PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69902819T2 07.08.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 1141668
Titel VORRICHTUNG ZUM SPEKTRALEN ABBLENDEN IN EINEM OPTISCHEN BILDSENSOR
Anmelder Architecture, Traîtement d'Images et Simulatin, Aix en Provence, FR
Erfinder GUERN, Yves, F-13490 Jouques, FR
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69902819
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 20.12.1999
EP-Aktenzeichen 999636269
WO-Anmeldetag 20.12.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/FR99/03243
WO-Veröffentlichungsnummer 0000040936
WO-Veröffentlichungsdatum 13.07.2000
EP-Offenlegungsdatum 10.10.2001
EP date of grant 04.09.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.08.2003
IPC-Hauptklasse G01J 3/28
IPC-Nebenklasse G01J 3/12   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit spektraler Reflexion zur Erzeugung eines Bildes auf einem optischen Sensor, wobei die Vorrichtung Mittel zur Erzeugung eines von einem Beobachtungsausschnitt ausgehenden Bündels paralleler Lichtstrahlen und Mittel zur Fokussierung des Lichtbündels auf dem optischen Sensor aufweist.

Es ist bereits bekannt, ein spezielles Merkmal eines von einem Beobachtungsausschnitt ausgehenden Lichtbündels zu detektieren und zu identifizieren, indem Bilder dieses Lichtbündels verglichen werden, die auf einem optischen Sensor ohne einen Filter bzw. nach Durchqueren eines Filters gebildet werden, durch den ein schmales Wellenlängenband ausgefiltert wird, welches für das gesuchte Merkmal charakteristisch ist, bei dem es sich beispielsweise um einen vorhandenen gasförmigen Schadstoff oder ein Giftgas im Beobachtungsbereich handelt.

In der US 2.721.259 wird ein System zur Informationsübertragung vorgeschlagen, bei dem ein von einer Blitzlichtlampe emittierter Lichtstrahl spektral zerlegt wird, bevor er auf ein Hindernis trifft, das in Richtung der spektralen Dispersion des Lichtbündels verschiebbar ist, um das Lichtbündel durch das Verschieben des Hindernisses spektral abzuwandeln, das durch eine zu übertragende Information gesteuert wird.

Das Lichtbündel wird dann spektral rekombiniert, um übertragen zu werden, und anschließend spektral zerlegt, bevor es auf einen Empfänger trifft, zum Beispiel eine photoelektrische Zelle, deren Ausgangssignal in einer Weise verändert wird, die dem Verschieben des Hindernisses im emittierten Lichtbündel entspricht. Dieses bekannte System bildet keinen optischen Filter, der es ermöglicht, ein schmales vorgegebenes Wellenlängenband in einem von einem Beobachtungsausschnitt ausgehenden Lichtbündel auszufiltern, und kann hierfür nicht verwendet werden.

Die Ausführung von optischen Filtern mit einem Transmissionsgrand von nahe Null auf einem äußerst schmalen Wellenlängenband kann sehr schwierig sein, und ihre Verwendung weist eine Reihe von Nachteilen auf:

- diese Filter verändern in der Regel die Empfindlichkeit und den Arbeitspunkt der optischen Sensoren;

- das von dem Filter ausgefilterte Wellenlängenband kann nicht verändert oder kontinuierlich abgewandelt werden;

- die umlaufenden Filter bewirkten in der Regel die Sättigung des Sensors und die Veränderung seines Arbeitspunktes in erheblicher und dauerhafter Weise, wenn der Filterträger vor dem Sensor vorbeiläuft;

- das Vorhandensein eines Filters im Strahlengang bewirkt, dass die Bilder, die mit dem Filter erzielt werden, und die, die ohne Filter erzielt werde, zueinander geometrisch versetzt sind;

- dem mit dem umlaufenden Filter erzielten Bild mangelt es an Schärfe usw.

Die vorliegende Erfindung bezweckt insbesondere, diese Nachteile zu vermeiden.

