WO2015154875A1 - Kamera mit integriertem spektrometer - Google Patents

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WO2015154875A1
WO2015154875A1 PCT/EP2015/000747 EP2015000747W WO2015154875A1 WO 2015154875 A1 WO2015154875 A1 WO 2015154875A1 EP 2015000747 W EP2015000747 W EP 2015000747W WO 2015154875 A1 WO2015154875 A1 WO 2015154875A1
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Jan Werschnik
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Jenoptik Optical Systems Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a camera having a detector array for generating a pixel-based spatially resolved image and a spectrometer integrated in the camera for generating a Spekt ⁇ rum, which can be assigned to at least one pixel and at most one contiguous pixel group and thus a picture detail.
  • spectral below image much higher frame rates by classical cameras that provide a spatially resolved, but not spectrally ⁇ -dissolved picture classical below picture, achievable. However, they do not provide spectral information.
  • a classical camera can be designed for a bandwidth in any spectral range of optical radiation (eg X-ray radiation, visually visible light, infrared light).
  • optical radiation eg X-ray radiation, visually visible light, infrared light.
  • such classic cameras are thermal imaging cameras.
  • Thermal imaging cameras are offered by a number of manufacturers in various designs. Technically, this can be a classic image, specifically a thermal image, z. B. produce near-Inf ⁇ rarot Scheme by the conventional visible light technologies such as CCD or CMOS sensors.
  • a thermal image in the medium-wave and long-wave infrared range can be generated by a microbolometer array of microbolometers arranged in matrix form. Cadmium mercury telluride detectors (MCT) or indium antimonide detectors are used instead of microbulometers in the medium wave infrared range, and in particular gallium arsenide quantum well detectors (QWIP) in the longwave infrared range.
  • MCT Cadmium mercury telluride detectors
  • QWIP gallium arsenide quantum well detectors
  • detector arrays suitable for a thermal imaging camera they are also known to him for other classical cameras that are designed for areas other than infrared spectral ranges .
  • Pixel-based classical images can be generated using an optical system.
  • Pixel-based means here that the classical picture with a particular number and arrangement of discretized positions at which the radiation intensities of incident radiation in ⁇ ner Halb of the spectral sensitivity range of the detector elements of the detector array aufinte ⁇ grated be. The locally different intensity values are visualized in one
  • the classic image can be stored electronically as a so-called frame.
  • a frame is understood to mean a data record formed from the pixel intensity values of the matrix-type detector array that are recorded for an image, both for a classical image and for a spectral image.
  • a frame usually arises as a result of a single readout of the entire matrix array of the detector array and correspondingly represents a matrix of pixel intensities of a complete readout process, the individual pixel intensities respectively representing the position of a pixel and thus a position of a detector element in the Matrix of the detector array can be assigned.
  • a frame can be represented as a two-dimensional arrangement of pixels in lines (x-direction) and columns (y-direction) in the form of an information rectangle, wherein an intensity value is assigned to each pixel (FIG. 1 a). Consequently, in such a classical image, the radiation intensity incident on the detector array can be spatially resolved in accordance with the number of detector elements.
  • a frame For a spectral image, a frame, as described for the classical image, represents only a partial frame. At the same time or in succession, the individual partial frames are called data sets for one partial image each, which with the radiation of a narrow spectral wavelength range, hereafter only wavelength , is generated. The frame for the overall picture is then assembled from all subframes.
  • the detector array arranged upstream in the direction of incidence of the radiation optical system is optimally calculated and constructed so that it is well permeable to radiation with a bandwidth within the spectral SENS ⁇ retes Kunststoffes of the detector array.
  • the radiation intensity of the entire incident on a detector element portion of the Strah ⁇ lung is integrated, provided that the bandwidth of the radiation is within the spectral sensitivity range of the detector elements is the integration time comparatively to a spectral camera where per exposure only the radiation intensity of a monochromatic component of radiation is relatively short. Even when all the subframes are formed at the same time for a spectral image, the achievable frame rates due to the necessary length ⁇ ren integration times are relatively lower than with conventional cameras.
  • a zoom lens for changing the size of the field of view (FOV) of a camera, which has a fixed image position for all zoom positions. In the case that the scene to be imaged lies at infinity, this image plane coincides with the focal plane of the zoom lens. In many cameras, or in the special case of thermal imaging cameras equipped with an uncooled detector array, usually the detector array is arranged in this image plane.
  • a frame for a spectral image is formed from subframes.
  • the subframes are obtained in the scanning process one by one by a detector array is exposed temporally after ⁇ each other with radiation of different wavelengths.
  • a suitable camera for z. B. in their beam path in front of the detector array have a Fabry-Perot filter. This is formed by two plates whose spacing is changed, that is to say tuned, with which the transmitting wavelength changes.
  • snapshot methods the subframes are simultaneously obtained with a plurality of detector arrays.
  • the incident radiation must therefore be divided into several camera channels.
  • the light incident on a detector element intensity is again reduced, resulting in a white ⁇ direct increase in the integration time in order to be detected by the detector elements one lying above the intrinsic ⁇ noise intensity.
  • a snapshot camera is even weaker compared to a camera using the scanning method. Such a camera is known from US 2005/0030533 A1.
  • a spectral image In contrast to the information of a classical image, which can be represented by the spatially resolved reception of radiation intensities as a 2D image or as an information rectangle (FIG. 1 a), one can obtain the information of a spectral image, as obtained with imaging spectroscopy methods is, as a 3D image or as an information cuboid imagine (Fig. 1 b).
  • the resolution in the third dimension ( ⁇ -axis) could be 3 and the information cuboid z. B. consist of 640 x 480 x 3 points.
  • 640 x 480 would correspond to the local image resolution, since the detector array consists of 640 detectors in the x-direction and 480 detectors in the y-direction, and 3 the spectral image resolution allowed by the RGB filter of a standard CCD or CMOS sensor Come.
  • hyperspectral image At a wavelength scanning of more than 3 usually from a hyperspectral image (so ⁇ called “hyperspectral image”) is spoken.
  • a concrete example of a hyperspectral camera with which a hyperspectral image can be generated is the Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) of the Hubble Space Telescope (HST).
  • NICMOS Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer
  • HST Hubble Space Telescope
  • a frame ⁇ rate (refresh rate) of greater than 10 frames / second for tracking objects in open terrain is thus difficult to achieve.
  • Another disadvantage is the required high storage capacity for storing one information quad per frame, which can be considerable at desired high frame rates.
  • the invention has for its object to provide a compact camera that allows frame rates greater than 10, that is, more than 10 frames per second and provides a spatially resolved image and spectral information (spectral data).
  • this object is achieved for a camera with an optical axis, along which a zoom lens with a zoom drive and additional optics are arranged, with a plane deflection mirror and a fixed intermediate image plane between the zoom objective and the additional optics and an image plane behind the additional optics, in which a matrix-shaped arrangement of detector surfaces of a detector array for generating a pixel-based image, consisting of a matrix-shaped arrangement of pixels, is arranged, as well as a control and arithmetic unit solved.
  • the deflecting mirror is arranged in front of the intermediate image plane and is permanently or at least partially permeable to a beam bundle incident through the zoom objective.
  • a permanent or at least temporarily a first partial beam is coupled out and passed through the deflection mirror into a sensor plane.
  • This represents a conjugate plane to the intermediate image plane and the image plane.
  • a sensor surface of a spectrometer is in a position which is assigned at least to the position of a detector surface of the detector array and thus to a pixel of the image.
  • a maximum of the detector surface of the location of a contiguous group of detector areas is assigned, which is smaller than the detector array and thus a contiguous group of pixels of the image can be associated with which an image section of the Bil ⁇ can be assigned a producible with the spectrometer spectrum of the.
