractive optical elements, are known from US Pat
5,233,703 und der US 5,481,381 bekannt. 5,233,703 and US 5,481,381.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen besonders lichtempfindlichen Bildaufnehmer für die digitale Aufnahme eines zweidimensionalen Farbbildes bereitzustellen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Bildaufnehmer gelöst, der mehrere lichtempfindliche Sensorpixel und mehrere nebeneinander angeordnete Farbteiler-Elemente aufweist. Jedem Farbteiler-Element sind dabei mindest zwei Sensorpixel zugeordnet. Ferner ist jedes Farbteiler-Element derart ausgebil- det, dass darauf auftreffendes polychromatisches Licht auf die ihm zugeordneten Sensorpixel mit einem Aufteilungsver- hältnis verteilt, das von der spektralen Zusammensetzung des auftreffenden Lichts abhängt. Erfindungsgemäß sind die Farbteiler-Elemente in einem zweidimensionalen Muster angeordnet. Die Erfinder haben erkannt, dass man einen sehr lichtempfindlichen Bildaufnehmer realisieren kann, wenn eine Vielzahl kleiner Farbteiler-Elemente in einem zweidimensionalen Muster in oder in unmittelbarer Nähe einer Aufnahmeebene angeordnet ist, in der das zweidimensionale Farbbild aufzunehmen ist. Jedes Farbteiler-Element zerlegt das auftreffende Licht spektral und verteilt die Spektralanteile auf die ihm zugeordneten Sensorpixel. Da die spektrale Zerlegung des auftreffenden farbigen Lichts mit Hilfe diffraktiver oder refrakti- ver optischer Elemente weitgehend verlustfrei erfolgt, geht praktisch kein Licht bei der Bestimmung der Farbinformationen verloren. Daher hat der erfindungsgemäße Bildaufnehmer eine sehr hohe Lichtempfindlichkeit. Dort, wo üblicherweise mit Farbfiltern versehene Sensorpixel angeordnet sind, befinden sich erfindungsgemäß Farbteiler- Elemente, die das auftreffende Licht spektral zerlegen und auf die Sensorpixel richten. Da die Farbteiler-Elemente nicht als einzelne Zeile, sondern in einem zweidimensionalen Muster angeordnet sind, muss das Farbbild nicht gescannt werden, so dass der Bildaufnehmer beispielsweise auch für Videokameras geeignet ist. The object of the present invention is to provide a particularly light-sensitive image recorder for the digital recording of a two-dimensional color image. According to the invention, this object is achieved by an image sensor having a plurality of photosensitive sensor pixels and a plurality of color divider elements arranged next to one another. Each color divider element is assigned at least two sensor pixels. Furthermore, each color divider element is designed in such a way that it distributes incident polychromatic light onto its associated sensor pixels with a distribution ratio that depends on the spectral composition of the incident light. According to the invention, the color divider elements are arranged in a two-dimensional pattern. The inventors have realized that it is possible to realize a highly photosensitive imager when a plurality of small color divider elements are arranged in a two-dimensional pattern in or in the immediate vicinity of a recording plane in which the two-dimensional color image is to be recorded. Each color divider element spectrally dissects the incident light and distributes the spectral components to its assigned sensor pixels. Since the spectral decomposition of the incident colored light is largely lossless with the aid of diffractive or refractive optical elements, virtually no light is lost in the determination of the color information. Therefore, the imager according to the invention has a very high photosensitivity. Where sensor pixels usually provided with color filters are arranged, according to the invention there are color divider elements which spectrally dissect the incident light and direct it to the sensor pixels. Since the color divider elements are arranged not in a single line, but in a two-dimensional pattern, the color image does not have to be scanned, so that the image sensor is also suitable for video cameras, for example.
Unter einem zweidimensionalen Muster wird hierbei verstanden, dass jedem Farbteiler-Element, dem mindestens zwei Sensorpixel zugeordnet sind, mindestens ein Farbteiler-Element in einer ersten Richtung und ein Farbteiler-Element in einer zweiten hierzu orthogonalen Richtung benachbart sind. Das Muster wird dabei im Allgemeinen regelmäßig sein und kann insbesondere Zeilen und Spalten aufweisen. Es kommen jedoch auch unregelmäßige oder über seine Fläche hinweg variierende Muster in Betracht. Das gesamte Muster aus Farbeilter- Elementen bedeckt dabei vorzugsweise eine Fläche, dessen Seitenverhältnis kleiner ist als 5:1. Wie bereits erwähnt, sind die Farbteiler-Elemente vorzugsweise in einer Aufnahmeebene angeordnet, in der das Farbbild aufzunehmen ist und die mit einer Bildebene einer vorausgehenden Abbildungsoptik zusammenfallen kann. In Betracht kommt jedoch auch, die Farbteiler-Elemente leicht zum Objekt hin axial versetzt zu einer solchen Aufnahmeebene anzuordnen, um dann - jedoch auf Kosten einer geringeren Bildschärfe - auszunutzen, dass die von den Farbteiler-Elementen ausgehenden Lichtbündel konvergieren und somit leichter auf die Sensorpixel gerichtet werden können. Im Allgemeinen werden die Farbteiler-Elemente derart ausgebildet sein, dass sie unterschiedliche Spektralanteile des auftreffenden polychromatischen Lichts in unterschiedliche Richtungen ablenken, wie dies beispielsweise bei diffraktiven optischen Elementen oder Prismen der Fall ist. Grundsätzlich kommt jedoch auch in Betracht, dass die Farbteiler-Elemente eine Aufteilung der unterschiedlichen Spektralanteile in anderer Weise vornehmen. So könnte etwa die Wellenlängenab- hängigkeit bestimmter doppelbrechender Elemente dazu genutzt werden, die Farbinformation im Polarisationszustand zu kodieren. An anderer, gegebenenfalls auch weiter entfernter Stelle könnte das Licht mit Hilfe polarisationsselektiver optischer Elemente auf die zugeordneten Sensorpixel verteilt werden. Besonders geeignet als Farbteiler-Elemente sind diffraktive optische Elemente. Vorzugsweise wird hierbei die nullte Beugungsordnung unterdrückt und nur die erste Beugungsordnung genutzt. Hierzu können die diffraktiven optischen Elemente geblazete Beugungsstrukturen aufweisen. Bei in Transmission verwendeten diffraktiven optischen Elementen wird die erste Beugungsordnung stets schräg abgestrahlt. Um diesen Offset des Ablenkungswinkels auszugleichen, können die beugenden Strukturen von einem keilförmigen Prisma getragen sein, so dass Licht einer bestimmten Wellen- länge das Farbteiler-Element ohne Ablenkung durchtreten kann. In this case, a two-dimensional pattern is understood to mean that at least one color divider element in a first direction and one color divider element in a second direction orthogonal thereto are adjacent to each color divider element to which at least two sensor pixels are assigned. The pattern will generally be regular and may in particular have rows and columns. However, there are also irregular or varying over its area varying patterns into consideration. The entire pattern of color filter elements preferably covers an area whose aspect ratio is less than 5: 1. As already mentioned, the color splitter elements are preferably arranged in a recording plane in which the color image is to be recorded and which can coincide with an image plane of a preceding imaging optics. However, it is also possible to arrange the color splitter elements axially offset from the object axially to such a recording plane, in order then - but at the expense of lower image sharpness - to exploit that the light beams emanating from the color splitter elements converge and thus more easily onto the sensor pixels can be directed. In general, the color divider elements will be designed to divert different spectral components of the incident polychromatic light in different directions, as in diffractive ones, for example optical elements or prisms is the case. In principle, however, it is also considered that the color divider elements make a division of the different spectral components in a different way. For example, the wavelength dependence of certain birefringent elements could be used to code the color information in the polarization state. At another, possibly even further away, the light could be distributed to the associated sensor pixels with the aid of polarization-selective optical elements. Particularly suitable as color-splitter elements are diffractive optical elements. Preferably, the zeroth diffraction order is suppressed and only the first diffraction order is used. For this purpose, the diffractive optical elements can have blazed diffraction structures. When used in transmission diffractive optical elements, the first diffraction order is always emitted obliquely. To compensate for this offset of the deflection angle, the diffractive structures may be carried by a wedge-shaped prism so that light of a certain wavelength can pass through the color-splitter element without deflection.
Anstelle von diffraktiven optischen Elementen können auch refraktive optische Elemente, und zwar insbesondere Prismen oder Anordnungen mehrerer Prismen, als Farbteiler-Elemente verwendet werden. Besonders bevorzugt ist dabei die Verwen- dung eines Geradsichtprismas, da auch dieses die Eigenschaft hat, dass Licht einer bestimmten Wellenlänge das Geradsichtprisma ohne Ablenkung durchtreten kann. Instead of diffractive optical elements and refractive optical elements, in particular prisms or arrangements of multiple prisms can be used as a color divider elements. In this case, the use of a straight-line prism is particularly preferred, since this too has the property that light of a certain wavelength can pass through the straight-viewing prism without deflection.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jedem Farbteiler-Element ein optisches Sammelelement mit Sammelwirkung zugeordnet, das derart zwischen dem Farbteiler-Element und den Sensorpixeln angeordnet ist, dass es allen Lichtstrahlen ausgesetzt ist, die von dem betreffenden Farbteiler-Element auf die diesem Farbteiler-Element zugeordneten Sensorpixel gerichtet werden. Ein solches optisches Sammelelement, bei dem es sich z. B. um eine Linse oder ein achromatisiertes diffraktives optisches Element handeln kann, kann dazu verwendet werden, das auftreffende Licht zu bündeln und so auf die Sensorpixel zu richten, dass Licht einer Wellenlänge nur auf höchstens einen Sensorpixel fällt. Diese Wirkung lässt sich auch dann erreichen, wenn die Farbteiler-Elemente selbst eine Sammelwirkung haben. In one embodiment of the invention, each color divider element is associated with a collection optical collection element located between the color divider element and the sensor pixels so as to be exposed to all light rays from the respective color divider element to that color divider element assigned sensor pixels be directed. Such an optical collection element, in which it is z. B. can be a lens or an achromatisiertes diffractive optical element, can be used to focus the incident light and to direct to the sensor pixels that light of a wavelength falls only on at most one sensor pixel. This effect can be achieved even if the color divider elements themselves have a collecting effect.
Eine Gewinnung von Farbinformationen ist jedoch auch dann möglich, wenn die Farbteilerelemente so ausgebildet und relativ zu den Sensorpixeln angeordnet sind, dass Licht einer Wellenlänge auf mindestens zwei dem gleichen Farbteiler- Element zugeordnete Sensorpixel fällt. Wenn das Aufteilungs- verhältnis für die betreffende Wellenlänge zwischen den min- destens zwei Sensorpixeln bekannt ist, so lassen sich auch bei Auftreffen polychromatischen Lichts dessen Spektralanteile ermitteln. Gegebenenfalls vorhandene Mehrdeutigkeiten können durch Berücksichtigung der Ausgangssignale aufgelöst werden, die von Sensorpixeln erzeugt werden, die einem be- nachbarten Farbteiler-Element zugeordnet sind. Lässt man zu, dass das Licht einer Wellenlänge auf mehrere Sensorpixel gleichzeitig fällt, so besteht auch weniger Notwendigkeit, zusätzliche optische Elemente mit Sammelwirkung vorzusehen, die das abgelenkte Licht bündeln und auf einzelne Sensorpixel richten. However, extraction of color information is also possible if the color-splitter elements are designed and arranged relative to the sensor pixels such that light of one wavelength falls on at least two sensor pixels assigned to the same color splitter element. If the distribution ratio for the respective wavelength between the at least two sensor pixels is known, its spectral components can be determined even when polychromatic light strikes. Any ambiguities that may be present may be resolved by considering the output signals generated by sensor pixels associated with a neighboring color divider element. Allowing the light of one wavelength to coincide with multiple sensor pixels simultaneously also reduces the need to provide additional collection optical elements that focus the deflected light and direct them to individual sensor pixels.
Weitere Vereinfachungen sind möglich, wenn mindestens ein, aber nicht alle einem Farbteiler-Element zugeordnete Pixel zusätzlich auch einem benachbarten Farbteiler-Element zugeordnet sind. In diesem Falle teilen sich gewissermaßen be- nachbarte Farbteiler-Elemente Sensorpixel, so dass derenFurther simplifications are possible if at least one, but not all pixels assigned to a color divider element are additionally assigned to an adjacent color divider element. In this case, neighboring color divider elements share sensor pixels, so that their
Anzahl erheblich verringert werden kann. Zwar geht damit unvermeidlich auch ein Verlust an Auflösung einher, jedoch kann dieser mit Hilfe an sich bekannter Interpolationsalgorithmen, wie sie etwa für das häufig eingesetzte Bayer-Muster entwickelt wurden, teilweise kompensiert werden. Number can be significantly reduced. Although inevitably accompanied by a loss of resolution, but this can with the help of known interpolation algorithms, as they were developed for the frequently used Bayer pattern, can be partially compensated.
Wenn benachbarten Farbteiler-Elementen mindestens ein Sensorpixel gemeinsam zugeordnet ist, so muss es mindestens eine Wellenlänge geben, bei der die Farbteiler-Elemente aus der gleichen Richtung auftreffendes Licht dieser mindestens einen Wellenlänge in eine Richtung ablenken, die für die beiden Farbteiler-Elemente verschieden ist. Im Allgemeinen wird dies dazu führen, dass benachbarte Farbteiler-Elemente paarweise verschieden sind. Bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn die verschiedenen Richtungen spiegelsymmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene sind, die zwischen den beiden Farbteiler-Elementen verläuft. If at least one sensor pixel is associated with adjacent color divider elements, then there must be at least one wavelength at which the color divider elements deflect light from the same direction of at least one wavelength in a direction that is different for the two color divider elements , In general, this will cause adjacent color divider elements to be pairwise different. It is preferred in this context if the different directions are mirror-symmetrical with respect to a plane of symmetry which extends between the two color-splitter elements.