Sie schlägt hierzu eine Vorrichtung mit spektraler Reflexion zur Erzeugung eines Bildes auf einem optischen Sensor vor, mit Mitteln zur Erzeugung eines Bündels paralleler Lichtstrahlen, das von einem Beobachtungsausschnitt ausgeht, Mitteln zur spektralen Dispersion des Lichtbündels in wenigstens einer Richtung, in der sich die Wellenlängen der Streustrahlen im Wesentlichen kontinuierlich ändern, wenigstens einer im Strahlengang der Streustrahlen befindlichen Blende, um wenigstens ein Wellenlängenband abzuschirmen, Mitteln zum Positionieren bzw. Verschieben der Blende im wesentlichen in der vorgenannten Richtung, Mitteln zum Rekombinieren der Streustrahlen in einem Bündel paralleler Lichtstrahlen, und Mitteln zur Fokussierung des rekombinierten Lichtbündels auf den Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende so bemessen ist, dass ein schmales Wellenlängenband abgeschirmt wird, ohne die Empfindlichkeit und den Arbeitspunkt des Sensors zu verändern und ohne die Transmission der Vorrichtung merklich zu verändern, wenn sie in der vorgenannten Richtung positioniert oder verschoben wird.

Allgemein besagt die Bezeichnung "schmales Wellenlängenband", dass das durch die Blende abgeschirmte Wellenlängenband bezogen auf die Spektralbreite des Lichtbündels und/oder bezogen auf den spektralen Arbeitsbereich des optischen Sensors äußerst schmal ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist keinen der Nachteile der gemäß dem Stand der Technik verwendeten Filter auf:

- sie lässt sich einfach in das damit zu versehende optische Schema des Sensors einfügen;

- sie verändert nicht die Empfindlichkeit und den Arbeitspunkt des Sensors;

- der Transmissionsgrad der Vorrichtung hängt nicht von dem ausgefilterten Wellenlängenband ab;

- die ausgefilterte Wellenlänge kann bzw. die ausgefilterten Wellenlängen können im spektralen Arbeitsbereich des Sensors kontinuierlich und mit schneller Bildfolge, zum Beispiel der einer Kamera, moduliert werden;

- die Veränderung der ausgefilterten Wellenlänge bzw. Wellenlängen verändert nicht den Arbeitspunkt des Sensors;

- die Qualität des erzielten Bildes wird nicht durch das Vorhandensein dieser Vorrichtung beeinträchtigt.

Gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung

- umfassen die Mittel zur spektralen Dispersion des Lichtbündels ein Prisma und eine Blende, wobei sich letztere in der Brennebene der Linse befindet;

- umfassen die Rekombinationsmittel eine zweite Linse und ein zweites Prisma, die beispielsweise mit der Linse und dem Prisma der Dispersionsmittel identisch sind, wobei sich die Blende in der Brennebene der zweiten Linse befindet;

- umfassen die Dispersionsmittel ein Plan- oder Konkavgitter und die Rekombinationsmittel einen Konkavspiegel, der die durch das Gitter gestreuten Strahlen aufnimmt und zu einer Kollimationslinse zurückstrahlt, wobei sich die Blende im Strahlengang der durch das Gitter gestreuten Strahlen oder im Strahlengang der durch den Konkavspiegel reflektierten Strahlen befindet;

- umfassen die Dispersionsmittel ein Konkavgitter, das einem Planspiegel zugehörig ist, der die durch das Konkavgitter gestreuten Strahlen aufnimmt und sie zur Blende und den Rekombinationsmitteln reflektiert;

- umfassen die Rekombinationsmittel einen Planspiegel und ein Konkavgitter, wobei der Planspiegel die aus den Dispersionsmitteln austretenden Strahlen aufnimmt und sie zu einem Konkavgitter reflektiert, das sie wieder in ein Bündel paralleler Lichtstrahlen umbildet;