  • the spectrometer is advantageously arranged on the optical axis.
  • the Spekt ⁇ rometer can be advantageously arranged outside the optical axis.
  • the spectrometer is displaceable within the sensor plane in order to optionally obtain a spectrum of different image sections.
  • a drive is advantageously present, which is connected to the control and computing unit.
  • the drive can be controlled synchronously with the zoom drive.
  • the spectrometer is a microspectrometer.
  • First choice here is a spectrometer with a Fabry-Perot filter.
  • a touch panel may be present, which is connected to the control and Re ⁇ chentician, wherein the control and computing unit is designed so that by local touch of the touch panel of the image can be selected.
  • the invention is based on the basic idea, in a known classic camera, hereafter only camera, with a zoom lens and additional optics to perform a partially interposed deflecting mirror to decouple from the incident into the camera beam a first partial beam, which is not in the additional optics is deflected, but incident through the deflection mirror on the sensor surface of a spectrometer.
  • These sensor ⁇ surface is arranged in a sensor plane at a selected position or movable within the sensor plane at a fixed zoom position or also in synchronism with the change of the zoom position of the zoom lens.
  • the sensor plane arranged in the sensor surface of the spectrometer can be assigned to a position in a standing in the image plane detector array, which means a the spectrometer spectrum obtained associated with an image part of the image who can ⁇ .
  • Fig. 2 is a simplified optical scheme of a camera according to the invention.
  • Fig. 3 is a block diagram of a camera according to the invention.
  • Fig. 2 shows one another, the optically active components, as it comprises a camera according to the invention fundamentally ⁇ additionally, as well as their arrangement and resulting excellent levels.
  • the camera is a camera as described in the description of the prior art as a classic camera.
  • the camera essentially comprises a zoom lens 1 with a zoom drive 1 .1, an additional optics 2, a partially transparent plane deflection mirror 3, a spectrometer 4, a detector array 5 and a control and computing unit 7.
  • a zoom lens 1 with a zoom drive 1 .1, an additional optics 2, a partially transparent plane deflection mirror 3, a spectrometer 4, a detector array 5 and a control and computing unit 7.
  • it also includes a drive 8 and a touch panel 9.
  • the zoom lens 1 has a fixed intermediate image plane ZBE, that is, an incident into the camera beam 6 is independent of the zoom position of the zoom lens 1 and thus the changing focal length of the zoom lens 1 always in a locally unchanged plane, the intermediate image plane ZBE, between mapped.
  • the partially transparent plane deflection mirror 3 is arranged downstream of the zoom lens 1 in the direction of incidence of the beam 6 and precedes the intermediate image plane ZBE and reflects the optical axis of the zoom lens 1, which is equal to an optical axis 0 of the camera, in the optical axis of the reflection direction the deflecting mirror 3 subordinate additional optics 2, also called re-imager.
  • This additional optical system 2 forms the intermediate image plane ZBE in a plane conjugate thereto, the image plane BE, ab, are arranged in the detector surfaces 5.1 of the detector elements of the detector array 5 arranged in matrix form.
  • the optical axis 0 continues through the deflection mirror 3 through, where for a decoupled first partial beam 6.1 a sensor ⁇ level SE is formed, which represents a plane conjugate to the intermediate image plane ZBE and thus to the image plane BE.
  • Two mutually conjugate planes are characterized by the fact that each point in a plane can be assigned exactly one point in the other plane and vice versa.
  • Conjugated planes can be created by beam imaging, but also by beam splitting.
  • mutually conjugate planes SE and ZBE no magnification is to be considered in the assignment.
  • the magnification of the additional optics 2 must be taken into account. Due to these circumstances, the selected position of the spectrometer 4, more precisely its sensor surface 4.1, at least one detector surface 5.1 of a detector element of the detector array 5 can be assigned.
  • the first partial beams should 6.1 preferably only a fraction of less than 10% of the entire radiation beam 6 ge ⁇ represent.
  • the sensor surface 4.1 is selected to be greater 4.1, so that they, z. B. as shown in FIG. 2, is assigned to a contiguous group of nine detecting areas 5.1, since it has the nine ⁇ times the size of a detector surface 5.1.
  • Usual sizes for the sensor surface 4.1 are between 0.5 mm x 0.5 mm and 2 mm x 2 mm.
  • the size of the field of view of the camera is determined by the angle of view, which results from the focal length of the camera and the diagonal of the detector array 5.
  • EXPLANATIO ⁇ gen effects of possible additional optics 2 is to neglect to the focal length of the camera ⁇ to by from a magnification ratio of 1 here should be considered first
  • the field of view is completely imaged on the detector array 5, so that a resulting image represents an image of the entire field of view.
  • the spectrometer 4 used is advantageously a microspectrometer based on the Fabry-Perot principle. It consists of a broadband infrared sensor and a micromechanically tunable Fabry-Perot filter.
  • the usual sizes of the detector surfaces 5.1 of the detector elements of a detector array 5 are 20 ⁇ x 20 ⁇ . With a pixel number of 640 x 480, the outer dimensions of the detector array 5 are equal to 12.8 mm x 9.6 mm.
  • One with a sensor surface 4.1 of z. B. 0.5 mm x 0.5 mm obtained spectrum can thus be associated with a magnification of the additional optics 2 of 1: 1 a section of the field of view, which has a size of 25 x 25 pixels or about 0.2% of the total Field of view corresponds.
  • the partially transparent deflecting mirror 3 can advantageously be permanently permeable to part due to a geo ⁇ metric beam splitting or due to a partially permeable coating, a so-called neutral beam splitting. It can also be temporarily partially permeable by only partially disconnecting a first sub-beam 6.1 of the first beam, and otherwise the entire beam 6 is reflected.
  • the geometric beam splitting takes place in that a hole is formed in the deflecting mirror 3 or the mirror coating of the deflecting mirror 3 has a hole and the main body of the deflecting mirror 3 is transparent.
  • This hole should as far as possible not limit the incident on the spectrometer 4 Strah ⁇ tion of the beam 6 on the one hand, but also limit the cross section of the decoupled first partial beam 6.1 so that no radiation ⁇ shares are coupled out that do not impinge on the sensor surface 4.1 , That is, passing ⁇ passing the first partial beam 6.1 should fully illuminate the sensor surface 4.1, however, not be much larger than the sensor area 4.1, since the decoupled first partial beam 6.1 the picture is lost.
  • the first partial beam 6.1 impinging on the sensor surface 4.1 impinges with the highest possible radiation intensity, which results in the shortest possible integration time for the spectrometer 4. To the spectrometer 4 and the integra ⁇ onszeit this will be carried out later.
  • a disadvantage of the geometric beam splitting is that a locally limited radiation component of the beam 6 is completely lost for the imaging on the detector array 5, which can lead to a loss of information in the image, specifically in the image section to which the spectrum is assigned.
  • the neutral beam splitting has the advantage that the spectrometer 4, irrespective of where it is in the sensor plane SE, receives radiation components, since the first partial beam 6.1 does not have a restricted cross section with respect to the radiation beam 6.
  • the deflecting mirror 3 can also enable a coupling out of a first partial beam 6.1 by means of a polarization-splitting or spectrally dividing coating.
  • a shift may, for example, be of interest if one wants to obtain spectral information for more than just a section of the field of view or an image section.
  • a mirrored shutter as a partially transparent deflection mirror 3 can also be advantageous. This could be z. B. be closed over the duration of the tracking and imaging of an object with a high frame rate, so that the entire beam 6 of the figure is available, and only a few times or only once for the duration of the integration time of the spectrometer 4 opened. The deflection mirror 3 is then only partially permeable.