Handelt es sich bei den benachbarten Farbteiler-Elementen um diffraktive optische Elemente mit beugenden Strukturen, die von keilförmigen Prismen getragen werden, so haben in diesem Fall bei benachbarten Farbteiler-Elementen, denen mindestens ein Sensorpixel gemeinsam zugeordnet ist, die keilförmigen Prismen alternierende Keilwinkel. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind jedem Farbteiler- Element ein erster, ein zweiter und ein dritter Sensorpixel zugeordnet. Der erste Sensorpixel ist dabei zusätzlich auch einem zu einer Seite benachbarten Farbteiler-Element zugeordnet, und der zweite Sensorpixel ist zusätzlich auch einem zu einer anderen Seite benachbarten Farbteiler-Element zugeordnet. In diesem Fall ist es günstig, wenn das Licht, das auf den dritten Sensorpixel fällt, Wellenlängen hat, die im Mittel zwischen den Wellenlängen des Lichts liegen, das auf den ersten und den zweiten Sensorpixel fällt. Im Allgemeinen wird es sich dabei um Licht im grünen Spektralbereich handeln. If the adjacent color divider elements are diffractive optical elements with diffractive structures which are supported by wedge-shaped prisms, then, in the case of adjacent color divider elements to which at least one sensor pixel is assigned in common, the wedge-shaped prisms have alternating wedge angles. In another embodiment, each color divider element is associated with a first, a second and a third sensor pixel. The first sensor pixel is additionally assigned to a color divider element adjacent to one side, and the second sensor pixel is additionally assigned to a color divider element adjacent to another side. In this case, it is preferable that the light incident on the third sensor pixel have wavelengths that are on average between the wavelengths of the light incident on the first and second sensor pixels. In general, this will be light in the green spectral range.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist jedem Sensorpixel ein optisches Element mit sammelnder oder zerstreuender Wirkung zugeordnet, das derart zwischen dem Farbteiler-Element und den Sensorpixeln angeordnet ist, dass es nur den Lichtstrahlen ausgesetzt ist, die von dem betreffenden Farbteiler- Element auf einen einzelnen zugeordneten Sensorpixel gerichtet werden. Das optische Element mit sammelnder oder zer- streuender Wirkung hat dabei die Aufgabe, das auf die Sensorpixel auftreffende Licht individuell zu bündeln oder zu zerstreuen und auf diese Weise eine Anpassung an die Größe der lichtempfindlichen Fläche des Sensorpixels und der numerischen Apertur zu erzielen, bei der eine maximale Empfindlich- keit erzielt wird. Insbesondere kann dadurch erreicht werden, dass kein oder weniger Licht in Zwischenräume zwischen den Sensorpixeln fällt. In a further embodiment, each sensor pixel is associated with an optical element having a collecting or dissipating effect, that between the color divider element and the sensor pixels are arranged to be exposed only to the light rays directed by the respective color divider element onto a single associated sensor pixel. The optical element with a collecting or scattering effect has the task of individually bundling or dispersing the light incident on the sensor pixels and thus achieving an adaptation to the size of the photosensitive surface of the sensor pixel and the numerical aperture, in which maximum sensitivity is achieved. In particular, it can be achieved that no or less light falls into interspaces between the sensor pixels.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zwischen jedem Farbteiler-Element und den Sensorpixeln ein dem Farbteiler- Element zugeordnetes refraktives Strahlverlagerungselement angeordnet, welches das Aufteilungsverhältnis ändert, mit dem das Farbteiler-Element darauf auftreffendes polychromatisches Licht auf die ihm zugeordnete Pixel verteilt, und das parallele optischen Flächen aufweist. Mit Hilfe eines solchen Strahlverlagerungselements lässt sich das Aufteilungsverhältnis so abändern, dass eine optimale Anpassung an die spektrale Empfindlichkeit der für das Farbempfinden zuständigen Zäpfchen des menschlichen Auges erreicht wird. Die optischen Flächen des Strahlverlagerungselements können dabei geknickt oder gekrümmt sein. In another embodiment, disposed between each color divider element and the sensor pixels is a refractive ray displacement element associated with the color divider element which alters the split ratio at which the color divider element disperses polychromatic light incident thereon to the pixels associated therewith and the parallel optical surfaces having. With the aid of such a beam displacement element, the distribution ratio can be changed in such a way that an optimal adaptation to the spectral sensitivity of the suppository of the human eye responsible for color perception is achieved. The optical surfaces of the beam displacement element may be kinked or curved.
Der Bildaufnehmer kann eine Auswerteelektronik aufweisen, die derart ausgebildet ist, dass sie Ausgangssignale der einem Farbteiler-Element zugeordneten Sensorpixel mit spektralen Empfindlichkeitsfunktionen verknüpft und daraus Farbwerte ableitet. The image recorder may have evaluation electronics which are designed such that they combine output signals of the sensor pixels associated with a color divider element with spectral sensitivity functions and derive color values from them.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine digitale Kamera mit einer Abbildungsoptik, mit der ein Objekt auf einer Bildebene abbildbar ist, und mit einem erfindungsgemäßen Bildaufnehmer. Vorzugsweise sind die Farbteiler-Elemente dann in oder in unmittelbarer Nähe einer Bildebene der Abbildungsoptik angeordnet, wie es oben bereits erwähnt wurde. The invention further relates to a digital camera with an imaging optical system, with which an object can be imaged on an image plane, and with an image recorder according to the invention. Preferably, the color divider elements are then arranged in or in the immediate vicinity of an image plane of the imaging optics, as already mentioned above.
Bevorzugt ist es ferner, wenn die Abbildungsoptik zumindest bildseitig telezentrisch ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die auf die Farbteiler-Elemente auftreffenden Lichtbündel mit senkrechtem Hauptstrahl die Bildebene durchsetzen, was die Auslegung der Farbteiler-Elemente erleichtert . Bevorzugt ist ferner, wenn die Abbildungsoptik eine beidseitige numerische Apertur von weniger als 0.1 und vorzugsweise von weniger als 0.05 hat. Eine solche kleine numerische Apertur ist zweckmäßig, weil die meisten in Betracht kommenden Farbteiler-Elemente das spektral zerlegte Licht zusätzlich ablenken, wenn sich die Einfallsrichtung des auftreffendenIt is furthermore preferred if the imaging optics is telecentric at least on the image side. In this way, it is ensured that the incident on the color divider elements bundles of light with vertical principal ray pass through the image plane, which facilitates the design of the color divider elements. It is furthermore preferred if the imaging optics have a double-sided numerical aperture of less than 0.1 and preferably less than 0.05. Such a small numerical aperture is convenient because most eligible color-splitter elements additionally distract the spectrally dispersed light as the direction of incidence of the incident
Lichts verändert. Verändern sich diese Einfallsrichtungen nur geringfügig, wie dies bei kleinen bildseitigen numerischen Aperturen der Abbildungsoptik der Fall ist, so ist der Verlust an Farbinformation, der durch die zusätzliche Ablenkung ' in Folge variierender Einfallswinkel entsteht, gering. Light changed. This incident directions change only slightly, as is the case with small image side numerical apertures of the imaging optics, as is the loss of color information, which results from the additional distraction 'as a result of varying the angle of incidence is low.
Die Erfindung lässt sich auch umgekehrt für Bilderzeugungseinrichtungen für die Wiedergabe von Farbbildern verwenden, was im Wesentlichen lediglich einer Umkehrung der Lichtausbreitungsrichtung erfordert. Eine erfindungsgemäße Bilderzeu- gungseinrichtung weist mehrere schaltbare Leuchtpixel und mehrere nebeneinander angeordnete Überlagerungs-Elemente auf. Jedem Überlagerungs-Element sind mindestens zwei Leuchtpixel zugeordnet, die Licht mit unterschiedlicher Farbe erzeugen. Ferner sind die Überlagerungs-Elemente in einem zweidimensio- nalen Muster angeordnet, wobei jedes Überlagerungs-Element derart ausgebildet ist, dass es das Licht, das aus unterschiedlichen Richtungen mit unterschiedlichen Farben auftrifft, zu einem gemeinsamen Strahlenbündel überlagert. Jedem Überlagerungs-Element kann ein optisches Sammelelement mit Sammelwirkung zugeordnet sein, das derart zwischen dem Überlagerungs-Element und den Leuchtpixeln angeordnet ist, dass es allen Lichtstrahlen ausgesetzt ist, die von den Leuchtpixeln auf das zugeordnete Überlagerungs-Element gerichtet werden. The invention can conversely also be used for imaging devices for the reproduction of color images, which essentially requires only an inversion of the light propagation direction. An image generating device according to the invention has a plurality of switchable light pixels and a plurality of overlay elements arranged next to one another. Each overlay element is associated with at least two light pixels that produce light of different colors. Furthermore, the overlay elements are arranged in a two-dimensional pattern, wherein each overlay element is designed such that it overlays the light, which strikes from different directions with different colors, to form a common beam. Each overlay element may be associated with a gathering optical collection element located between the overlay element and the light pixels such that it is exposed to all light rays directed from the light pixels to the associated overlay element.
Ferner können die Überlagerungs-Elemente derart ausgebildet und relativ zu den Leuchtpixeln angeordnet sein, dass Licht einer Wellenlänge von mindestens zwei Leuchtpixeln erzeugt und auf das diesen zugeordnete Überlagerungselement fällt. Furthermore, the overlay elements can be configured and arranged relative to the light pixels such that light of a wavelength of at least two light pixels is generated and falls on the overlay element associated therewith.
Mindestens ein, aber nicht alle einem Überlagerungs-Element zugeordnete Leuchtpixel können zusätzlich auch einem benachbarten Überlagerungs-Element zugeordnet sein. At least one, but not all, luminous pixels associated with an overlay element can additionally be assigned to an adjacent overlay element.
In diesem Falle können benachbarte Überlagerungs-Elemente Licht, das mit gleicher Wellenlänge aus einer Richtung auftrifft, die für die beiden benachbarten Überlagerungs- Elementen verschieden ist, in die gleiche Richtung ablenken. Die verschiedenen Richtungen des auftreffenden Lichts sind dabei vorzugsweise spiegelsymmetrisch bezüglich einer Symmet- rieebene, die zwischen den beiden Überlagerungs-Elementen verläuft . In this case, adjacent heterodyne elements can deflect light which is incident with the same wavelength from one direction, which is different for the two adjacent heterodyne elements, in the same direction. The different directions of the incident light are preferably mirror-symmetrical with respect to a symmetry plane extending between the two overlay elements.
Jedem Überlagerungs-Element kann ein erster, ein zweiter und ein dritter Leuchtpixel zugeordnet sein, wobei der erste Leuchtpixel zusätzlich auch einem zu einer Seite benachbarten Überlagerungs-Element zugeordnet und der zweite Leuchtpixel zusätzlich auch einem zu einer anderen Seite benachbarten Überlagerungs-Element zugeordnet ist. Each overlay element can be assigned a first, a second and a third light pixel, wherein the first light pixel is additionally assigned to an overlay element adjacent to one side and the second light pixel is additionally assigned to an overlay element adjacent to another side.
In diesem Fall hat Licht, das von dem dritten Leuchtpixel erzeugt wird, vorzugsweise Wellenlängen, die im Mittel zwi- sehen den Wellenlängen des Lichts liegen, die von dem ersten und dem zweiten Leuchtpixel erzeugt werden. Jedem Leuchtpixel kann ein optisches Element mit sammelnder oder zerstreuender Wirkung zugeordnet sein, das derart zwischen dem Überlagerungs-Element und den Leuchtpixeln angeordnet ist, dass es nur den Lichtstrahlen ausgesetzt ist, die von einem einzelnen Leuchtpixel erzeugt werden. In this case, light generated by the third light-emitting pixel preferably has wavelengths that lie, on average, between the wavelengths of light generated by the first and second light-emitting pixels. Each light-emitting pixel may be associated with an optical element having a collecting or dispersing effect, which is arranged between the superposition element and the light-emitting pixels such that it is only exposed to the light rays generated by a single light-emitting pixel.
Mindestens ein Überlagerungs-Element kann ein diffraktives optisches Element umfassen. Vorzugsweise weist dann das Überlagerungs-Element ein keilförmiges Prisma mit davon getragenen beugenden Strukturen auf. Bei benachbarten Überlagerungs- Elementen, denen mindestens ein Leuchtpixel gemeinsam zugeordnet ist, können die keilförmigen Prismen alternierende Keilwinkel haben. At least one overlay element may comprise a diffractive optical element. Preferably, the overlay element then has a wedge-shaped prism with diffractive structures carried therefrom. In adjacent overlay elements to which at least one luminous pixel is assigned in common, the wedge-shaped prisms may have alternating wedge angles.
Mindestens ein Überlagerungs-Element kann ein refraktives optisches Element umfassen, und zwar insbesondere ein Prisma und weiter insbesondere ein Geradsichtprisma. At least one overlay element may comprise a refractive optical element, in particular a prism and more particularly a straight-line prism.