- umfassen die Dispersionsmittel zwei identische Elemente wie Prismen oder Gitter, die hintereinander spiegelbildlich angeordnet sind, um beim Verlassen des zweiten Elements ein Bündel paralleler monochromatischer Lichtstrahlen zu erzeugen;

- umfassen die Rekombinationsmittel zwei identische Elemente wie Prismen oder Gitter, die hintereinander spiegelbildlich angeordnet sind, wobei das erste Element die durch die Dispersionsmittel spektral geteilten Strahlen aufnimmt und sie zu einem zweiten Element zurückstrahlt, das sie zu einem Bündel paralleler polychromatischer Lichtstrahlen rekombiniert;

- sind die Mittel zum Rekombinieren der gestreuten Lichtstrahlen und die Mittel zur Fokussierung auf dem Sensor vereinigt.

Vorteilhafterweise ist die Blende mit einer Geschwindigkeit, die zu der Betriebsgeschwindigkeit einer Kamera synchron ist, über eine Entfernung periodisch verschiebbar, die im Wesentlichen der Spektralbreite des optischen Sensors entspricht.

Die Blende und ihre Mittel zum Positionieren und Verschieben können vorteilhafterweise von einem Galvanometer gebildet sein, dessen Zeiger die Blende bildet. Alternativ kann die Blende ein Zeiger sein, der auf einem Schlitten angebracht ist, welcher mit einem Motor versehen ist oder durch geeignete Mittel in Bewegung versetzt wird.

In einer speziellen Ausführungsform umfasst der optische Sensor Einzelsensoren in der Art von TDI-Sensoren (Time Delay Integration), die Datenverarbeitungsmitteln für eine simultane multispektrale Analyse des erfassten Lichtbündels zugeordnet sind, wobei diese Verarbeitungsmittel es erlauben, die Differenz zwischen den gleichzeitig gewonnenen Ausgangssignalen der benachbarten Einzelsensoren zu bilden und die Wellenlänge des von den Sensoren empfangenen Lichtstroms abzuleiten.

Allgemein erlaubt es die Erfindung, eine spektrale Reflexion mit geringer Breite in einem Lichtbündel nach Belieben zu modulieren, das von einer optischen Vorrichtung empfangen wird, die daraus ein Bild auf einem Sensor erzeugt. Die Erfindung erlaubt auch, eine der mehreren unveränderlichen Wellenlängen in einem durch einen Sensor empfangenen Lichtstrom zu reflektieren. Die Anwendungen sind folglich sehr zahlreich und unterschiedlichster Art.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung durch die nachfolgende, beispielhafte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, in denen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Systems zur Bilderzeugung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt,

Fig. 3 und 4 Diagramme sind, in denen die Amplitude in Abhängigkeit der Wellenlänge eines von einem Sensor empfangenen Lichtstroms bzw. die Ableitung dieses Lichtstroms in Bezug auf die Wellenlänge schematisch dargestellt ist,

Fig. 5, 6, 7 und 8 jeweils eine schematische Darstellung der Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Bilderzeugungssystem umfasst im Wesentlichen ein Objektiv 10, das einen Lichtstrom 12 aufnimmt, der von einem (nicht dargestellten) Beobachtungsausschnitt ausgeht und auf einem System 16 zum (beispielsweise horizontalen und vertikalen oder auch nur horizontalen) Abtasten, das einer Linse 18 zur Fokussierung des Lichtbündels auf einem Sensor 20 zugeordnet ist, oder auf einer Sensorreihe ein Bündel 14 paralleler Lichtstrahlen erzeugt, wenn durch das System 16 ein Abtasten nur in einer einzigen Richtung erfolgt (die Sensorreihe verläuft hierbei quer zur Abtastrichtung), wobei dieses System erfindungsgemäß noch eine Vorrichtung umfasst, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 22 gekennzeichnet ist und es ermöglicht, in dem durch das Abtastsystem 16 zur Fokussierlinse 18 übertragenen Lichtbündel einen Spektralanteil mit bestimmter Wellenlänge zu reflektieren oder zu eliminieren.