  • An alternative for a partially transmissive deflection mirror 3 may be a mirror which reflects simultaneously or successively alternately in two different directions.
  • a so-called digital micromirror device could be used, in which individual micromirrors arranged in matrix form can be controlled individually.
  • the position of the section from the field of view and thus the position of the image section in the image is given by ⁇ the spectrometer 4 in a selected position in the sensor plane SE angeord ⁇ net or moved to selected positions within the sensor plane SE.
  • the spectrometer 4 is arranged on the guided through the deflection mirror 3 opti ⁇ 's axis 0 of the camera. This has the advantage that, even with changing zoom position and consequently changing absolute size of the section of the field of view unchanged, the center of the field of view forms the center of the section from the radiation coming impinges on the spectrometer 4.
  • the spectrometer 4 can be arranged away from the optical axis 0. In such a case, it is advantageous if the spectrometer 4 is moved radially with the change in the focal length of the zoom lens 1, which z. For example, a selected object may be tracked with the spectrometer 4 despite the changing angle of view under which it is imaged.
  • the drive 8 is provided which, like the zoom drive 1 .1, is connected to the control and computing unit 7. As can be seen from the block diagram in FIG. 3, the control and computing unit 7 is connected via a control line to the zoom drive 1 .1, the detector array 5 and the spectrometer 4, and moreover at least via a data line to the detector array 5 and the spectrometer 4 connected.
  • control and computing unit 7 is advantageously connected via a further control line to the drive 8 of the spectrometer 4.
  • the control and data lines are shown in FIG. 3 as a solid line.
  • the dashed lines represent the optical flow in the camera.
  • any conventional spectrometer can be used as the spectrometer 4, the methods used for the simultaneous or temporally successive decoupling of a specific wavelength from the first partial beam 6.1 corresponding to those described in the article "Review of snapshot spectral imaging technologies" (US Pat. Hagen and Kudenov, Optical Engineering 52 (9), 090901 (September 2013)) for imaging spectroscopy and thus for spectral cameras.
  • the spectrometer 4 could operate according to the snapshot method. For this, however, it would have to have a plurality of sensor surfaces 4.1, which are in mutually conjugate positions. Such a design would be technically very complicated and would obstruct the desire for a compact camera. It would be a worsened version of the basic idea of the invention.
  • a spectrometer 4 operating according to a scanning method which has only one sensor surface 4.1 on which radiation of different wavelengths successively impinges and is detected in chronological succession.
  • the integration time required by the spectrometer 4 to detect an intensity is limited by the noise floor of the sensor of the spectrometer 4 at the bottom. The higher the number of wavelengths to be detected from the next by an off ⁇ section of the visual field radiation, the longer the Intelinteg- rationszeit the spectrometer 4, which results from the integration times for the radiation components of the individual spectral ranges.
  • frame rate for image capture of greater than 10 preferably greater than 30 per second can be achieved, while the frame rate for the Spekt ⁇ rometer 4 less than 1 per second, advantageously less than 3 per second, the formation of a spectrum with a high number of wavelengths allows ,
  • a microspectrometer is used. It has a cross section of less than 20 mm x 20 mm and a height of less than 30 mm. It comes so much to the desire for a compact design very.
  • a spectrometer with a tunable Fabry-Perot filter is advantageous here.
  • a camera according to the invention can be used, for example, advantageous for the monitoring of industrial and production equipment to z.
  • B. to monitor the proportions of various gases (gas analysis).
  • C0 2 has a typical absorption band at 4.25 ⁇ % while N 2 0 strongly absorbed at 4.66 ⁇ .
  • the advantage consists in the assignments of a spectrum (spectral data) to a specific image ⁇ cutout, ie one can aim the camera corresponding to the image information on a region of interest image section to which a spectrum is to be determined. This can be advantageous in court usability because a spectrum is linked to a picture.

Abstract

Kamera mit einer matrixförmigen Anordnung von Detektorflächen (5.1) eines Detektorarrays (5) zur Erzeugung eines pixelbasierten Bildes und einem Spektrometer (4) mit einer Sensorfläche (4.1), die wenigstens der Position einer Detektorfläche (5.1) des Detektorarrays (5) und damit einem Pixel des Bildes und maximal der Position einer zusammenhängenden Gruppe von Detektorflächen (5.1), die kleiner als das Detektorarray (5) ist, und damit einer zusammenhängenden Gruppe von Pixeln des Bildes zugeordnet werden kann, womit ein mit dem Spektrometer (4) erzeugbares Spektrum einem Bildausschnitt des Bildes zugeordnet werden kann.

Description

Kamera mit integriertem Spektrometer
Die Erfindung betrifft eine Kamera mit einem Detektorarray zur Erzeugung eines pixelbasierten ortsaufgelösten Bildes und einem in der Kamera integrierten Spektrometer zur Erzeugung eines Spekt¬ rums, welches wenigstens einem Pixel und maximal einer zusammenhängenden Pixelgruppe und damit einem Bildausschnitt zugeordnet werden kann.
Vorteilhafte Anwendungen ergeben sich insbesondere, wenn sehr hohe Frameraten erreicht werden sollen, zum Beispiel bei der Beobachtung sich schnell bewegender Objekte, gleichzeitig aber auch spektrale Informationen von dem beobachteten Objekt gewonnen werden sollen.
Im Vergleich zu Spektralkameras, die ein orts- und wellenlängenaufgelöstes Bild, nachfolgend spektrales Bild, liefern, sind durch klassische Kameras, die ein ortsaufgelöstes, jedoch nicht spektral aufge¬ löstes Bild, nachfolgend klassisches Bild, liefern, deutlich höhere Frameraten erzielbar. Sie liefern jedoch keine spektralen Informationen.
Eine klassische Kamera kann für eine Bandbreite in einem beliebigen Spektralbereich optischer Strahlung (z. B. Röntgenstrahlung, visuell sichtbares Licht, Infrarotlicht) ausgelegt sein.
In vielen Fällen sind solche klassischen Kameras Wärmebildkameras.
Wärmebildkameras werden von einer Reihe von Herstellern in unterschiedlichen Ausführungen angeboten. Technisch lässt sich damit ein klassisches Bild, hier konkret ein Wärmebild, z. B. im nahen Inf¬ rarotbereich durch die für sichtbares Licht gängigen Technologien wie CCD- oder CMOS-Sensoren erzeugen. Ein Wärmebild im mittelwelligen und langwelligen Infrarotbereich lässt sich durch ein Mik- robolometerarray aus matrixförmig angeordneten Mikrobolometern erzeugen. Anstelle von Mikrobo- lometern kommen im mittelwelligen Infrarotbereich insbesondere Cadmium-Quecksilber-Tellurid- Detektoren (MCT) oder Indium-Antimonid-Detektoren und im langwelligen Infrarotbereich insbesondere Gallium-Arsenid-Quantentopf-Detektoren (QWIP) zum Einsatz.
So wie dem Fachmann die für eine Wärmebildkamera geeigneten Detektorarrays bekannt sind, sind sie ihm auch für andere klassische Kameras bekannt, die für andere als Infrarotspektralbereiche aus¬ gelegt sind.
Mit diesen Detektorarrays können, über eine Optik belichtet, pixelbasierte klassische Bilder erzeugt werden. Pixelbasiert heißt hier, dass das klassische Bild mit einer bestimmten Anzahl und Anordnung von Positionen diskretisiert ist, an denen die Strahlungsintensitäten von auftreffender Strahlung in¬ nerhalb des spektralen Empfindlichkeitsbereiches der Detektorelemente des Detektorarrays aufinte¬ griert werden. Die örtlich unterschiedlichen Intensitätswerte werden in einem sichtbar gemachten
BESTÄTIGUNGSKOPIE klassischen Bild in unterschiedlichen Graustufen oder für eine bessere Differenzierung durch das menschliche Auge in verschiedenen Falschfarben dargestellt.