Jedes Leuchtpixel kann ein diffraktives optisches Element und einen Lichtschalter umfassen. Bei dem Lichtschalter kann es sich beispielsweise um ein schaltbares LCD-Element oder einen verkippbaren Spiegel handeln. Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein digitaler Bildprojektor mit einer Abbildungsoptik, mit der ein Objekt auf eine Bildebene abbildbar ist, und mit einer erfindungsgemäßen Bilderzeugungseinrichtung. Each light pixel may include a diffractive optical element and a light switch. The light switch may be, for example, a switchable LCD element or a tiltable mirror. The invention also relates to a digital image projector with an imaging optical system, with which an object can be imaged onto an image plane, and with an image generation device according to the invention.
Die Überlagerungs-Elemente sind dabei bevorzugt in einer Bildebene der Abbildungsoptik angeordnet, wobei diese zumindest objektseitig telezentrisch sein kann und eine objektsei- tige numerische Apertur von weniger als 0.1 und weiter vorzugsweise von weniger als 0.05 hat. The overlay elements are preferably arranged in an image plane of the imaging optics, which can be telecentric at least on the object side and has an object-side numerical aperture of less than 0.1 and more preferably less than 0.05.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Spektroskop für die ortsaufgelöste Spektroskopie mit mehreren lichtempfindlichen Sensorpixeln und mit mehreren nebeneinander angeordneten Farbteiler-Elementen. Jedem Farbteiler-Element sind mindestens vier Sensorpixel zugeordnet. Ferner ist jedes Farbteiler-Element derart ausgebildet, dass es darauf auftreffendes polychromatisches Licht auf die ihm zugeordneten Sensorpixel mit einem Aufteilungsverhältnis verteilt, das von der spektralen Zusammensetzung des auftreffenden Lichts abhängt. Erfindungsgemäß sind die Farbteiler-Elemente in einem zweidimensionalen Muster angeordnet. The invention also relates to a spectroscope for spatially resolved spectroscopy with a plurality of photosensitive sensor pixels and a plurality of juxtaposed Color separator elements. Each color divider element is associated with at least four sensor pixels. Further, each color divider element is configured to distribute polychromatic light incident thereon to its associated sensor pixels at a split ratio that depends on the spectral composition of the incident light. According to the invention, the color divider elements are arranged in a two-dimensional pattern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Darin zeigen: BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the drawings. Show:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Farbkamera gemäß einem ersten 1 shows a color camera according to the invention according to a first
Ausführungsbeispiel in einem vereinfachten Meridio- nalschnitt;  Exemplary embodiment in a simplified meridional section;
Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt eines Bildaufnehmers, der Teil der in der Figur 1 gezeigten Farbkamera ist; Figure 2 is an enlarged detail of an image pick-up which is part of the color camera shown in Figure 1;
Figur 3 eine Draufsicht auf den in der Figur 2 gezeigten Figure 3 is a plan view of that shown in FIG
Bildaufnehmer;  imagers;
Figur 4 eine erfindungsgemäße Farbkamera gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem vereinfachten Meridionalschnitt ; FIG. 4 shows a color camera according to the invention according to a second exemplary embodiment of the invention in a simplified meridional section;
Figur 5 einen vergrößerten Ausschnitt eines Bildaufnehmers, der Teil der in der Figur 4 gezeigten Farbkamera ist, mit einem Strahlengang für Licht mit einer Wellenlänge im roten Spektralanteil; FIG. 5 shows an enlarged detail of an image recorder, which is part of the color camera shown in FIG. 4, with a beam path for light with a wavelength in the red spectral component;
Figur 6 eine Darstellung wie in der Figur 5, jedoch für FIG. 6 shows a representation as in FIG. 5, but for
Licht mit einer Wellenlänge im blauen Spektralan- teil ; Figur 7 eine Darstellung wie in der Figur 5, jedoch fürLight with a wavelength in the blue spectral range; Figure 7 is a representation as in Figure 5, but for
Licht mit einer Wellenlänge im grünen Spektralanteil ; Light with a wavelength in the green spectral component;
Figur 8 eine Draufsicht auf den Bildaufnehmer der in der Figure 8 is a plan view of the image sensor in the
Figur 4 gezeigten Farbkamera;  Figure 4 shown color camera;
Figur 9 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Bildaufnehmer für die in der Figur 4 gezeigte Farbkamera gemäß einer ersten Ausführungsvariante; 9 shows an enlarged detail of an image sensor for the color camera shown in FIG. 4 according to a first embodiment variant;
Figur 10 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Bildaufneh- mer für die in der Figur 4 gezeigte Farbkamera gemäß einer zweiten Ausführungsvariante; FIG. 10 shows an enlarged detail of an image recorder for the color camera shown in FIG. 4 according to a second embodiment variant;
Figur 11 einen seitlichen Schnitt durch einen Bildaufnehmer, bei dem als Farbteiler-Elemente diffraktive optische Elemente verwendet werden; Figuren 12a und 12 b einen Ausschnitt aus dem in der Figur 6 gezeigten Bildaufnehmer mit einem Strahlengang für senkrechten bzw. schrägen Lichteinfall; Figure 11 is a side sectional view of an imager, are used in the color divider elements diffractive optical elements; FIGS. 12a and 12b show a detail of the image sensor shown in FIG. 6 with a beam path for vertical or oblique incidence of light;
Figur 13 eine Seitenansicht eines Bildaufnehmers, bei dem als Farbteiler-Elemente Geradsichtprismen verwendet werden; FIG. 13 shows a side view of an image recorder in which straight-viewing prisms are used as color divider elements;
Figur 14 eine vergrößerte Darstellung zweier benachbarter Figure 14 is an enlarged view of two adjacent
Geradsichtprismen mit eingezeichnetem Strahlengang;  Straight-ahead prisms with marked beam path;
Figur 15 eine erfindungsgemäße Bilderzeugungseinrichtung FIG. 15 shows an imaging device according to the invention
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin- dung in einem vereinfachten Meridionalschnitt;  according to a first embodiment of the invention in a simplified meridional section;
Figur 16 eine erfindungsgemäße Bilderzeugungseinrichtung FIG. 16 shows an imaging device according to the invention
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem vereinfachten Meridionalschnitt; Figur 17 ein erfindungsgemäßes Spektroskop für die ortsaufgelöste Spektroskopie in einem vereinfachten Meri- dionalschnitt . according to a second embodiment of the invention in a simplified meridional section; FIG. 17 shows a spectroscope according to the invention for spatially resolved spectroscopy in a simplified meridional section.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
I. Farbkamera I. Color camera
1. Erstes Ausführungsbeispiel 1. First embodiment
Die Figur 1 zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete erfindungsgemäße Farbkamera in einem schematisch dargestellten Meridionalschnitt . Die Farbkamera 10 hat ein Gehäuse 12, das eine Abbildungsoptik 14 und einen Bildaufnehmer 16 aufnimmt. Die Abbildungsoptik 14 bildet ein bei 18 angedeutetes Objekt, das sich in einer Objektebene 20 der Abbildungsoptik 14 befindet, in eine Bildebene 22 der Abbildungsoptik 14 ab. In der Figur 1 ist die Abbildungsoptik 14 vereinfacht als einzelne Sammellinse angedeutet; selbstverständlich kann die Abbildungsoptik 14 auch mehrere Linsen und andere optische Elemente enthalten. FIG. 1 shows a color camera according to the invention designated overall by 10 in a meridional section shown schematically. The color camera 10 has a housing 12 which accommodates an imaging optics 14 and an image recorder 16. The imaging optics 14 forms an object indicated at 18, which is located in an object plane 20 of the imaging optics 14, in an image plane 22 of the imaging optics 14. In Figure 1, the imaging optics 14 is simplified as a single converging lens indicated; Of course, the imaging optics 14 may also include multiple lenses and other optical elements.
Die Bildebene 22 der Abbildungsoptik 14 fällt mit einer Aufnahmeebene des Bildaufnehmers 16 zusammen, in der dieser das von der Abbildungsoptik 14 erzeugte Bild des Objekts 18 aufnimmt; im Folgenden wird deswegen für die Bildebene und die Aufnahmeebene die gleiche Bezugsziffer 22 verwendet. In der Aufnahmeebene 22 sind mehrere Farbteiler-Elementen 24 in einem zweidimensionalen regelmäßigen Muster angeordnet. Die von den Farbteiler-Elementen 24 in der Aufnahmeebene 22 überdeckte Fläche hat ein Seitenverhältnis von höchstens 5:1 und legt die maximale Größe des Bildes fest, welches von dem Bildaufnehmer 16 aufgenommen werden kann. The image plane 22 of the imaging optics 14 coincides with a recording plane of the image recorder 16 in which it receives the image of the object 18 generated by the imaging optics 14; In the following, therefore, the same reference numeral 22 is used for the image plane and the recording plane. In the receiving plane 22, a plurality of color divider elements 24 are arranged in a two-dimensional regular pattern. The area covered by the color divider elements 24 in the receiving plane 22 has an aspect ratio of at most 5: 1 and determines the maximum size of the image that can be picked up by the imager 16.
Die Farbteiler-Elemente 24 haben die Aufgabe, polychromatisches Licht, das von dem Objekt 18 ausgeht und in der Aufnahmeebene 22 auf die Farbteiler-Elemente 24 auftrifft, spektral zu zerlegen und die verschiedenen Spektralanteile auf Sensorpixel 26 zu verteilen, die auf einem Träger 28 angeordnet sind. Die Sensorpixel 26 erfassen möglichst unabhängig von der Wellenlänge die Intensität des auf sie auftreffenden Lichts und erzeugen intensitätsabhängige elektrische Ausgangssignale. Diese Ausgangssignale werden einer Auswerteelektronik 30 des Bildaufnehmers 16 zugeführt, die daraus für die einzelnen Farbteiler-Elemente 24 Farbwerte, z.B. in einem RGB-Farbraum, berechnet. Diese Farbwerte können dann in einem Speicher 32 des Bildaufnehmers 16 gespeichert werden. The color divider elements 24 have the task of spectral polychromatic light emanating from the object 18 and incident in the receiving plane 22 on the color divider elements 24 to disassemble and distribute the various spectral components on sensor pixels 26, which are arranged on a carrier 28. The sensor pixels 26 detect the intensity of the incident light as far as possible independently of the wavelength and produce intensity-dependent electrical output signals. These output signals are fed to evaluation electronics 30 of the image recorder 16, which calculates therefrom color values for the individual color divider elements 24, for example in an RGB color space. These color values may then be stored in a memory 32 of the imager 16.
Die spektrale Zerlegung des polychromatischen Lichts mit Hilfe der Farbteiler-Elemente 24 wird im Folgenden mit Bezug auf die Figur 2 näher erläutert, welche einen vergrößerten Ausschnitt eines Teils des in der Figur 1 gezeigten Bildauf- nehmers 16 zeigt. The spectral decomposition of the polychromatic light with the aid of the color divider elements 24 will be explained in more detail below with reference to FIG. 2, which shows an enlarged detail of a part of the image sensor 16 shown in FIG.
Die Farbteiler-Elemente 24 sind so ausgebildet, dass sie unterschiedliche Spektralanteile des auftreffenden farbigen Lichts 34 in unterschiedliche Richtungen ablenken. Der Einfachheit halber sei hier zunächst angenommen, dass einfallen- des polychromatisches Licht 34 kollimiert ist und senkrecht auf die Farbteiler-Elemente 24 auftrifft. Wenn diese die Spektralanteile des auftreffenden Lichts 34 in unterschiedliche Richtungen ablenken, ohne die Parallelität des Lichts an sich zu beeinflussen, dann treten aus Austrittsflächen der Farbteiler-Elemente 24 kollimierte Strahlenbündel aus, deren Ausbreitungsrichtung von der Wellenlänge abhängt. The color divider elements 24 are configured to divert different spectral components of the incident colored light 34 in different directions. For the sake of simplicity, it is first assumed here that incident polychromatic light 34 is collimated and impinges perpendicularly on the color divider elements 24. If these deflect the spectral components of the incident light 34 in different directions, without influencing the parallelism of the light per se, emerge from exit surfaces of the color divider elements 24 collimated beams whose propagation direction depends on the wavelength.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält der Bildaufnehmer 16 eine matrixartige Anordnung von Sammellinsen 36, die zwischen den Farbteiler-Elementen 24 und den Sensorpixeln 26 befestigt sind. Jedem Farbteiler-Element 24 ist dabei eine Sammellinse 36 zugeordnet, wobei der Abstand zwischen den Farbteiler-Elementen 24 und den Sammellinsen 36 so klein ist, dass das gesamte ein Farbteiler-Element 24 durchtretende Licht auch die jeweils zugeordnete Sammellinse 36 durchtritt. In the illustrated embodiment, the imager 16 includes a matrix-like array of converging lenses 36 mounted between the color divider elements 24 and the sensor pixels 26. Each color divider element 24 is associated with a converging lens 36, wherein the distance between the color divider elements 24 and the converging lenses 36 is so small, that the entire light passing through a color divider element 24 also passes through the respectively assigned converging lens 36.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind jedem Farbteiler-Element 24 drei Sensorpixel 26 zugeordnet, und zwar ein erster Sensorpixel 26a für den blauen Spektralanteil, ein zweiter Sensorpixel 26b für den grünen Spektralanteil und ein dritter Sensorpixel 26c für den roten Spektralanteil. Die Sensorpixel 26 sind zumindest annähernd in einer Brennebene der Sammellinsen 36 angeordnet, so dass diese die kollimierten, aber sich in unterschiedliche Richtungen ausbreitenden Strahlenbündel auf die Sensorpixel 26 fokussieren, wie dies in den Figuren 1 und 2 für drei unterschiedliche Wellenlängen im blauen, grünen und roten Spektralanteil durch gepunktete, durchgezogene bzw. gestrichelte Linien angedeutet ist. Die Sammellinse 36 setzt dabei die unterschiedlichenIn the exemplary embodiment illustrated here, each color divider element 24 is assigned three sensor pixels 26, specifically a first sensor pixel 26a for the blue spectral component, a second sensor pixel 26b for the green spectral component and a third sensor pixel 26c for the red spectral component. The sensor pixels 26 are arranged at least approximately in a focal plane of the converging lenses 36, so that they focus the collimated, but in different directions propagating beams on the sensor pixels 26, as shown in Figures 1 and 2 for three different wavelengths in the blue, green and red spectral component is indicated by dotted, solid or dashed lines. The converging lens 36 sets the different
Ausbreitungsrichtungen der einzelnen Wellenlängen in Orte um, an denen sich die dem blauen, grünen und roten Spektralanteil zugeordneten Sensorpixel 26a, 26b bzw. 26c befinden. Propagation directions of the individual wavelengths in places to where the blue, green and red spectral component associated sensor pixels 26a, 26b and 26c are located.