Diese Vorrichtung 22 umfasst im Wesentlichen Mittel 24 zur spektralen Dispersion, wie zum Beispiel ein Prisma oder ein Gitter, die es ermöglichen, das von dem Abtastsystem 16 empfangene Lichtbündel winkelmäßig derart zu zerlegen, dass sich die Wellenlänge für einen Betrachter, der sich entlang einer Richtung X senkrecht zur optischen Achse des Systems aus Fig. 1 bewegt, im Wesentlichen stetig verändert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst auch wenigstens eine Blende 26, die in den gestreuten Lichtstrahlen angeordnet und in der Richtung X feststehend oder beweglich ist, wobei die Breite der Blende 26 oder deren Abmessung entlang der Achse X es ihr erlaubt, einen kleinen Teil der gestreuten Lichtstrahlen abzuschirmen, der einem sehr schmalen Wellenlängenband entspricht.

Zwischen der Blende 26 und der Fokussierlinse 18 sind Mittel 28 zum Rekombinieren der gestreuten Lichtstrahlen in ein Bündel paralleler polychromatischer Lichtstrahlen angeordnet, das zur Linse 18 geleitet und durch diese auf den Sensor 20 fokussiert wird.

Die Position der Blende 26 in der Achse X ermöglicht das Festlegen des schmalen Wellenlängenbandes, das durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgefiltert (bzw. nicht übertragen) wird.

Es wird sofort deutlich, dass

- die Intensität der tatsächlich zur Fokussierlinse 18 übertragenen Wellenlängen nicht von der Position der Blende 26 in der Achse X abhängt;

- die Veränderung des gesamten auf die Fokussierlinse 18 auftreffenden Lichtstroms kontinuierlich erfolgt, wenn die Blende 26 in der Achse verschoben wird;

- der Arbeitspunkt des Sensors 20 beim Verschieben der Blende 26 in der Achse X nicht abrupt geändert wird;

- bei Infrarotlicht der von der Blende selbst ausgehende Lichtstrom nahezu den Lichtstrom, der durch die Blende blockiert wird, derart kompensiert, dass der Arbeitspunkt des Sensors 20 nicht wesentlich verändert wird.

Vorteilhafterweise erlauben es die der Blende 26 zugeordneten Verschiebemittel diese entlang der Achse X über eine Entfernung zu verschieben, die im Wesentlichen in den gestreuten Lichtstrahlen der Spektralbreite zum Betrieb des Sensors 20 entspricht. Das Verschieben der Blende 26 kann ferner periodisch erfolgen und beispielsweise auf die Arbeitsgeschwindigkeit eine Kamera abgestimmt sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Blende 26 aus einem Zeiger eines Galvanometers G gebildet, wobei der Zeiger eine Breite (längs der Achse X) von zum Beispiel 0,5 mm hat, was einer Spektralbreite von 0,2 um entspricht. Da die abzutastende Spektralbreite beispielsweise bei 8-12 um liegt (Infrarot-Band III), liegt der Weg der Blende 26 bei diesem Beispiel im Zentimeterbereich, was einer Verschiebegeschwindigkeit der Blende von etwa 50 cm/s pro Bildfolge entspricht, wenn die Position der Blende bei jedem Bild geändert wird.

Der Galvanometer G wird durch Mittel C zur Informationsverarbeitung gesteuert, die auch dem Sensor 20 oder der Sensorreihe zugeordnet sein können. Alternativ kann die durch einen Zeiger gebildete Blende 26 auf einem Schlitten angebracht sein, der mit einem Motor versehen ist oder durch geeignete Mittel in Bewegung versetzt wird.

Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist schematisch in Fig. 2 dargestellt und umfasst ein Beugungsgitter 30 (Plan- oder Konkavgitter), auf das der von dem Abtastsystem 16 ausgehende Lichtstrahl auftrifft und durch das dieser reflektiert wird, indem er in Richtung eines Hohlspiegels 32 spektral zerlegt wird, der ihn zu einer Kollimatorlinse 34 reflektiert, von der ein Bündel paralleler Lichtstrahlen ausgeht, das zu der dem Sensor 20 zugeordneten Fokussierlinse 18 geleitet wird.

Bei dieser Ausführungsform ist die Blende 26 entweder entlang der Achse X1 zwischen dem Gitter 30 und dem Hohlspiegel 32 oder entlang der Achse X2 zwischen dem Hohlspiegel 32 und der Kollimatorlinse 34 verschiebbar. In beiden Fällen schirmt sie ein schmales Wellenlängenband ab, das sich kontinuierlich verändern kann, wenn die Blende entlang der Achse X1 oder X2 verschoben wird.

Alternativ gelangt man zu demselben Ergebnis, wenn die Blende feststehend bleibt und die Dispersionsmittel 24 oder die Rekombinationsmittel 28 in Bezug auf die Blende verschoben werden. Beispielsweise kann das Plangitter 30 (oder der Hohlspiegel 32) um eine senkrecht zur Bildebene verlaufende Achse gedreht werden (die Spektralbreite zum Betrieb der Dispersions- bzw. Rekombinationsmittel ist hierbei zur Vermeidung von Lateraleffekten folglich größer als die des Sensors 20).

Die Linse 34 und die Fokussierlinse 18 können gegebenenfalls durch eine einzige Linse ersetzt werden.

Der Sensor 20 kann aus einer Reihe TDI-Photodetektoren (Time Delay Integration) bestehen, deren jeweilige Signale normalerweise summiert werden, so dass für den Benutzer die Photodetektor-Reihe einen einzigen Detektor darstellt, bei der das Verhältnis zwischen Signal und Rauschen besser ist als bei Einzelsensoren. Erfindungsgemäß wird eine derartige Photodetektor-Reihe verwendet, ohne dass die Ausgangssignale der Einzelphotodetektoren summiert werden, so dass man ebenso viele verschiedene Bilder ein und desselben Beobachtungsausschnittes erhält wie Photodetektoren in der Reihe vorhanden sind, wobei jedes der zu einem bestimmten Zeitpunkt erzielten Bilder in Bezug auf die anderen im selben Zeitpunkt erzielten Bilder geometrisch versetzt ist, und jedes der Bilder in Bezug auf die anderen auch spektral versetzt ist.

Am Ende eines Abtastzyklus verfügt man folglich über n Bilder, die geometrisch und spektral versetzt sind (n gleich die Anzahl der Photodetektoren der Reihe) und deren Versatz bekannt ist. Es kann somit eine simultane multispektrale Analyse eines von einem Beobachtungsausschnitt ausgehenden Lichtstroms erfolgen.

Bildet man die Differenz zwischen zwei Signalen, die bezüglich der Wellenlänge zueinander geringfügig versetzt sind, erhält man ferner ein abgeleitetes Signal der Art dF(λ)/dλ, wobei F(λ) der bei der Wellenlänge λ empfangene Lichtstrom ist. Durch eine Analyse dieses Signals lässt sich eine Unregelmäßigkeit in der Strahlungskurve des schwarzen Körpers unmittelbar erkennen, wie schematisch in Fig. 3 und 4 dargestellt, aus denen zu ersehen ist, dass eine Unregelmäßigkeit in der Wellenlänge λ&sub0; aus Fig. 3 deutlich in der Kurve von Fig. 4 in Erscheinung tritt.

Das Signal dF/dλ kann durch Bildung der Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Einzelphotodetektoren vom Typ TDI erzielt werden, oder mit einem Photodetektor herkömmlicher Art durch Bildung der Differenz zwischen Bildern, die nacheinander für nur gering voneinander abweichende Positionen der Blende 26 gewonnen werden.