Gleichzeitig kann das klassische Bild elektronisch als sogenannter Frame abgespeichert werden.
Unter einem Frame wird ein Datensatz verstanden, gebildet aus den für ein Bild, sowohl für ein klassisches Bild als auch ein spektrales Bild, erfassten Pixelintensitätswerten des matrixförmigen Detek- torarrays.
Das heißt, für ein klassisches Bild entsteht ein Frame üblicherweise im Ergebnis eines einzelnen Auslesevorgangs der gesamten Matrixanordnung des Detektorarrays und stellt entsprechend eine Matrix der Pixelintensitäten eines kompletten Auslesevorgang dar, wobei die einzelnen Pixelintensitäten jeweils der Position eines Pixels und damit einer Position eines Detektorelementes in der Matrix des Detektorarrays zugeordnet werden können. Ein Frame lässt sich als zweidimensionale Anordnung von Pixeln in Zeilen (x-Richtung) und Spalten (y-Richtung) in Form eines Informationsrechtecks darstellen, wobei jedem Pixel ein Intensitätswert zugeordnet ist (Fig. 1 a). Folglich lässt sich in einem solchen klassischen Bild die auf das Detektorarray auftreffende Strahlungsintensität entsprechend der Anzahl der Detektorelemente ortsaufgelöst zuordnen.
Für ein spektrales Bild stellt ein Frame, wie es für das klassische Bild beschrieben wurde, nur ein Teilframe dar. Zeitgleich oder zeitlich nacheinander werden die einzelnen Teilframes als Datensätze für jeweils ein Teilbild, das mit der Strahlung eines schmalen spektralen Wellenlängenbereiches, nachfolgend nur Wellenlänge genannt, erzeugt wird, gebildet. Der Frame für das Gesamtbild wird anschließend aus allen Teilframes zusammengesetzt.
Die dem Detektorarray in Einfallsrichtung der Strahlung vorgeordnete Optik ist optimal so gerechnet und konstruiert, dass sie für eine Strahlung mit einer Bandbreite innerhalb des spektralen Empfind¬ lichkeitsbereiches des Detektorarray gut durchlässig ist.
Da die Strahlungsintensität des gesamten auf ein Detektorelement auftreffenden Anteils der Strah¬ lung aufintegriert wird, vorausgesetzt die Bandbreite der Strahlung liegt innerhalb des spektralen Empfindlichkeitsbereiches der Detektorelemente, ist die Integrationszeit vergleichsweise zu einer spektralen Kamera, wo pro Belichtung nur die Strahlungsintensität eines monochromatischen Anteils der Strahlung aufintegriert wird, verhältnismäßig kurz. Selbst wenn alle Teilframes für ein spektrales Bild zeitgleich gebildet werden, sind die erreichbaren Frameraten aufgrund der notwendigen länge¬ ren Integrationszeiten vergleichsweise geringer als bei klassischen Kameras. Es ist bekannt, zur Veränderung der Größe des Sehfeldes (field of view = FOV) einer Kamera ein Zoom-Objektiv zu verwenden, welches eine für alle Zoom-Stellungen ortsfeste Bildebene aufweist. Im Falle, dass die abzubildende Szene im Unendlichen liegt, fällt diese Bildebene mit der Brennebene des Zoom-Objektives zusammen. Bei vielen Kameras, oder im speziellen Fall bei Wärmebildkameras, die mit einem ungekühlten Detektorarray ausgestattet sind, ist üblicherweise das Detektorarray in dieser Bildebene angeordnet.
Es ist auch bekannt, z. B. bei Wärmebildkameras mit einem gekühlten Detektorarray, welches folglich einen größeren Bauraum benötigt, dass die Bildebene des Zoom-Objektives lediglich eine Zwischen¬ bildebene darstellt, die über eine Zusatzoptik, einen sogenannten Re-Imager, in eine Bildebene abgebildet wird, in der dann das Detektorarray steht. Um die Baulänge der Kamera zu reduzieren, wird diese oft nicht als ein gestrecktes optisches System ausgeführt, sondern über die Einbringung wenigstens eines Umlenkspiegels gefaltet, wobei ein Umlenkspiegel zwischen dem Zoom-Objektiv und der Zusatzoptik möglichst fern von der Zwischenbildebene angeordnet wird.
Für verschiedene Anwendungen ist ein klassisches Bild allein oft nicht ausreichend, um eine gewünschte ausreichende Information von der beobachteten Szenerie zu erhalten.
Aus der Astronomie sind seit Ende des 19. Jahrhunderts, insbesondere mit den Arbeiten von Fabry und Perot, erste Verfahren der abbildenden Spektroskopie bekannt (sogenanntes „Hyperspectral Imaging" oder„Spectral Imaging"), mit denen spektrale Bilder (sogenannte,„spectral images" oder „hyperspectral images") erzeugt werden.
Diese Verfahren und folglich auf diesen Verfahren basierende Kameras werden in sogenannte scan¬ nende Verfahren und sogenannte Snapshot-Verfahren unterteilt.
Wie bereits erwähnt, wird ein Frame für ein spektrales Bild aus Teilframes gebildet. Dabei werden die Teilframes im scannenden Verfahren nacheinander gewonnen, indem ein Detektorarray zeitlich nach¬ einander mit Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge belichtet wird. Eine hierfür geeignete Kamera kann z. B. in ihrem Strahlengang vor dem Detektorarray einen Fabry-Perot-Filter aufweisen. Dieser wird durch zwei Platten gebildet, deren Abstand verändert, das heißt durchgestimmt wird, womit sich die transmittierende Wellenlänge ändert.
In sogenannten Snapshot-Verfahren werden mit mehreren Detektorarrays zeitgleich die Teilframes gewonnen. Die einfallende Strahlung muss also auf mehrere Kamerakanäle aufgeteilt werden. Damit wird die auf ein Detektorelement auftreffende Intensität noch einmal herabgesetzt, was zu einer wei¬ teren Steigerung der Integrationszeit führt, um durch die Detektorelemente eine oberhalb des Eigen¬ rauschens liegende Intensität detektieren zu können. Eine im Snapshot-Verfahren arbeitende Kamera ist also im Vergleich zu einer Kamera, die im scannenden Verfahren arbeitet, noch lichtschwächer. Eine derartige Kamera ist aus der US 2005/0030533 A1 bekannt.
Im Unterschied zu den Informationen eines klassischen Bildes, welches durch den ortsaufgelösten Empfang von Strahlungsintensitäten als 2D-Bild bzw. als Informationsrechteck (Fig. 1 a) darstellbar ist, kann man sich die Informationen eines spektralen Bildes, wie es mit Verfahren der abbildenden Spektroskopie gewonnen wird, als 3D-Bild bzw. als Informationsquader vorstellen (Fig. 1 b).
Im einfachsten Fall könnte die Auflösung in der dritten Dimension (λ-Achse) 3 betragen und der Informationsquader z. B. aus 640 x 480 x 3 Punkten bestehen. Dabei entspräche 640 x 480 der örtlichen Bildauflösung, da das Detektorarray aus 640 Detektoren in x-Richtung und 480 Detektoren in y- Richtung besteht, und 3 der spektralen Bildauflösung, die durch den RGB-Filter eines Standard-CCD- oder CMOS- Sensors zu Stande kommt.
Ab einer Wellenlängenabtastung von größer 3 wird in der Regel von einem hyperspektralen Bild (so¬ genanntes„hyperspectral image") gesprochen.