Die Auswerteelektronik 30 kann durch Auswerten der Ausgangs- Signale der einem Farbteiler-Element 24 zugeordneten Sensorpixel 26a, 26b, 26c ermittelt, wie viel Licht im blauen, grünen und roten Spektralbereich auf das Farbteiler-Element 24 auftrifft, und hieraus einen Farbwert für das auftreffende Licht ableiten. Jedes Farbteiler-Element 24 stellt somit einen Bildpunkt dar, der in der Aufnahmeebene 22 aufgelöst werden kann. Die Größe und Dichte der Farbteiler-Elemente 24 legt folglich die Auflösung des Bildaufnehmers 16 fest. By evaluating the output signals of the sensor pixels 26a, 26b, 26c assigned to a color divider element 24, the evaluation electronics 30 can determine how much light in the blue, green and red spectral range impinges on the color divider element 24, and from this a color value for the impinging Derive light. Each color divider element 24 thus represents a pixel that can be resolved in the acquisition plane 22. The size and density of the color divider elements 24 thus determines the resolution of the imager 16.
In der Regel erzeugen die Farbteiler-Elemente 24 zumindest über einen größeren Wellenlängenbereich hinweg ein kontinu- ierliches Spektrum, so dass auch Licht in Zwischenräume zwischen den Sensorpixeln 26a, 26b und 26c fällt. Dieses Licht geht für eine Auswertung durch den Bildaufnehmer 16 verloren, weswegen die Zwischenräume zwischen den Sensorpixeln 26a, 26b, 26c möglichst klein sein sollten. As a rule, the color divider elements 24 generate a continuous spectrum over at least a relatively large wavelength range so that light also falls into intermediate spaces between the sensor pixels 26a, 26b and 26c. This light is lost for evaluation by the imager 16, why the spaces between the sensor pixels 26a, 26b, 26c should be as small as possible.
Die Figur 3 zeigt einen Ausschnitt des Bildaufnehmers 16 in Draufsicht. Die durch dicke schwarze Linien angedeuteten Farbteiler-Elemente 24 überdecken jeweils eine Sammellinse 36 und drei Sensorpixel 26a, 26b, 26c. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jeder Bildpunkt, dem ein Farbteiler-Element 24, eine Sammellinse 36 und drei Sensorpixel 26a, 26b, 26c zugeordnet sind, in identischer Weise aufgebaut. Je nach dem noch zu erläuternden Aufbau der verwendeten Farbteiler-Elemente 24 ist es deswegen sogar möglich, mehrere Farbteiler-Elemente 24 bauteilmäßig zu größeren Komponenten zusammenzufassen und eine Unterteilung nur in funktioneller Hinsicht über die Zuordnung zu den Sensorpixeln 26 vorzunehmen. In der Figur 3 ist eine solche mögliche Zusammenfassung von mehreren Farbteiler-Elementen durch gestrichelte Linien angedeutet, die lediglich eine funktionelle Trennung der benachbarten Farbteiler-Elemente andeuten sollen. FIG. 3 shows a section of the image sensor 16 in plan view. The color divider elements 24 indicated by thick black lines cover in each case a converging lens 36 and three sensor pixels 26a, 26b, 26c. In this embodiment, each pixel to which a color divider element 24, a condenser lens 36, and three sensor pixels 26a, 26b, 26c are assigned are constructed identically. Depending on the structure of the color divider elements 24 to be explained, it is therefore even possible to combine a plurality of color divider elements 24 to form larger components and to divide them only in a functional respect via the assignment to the sensor pixels 26. In FIG. 3, such a possible summary of several color divider elements is indicated by dashed lines, which are merely intended to indicate a functional separation of the adjacent color divider elements.
Rechts neben der Figur 3 sind zwei alternative Anordnungen von Sensorpixeln 26 und Linsen 36 dargestellt. Bei dem oben rechts gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Sensorpixel 26 eine hexagonale Grundfläche, so dass diese sich mit minimalen Abständen und - bezogen auf eine Gruppe aus drei einem Farbeteiler-Element 24 zugeordneten Sensorpixeln 26a, 26b, 26c - dreizähliger Geometrie auf dem Träger 28 anordnen lassen. Das dazugehörige Farbteiler-Element muss in diesem Fall derart ausgebildet sein, dass es die unterschiedlichen Spektralanteile nicht nur in einer Ebene, sondern in zwei orthogonalen Ebenen abzulenken vermag. Bei der unten rechts in der Figur 3 dargestellten Variante ist die rotationssymmetrische Linse 36 durch eine Zylinderlinse 136 ersetzt, die somit Brechkraft nur entlang einer Richtung hat. Senkrecht zu dieser Richtung erstrecken sich die Sensorpixel 126 über die gesamte Abmessung des zugeordneten Farbteiler-Elements 126 hinweg. To the right of FIG. 3, two alternative arrangements of sensor pixels 26 and lenses 36 are shown. In the exemplary embodiment shown on the top right, the sensor pixels 26 have a hexagonal base surface, so that they can be arranged on the carrier 28 with minimal spacings and, with reference to a group of three sensor pixels 26a, 26b, 26c, associated with a color divider element 24 , The associated color divider element must in this case be designed such that it is able to deflect the different spectral components not only in one plane, but in two orthogonal planes. In the variant shown at the bottom right in FIG. 3, the rotationally symmetrical lens 36 is replaced by a cylindrical lens 136, which thus has refractive power only along one direction. Perpendicular to this direction extend the sensor pixels 126 across the entire dimension of the associated color divider element 126.
Bei annähernd verlustfreien Farbteiler-Elementen 24 ermöglicht es der Bildaufnehmer 16 gemäß dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel, beinahe 100% des in der Aufnahmeebene 22 auftreffenden Lichts den Sensorpixeln 26 zuzuführen. Daher hat der Bildaufnehmer 16 der Farbkamera 10 eine sehr hohe Lichtausbeute. Die Farbkamera 10 kann deswegen auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen noch hervorragende Farbauflösungen erzielen. With approximately lossless color divider elements 24, the image sensor 16 according to the exemplary embodiment illustrated in FIGS. 1 to 3 makes it possible to supply almost 100% of the light incident in the recording plane 22 to the sensor pixels 26. Therefore, the imager 16 of the color camera 10 has a very high luminous efficacy. The color camera 10 can therefore achieve excellent color resolutions even in unfavorable lighting conditions.
2. Zweites Ausführungsbeispiel 2. Second embodiment
Die Figur 4 zeigt in einer an die Figur 1 angelehnten Darstellung eine insgesamt mit 10' bezeichnete erfindungsgemäße Farbkamera gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Gleiche oder einander entsprechende Bauteile sind dabei mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. FIG. 4 shows, in a representation similar to FIG. 1, a color camera according to the invention designated overall by 10 'according to a second exemplary embodiment. The same or corresponding components are identified by the same reference numerals.
Im Unterschied zu der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Farbkamera 10 sind bei dem Bildaufnehmer 16 der Farbkamera 10' keine Sammellinsen 36 vorgesehen, welche die von den Farbtei-■ ler-Elementen 24 abgelenkten Spektralanteile des auftreffenden Lichts auf die einzelnen Sensorpixel 26 fokussieren. In contrast to the color camera 10 shown in FIGS. 1 to 3, no converging lenses 36 are provided in the image sensor 16 of the color camera 10 'which focus the spectral components of the incident light deflected by the color elements 24 onto the individual sensor pixels 26.
Vielmehr wird bei diesem Ausführungsbeispiel bewusst zugelassen, dass jedes Farbteiler-Element 24 Licht einer beliebigen Wellenlänge nicht nur auf einen einzigen Sensorpixel 26, sondern auch auf die beiden jeweils benachbarten Sensorpixel richtet. So trifft das in der Figur 4 von einem Farbteiler- Element 24a ausgehende Licht einer Wellenlänge, das nicht abgelenkt wird, nicht nur auf einen Sensorpixel 26b, sondern teilweise auch auf die benachbarten Sensorpixel 26a und 26c. Entsprechendes gilt für ein Lichtbündel mit einer kürzeren Wellenlänge, das durch gepunktete Linien angedeutet ist, und für ein Lichtbündel mit längerer Wellenlänge, das durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Während somit bei dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel das Aufteilungsverhältnis für eine bestimmte Wellenlänge 0:0:1, 0:1:0 oder 1:0:0 war, ist bei dem in der Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel das Auftei- lungsverhältnis a:b:c, mit a, b, c 0. Das Aufteilungsverhältnis wird dabei für jede Wellenlänge etwas anders sein. Für die in der Figur 4 gezeigten Wellenlängen, die etwa in der Mitte des blauen, grünen und roten Spektralanteils liegen, kann das Aufteilungsverhältnis beispielsweise 2:1:1, 1:2:1 bzw. 1:1:2 betragen, so dass genauso viel Licht auf den spektral "richtigen" Sensorpixel wie auf die beiden "falschen" Sensorpixel fällt. Rather, it is deliberately allowed in this embodiment that each color divider element 24 directs light of any wavelength not only to a single sensor pixel 26, but also to the two adjacent sensor pixels. Thus, in FIG. 4 light from a color divider element 24a of a wavelength that is not deflected hits not only one sensor pixel 26b but also some of the neighboring sensor pixels 26a and 26c. The same applies to a light beam with a shorter wavelength, which is indicated by dotted lines, and for a light beam with a longer wavelength, which is indicated by dashed lines. Thus, in the embodiment illustrated in FIGS. 1 to 3, while the distribution ratio for a specific wavelength was 0: 0: 1, 0: 1: 0 or 1: 0: 0, the division ratio is in the exemplary embodiment shown in FIG a: b: c, with a, b, c 0. The distribution ratio will be slightly different for each wavelength. For the wavelengths shown in FIG. 4, which are approximately in the middle of the blue, green and red spectral components, the distribution ratio can be, for example, 2: 1: 1, 1: 2: 1 and 1: 1: 2, respectively much light falls on the spectrally "correct" sensor pixel as on the two "wrong" sensor pixels.
Das Aufteilungsverhältnis hängt insbesondere vom Aufbau der Farbteiler-Elemente 24, aber auch von der Anordnung der Sen- sorpixel 26 ab. Ist das Aufteilungsverhältnis für alle Wellenlängen bekannt, so kann die Auswerteelektronik 30 aus den von den Sensorpixeln 26 erzeugten elektrischen Ausgangssignalen die Farbwerte unter Verwendung an sich bekannter Algorithmen berechnen. Die Funktionsweise ist insoweit derjenigen des menschlichen Auges nicht unähnlich, bei dem die für die Farbempfindung zuständigen Zäpfchen ebenfalls für alle Wellenlängen empfindlich sind und sich die Farbinformation nur aus den Unterschieden der Empfindlichkeit für eine bestimmte Wellenlänge ergibt. Eine solche Ermittlung der Farbwerte ist jedoch nur möglich, wenn das Aufteilungsverhältnis nicht für alle Wellenlängen 1:1:1 ist, d.h. Licht einer bestimmten Wellenlänge zu gleichen Teilen auf drei benachbarte Sensorpixel fällt. Für die Abmessungen der Sensorpixel 26 bedeutet dies insbesondere, dass deren Breite nicht ein Drittel der Breite eines Strahlteiler-Elements 24 betragen darf, die wiederum annähernd dem Querschnitt der von den Farbteiler-Elementen 26 ausgehenden Lichtbündel einer bestimmten Wellenlänge entspricht. Bei dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel war die Breite der Sensorpixel kleiner als dieser Wert; wenn die Breiten jedoch größer als dieser Wert sein soll, dann können nicht mehr jedem Strahlteiler-Element 26 eindeutig drei unterschiedliche Sensorpixel 26a, 26b, 26c zugeordnet werden. The distribution ratio depends in particular on the structure of the color divider elements 24, but also on the arrangement of the sensor pixels 26. If the distribution ratio is known for all wavelengths, the evaluation electronics 30 can calculate the color values from the electrical output signals generated by the sensor pixels 26 using algorithms known per se. The operation is so far not unlike that of the human eye, in which the responsible for the color sensation suppositories are also sensitive to all wavelengths and the color information results only from the differences in sensitivity for a particular wavelength. However, such a determination of the color values is only possible if the distribution ratio is not 1: 1: 1 for all wavelengths, ie light of a certain wavelength falls in equal parts on three adjacent sensor pixels. For the dimensions of the sensor pixels 26, this means, in particular, that their width may not be one third of the width of a beam splitter element 24, which in turn approximately corresponds to the cross section of the output from the color divider elements 26 light beam of a particular wavelength. In the first embodiment described above, the width was the sensor pixel is smaller than this value; However, if the widths should be greater than this value, then each beam splitter element 26 can not be clearly assigned to three different sensor pixels 26a, 26b, 26c.