In für den Fachmann offensichtlicher Weise sind Mittel 36 zur Informationsverarbeitung mit dem Sensor 20 verbunden, um die Einzelphotodetektoren zu steuern und die vorstehend genannten Arbeitsschritte auszuführen.

In einer in Fig. 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsform umfassen die Mittel zur spektralen Dispersion 24 ein Prisma 38, durch das die Winkeldispersion der von den Abtastmitteln 16 empfangenen Wellenlängen erfolgt, sowie eine Linse 40, die eine Abbildung des Lichtbündels in ihrer Brennebene erzeugt.

Jede Wellenlänge zeichnet sich am Ausgang des Prismas 38 durch eine bestimmte Neigung auf der Achse der Linse 40 aus, und ein Bildpunkt, der jeder Wellenlänge zugeordnet ist, wird in der Brennebene der Linse mit einer Entfernung zur Achse gebildet, die ihrem Ablenkwinkel entspricht.

Die Blende 26 ist in der Brennebene der Linse 40 angeordnet und auf einer Achse X verschiebbar, die bezüglich einer Senkrechten zur optischen Achse leicht geneigt ist, um den chromatischen Abbildungsfehler der Linse 40, d. h. die Veränderung der Brennweite der Linse infolge des sich mit der Wellenlänge verändernden Brechungsindex, zu kompensieren. Typischerweise liegt der Neigungswinkel bei 5º.

Die Rekombinationsmittel 28 umfassen eine weitere, mit der Linse 40 identische Linse 42 und ein mit dem vorstehend genannten Prisma 38 identisches Prisma 44. Die Linsen 40 und 42 sind koaxial und die Blende 26 ist in der Brennebene der zweiten Linse angeordnet. Die aus dieser Linse austretenden Lichtstrahlen werden folglich durch das Prisma 44 parallelisiert und rekombiniert.

Alternativ ist das zweite Prisma 44 nicht mit dem Prisma 38 der Dispersionsmittel identisch. Es genügt, dass es ähnliche Dispersionsmerkmale wie das Prisma 38 aufweist; es wird ihm dann eine geeignete Linse 42 zugeordnet, die sich von der Linse 40 der Dispersionsmittel unterscheidet.

Bei dieser Vorrichtung weist die mit Prismen aus CaF&sub2; und Linsen aus ZnSe erzielte Leistungsfähigkeit einen Gesamttransmissionsgrad von etwa 75% bis 80% auf, wobei die spektrale Zerlegung erhalten bleibt, egal in welcher Position sich die Blende 26 auf der Achse X befindet. Bei einem einfallenden Lichtstrahl mit einem im Zentimeterbereich gelegenen Durchmesser und einer Breite der Blende 26 von etwa 0,5 mm, kann 100% des Lichtstroms auf einer Spektralbreite von 0,2 um reflektiert werden, mit einer Neigung zur Zustandsänderung von unter 0,02 um. Die Veränderung der Wellenlänge auf de Achse X ist nahezu linear, und der Umfang des einfallenden Lichtstrahls ist nicht beschränkt, was dann vorteilhaft ist, wenn die Vorrichtung einem Infrarot-Bilderzeugungsgerät zugeordnet ist.

In einer anderen, in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform umfassen die Mittel zur spektralen Dispersion ein Konkavgitter 46, das die Dispersion und die Fokussierung gleichzeitig durchführt, die in der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform durch die aus Prisma 38 und Linse 40 bestehende Einheit erfolgten, wobei das Konkavgitter 46 einem Planspiegel 48 zugeordnet ist, der die gestreuten und in der Ebene der Blende fokussierten Strahlen zu den Rekombinationsmitteln reflektiert, die aus einem anderen Planspiegel 50 und einem Konkavgitter 52 gebildet sind, das die Funktion der Linse 42 und des Prismas 44 aus der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform erfüllt, d. h. es parallelisiert und rekombiniert die vom Spiegel 50 empfangenen Lichtstrahlen.