In dem Artikel "Review of snapshot spectral imaging technologies" (Hagen and Kudenov; Optical Engineering 52 (9), 090901 (September 2013)) wurden verschiedene Verfahren der abbildenden Spektroskopie aufgezeigt und die Datengewinnung anhand eines Daten- bzw. Informationsquaders beschrieben.
Ein konkretes Beispiel für eine Hyperspektral-Kamera, mit der ein hyperspektrales Bild erzeugt werden kann, ist die Nahinfrarot-Kamera mit Spektrometer (Near-Infrared Camera and Multi-Object Spectro- meter - NICMOS) des Hubble-Space-Teleskops (HST).
Der Informationsgehalt eines solchen hyperspektralen Bildes ist beeindruckend, bringt aber Nachteile mit sich.
Der größte Nachteil entsteht durch die geringe Lichtstärke der hyperspektralen Kameras. Eine Frame¬ rate (Bildwiederholrate) von größer 10 Bilder/Sekunde zur Verfolgung von Objekten im freien Gelände ist damit kaum zu erreichen.
Ein weiterer Nachteil besteht in der erforderlichen hohen Speicherkapazität zur Abspeicherung jeweils eines Informationsquaders pro Frame, die bei gewünschten hohen Frameraten erheblich sein kann.
Auch ist, wie erläutert, die erreichbare Framerate bei der Erzeugung von spektralen Bildern im Ver¬ gleich zur Framerate bei der Erzeugung von klassischen Bildern gering. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Kamera zu schaffen, die Frameraten größer 10, das heißt mehr als 10 Bilder pro Sekunde erlaubt und ein ortsaufgelöstes Bild sowie spektrale Informationen (Spektraldaten) liefert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für eine Kamera mit einer optischen Achse, entlang derer ein Zoom-Objektiv mit einem Zoomantrieb und eine Zusatzoptik angeordnet sind, mit einem ebenen Umlenkspiegel und einer feststehenden Zwischenbildebene zwischen dem Zoom-Objektiv und der Zusatzoptik sowie einer Bildebene hinter der Zusatzoptik, in der eine matrixförmige Anordnung von Detektorflächen eines Detektorarrays zur Erzeugung eines pixelbasierten Bildes, bestehend aus einer matrixförmigen Anordnung von Pixeln, angeordnet ist, sowie einer Steuer- und Recheneinheit gelöst. Dazu ist der Umlenkspiegel vor der Zwischenbildebene angeordnet und für ein durch das Zoom- Objektiv einfallendes Strahlenbündel permanent oder wenigstens zeitweise teilweise durchlässig. Von dem Strahlenbündel 6 wird so permanent oder wenigstens zeitweise ein erstes Teilstrahlenbündel ausgekoppelt und durch den Umlenkspiegel hindurch in eine Sensorebene geführt. Diese stellt eine konjugierte Ebene zu der Zwischenbildebene und der Bildebene dar. In der Sensorebene steht eine Sensorfläche eines Spektrometers in einer Position, die wenigstens der Position einer Detektorfläche des Detektorarrays und damit einem Pixel des Bildes zugeordnet ist. Maximal ist die Detektorfläche der Position einer zusammenhängenden Gruppe von Detektorflächen zugeordnet, die kleiner als das Detektorarray ist und damit einer zusammenhängenden Gruppe von Pixeln des Bildes zugeordnet werden kann, womit ein mit dem Spektrometer erzeugbares Spektrum einem Bildausschnitt des Bil¬ des zugeordnet werden kann.
Für Anwendungen, in denen z. B. ein sich von der Kamera entfernendes Objekt verfolgt werden soll, ist das Spektrometer vorteilhaft auf der optischen Achse angeordnet.
Für Anwendungen, in denen z. B. ein statisches Objekt aufgenommen werden soll, kann das Spekt¬ rometer vorteilhaft außerhalb der optischen Achse angeordnet sein.
Vorteilhaft ist das Spektrometer innerhalb der Sensorebene verschiebbar, um wahlweise ein Spektrum von verschiedenen Bildausschnitten zu erhalten.
Für eine automatisierte Verschiebung des Spektrometers auch während der Verfolgung eines Objek¬ tes ist vorteilhaft ein Antrieb vorhanden, der mit der Steuer- und Recheneinheit verbunden ist.
Es ist von Vorteil, wenn der Antrieb synchron zum Zoom-Antrieb ansteuerbar ist.
Für eine kompakte Bauweise ist es vorteilhaft, wenn das Spektrometer ein Mikrospektrometer ist.
Erste Wahl ist hier ein Spektrometer mit einem Fabry-Perot-Filter. Für eine einfache Bedienung kann ein Touchbedienfeld vorhanden sein, das mit der Steuer- und Re¬ cheneinheit verbunden ist, wobei die Steuer- und Recheneinheit so ausgelegt ist, dass durch lokale Berührung des Touchbedienfeldes der Bildausschnitt ausgewählt werden kann.
Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, bei einer bekannten klassischen Kamera, nachfolgend nur Kamera, mit einem Zoom-Objektiv und einer Zusatzoptik einen dazwischen angeordneten Umlenkspiegel teildurchlässig auszuführen, um aus dem in die Kamera einfallenden Strahlenbündel ein erstes Teilstrahlenbündel auszukoppeln, welches nicht in die Zusatzoptik umgelenkt wird, sondern durch den Umlenkspiegel hindurch auf die Sensorfläche eines Spektrometers auftrifft. Diese Sensor¬ fläche ist in einer Sensorebene an einer ausgewählten Position angeordnet oder innerhalb der Sensorebene bei einer festen Zoom-Stellung oder auch synchron mit der Änderung der Zoom-Stellung des Zoom-Objektives verschiebbar. Da die Sensorebene in einer durch Strahlteilung zur Zwischenbildebene konjugierten Ebene liegt, die durch Strahlabbildung in einer zur Bildebene der Wärmebildkamera konjugierten Ebene liegt, kann die in der Sensorebene angeordnete Sensorfläche des Spektrometers einer Position in einem in der Bildebene stehenden Detektorarray zugeordnet werden, womit ein mittels des Spektrometers erhaltenes Spektrum einem Bildausschnitt des Bildes zugeordnet wer¬ den kann.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Hierzu zeigen die Zeichnungen:
Fig. 1 a ein Informationsrechteck,
Fig. 1 b einen Informationsquader,
Fig. 2 ein vereinfachtes Optikschema einer erfindungsgemäßen Kamera und
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Kamera.
Fig. 2 zeigt die optisch wirksamen Komponenten, wie sie eine Kamera gemäß der Erfindung grund¬ sätzlich umfasst, sowie ihre Anordnung zueinander und sich ergebende ausgezeichnete Ebenen. Bei der Kamera handelt es sich um eine Kamera, wie sie in der Beschreibung zum Stand der Technik als klassische Kamera beschrieben wurde.
In Fig. 3 sind alle wesentlichen Komponenten, zuzüglich vorteilhafter Komponenten, in einem Block¬ schaltbild dargestellt.
Die Kamera umfasst im Wesentlichen ein Zoom-Objektiv 1 mit einem Zoom-Antrieb 1 .1 , eine Zusatz¬ optik 2, einen teildurchlässigen ebenen Umlenkspiegel 3, ein Spektrometer 4, ein Detektorarray 5 und eine Steuer- und Recheneinheit 7. Vorteilhaft umfasst sie darüber hinaus einen Antrieb 8 und ein Touchbedienfeld 9.