Vielmehr müssen dann mehrere (aber nicht alle) einem Farbteiler-Element 24 zugeordnete Sensorpixel 26 zusätzlich auch einem benachbarten Farbteiler-Element zugeordnet sein, wie dies der Figur 4 entnehmbar ist. Diese Doppelzuordnung erfordert wiederum, dass benachbarte Farbteiler-Elemente 24 auf- treffendes Licht der gleichen Wellenlänge nicht in die gleiche, sondern in unterschiedliche Richtungen ablenken müssen. Rather, several (but not all) of a color divider element 24 associated sensor pixels 26 must be additionally assigned to an adjacent color divider element, as shown in FIG 4 can be removed. In turn, this double assignment requires that adjacent color divider elements 24 need not deflect incident light of the same wavelength in the same direction but in different directions.
Dies wird im Folgenden anhand der Figuren 5 bis 7 erläutert, die einen vergrößerten Ausschnitt aus der Figur 4 zeigen. Dargestellt sind jeweils zwei benachbarte Farbteiler-Elemente 24a, 24b, 24c sowie Sensorpixel 26, die zur besseren Unterscheidbarkeit mit den Anfangsbuchstaben der Primärfarben rot, grün und blau gekennzeichnet sind. This will be explained below with reference to FIGS. 5 to 7, which show an enlarged section from FIG. 4. Shown are two adjacent color divider elements 24a, 24b, 24c and sensor pixels 26, which are marked for better distinctness with the first letters of the primary colors red, green and blue.
In der Figur 5 ist dargestellt, wie Licht einer Wellenlänge im roten Spektralanteil von den Farbteiler-Elementen 24 abge- lenkt wird. Die Ablenkung erfolgt dabei so, dass dieses Licht primär auf die der roten Spektralfarbe zugeordneten Sensorpixel 26 fällt, die mit dem Kleinbuchstaben r bezeichnet sind. Wie man in der Figur 5 erkennen kann, lenken jeweils benachbarte Farbteiler-Elemente 24 Licht dieser Wellenlänge jeweils in entgegengesetzte Richtungen ab. Die Richtungen, in die das Licht dieser Wellenlänge von benachbarten Farbteiler- Elementen abgelenkt wird, sind dabei spiegelsymmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene, die zwischen den jeweils benachbarten Farbteiler-Elementen verläuft. Da die Anzahl der dem roten Spektralanteil zugeordneten Sensorpixel 26 nur halb so groß ist wie die Anzahl der Farbteiler-Elemente 24, müssen sich Paare benachbarter Farbteiler-Elemente jeweils einen Sensorpixel 26 für den Spektralanteil rot teilen. Da dieser Sensorpixel 26 nicht unterscheiden kann, welches Farbteiler- Element dieses Licht auf ihn richtet, bedeutet dies, dass die Auflösung für die in der Figur 5 gezeigte Wellenlänge im roten Spektralbereich um einen Faktor 1/2 kleiner ist als die Auflösung, die sich rechnerisch aus der Zahl der Farbteiler- Elemente 24 ergibt. FIG. 5 shows how light of a wavelength in the red spectral component is deflected by the color divider elements 24. The deflection takes place in such a way that this light falls primarily on the sensor pixel 26 associated with the red spectral color, which are designated by the lower case letter r. As can be seen in FIG. 5, adjacent color divider elements 24 in each case deflect light of this wavelength in opposite directions. The directions in which the light of this wavelength is deflected by adjacent color divider elements, are mirror-symmetrical with respect to a plane of symmetry extending between the respective adjacent color divider elements. Since the number of sensor pixels 26 assigned to the red spectral component is only half as large as the number of color divider elements 24, pairs of adjacent color divider elements must each share a sensor pixel 26 for the spectral component red. Since this sensor pixel 26 can not distinguish which color divider If this light is directed towards it, this means that the resolution for the wavelength in the red spectral range shown in FIG. 5 is smaller by a factor of 1/2 than the resolution that results arithmetically from the number of color divider elements 24.
Die Figur 6 zeigt in einer an die Figur 5 angelehnten Darstellung die Verhältnisse für Licht, dessen Wellenlänge im blauen Spektralanteil liegt. Die vorstehend in Bezug auf die Figur 5 erläuterten Erläuterungen gelten hier entsprechend. Die Figur 7 zeigt in einer ebenfalls an die Figur 5 angelehnten Darstellung einen Sonderfall, bei dem Licht mit einer Wellenlänge des grünen Spektralanteils auf die Sensorpixel 26 trifft, ohne von den Farbteiler-Elementen 24 abgelenkt zu werden. Licht dieser Wellenlänge überlappt sich nicht mit Licht gleicher Wellenlänge, das ein benachbartes Farbteiler- Element durchtreten hat. Folglich ist bei dieser Wellenlänge jedes Sensorpixel g für den Spektralanteil grün genau einem Farbteiler-Element 24 zugeordnet. Für dieses Licht wird somit, verglichen mit rotem oder blauen Licht, eine doppelt so hohe Auflösung erreicht, die durch die Anzahl der Farbteiler- Element 24 gegeben ist. FIG. 6 shows in a representation similar to FIG. 5 the conditions for light whose wavelength lies in the blue spectral component. The explanations explained above with reference to FIG. 5 apply accordingly here. FIG. 7 shows, in a representation likewise similar to FIG. 5, a special case in which light with a wavelength of the green spectral component strikes the sensor pixels 26 without being deflected by the color divider elements 24. Light of this wavelength does not overlap with light of the same wavelength that has passed through an adjacent color divider element. Consequently, at this wavelength, each sensor pixel g for the spectral component is assigned in green exactly to a color divider element 24. Thus, compared to red or blue light, this resolution achieves twice the resolution given by the number of color divider elements 24.
Im Allgemeinen hat das Licht eine Wellenlänge, die zwischen den Wellenlängen liegen, deren Verteilung auf die Sensorpixel 26 in den Figuren 5 bis 7 gezeigt ist. Für diese Wellenlängen liegt die Auflösung rechnerisch zwischen der minimalen Auflösung, die in den Figuren 5 und 6 gezeigt ist, und der maximalen Auflösung, die in der Figur 7 gezeigt ist. In general, the light has a wavelength that is between the wavelengths whose distribution is shown on the sensor pixels 26 in Figs. 5-7. For these wavelengths, the resolution is computationally between the minimum resolution shown in Figures 5 and 6 and the maximum resolution shown in Figure 7.
Die Figur 8 zeigt den Bildaufnehmer 16 der Farbkamera 10' in einer Draufsicht. Im oberen Drittel ist durch unterschiedli- che Schraffuren angedeutet, dass die jeweils benachbartenFIG. 8 shows the image recorder 16 of the color camera 10 'in a plan view. In the upper third, different hatchings indicate that the adjacent ones are in each case
Farbteiler-Elemente 24 auftreffendes Licht der gleichen Wellenlänge (abgesehen von dem in der Figur 7 gezeigten Sonderfall des nicht abgelenkten Lichts) in unterschiedliche Rieh- tungen ablenken, wie dies in den Figuren 5 und 6 gezeigt ist. Im mittleren Drittel der Figur 8 ist die Schraffur weggelassen, um die Anordnung der Farbteiler-Elemente 24 relativ zu den darunter erkennbaren Sensorpixeln 26 nachvollziehen zu können; im unteren Drittel sind die Farbteiler-Elemente 24 überhaupt nicht dargestellt. Color divider elements 24 incident light of the same wavelength (apart from the special case of undeflected light shown in Figure 7) in different Rieh- deflected as shown in Figures 5 and 6. In the middle third of Figure 8, the hatching is omitted in order to understand the arrangement of the color divider elements 24 relative to the underlying detectable sensor pixels 26 can; in the lower third of the color divider elements 24 are not shown.
Wie bereits erwähnt, bilden die Sensorpixel 26 bei diesem Ausführungsbeispiel eine Anordnung, bei der die mit dem Buchstaben g gekennzeichneten Sensorpixel für den grünen Spekt- ralanteil doppelt so oft vorkommen wie die mit dem Buchstaben r und b gekennzeichneten Sensorpixel, die dem roten bzw. dem blauen Spektralanteil zugeordnet sind. Diese Ungleichgewich- tung der einzelnen Spektralanteile trägt der höheren Empfindlichkeit des menschlichen Auges für grünes Licht Rechnung und ist deswegen auch in herkömmlichen Bildaufnehmern realisiert, bei denen die einzelnen lichtempfindlichen Sensorpixel mit Farbfiltern versehen und im Bayer-Muster angeordnet sind. As already mentioned, the sensor pixels 26 in this exemplary embodiment form an arrangement in which the sensor pixels labeled with the letter g appear twice as often for the green spectral component as the sensor pixels labeled with the letters r and b corresponding to the red and the blue spectral component are assigned. This imbalance of the individual spectral components takes into account the higher sensitivity of the human eye to green light and is therefore also realized in conventional imagers in which the individual photosensitive sensor pixels are provided with color filters and arranged in the Bayer pattern.
Ähnlich wie auch beim Bayer-Muster können bei der in der Figur 8 gezeigten Anordnung der Sensorpixel 26 Farbwerte für Positionen zwischen Sensorpixeln 26, die einem bestimmten Spektralanteil zugeordnet sind, interpoliert werden. Similar to the Bayer pattern, in the arrangement of the sensor pixels 26 shown in FIG. 8, color values for positions between sensor pixels 26 which are assigned to a specific spectral component can be interpolated.
Bei annähernd verlustfreien Farbteiler-Elementen 24 ermöglicht es der Bildaufnehmer 16 gemäß dem in den Figuren 4 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiel, beinahe 100% des in der Aufnahmeebene 22 auftreffenden Lichts den Sensorpixeln 26 zuzuführen. Daher hat der Bildaufnehmer 16 der Farbkamera 10' ebenfalls eine sehr hohe Lichtausbeute. Die Farbkamera 10' kann deswegen auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen noch hervorragende Farbauflösungen erzielen. Der konstruktive Aufbau ist jedoch noch einfacher als bei der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Farbkamera 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, da die Anordnung von Sammellinsen 34 entfällt. Außerdem können, bei angenommener Minimalgröße der Sensorpixel 26, die Farbteiler-Elemente bei der in den Figuren 4 bis 8 gezeigten Farbkamera 10', deutlich kleiner sein, da nicht drei, sondern nur zwei Sensorpixel 26 auf der Fläche eines Farbteiler-Elements 24 angeordnet werden müssen. Entsprechend kleiner und preisgünstiger kann, bei gleicher Auflösung, auch die Abbildungsoptik 14 ausfallen. With approximately lossless color divider elements 24, the image sensor 16 according to the exemplary embodiment illustrated in FIGS. 4 to 8 makes it possible to supply almost 100% of the light incident in the recording plane 22 to the sensor pixels 26. Therefore, the imager 16 of the color camera 10 'also has a very high luminous efficacy. The color camera 10 'can therefore still achieve excellent color resolutions even in unfavorable lighting conditions. However, the structural design is even simpler than in the case of the color camera 10 according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3, since the arrangement of converging lenses 34 is omitted. In addition, assuming minimum size the sensor pixel 26, the color divider elements in the color camera 10 'shown in FIGS. 4 to 8, must be significantly smaller, since not three, but only two sensor pixels 26 must be arranged on the surface of a color divider element 24. Correspondingly smaller and less expensive, with the same resolution, and the imaging optics 14 fail.
Der Bildaufnehmer 16 ist außerdem unempfindlicher gegenüber Justagefehlern. Wird die Anordnung der Farbteiler-Elemente 24 bei der Montage nicht korrekt gegenüber der Anordnung der Sensorpixel 26 ausgerichtet, so kann dem nachträglich noch durch eine rechnerische Modifizierung der Aufteilungsverhält- nisse Rechnung getragen werden, die von der Auswerteelektronik 30 bei der Ermittlung der Farbwerte zugrunde gelegten werden . Die Figur 9 zeigt eine Variante des in den Figuren 4 bis 8 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels, bei dem zwischen den Farbteiler-Elementen 24 und den Sensorpixeln 26 ebenfalls wie bei dem in den Figuren 1 bis 3 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel Sammellinsen 38 angeordnet sind. Die Sammellin- sen 38 sind dabei jedoch nicht in der Nähe der Farbteiler- Elemente 24, sondern in der Nähe der Sensorpixel 26 angeordnet. Dadurch werden die Sammellinsen 38 nur von Licht durchtreten, das auf einen Sensorpixel 26, dem die jeweilige Sammellinse 38 zugeordnet ist. Die Sammellinsen 38 ermöglichen es, das gesamte Licht, das die Farbteiler-Elemente 24 durchtritt, auf die Sensorpixel 26 zu richten, und zwar auch dann, wenn diese, wie in der Figur 9 angedeutet, durch größere Abstände voneinander getrennt sind. Ferner ermöglichen es die Sammellinsen 38, das spektral zerlegte Licht mit einer numerischen Apertur auf die Sensorpixel 26 fallen zu lassen, bei der diese eine optimale Empfindlichkeit haben. Im Gegensatz zu den in der Figur 2 gezeigten Sammellinsen 36 jedoch lässt sich hier durch einen geringen lateralen Versatz der Sammellinsen 38 erreichen, dass das Licht auf alle Sensorpixel 26 unter ähnlichen Winkeln auftrifft. The imager 16 is also less sensitive to adjustment errors. If the arrangement of the color divider elements 24 during assembly is not aligned correctly with respect to the arrangement of the sensor pixels 26, this can be compensated later by a mathematical modification of the division ratios which are used by the evaluation electronics 30 in determining the color values become . FIG. 9 shows a variant of the second exemplary embodiment illustrated in FIGS. 4 to 8, in which collecting lenses 38 are likewise arranged between the color divider elements 24 and the sensor pixels 26, as in the first exemplary embodiment shown in FIGS. However, the collecting lenses 38 are not arranged in the vicinity of the color divider elements 24, but in the vicinity of the sensor pixels 26. As a result, the converging lenses 38 will only pass through light which is incident on a sensor pixel 26 to which the respective converging lens 38 is assigned. The converging lenses 38 make it possible to direct all the light which passes through the color divider elements 24 to the sensor pixels 26, even if, as indicated in FIG. 9, they are separated from one another by greater distances. Further, the converging lenses 38 allow the spectrally dispersed light having a numerical aperture to fall on the sensor pixels 26 at which they have optimum sensitivity. In contrast to the collection lenses 36 shown in Figure 2 but can be here by a small lateral displacement of the converging lenses 38 cause the light to strike all sensor pixels 26 at similar angles.
Die Figur 10 zeigt eine weitere Variante des in den Figuren 4 bis 8 gezeigten Bildaufnehmers 16, bei der zwischen jedemFIG. 10 shows a further variant of the image sensor 16 shown in FIGS. 4 to 8, in which between each
Farbteiler-Element 24 und den Sensorpixeln 26 ein dem jeweiligen Farbteiler-Element 24 zugeordnetes Strahlverlagerungselement 40 angeordnet ist, welches das Aufteilungsverhältnis verändert, mit dem die Spektralanteile des auftreffenden Lichts auf die dem betreffenden Farbteiler-Element 24 zugeordneten Sensorpixel 26 verteilt werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Strahlverlagerungselemente 40 als dachartig geknickte Platten mit parallelen Flächen 42, 44 ausgebildet. Eine Knicklinie 46 der Strahlverlagerungsele- mente 40 erstreckt sich dabei senkrecht zu der Richtung, in der die Spektralanteile von den Farbteiler-Elementen 24 abgelenkt werden. Wie man in der Mitte der Figur 10 erkennen kann, verlagert das Strahlverlagerungselement Licht einer Wellenlänge, die im grünen Spektralanteil liegt, derart, dass mehr Licht als bei dem in der Figur 7 gezeigten Ausführungsbeispiel auf den Sensorpixel trifft, der dem grünen Spektralanteil zugeordnet und deswegen mit dem Buchstaben g gekennzeichnet ist. Auf diese Weise wird das Aufteilungsverhältnis zugunsten der Sensorpixel g erhöht. Infolge der Parallelität der Grenzflächen 42, 47 verändert sich die Ausbreitungsrichtung des Lichts beim Durchtritt durch das Strahlverlagerungselement 40 nicht. Color splitter element 24 and the sensor pixels 26 a the color divider element 24 associated beam displacement element 40 is arranged, which changes the division ratio, with which the spectral components of the incident light are distributed to the relevant color divider element 24 sensor pixel 26. In the illustrated embodiment, the beam displacement elements 40 are formed as a roof-like bent plates with parallel surfaces 42, 44. A bend line 46 of the beam displacement elements 40 extends perpendicular to the direction in which the spectral components are deflected by the color divider elements 24. As can be seen in the middle of FIG. 10, the beam displacement element displaces light of a wavelength lying in the green spectral component such that more light than the embodiment shown in FIG. 7 strikes the sensor pixel associated with the green spectral component and therefore marked with the letter g. In this way, the division ratio is increased in favor of the sensor pixels g. Due to the parallelism of the interfaces 42, 47, the propagation direction of the light does not change as it passes through the beam displacement element 40.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Strahlverlagerung am größten für senkrechten Einfall auf das Strahl- Verlagerungselement 40, wie dies in der Mitte der Figur 10 dargestellt ist. Je schräger das Licht einfällt, desto weniger verändert sich das Aufteilungsverhältnis ; für Licht, das hauptsächlich auf die dem roten oder blauen Spektralanteil zugeordneten Sensorpixel r bzw. b fällt, findet zwar eine Verlagerung des Lichts statt, jedoch hat diese keine oder allenfalls geringe Auswirkungen auf das Aufteilungsverhält- nis . In the illustrated embodiment, the beam displacement is greatest for normal incidence on the beam displacement element 40, as shown in the center of FIG. The more oblique the light is, the less the distribution ratio changes; for light, which falls mainly on the red or blue spectral component associated sensor pixels r and b, although finds a Shifting the light instead, but this has no or at most low impact on the distribution ratio.
Mit solchen oder auch anders geformten Strahlverlagerungsele- menten 40, welche die numerische Apertur nicht verändern, lässt sich für einen gegebenen Typ von Farbteiler-Elementen 24 das Aufteilungsverhältnis so verändern, dass eine optimale, an die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges angepasste Farbbestimmung möglich wird. So können die Strahl- Verlagerungselemente 40 insbesondere gewellte parallele With such or otherwise shaped Strahlverlagerungs-- elements 40, which do not change the numerical aperture, for a given type of color divider elements 24, the division ratio can be changed so that an optimal, adapted to the spectral sensitivity of the human eye color determination is possible. Thus, the beam displacement elements 40 in particular corrugated parallel
Grenzflächen 42, 44 aufweisen. Have interfaces 42, 44.
Die nebeneinander in einer Reihe angeordneten dachförmigen Strahlverlagerungselemente 40 können auch zu mehreren streifenförmigen Bauteilen oder sogar zu einem einzigen größerem Bauteil zusammengefasst sein, das etwa die Größe des aufzunehmenden Bildes hat. In Figur 10 sind deswegen die nebeneinander angeordneten Strahlverlagerungselemente 40 nur durch gestrichelte Linien voneinander abgegrenzt. The roof-shaped beam displacement elements 40 arranged next to one another in a row can also be combined to form a plurality of strip-shaped components or even to a single larger component which has approximately the size of the image to be recorded. In FIG. 10, the beam displacement elements 40 arranged next to one another are therefore delimited from one another only by dashed lines.
3. Geeignete Farbteiler-Elemente Im Folgenden werden Beispiele für Farbteiler-Elemente beschrieben, die in den Bildaufnehmern 16 der vorstehend beschriebenen Farbkameras 10, 10' eingesetzt werden können. a. Diffraktive optische Elemente 3. Suitable Color Divider Elements The following describes examples of color divider elements that can be used in the imagers 16 of the color cameras 10, 10 'described above. a. Diffractive optical elements
Die Figur 11 zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt einen Schnitt durch mehrere Farbteiler-Elemente 24 und die diesen zugeordneten Sensorpixel 26. Jedes Farbteiler-Element 24 weist einen prismatischen, und zwar im Wesentlichen keilförmigen, Träger 45 auf, der Beugungsstrukturen 47 trägt. FIG. 11 shows, in an enlarged section, a section through a plurality of color divider elements 24 and their associated sensor pixels 26. Each color divider element 24 has a prismatic, essentially wedge-shaped, support 45, which carries diffraction structures 47.
Die Beugungsstrukturen 47 sind im dargestellten Ausführungs- beispiel als geblazete Strukturen ausgebildet, die derart dimensioniert und gegenüber dem einfallenden Licht 34 ausge- richtet sind, dass die nullte Beugungsordnung unterdrückt und der überwiegende Teil des auftreffenden Lichts 34 in eine der beiden ersten Beugungsordnungen abgelenkt wird. Diese Beugung ist abhängig von der Wellenlänge des Lichts, so dass sich die gewünschte Abhängigkeit des Ablenkungswinkels von der Wellenlänge ergibt. Die Aufbringung der Beugungsstrukturen 47 auf die keilförmigen Träger 45 gewährleistet dabei, dass sich im Mittel keine Nettoablenkung ergibt. Mit anderen Worten wird in der Figur 11 genauso viel Licht von einem Farbteiler- Element 24 nach rechts wie nach links abgelenkt, wodurch die Spektralanteile symmetrisch relativ zur der Richtung aufgeteilt werden, mit der das Licht 34 auf die Farbteiler- Elemente 24 auftrifft. In the exemplary embodiment illustrated, the diffraction structures 47 are configured as blazed structures which are dimensioned in this way and exposed to the incident light 34. are directed to suppress the zeroth diffraction order and the majority of the incident light 34 is deflected in one of the first two diffraction orders. This diffraction is dependent on the wavelength of the light, so that the desired dependence of the deflection angle on the wavelength results. The application of the diffraction structures 47 to the wedge-shaped support 45 ensures that there is no net deflection on average. In other words, in FIG. 11 as much light is deflected by a color divider element 24 to the right as to the left, whereby the spectral components are divided symmetrically relative to the direction in which the light 34 impinges on the color divider elements 24.
Die Farbteiler-Elemente 24 sind wechselseitig auf Umschlag angeordnet, wodurch jeweils zwei benachbarte Farbteiler- Elemente 24 unterschiedlich, aber bezüglich einer entlang der Grenze zwischen den Farbteiler-Elementen verlaufenden Symmetrieebene symmetrisch sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass die wellenlängenabhängige Ablenkung des Lichts in der Weise erfolgt, wie sie oben mit Bezug auf die Figuren 5 und 6 erläutert wurde. Dadurch richten beispielsweise die beiden links in der Figur 11 gezeigten Farbteiler-Elemente 24 den blauen Spektralanteil auf den gemeinsamen Sensorpixel 26a, wie dies weiter oben mit Bezug auf die Figur 6 erläutert wurde. The color divider elements 24 are mutually arranged on an envelope, whereby each two adjacent color divider elements 24 are different, but symmetrical with respect to a plane of symmetry extending along the boundary between the color divider elements. In this way it is achieved that the wavelength-dependent deflection of the light takes place in the manner described above with reference to FIGS. 5 and 6. As a result, for example, the two color divider elements 24 shown on the left in FIG. 11 direct the blue spectral component onto the common sensor pixel 26a, as was explained above with reference to FIG.
Bislang wurde der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass das Licht 34 parallel zur optischen Achse, die durch die Symmetrieachse der Abbildungsoptik 14 festgelegt ist, auf die Farbteiler-Elemente 24 trifft. Mit achsparallelem Licht lässt sich jedoch keine Abbildung realisieren; vielmehr müssen auf die Aufnahmeebene 22, die mit der Bildebene der Abbildungsoptik 14 zusammenfällt, Strahlenbündel mit einer von Null verschiedenen numerischen Apertur konvergieren, damit auf den Farbteiler-Elementen 24 ein Bild des Objekts 18 entsteht. In der Figur 1 ist ein solches konvergierendes Strahlenbündel durch gestrichelte Linien angedeutet und mit 46 bezeichnet. So far, for the sake of simplicity, it has been assumed that the light 34 strikes the color splitter elements 24 parallel to the optical axis, which is defined by the symmetry axis of the imaging optics 14. With axis-parallel light, however, no image can be realized; rather, converge to the receiving plane 22, which coincides with the image plane of the imaging optics 14, beams with a nonzero numerical aperture, so that on the color divider elements 24, an image of the object 18 is formed. In 1, such a converging beam is indicated by dashed lines and designated 46.
In den Figuren 12a und 12b ist dargestellt, wie sich die Ablenkung der Spektralanteile bei schrägem Lichteinfall ver- ändert, wenn die Farbteiler-Elemente 24 wie in der Figur 11 dargestellt als diffraktive optische Elemente ausgebildet sind. In der Figur 12a ist erkennbar, wie Licht mit einer Wellenlänge im blauen Spektralanteil von einem Farbteiler- Element 24 abgelenkt und auf ein Sensorpixel 26 fällt, wel- eher der Spektralfarbe blau zugeordnet ist und deswegen mit dem Buchstaben b gekennzeichnet ist. FIGS. 12a and 12b show how the deflection of the spectral components changes with an oblique incidence of light when the color splitter elements 24 are designed as diffractive optical elements as shown in FIG. It can be seen in FIG. 12a how light having a wavelength in the blue spectral component is deflected by a color splitter element 24 and falls on a sensor pixel 26, which is associated with the spectral color blue and is therefore marked with the letter b.
Bei der Darstellung rechts in der Figur 12b wurde hingegen unterstellt, dass das Licht unter einem von null verschiedenen Winkel zur optischen Achse auf das Farbteiler-Element 24 fällt, wie dies durch Pfeile 34 angedeutet ist. Berechnungen haben gezeigt, dass durch den schrägen Lichteinfall die spektrale Aufspaltung als solche kaum beeinflusst wird. Dies bedeutet, dass für zwei unterschiedliche Wellenlängen die Differenz der Ablenkungswinkel bei schrägem Lichtfall annä- hernd erhalten bleibt. In the illustration on the right in FIG. 12b, on the other hand, it has been assumed that the light falls on the color divider element 24 at an angle, which is not at all different, from the optical axis, as indicated by arrows. Calculations have shown that the oblique incident light hardly affects the spectral splitting as such. This means that for two different wavelengths, the difference in the deflection angle is maintained approximately at oblique light.