Wie aus dem Optikschema in Fig. 2 zu ersehen ist, weist das Zoom-Objektiv 1 eine feststehende Zwischenbildebene ZBE auf, das heißt, ein in die Kamera einfallendes Strahlenbündel 6 wird unabhängig von der Zoom-Stellung des Zoom-Objektives 1 und damit der sich ändernden Brennweite des Zoom- Objektives 1 stets in eine örtlich unverändert stehende Ebene, die Zwischenbildebene ZBE, zwischenabgebildet.
Der teildurchlässige ebene Umlenkspiegel 3 ist in Einfallsrichtung des Strahlenbündels 6 dem Zoom- Objektiv 1 nachgeordnet und der Zwischenbildebene ZBE vorgeordnet und reflektiert die optische Achse des Zoom-Objektives 1 , die gleich einer optischen Achse 0 der Kamera ist, in die optische Achse der in Reflexionsrichtung des Umlenkspiegels 3 nachgeordneten Zusatzoptik 2, auch Re-Imager genannt. Diese Zusatzoptik 2 bildet die Zwischenbildebene ZBE in eine hierzu konjugierte Ebene, die Bildebene BE, ab, in der Detektorflächen 5.1 der matrixförmig angeordneten Detektorelemente des Detektorarrays 5 angeordnet sind.
Infolge der Teildurchlässigkeit des Umlenkspiegels 3 setzt sich die optische Achse 0 auch durch den Umlenkspiegel 3 hindurch fort, wo für ein ausgekoppeltes erstes Teilstrahlenbündel 6.1 eine Sensor¬ ebene SE entsteht, die zur Zwischenbildebene ZBE und damit zur Bildebene BE eine konjugierte Ebene darstellt.
Zwei zueinander konjugierte Ebenen zeichnen sich dadurch aus, das jedem Punkt in einer Ebene exakt ein Punkt in der anderen Ebene und umgekehrt zugeordnet werden kann. Konjugierte Ebenen können über eine Strahlabbildung, aber auch durch eine Strahlteilung entstehen. Bei den durch Strahlteilung gebildeten, zueinander konjugierten Ebenen SE und ZBE ist kein Abbildungsmaßstab bei der Zuordnung zu beachten. Hingegen ist bei den durch Strahlabbildung gebildeten konjugierten Ebenen ZBE und BE der Abbildungsmaßstab der Zusatzoptik 2 zu beachten. Aufgrund dieser Gegebenheiten kann die ausgewählte Position des Spektrometers 4, genauer gesagt seiner Sensorfläche 4.1 , wenigstens einer Detektorfläche 5.1 eines Detektorelementes des Detektorarrays 5 zugeordnet werden.
So wird z. B. bei einer Größe der Sensorfläche 4.1 gleich der Größe einer Detektorfläche 5.1 und einem Abbildungsmaßstab der Zusatzoptik 2 von 1 : 1 die Sensorfläche 4.1 und damit das mit dem Spektrometer 4 gewonnene Spektrum genau einem Detektorelement und damit einem Pixel im Bild, welches einen Bildausschnitt darstellt, zugeordnet. Das Spektrum wird in diesem Fall mit einer größtmöglichen Ortsauflösung einem Bildausschnitt im Bild zugeordnet. Praktisch wird man allerdings bevorzugt für eine hohe Bildauflösung ein Detektorarray 5 mit einer möglichst hohen Anzahl von Detektorelementen und damit verhältnismäßig kleinen Detektorflächen 5.1 bei gleicher Größe des Detektorarrays 5 verwenden.
Hingegen wird man bevorzugt ein Spektrometer 4 mit einer zu den Detektorflächen 5.1 vergleichs¬ weise großen Sensorfläche 4.1 auswählen.
Um für die Abbildung auf dem Detektorarray 5 möglichst viel Strahlungsintensität zur Verfügung zu haben, sollte das erste Teilstrahlenbündel 6.1 bevorzugt nur einen Bruchteil von kleiner 10% des ge¬ samten Strahlenbündels 6 ausmachen.
Wird nun von dem ersten Teilstrahlenbündel 6.1 nur der Strahlungsanteil einer ausgewählten Wellen¬ länge von der Sensorfläche 4.1 des Spektrometers 4 als Strahlungsintensität detektiert, ist es von Vorteil, wenn die Sensorfläche 4.1 größer gewählt wird, sodass sie, z. B. wie in Fig. 2 dargestellt, einer zusammenhängenden Gruppe von neun Detektorflächen 5.1 zugeordnet wird, da sie die neun¬ fache Größe einer Detektorfläche 5.1 aufweist. Übliche Größen für die Sensorfläche 4.1 liegen zwischen 0,5 mm x 0,5 mm und 2 mm x 2 mm.
Die Größe des Sehfeldes der Kamera wird durch den Bildwinkel bestimmt, welcher sich aus der Brennweite der Kamera und der Diagonale des Detektorarrays 5 ergibt. Für nachfolgende Erläuterun¬ gen soll der eventuelle Einfluss der Zusatzoptik 2 auf die Brennweite der Kamera vernachlässigt wer¬ den, indem hier von einem Abbildungsmaßstab von 1 : 1 ausgegangen werden soll.
Mit der Änderung der Zoom-Stellung des Zoom-Objektives 1 und damit der Brennweite der Kamera wird die Größe des Bildwinkels und damit die Größe des Sehfeldes verändert.
Das Sehfeld wird vollständig auf dem Detektorarray 5 abgebildet, sodass ein dadurch entstehendes Bild ein Abbild des gesamten Sehfeldes darstellt.
Nur ein Ausschnitt aus diesem Sehfeld ist die Basis für ein mittels des Spektrometers 4 gebildetes Spektrum. Bei einem angenommenen Abbildungsmaßstab der Zusatzoptik 2 von 1 : 1 ist das Größen¬ verhältnis zwischen dem Ausschnitt aus dem Sehfeld und dem Sehfeld nur durch das Größenverhält¬ nis zwischen der Sensorfläche 4.1 des Spektrometers 4 und der durch alle Detektorflächen 5.1 gebil¬ deten Gesamtdetektorfläche des Detektorarrays 5 gegeben.
Als Spektrometer 4 wird vorteilhaft ein auf dem Fabry-Perot-Prinzip basierendes Mikrospektrometer verwendet. Es besteht aus einem breitbandigen Infrarotsensor und einem mikromechanisch durch- stimmbaren Fabry-Perot-Filter. Die üblichen Größen der Detektorflächen 5.1 der Detektorelemente eines Detektorarrays 5 liegen bei 20 μΐη x 20 μΓΠ. Bei einer Pixelanzahl von 640 x 480 sind die Außenmaße des Detektorarrays 5 gleich 12,8 mm x 9,6 mm.
Ein mit einer Sensorfläche 4.1 von z. B. 0,5 mm x 0,5 mm gewonnenes Spektrum kann damit bei einem Abbildungsmaßstab der Zusatzoptik 2 von 1 : 1 einem Ausschnitt aus dem Sehfeld zugeordnet werden, welcher einer Größe von 25 x 25 Pixeln oder ca. 0,2 % des gesamten Sehfeldes entspricht.
Der teildurchlässige Umlenkspiegel 3 kann vorteilhaft permanent teildurchlässig aufgrund einer geo¬ metrischen Strahlteilung oder aufgrund einer teildurchlässigen Beschichtung, einer sogenannten neutralen Strahlteilung, sein. Er kann auch temporär teildurchlässig sein, indem nur zeitweise ein ers¬ tes Teilstrahlenbündel 6.1 ausgekoppelt wird und ansonsten das gesamte Strahlenbündel 6 reflektiert wird.
Die geometrische Strahlteilung erfolgt, indem in dem Umlenkspiegel 3 ein Loch ausgebildet wird bzw. die Spiegelbeschichtung des Umlenkspiegels 3 ein Loch aufweist und der Grundkörper des Umlenkspiegels 3 transparent ist. Dieses Loch sollte den auf das Spektrometer 4 auftreffenden Strah¬ lungsanteil des Strahlenbündels 6 zum einen möglichst nicht begrenzen, zum anderen aber auch den Querschnitt des ausgekoppelten ersten Teilstrahlenbündels 6.1 so begrenzen, dass keine Strahlungs¬ anteile ausgekoppelt werden, die nicht auf die Sensorfläche 4.1 auftreffen. Das heißt, das hindurch¬ tretende erste Teilstrahlenbündel 6.1 sollte die Sensorfläche 4.1 vollständig ausleuchten, jedoch auch nicht wesentlich größer als die Sensorfläche 4.1 sein, da das ausgekoppelte erste Teilstrahlenbündel 6.1 der Abbildung verloren geht. Vorteilhaft ist hier, dass das auf die Sensorfläche 4.1 auftreffende erste Teilstrahlenbündel 6.1 mit höchstmöglicher Strahlungsintensität auftrifft, womit sich die kür- zestmögliche Integrationszeit für das Spektrometer 4 ergibt. Zum Spektrometer 4 und der Integrati¬ onszeit hierfür wird an späterer Stelle ausgeführt.
Nachteilig an der geometrischen Strahlteilung ist, dass ein lokal begrenzter Strahlungsanteil des Strahlenbündels 6 vollständig für die Abbildung auf dem Detektorarray 5 verloren geht, was zu einem Informationsverlust im Bild führen kann, und zwar genau in dem Bildausschnitt, dem das Spektrum zugeordnet wird.
Dieser Informationsverlust entsteht nicht mit einer neutralen Strahlteilung, bei der dann allerdings auch Strahlungsanteile ausgekoppelt werden, die nicht auf das Spektrometer 4 auftreffen, und so für die Messung und die Abbildung verloren gehen. Die neutrale Strahlteilung hat allerdings den Vorteil, dass das Spektrometer 4 unabhängig davon, wo es in der Sensorebene SE steht, Strahlungsanteile empfängt, da das erste Teilstrahlenbündel 6.1 keinen eingeschränkten Querschnitt gegenüber dem Strahlenbündel 6 aufweist. Der Umlenkspiegel 3 kann eine Auskopplung eines ersten Teilstrahlenbündels 6.1 auch durch eine polarisationsteilende oder spektralteilende Beschichtung ermöglichen.
Das hat den Vorteil, dass das Spektrometer 4 in der Sensorebene SE verschoben werden kann. Eine Verschiebung kann zum Beispiel von Interesse sein, wenn man zu mehr als nur einem Ausschnitt des Sehfeldes bzw. einem Bildausschnitt spektrale Informationen erhalten möchte.
Auch kann die Verwendung eines verspiegelten Shutters als teildurchlässiger Umlenkspiegel 3 von Vorteil sein. Dieses könnte z. B. über die Dauer der Verfolgung und Abbildung eines Objektes mit einer hohen Framerate geschlossen sein, womit das gesamte Strahlenbündel 6 der Abbildung zur Verfügung steht, und nur wenige Male bzw. nur einmal für die Dauer der Integrationszeit des Spekt- rometers 4 geöffnet werden. Der Umlenkspiegel 3 ist dann nur temporär teildurchlässig.
Eine Alternative für einen teildurchlässigen Umlenkspiegel 3 kann ein Spiegel sein, der zeitgleich oder nacheinander alternierend in zwei verschiedene Richtung reflektiert. Hierfür könnte ein sogenanntes Digital Micromirror Device (DMD) verwendet werden, bei dem einzelne matrixförmig angeordnete Mikrospiegel einzeln ansteuerbar sind.
Die Lage des Ausschnittes aus dem Sehfeld und damit die Lage des Bildausschnittes im Bild wird vor¬ gegeben, indem das Spektrometer 4 in einer ausgewählten Position in der Sensorebene SE angeord¬ net oder in ausgewählte Positionen innerhalb der Sensorebene SE verschoben wird.
Insbesondere für eine Anwendung, bei welcher die Kamera bei der Erstellung von Bildern in einer zeitlichen Abfolge gezoomt wird, z. B. bei der Verfolgung sich entfernender oder annähernder Objek¬ te, ist es von Vorteil, wenn das Spektrometer 4 auf der durch den Umlenkspiegel 3 geführten opti¬ schen Achse 0 der Kamera angeordnet ist. Das hat den Vorteil, dass auch bei sich ändernder Zoom- Stellung und sich folglich ändernder absoluter Größe des Ausschnittes des Sehfeldes unverändert der Mittelpunkt des Sehfeldes den Mittelpunkt des Ausschnittes bildet aus dem Strahlung kommend auf das Spektrometer 4 auftrifft.
Für Anwendungsfälle, in denen nicht die Sehfeldmitte der Bereich des Interesses ist, sondern zum Beispiel ein örtlicher Bereich, der sich z. B. im Sehfeld rechts oberhalb der Sehfeldmitte befindet, kann das Spektrometer 4 von der optischen Achse 0 entfernt angeordnet sein. In einem solchen Fall ist es von Vorteil, wenn das Spektrometer 4 mit der Änderung der Brennweite des Zoom-Objektives 1 radial verschoben wird, womit z. B. ein ausgewähltes Objekt trotz des sich ändernden Bildwinkels, unter dem es abgebildet wird, mit dem Spektrometer 4 verfolgt werden kann. Für diesen Fall ist der Antrieb 8 vorgesehen, der ebenso wie der Zoom-Antrieb 1 .1 mit der Steuer- und Recheneinheit 7 verbunden ist. Wie aus dem Blockschaltbild in Fig. 3 zu entnehmen ist, ist die Steuer- und Recheneinheit 7 über eine Steuerleitung jeweils mit dem Zoom-Antrieb 1 .1 , dem Detektorarray 5 und dem Spektrometer 4 und darüber hinaus wenigstens über eine Datenleitung mit dem Detektorarray 5 und dem Spektrometer 4 verbunden.
Für den Fall, dass das Spektrometer 4 verschiebbar sein soll, ist die Steuer- und Recheneinheit 7 vorteilhaft über eine weitere Steuerleitung mit dem Antrieb 8 des Spektrometers 4 verbunden. Die Steuer- und Datenleitungen sind in Fig. 3 als Volllinie dargestellt.
Die dargestellten Strichlinien stellen den optischen Fluss in der Kamera dar.
Als Spektrometer 4 kann grundsätzlich jedes herkömmliche Spektrometer verwendet werden, wobei die hierfür zur Anwendung kommenden Verfahren zur zeitgleichen oder zeitlich aufeinanderfolgenden Auskopplung einer bestimmten Wellenlänge aus dem ersten Teilstrahlenbündel 6.1 denen entsprechen, wie sie auch in dem Artikel "Review of snapshot spectral imaging technologies" (Hagen and Kudenov; Optical Engineering 52 (9), 090901 (September 2013)) für die abbildende Spektroskopie und damit für spektrale Kameras beschrieben wurden.
Das heißt, grundsätzlich könnte das Spektrometer 4 nach dem Snapshot-Verfahren arbeiten. Dazu müsste es allerdings mehrere Sensorflächen 4.1 aufweisen, die in zueinander konjugierten Positionen stehen. Eine solche Ausführung wäre technisch sehr aufwendig und würde dem Wunsch nach einer kompakten Kamera entgegenstehen. Sie wäre eine verschlechterte Ausführung des Grundgedankens der Erfindung.