Der schräge Lichteinfall hat jedoch zur Folge, dass es zu einer Art Offset der Ablenkungswinkel kommt, d. h. alle wellenlängenabhängigen Ablenkungswinkel verändern sich um einen bestimmten Betrag. Dieser Offset führt dazu, dass schräg einfallendes Licht das Farbteiler-Element 24 unter einem anderen Winkel verlässt als senkrecht einfallendes Licht der gleichen Wellenlänge und somit auch mit einem anderen Aufteilungsverhältnis auf die Sensorpixel 26 auftrifft. However, the oblique incidence of light has the result that there is a kind of offset of the deflection angle, i. H. all wavelength-dependent deflection angles change by a certain amount. This offset causes obliquely incident light to leave the color divider element 24 at a different angle than perpendicularly incident light of the same wavelength and thus also incident on the sensor pixels 26 at a different split ratio.
In der Figur 12b ist dieser Versatz in der Ebene der Sensor- pixel 26 für Licht 34, das unter einem maximalen Winkel geneigt zur optischen Achse auf das Farbteiler-Element 24 auftrifft, mit d bezeichnet; die gestrichelten Linien deuten zum Vergleich den Lichtweg für senkrecht auftreffendes Licht an. Für Licht, das zur anderen Seite hin geneigt zur optischen Achse auf das Farbteiler-Element 24 auftrifft und in der Figur 12b mit gepunkteten Pfeilen angedeutet ist, ergibt sich ein entsprechender Versatz vom Betrag d zur entgegengesetzten Richtung hin. In der Figur 12 ist dies durch gepunktete Linien angedeutet. In FIG. 12b, this offset in the plane of the sensor pixel 26 for light 34, which strikes the color splitter element 24 at a maximum angle inclined to the optical axis, is denoted by d; the dashed lines indicate for comparison the light path for perpendicularly incident light. For light incident on the other side inclined to the optical axis on the color divider element 24 and is indicated in the figure 12b with dotted arrows, there is a corresponding offset from the amount d to the opposite direction. In FIG. 12 this is indicated by dotted lines.
Der Versatz um den Betrag d zu beiden Seiten hin führt dazu, dass Licht einer bestimmten Wellenlänge nicht insgesamt die Fläche von zwei Sensorpixeln 26, sondern von mehr als zwei Sensorpixeln ausleuchtet. Die damit einhergehende Verschmierung der Farbinformation ist jedoch noch tolerierbar, solange diese zusätzlich ausgeleuchtete Fläche nicht größer ist als etwa die Hälfte der Fläche eines Sensorpixels. The offset by the amount d on both sides results in light of a particular wavelength not illuminating the area of two sensor pixels 26 as a whole, but of more than two sensor pixels. However, the associated smearing of the color information is still tolerable, as long as this additionally illuminated area is not greater than about half the area of a sensor pixel.
Um diese Verschmierung der Farbinformation möglichst gering zu halten, sollte durch die Abbildungsoptik 14 sichergestellt werden, dass die numerische Apertur NA des auf die Farbteiler-Elemente 24 auftreffenden Lichts möglichst klein ist. Besonders geeignet sind deswegen Abbildungsoptiken, die die Objekte 18 in der Objektebene 20 vergrößert auf die Aufnahme- ebene 22 abbilden. Die bildseitige numerische Apertur ist dann um den Betrag des Abbildungsmaßstabs kleiner als die objektseitige numerische Apertur der Abbildungsoptik 14. Gut geeignet sind beispielsweise Mikroskopobjektive, deren bildseitige numerische Apertur oft kleiner ist als 0.1 oder sogar 0.05. b. Refraktive optische Elemente In order to keep this smearing of the color information as low as possible, it should be ensured by the imaging optics 14 that the numerical aperture NA of the light impinging on the color divider elements 24 is as small as possible. For this reason, imaging optics which enlarge the objects 18 in the object plane 20 onto the recording plane 22 are particularly suitable. The image-side numerical aperture is then smaller by the amount of the image scale than the object-side numerical aperture of the imaging optics 14. Well suited, for example, microscope objectives whose image-side numerical aperture is often less than 0.1 or even 0.05. b. Refractive optical elements
Bei dem in der Figur 13 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Farbteiler-Elemente 24 als refraktive optische Elemente ausgebildet. Jedes Farbteiler-Element besteht aus einem Geradsichtprisma eines Typs, wie er im Stand der Technik als Amici-Prisma, bezeichnet wird. Jedes Geradsichtprisma umfasst drei Prismen 50, 52 und 54, deren brechende Flächen jeweils einen Winkel von 60° einschließen. Die drei Prismen 50, 52, 54 sind dabei hintereinander auf Umschlag angeordnet und in an sich bekannter Weise miteinander verkittet. Die beiden äußeren Prismen 50, 54 bestehen aus Kronglas, während das mittlere Prisma 52 aus Flintglas besteht. Daraus ergibt sich der in der Figur 14 dargestellte Strahlengang für Licht unterschiedlicher Wellenlänge. In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 13, the color divider elements 24 are designed as refractive optical elements. Each color divider element consists of a straight-line prism of the type known in the art as the Amici prism. Each straight prism comprises three prisms 50, 52 and 54, the refractive surfaces of which each enclose an angle of 60 °. The three prisms 50, 52, 54 are arranged one behind the other on envelope and cemented together in a conventional manner. The two outer prisms 50, 54 are made of crown glass, while the middle prism 52 is made of flint glass. This results in the beam path illustrated in FIG. 14 for light of different wavelengths.
Durch entsprechende Auswahl der optischen Materialien für die Prismen 50, 52, 54 wird erreicht, dass Licht mit einer gewünschten Mittenwellenlänge, das in der Figur 14 mit einer durchgezogenen Linie angedeutet ist, aus dem Geradsichtprisma ohne Ablenkung austreten kann. Licht mit größeren oder kleineren Wellenlängen werden symmetrisch hierzu abgelenkt, wie dies in der Figur 14 durch gestrichelte bzw. punktierte Linien angedeutet ist. Werden zwei solche Amici-Geradsichtprismen auf Umschlag angeordnet, wie dies in den Figuren 13 und 14 gezeigt ist, so wechseln die Ablenkungsrichtungen periodisch ab, so dass sich jeweils zwei benachbarte Geradsichtprismen ein Sensorpixel teilen können, wie dies weiter oben mit Bezug auf die Figuren 5 und 6 erläutert wurde und in der Figur 13 dargestellt ist. By appropriate selection of the optical materials for the prisms 50, 52, 54 is achieved that light with a desired center wavelength, which is indicated in the figure 14 with a solid line, can emerge from the Geradsichtprisma without deflection. Light with larger or smaller wavelengths are deflected symmetrically thereto, as indicated in Figure 14 by dashed or dotted lines. If two such Amici straight-front prisms are arranged on an envelope, as shown in FIGS. 13 and 14, the deflection directions alternate periodically so that two adjacent straight-line prisms can share a sensor pixel, as described above with reference to FIGS and FIG. 6 has been explained and shown in FIG.
Auch bei der Ausbildung der Farbteile-Elemente als Geradsichtprismen führt ein schräger Lichteinfall zur Verschmie- rung der Farbinformation. Daher sollte auch bei einem Einsatz von Geradsichtprismen die bildseitige numerische Apertur der Abbildungsoptik 14 möglichst klein sein. Even with the formation of the colored parts elements as straight-view prisms, an oblique incidence of light leads to a smearing of the color information. Therefore, even with the use of straight-view prisms, the image-side numerical aperture of the imaging optics 14 should be as small as possible.
II. Farbbildprojektor II. Color Image Projector
Die erfindungsgemäße flächige Anordnung von Farbteiler- Elementen in der Aufnahmeebene 22 kann in Lichtumkehrrichtung dazu genutzt werden, von Leuchtpixeln erzeugtes Licht unter- schiedlicher Farben zu überlagern, um daraus in einer Bilderzeugungseinrichtung ein zweidimensionales Farbbild zu erzeugen. Dies wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren 15 und 16 anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die jeweils einen Farbbildprojektor 110 zeigen. Teile, die entsprechend in einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele für eine Farbkamera 10 oder 10' vorkommen, sind mit um Einhundert erhöhen Bezugsziffern bezeichnet. The planar arrangement of color divider elements in the receiving plane 22 according to the invention can be used in the light reversal direction to superimpose light of different colors produced by light pixels in order to produce a two-dimensional color image therefrom in an image-forming device. This will be explained below with reference to FIGS. 15 and 16 by means of exemplary embodiments which each show a color image projector 110. Parts corresponding to one of the above-described embodiments for a color camera 10 or 10 'are designated by reference numerals increasing by one hundred.
Der in der Figur 15 in einem schematischen Meridionalschnitt gezeigte Farbbildprojektor 110 weist ein Gehäuse 112 auf, in dem eine bei 114 angedeutete Abbildungsoptik und eine Bilder- zeugungseinrichtung 116 angeordnet sind. Die Bilderzeugungseinrichtung 116 enthält einen digitalen Datenspeicher 132, der mit einer Ansteuerungselektronik 130 für Leuchtpixel 126 in Verbindung steht, die auf einem Träger 128 aufgebracht sind. Jeder Gruppe von drei Leuchtpixeln 126 ist ein Überla- gerungselement 124 zugeordnet, wobei die Überlagerungselemente nebeneinander in einem zweidimensionalen Muster in einer Objektebene der Abbildungsoptik 114 angeordnet sind. Die den Überlagerungselementen 124 jeweils zugeordneten Leuchtpixel 126 erzeugen unterschiedliche Spektralfarben, die von den Überlagerungselementen 124 zu einem polychromatischen Lichtbündel überlagert werden. Die aus unterschiedlichen Richtungen auf die Überlagerungselemente 124 auftreffenden Lichtbündel werden dabei von den Überlagerungselementen 124 so vereint, dass sie telezentrisch, d.h. mit parallel zur optischen Achse verlaufenden Hauptstrahlen, die ÜberlagerungselementeThe color image projector 110 shown in a schematic meridional section in FIG. 15 has a housing 112 in which an imaging optics indicated at 114 and an image generation device 116 are arranged. The image generation device 116 contains a digital data memory 132, which is connected to a control electronics 130 for light pixels 126, which are applied to a carrier 128. Each group of three light-emitting pixels 126 is assigned a superposition element 124, wherein the superimposition elements are arranged side by side in a two-dimensional pattern in an object plane of the imaging optics 114. The overlay elements 124 respectively associated luminous pixels 126 generate different spectral colors, which are superimposed by the superposition elements 124 to a polychromatic light beam. The light beams impinging on the overlay elements 124 from different directions are thereby combined by the overlay elements 124 in such a way that they are telecentric, i. with parallel to the optical axis main rays, the superposition elements
124 verlassen. Für die Anordnung und Ausbildung der Leuchtpixel 126 und der Überlagerungselemente 124 gelten die oben anhand der Figuren 2 bis 14 beschriebenen Überlegungen und Varianten entsprechend. Das auf den Überlagerungselementen 124 entstehende Bild wird nun mit Hilfe der Abbildungsoptik 114 auf eine Bildebene 120 abgebildet, auf der es betrachtet werden kann. Damit die von den einzelnen Leuchtpixeln 126 erzeugten Lichtbündel sich möglichst vollständig in den Überlagerungselementen 124 überlagern, müssen die aus den Überlagerungselementen 124 austretenden Lichtbündel eine kleine numerische Apertur haben, wie dies für einen Objektpunkt am linken Rand der124 leave. For the arrangement and design of the light pixels 126 and the overlay elements 124, the considerations and variants described above with reference to FIGS. 2 to 14 apply correspondingly. The image formed on the overlay elements 124 is now imaged with the aid of the imaging optics 114 on an image plane 120 on which it can be viewed. So that the light beams generated by the individual light pixels 126 are superimposed as completely as possible in the superposition elements 124, the light beams emerging from the superposition elements 124 must have a small numerical aperture, as is the case for an object point on the left edge of FIG
Objektebene der Abbildungsoptik 114 mit einem gestrichelten Strahlenbündel angedeutet ist. Infolge dieser kleinen numerischen Apertur ist auch der Lichtleitwert der Abbildungsoptik 114 klein, der definiert ist als Produkt aus numerischer Apertur und Feldgröße. Der kleine Lichtleitwert wiederum ermöglicht den Einsatz kleiner und einfach aufgebauter Abbildungsoptiken 114. Object level of the imaging optics 114 is indicated by a dashed beam. Due to this small numerical aperture, the optical conductivity of imaging optics 114, which is defined as the product of numerical aperture and field size, is also small. The small optical conductivity, in turn, allows the use of small and simply constructed imaging optics 114.
Die Leuchtpixel 126 sollten möglichst klein sein, da deren Abmessungen die Größe der Überlagerungselemente 124 und damit die Auflösung des Farbbildprojektors 110 maßgeblich bestimmen. Da derart kleine Leuchtpixel 126 meist nur relativ wenig Licht erzeugen, ist bei dem in der Figur 16 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Farbbildprojektors 110' vorgesehen, farbige Lichtpunkte unter Verwendung der in den Figuren 1 bis 14 beschriebenen Farbteiler-Elemente zu erzeugen. The light pixels 126 should be as small as possible, since their dimensions determine the size of the overlay elements 124 and thus the resolution of the color image projector 110 significantly. Since such small light pixels 126 usually generate only relatively little light, in the exemplary embodiment of a color image projector 110 'shown in FIG. 16 it is intended to produce colored light spots using the color divider elements described in FIGS. 1 to 14.