Für eine erfindungsgemäße Kamera soll daher ein nach einem scannenden Verfahren arbeitendes Spektrometer 4 verwendet werden, welches nur eine Sensorfläche 4.1 aufweist, auf welche zeitlich nacheinander Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen auftrifft und detektiert wird. Wie im Zusammenhang mit den spektralen Kameras erläutert, wird die Integrationszeit, welche das Spektrometer 4 benötigt, um eine Intensität zu detektieren, durch das Grundrauschen des Sensors des Spektrometers 4 nach unten hin begrenzt. Je höher die Anzahl der Wellenlängen ist, die aus der von einem Aus¬ schnitt des Sehfeldes kommenden Strahlung detektiert werden soll, desto länger ist die Gesamtinteg- rationszeit des Spektrometers 4, die sich aus den Integrationszeiten für die Strahlungsanteile der einzelnen spektralen Bereiche ergibt. Wie für klassische Kameras in der Einleitung erläutert, hat das Detektorarray 5, welches die gesamte auftreffende Strahlungsintensität aufintegriert, eine vergleichs¬ weise geringe Integrationszeit, die sich im Vergleich noch verkürzen lässt, wenn das zweite Teilstrah¬ lenbündel 6.2 durch einen deutlich größeren Anteil vom Strahlenbündel 6 gebildet wird als das erste Teilstrahlenbündel 6.1 . Je geringer die Integrationszeit des Detektorarrays 5 ist, desto höher ist die Framerate des Bildes. Durch ein getrenntes Ansteuern und Auslesen werden die Integrationszeiten des Spektrometers 4 und des Detektorarrays 5 voneinander entkoppelt. So können Frameraten für die Bilderfassung von größer 10, vorteilhaft größer 30 pro Sekunde, erreicht werden, während die Framerate für das Spekt¬ rometer 4 kleiner 1 pro Sekunde, vorteilhaft kleiner 3 pro Sekunde, die Bildung eines Spektrums mit einer hohen Anzahl von Wellenlängen ermöglicht.
Besonders vorteilhaft wird als Spektrometer 4 ein Mikrospektrometer verwendet. Es weist einen Querschnitt von kleiner 20 mm x 20 mm und eine Höhe von kleiner 30 mm auf. Es kommt so dem Wunsch nach einer kompakten Bauweise sehr entgegen. Vorteilhaft ist hier ein Spektrometer mit einem durchstimmbaren Fabry-Perot-Filter.
Eine erfindungsgemäße Kamera kann beispielsweise vorteilhaft für die Überwachung von Industrie- und Produktionsanlagen eingesetzt werden, um z. B. die Anteilsmengen diverser Gase zu überwachen (Gasanalyse). Beispielsweise hat C02 eine typische Absorptionsbande bei 4,25 μη% während N20 bei 4,66 μιη stark absorbiert.
Der Vorteil besteht in den Zuordnungen eines Spektrums (Spektraldaten) zu einem bestimmten Bild¬ ausschnitt, d. h. man kann die Kamera entsprechend der Bildinformation auf einen interessierenden Bildausschnitt richten, zu dem ein Spektrum bestimmt werden soll. Das kann bei der Gerichtsverwert- barkeit vorteilhaft sein, weil mit dem Spektrum auch ein Bild fest verknüpft ist.
Aus dem Spektrum kann dann weitere gewinnbringende Information abgeleitet werden, die durch die ortsaufgelöste Kopplung an die Bildinformation zu einem Informationsgewinn führt.
Bezugszeichenliste
0 optische Achse
1 Zoom-Objektiv
1 .1 Zoom-Antrieb
2 Zusatzoptik
3 Umlenkspiegel
4 Spektrometer
4.1 Sensorfläche (des Spektrometers 4)
5 Detektorarray
5.1 Detektorfläche (eines Detektorelementes des Detektorarrays 5)
6 Strahlenbündel
6.1 erstes Teilstrahlenbündel
6.2 zweites Teilstrahlenbündel
7 Steuer- und Recheneinheit
8 Antrieb (zur Verschiebung des Spektrometers 4)
9 Touchbedienfeld
ZBE Zwischenbildebene
SE Sensorebene
BE Bildebene

Claims

Patentansprüche
1 . Kamera mit einer optischen Achse (0), entlang derer ein Zoom-Objektiv (1 ) mit einem Zoom- Antrieb (1 .1 ) und eine Zusatzoptik (2) angeordnet sind, mit einem ebenen Umlenkspiegel (3) und einer feststehenden Zwischenbildebene (ZBE) zwischen dem Zoom-Objektiv (1 ) und der Zusatzoptik (2) sowie einer Bildebene (BE) hinter der Zusatzoptik (2), in der eine matrixförmige Anordnung von Detektorflächen (5.1 ) eines Detektorarrays (5) zur Erzeugung eines pixelbasierten Bildes, bestehend aus einer matrixförmigen Anordnung von Pixeln, angeordnet ist, sowie einer Steuer- und Recheneinheit (7), wobei
der Umlenkspiegel (3) vor der Zwischenbildebene (ZBE) angeordnet ist und für ein durch das Zoom-Objektiv (1) einfallendes Strahlenbündel (6) teilweise durchlässig ist, sodass von dem Strahlenbündel (6) ein erstes Teilstrahlenbündel (6.1 ) ausgekoppelt und durch den Umlenkspiegel (3) hindurch in eine Sensorebene (SE) geführt wird, die eine konjugierte Ebene zu der Zwischenbildebene (ZBE) und der Bildebene (BE) darstellt, und in der Sensorebene (SE) die Sensorfläche (4.1 ) eines Spektrometers (4) mit einer Sensorfläche (4.1 ) in einer Position steht, die wenigstens der Position einer Detektorfläche (5.1 ) des Detektorarrays (5) und damit einem Pixel des Bildes und maximal der Position einer zusammenhängenden Gruppe von Detektorflächen (5.1 ), die kleiner als das Detektorarray (5) ist, und damit einer zusammenhängenden Gruppe von Pixeln des Bildes, zugeordnet ist, womit ein mit dem Spektrometer (4) erzeugbares Spektrum einem Bildausschnitt des Bildes zugeordnet werden kann.
2. Kamera nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (4) auf der opti¬ schen Achse (0) angeordnet ist.
3. Kamera nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (4) außerhalb der optischen Achse (0) angeordnet ist.
4. Kamera nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (4) innerhalb der Sensorebene (SE) verschiebbar ist, um wahlweise ein Spektrum von verschiedenen Bildausschnitten zu erhalten.
5. Kamera nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb (8) zur Verschiebung des Spektrometers (4) vorhanden ist, der mit der Steuer- und Recheneinheit (7) verbunden ist.
6. Kamera nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (8) synchron zum Zoom- Antrieb (1 .1 ) ansteuerbar ist. Kamera nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (4) ein Mik- rospektrometer ist.
Kamera nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (4) einen Fabry-Perot-Filter umfasst.
Kamera nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Touchbedienfeld (9) vorhanden ist, das mit der Steuer- und Recheneinheit (7) verbunden ist, und die Steuer- und Recheneinheit (7) so ausgelegt ist, dass durch lokale Berührung des Touchbedienfeldes (9) der Bildausschnitt ausgewählt werden kann.
Kamera nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel (3) ein Loch aufweist, sodass das durch das Loch hindurchtretende erste Teilstrahlenbündel (6.1 ) vollständig auf die Sensorfläche (4.1 ) auftrifft.
Kamera nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel (3) einen transparenten Grundkörper und eine Spiegelbeschichtung mit einem Loch aufweist, sodass das durch das Loch hindurchtretende erste Teilstrahlenbündel (6.1 ) vollständig auf die Sensor¬ fläche (4.1 ) auftrifft.
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