Hierzu weist die Bilderzeugungseinrichtung 116 dort keine selbststrahlenden Leuchtpixel 126 auf, sondern eine Licht- guelle 160, die über eine Kollimatorlinse 162 eine erste Anordnung aus Farbteiler-Elementen 124a beleuchtet. Diese Farbteiler-Elemente 124a sind genauso aufgebaut, wie dies oben mit Bezug auf die Figuren 4 bis 8 beschrieben wurde. An die Stelle der dortigen Sensorpixel 26 tritt bei der Bilderzeugungseinrichtung 116 jedoch ein Array aus schaltbaren Lichtsteuerpixeln 164. Der Transmissionsgrad der Lichtsteuer- pixel 164 lässt sich dabei von einer mit einem digitalenFor this purpose, the image generation device 116 does not have any self-radiating luminous pixels 126 there, but a light source 160 which illuminates a first arrangement of color divider elements 124a via a collimator lens 162. These color divider elements 124a are constructed in the same way as described above with reference to FIGS. 4 to 8. In place of the local sensor pixels 26, however, an array of switchable light control pixels 164 occurs in the image generation device 116. The transmittance of the light control pixels 164 can thereby be changed from one with a digital one
Bildspeicher 132 verbundenen Ansteuerelektronik 130 individuell und kontinuierlich verändern, wie dies durch verschiedene Schwärzungsgrade bei drei der in der Figur 16 dargestellten Lichtsteuerpixel 164 angedeutet ist. Durch die spektrale Aufteilung durch die Farbteiler-Elemente 126a werden die Lichtsteuerpixel 164 mit Licht unterschiedlicher Farben beleuchtet . Image memory 132 connected control electronics 130 individually and continuously change, as indicated by different degrees of blackening in three of the light control pixels 164 shown in Figure 16. Through the spectral Divided by the color divider elements 126a, the light control pixels 164 are illuminated with light of different colors.
Das von den Lichtsteuerpixeln 164 abgestrahlte Licht wird dann von den nachfolgenden Überlagerungselementen 124b überlagert, so dass auf der Austrittsfläche der Überlagerungselemente 124b ein farbiges Bild entsteht, das mit Hilfe der Abbildungsoptik 114 auf eine Bildebene 120 abgebildet werden kann. Die Lichtsteuerpixel 164 entsprechen somit funktionell den Leuchtpixeln 126 des in der Figur 15 dargestellten Ausführungsbeispiels einer Farbbildpro ektors 110, weil auch sie farbiges Licht veränderbarer Intensität abstrahlen können. The light emitted by the light control pixels 164 is then superimposed by the following superposition elements 124b, so that a colored image is formed on the exit surface of the superposition elements 124b, which can be imaged onto an image plane 120 with the aid of the imaging optics 114. The light control pixels 164 thus correspond functionally to the light pixels 126 of the embodiment of a color image proctor 110 shown in FIG. 15, because they too can emit colored light of variable intensity.
Die Lichtsteuerpixel 164 können beispielsweise als LCD-Zellen realisiert sein, wie dies etwa von Flachbildschirmen her bekannt ist. Als Lichtsteuerpixel 164 kommen jedoch auch verkippbare Mikrospiegel in Betracht, die Teil eines mikro- elektromechanischen Systems (MEMS) sein können, wie es etwa in Beamern häufig eingesetzt wird. The light control pixels 164 may, for example, be realized as LCD cells, as is known, for example, from flat panel displays. However, tiltable micromirrors which can be part of a microelectromechanical system (MEMS), as is frequently used, for example, in beamers, are also suitable as light control pixels 164.
Die in der Figur 16 gezeigte Bilderzeugungseinrichtung 116 ermöglicht es, sehr lichtstarke Lichtquellen einzusetzen und das davon erzeugte Licht praktisch verlustfrei, d. h. ohne Einsatz von absorbierenden Farbfiltern, für die Erzeugung des Farbbildes in der Bildebene 120 zu nutzen. The image generating device 116 shown in FIG. 16 makes it possible to use very high-intensity light sources and to produce the light generated therefrom virtually loss-free, ie. H. without the use of absorbing color filters, for the generation of the color image in the image plane 120 to use.
III. Spektrograph Das in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Ausführungsbeispiel für eine Farbkamera 10 kann so abgewandelt werden, dass man ein Spektroskop für eine ortsaufgelöste Spektroskopie erhält. In diesem Fall muss lediglich die Zahl der Sensorpixel 26 ausreichend erhöht werden. Die Figur 17 zeigt ein Ausführungs- beispiel für einen Spektrographen 210, bei dem jedem Farbteiler-Element 24 neun Sensorpixel zugeordnet sind. Je größer dabei die Zahl der Sensorpixel ist, die einem einzelnen Färb- teiler-Element 23 zugeordnet sind, so höher ist die spektral Auflösung des Spektrographen 210. III. Spectrograph The embodiment shown in FIGS. 1 to 3 for a color camera 10 can be modified such that a spectroscope for spatially resolved spectroscopy is obtained. In this case, only the number of sensor pixels 26 needs to be increased sufficiently. FIG. 17 shows an exemplary embodiment of a spectrograph 210, in which each color divider element 24 is assigned nine sensor pixels. The larger the number of sensor pixels, which corresponds to a single color are associated with divider element 23, the higher the spectral resolution of the spectrograph 210.
Ansonsten entspricht der Aufbau des Spektrographen 210 demje nigen, der weiter oben mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 für die Farbkamera 10 erläutert wurde. Otherwise, the construction of the spectrograph 210 corresponds to those explained above with reference to FIGS. 1 to 3 for the color camera 10.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Bildaufnehmer für die digitale Aufnahme eines zwei¬ dimensionalen Farbbildes, mit mehreren lichtempfindlichen Sensorpixeln (26) und mit mehreren nebeneinander angeordneten Farbteiler-Elementen (24), wobei a) jedem Farbteiler-Element (24) mindestens zwei 1. imager for the digital recording of a two ¬ dimensional color image, comprising a plurality of light sensitive sensor pixels (26) and having a plurality of juxtaposed color separator elements (24), wherein a) each color separator element (24) at least two
Sensorpixel (26) zugeordnet sind und b) jedes Farbteiler-Element (24) derart ausgebildet ist, dass es darauf auftreffendes polychromatisches Licht (34) auf die ihm zugeordneten Sensorpixel (26) mit einem Aufteilungsverhältnis verteilt, das von der spektralen Zusammensetzung des auftreffenden  Sensor pixels (26) are assigned and b) each color divider element (24) is designed such that it distributes incident thereon polychromatic light (34) to its associated sensor pixels (26) with a distribution ratio, which depends on the spectral composition of the impinging
Lichts abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass c) die Farbteiler-Elemente (24) in einem zweidimensionalen Muster angeordnet sind.  Light dependent, characterized in that c) the color divider elements (24) are arranged in a two-dimensional pattern.
2. Bildaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbteiler-Elemente (24) derart ausgebildet sind, dass sie unterschiedliche Spektralanteile des auftreffenden farbigen Lichts (34) in unterschiedliche Richtungen ablenken. 2. Imager according to claim 1, characterized in that the color divider elements (24) are designed such that they divert different spectral components of the incident colored light (34) in different directions.
3. Bildaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Farbteiler- Element (24) ein diffraktives optisches Element um- fasst . 3. Image recorder according to claim 1 or 2, characterized in that at least one color divider Element (24) comprises a diffractive optical element.
4. Bildaufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Farbteiler-Element ein keilförmiges Prisma (45) mit davon getragenen beugenden Strukturen (47) umfasst. 4. Image recorder according to claim 3, characterized in that the color divider element comprises a wedge-shaped prism (45) with diffractive structures (47) carried therefrom.
5. Bildaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Farbteiler-Element ein refraktives optisches Element (50, 52, 54) umfasst. 5. Imager according to one of the preceding claims, characterized in that at least one color divider element comprises a refractive optical element (50, 52, 54).
6. Bildaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das refraktive optische Element ein Geradsichtprisma umfasst. 6. Image recorder according to claim 5, characterized in that the refractive optical element comprises a Geradsichtprisma.
7. Bildaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbteiler- Elemente (24) derart ausgebildet und relativ zu den Sensorpixeln angeordnet sind, dass Licht einer Wellenlänge auf mindestens zwei dem gleichen Farbteiler-Element zugeordneten Sensorpixel (26) fällt. 7. Imager according to one of the preceding claims, characterized in that the Farbteiler- elements (24) are formed and arranged relative to the sensor pixels that light of one wavelength falls on at least two of the same color divider element associated sensor pixel (26).
8. Bildaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein, aber nicht alle einem Farbteiler-Element (24) zugeordnete Sensorpixel zusätzlich auch einem benachbarten Farbteiler-Element zugeordnet sind. 8. Image recorder according to one of the preceding claims, characterized in that at least one, but not all of a color divider element (24) associated sensor pixels are additionally associated with an adjacent color divider element.
9. Bildaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Wellenlänge gibt, bei der benachbarte Farbteiler-Elemente (24), denen mindestens ein Sensorpixel (26) gemeinsam zugeord- net ist, aus der gleichen Richtung auftreffendes Licht dieser Wellenlänge in eine Richtung ablenken, die für die beiden Farbteiler-Elemente (24) verschieden ist. 9. An image sensor according to claim 8, characterized in that there is at least one wavelength at which adjacent color divider elements (24) to which at least one sensor pixel (26) assigned together is net, deflecting light from the same direction of this wavelength in a direction that is different for the two color divider elements (24).
Bildaufnehmer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Richtungen spiegelsymmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene sind, die zwischen den beiden Farbteiler-Elementen (24) verläuft . An imager according to claim 9, characterized in that the different directions are mirror-symmetrical with respect to a plane of symmetry extending between the two color divider elements (24).
Bildaufnehmer nach Anspruch 10 und nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei benachbarten Farbteiler-Elementen (24), denen mindestens ein Sensorpixel (26) gemeinsam zugeordnet ist, die keilförmigen Prismen (45) alternierende Keilwinkel haben. Image sensor according to claim 10 and claim 4, characterized in that in adjacent color divider elements (24) to which at least one sensor pixel (26) is assigned in common, the wedge-shaped prisms (45) have alternating wedge angles.
Bildaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem Farbteiler-Element (24) und den Sensorpixeln (26) ein dem Farbteiler-Element zugeordnetes refraktives Strahlverlagerungselement (40) angeordnet ist, welches das Aufteilungsverhältnis verändert und das parallele optischen Flächen (42, 44) aufweist. Image sensor according to one of the preceding claims, characterized in that between each color divider element (24) and the sensor pixels (26) a refractive ray displacement element (40) associated with the color divider element is arranged which alters the division ratio and the parallel optical surfaces (42 , 44).
Digitale Kamera (10), mit einer Abbildungsoptik (14), mit der ein Objekt (18) auf eine Bildebene (22) abbildbar ist, und mit einem Bildaufnehmer (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (14) eine bildseitige numerische Apertur von weniger als 0.1, vorzugsweise von weniger als 0.05, hat. Bilderzeugungseinrichtung für die Wiedergabe eines Farbbildes, mit mehreren schaltbaren Leuchtpixeln (126) und mit mehreren nebeneinander angeordneten Überlagerungs-Elementen (124), wobei a) jedem Überlagerungs-Element (124) mindestens zwei Leuchtpixel (126) zugeordnet sind, die Licht mit unterschiedlicher Farbe erzeugen, b) die Überlagerungs-Elemente (124) in einem Digital camera (10), with an imaging optical unit (14), with which an object (18) can be imaged on an image plane (22), and with an image recorder (16) according to one of the preceding claims, characterized in that the imaging optics (14 ) has a picture-side numerical aperture of less than 0.1, preferably less than 0.05. An imaging device for reproducing a color image, comprising a plurality of switchable light pixels (126) and a plurality of juxtaposed overlay elements (124), wherein a) each overlay element (124) at least two light pixels (126) are assigned, the light of different colors b) the overlay elements (124) in one
zweidimensionalen Muster angeordnet sind, und wobei c) jedes Überlagerungs-Element (124) derart ausgebildet ist, dass es Licht, das aus unterschiedlichen Richtungen mit unterschiedlichen Farben auftrifft, zu einem gemeinsamen Strahlenbündel überlagert.  Two-dimensional pattern are arranged, and wherein c) each overlay element (124) is formed such that it overlaps light which is incident from different directions with different colors, to a common beam.
Spektroskop (210) für die ortsaufgelöste Spektro¬ skopie, mit mehreren lichtempfindlichen Sensorpixeln und mit mehreren nebeneinander angeordneten Farbteiler-Elementen (24), wobei a) jedem Farbteiler-Element (24) mindestens vier Sensorpixel (26) zugeordnet sind und b) jedes Farbteiler-Element (24) derart ausgebildet ist, dass es darauf auftreffendes farbiges Licht auf die ihm zugeordneten Sensorpixel (26) mit einem Aufteilungsverhältnis verteilt, das von der spektralen Zusammensetzung des auftreffenden Lichts abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbteiler-Elemente (24) in einem zweidimensionalen Muster angeordnet sind. Spectroscope (210) for the spatially resolved Spektro ¬ microscopy, with a plurality of light-sensitive sensor pixels and having a plurality of juxtaposed color separator elements (24), wherein a) each color separator element (24) comprises at least four sensor pixels (26) are associated and b) of each color splitter Element (24) is designed such that it distributes colored light impinging thereon onto its associated sensor pixels (26) at a distribution ratio which depends on the spectral composition of the incident light, characterized in that the color divider elements (24) are arranged in a two-dimensional pattern.
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