Die Blende 26 ist zwischen den Spiegeln 48 und 50 angeordnet und entlang einer senkrecht zu den Lichtstrahlen verlaufenden Achse X verschiebbar.

Die in Fig. 6 gezeigte Ausführungsform weist den Vorteil auf, in den optischen Aufbau eines bestehenden Bilderzeugungsgerätes leichter integrierbar zu sein als die in Fig. 5 dargestellte.

In den Ausführungsvarianten von Fig. 7 und 8 kombiniert die erfindungsgemäße Vorrichtung Prismen oder Gitter, wobei die Mittel zur spektralen Dispersion zwei identische Elemente (zwei Prismen oder zwei Gitter) umfassen, die spiegelbildlich angeordnet sind, wodurch eine Trennung der zueinander parallelen Strahlen erzielt wird, und sind die Rekombinationsmittel aus der gleichen Einheit aus Elementen gebildet wie die Dispersionsmittel, wobei diese Einheit spiegelbildlich angeordnet ist, um die Eigenschaft der spiegelbildlichen Umkehr des Lichts zu nutzen und den Lichtstrahl in seiner ursprünglichen Form zu rekombinieren.

In Fig. 7 umfassen die Mittel zur spektralen Dispersion folglich zwei identische, spiegelbildlich angeordnete Gitter 54 und 56, wobei das zweite Gitter eine Winkelablenkung ergibt, die genau die des ersten Gitters 54 kompensiert, und sind die Rekombinationsmittel selbst von zwei identischen, spiegelbildlich angeordneten Gittern 58 und 60 gebildet, wobei die Blende zwischen den Gittern 56 und 58 angeordnet ist und auf einer Achse X verschiebbar ist, die senkrecht zu den Strahlen verläuft, die von dem Gitter 56 zu dem Gitter 58 transmittiert werden.

In Fig. 8 sind die Elemente der Mittel zur spektralen Dispersion und der Rekombinationsmittel Prismen, wobei die Mittel zur spektralen Dispersion zwei identische Prismen 62 und 64 aufweisen, die spiegelbildlich angeordnet sind, und die Rekombinationsmittel ebenfalls zwei identische spiegelbildlich angeordnete Prismen 66 und 68 umfassen, wobei die Blende zwischen den Prismen 64 und 66 angeordnet und in einer Richtung X verschiebbar ist, die senkrecht zu den Strahlen verläuft, die von dem Prisma 64 zu dem Prisma 66 transmittiert werden.

Die Leistungsfähigkeit der in Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsformen sind ausgezeichnet, wobei die Blende 26 einen Transmissionsgrand von Null auf einer Spektralbreite von 0,2 um zu erzielen erlaubt, wenn sich die Größe im Millimeterbereich bewegt, wobei der Durchmesser des ursprünglichen Lichtbündels in etwa kleiner oder gleich einem Millimeter ist. Bei Anwendungen für Infrarot-Bilderzeugungsgeräte, bei denen die Größe des ursprünglichen Lichtbündels im Zentimeterbereich liegt, wird eingangs ein Lichtstrahlbegrenzer verwendet, um die Größe des Lichtstrahls der der Blende anzupassen.

Die in den Zeichnungen dargestellten und beschriebenen, erfindungsgemäßen Vorrichtungen funktionieren mit Transmission. Die Erfindung ist auch anwendbar auf Vorrichtungen, die mit Reflexion arbeiten, zum Beispiel mit einem Spiegel, der zwischen den Mitteln zur spektralen Dispersion und den Rekombinationsmitteln eingefügt ist. In diesem Fall wird die Blende durch einen Spalt in einem beweglichen Spiegel gebildet und das durch den Spalt des Spiegels verlaufende schmale Wellenlängenband wird "spektral reflektiert".

Selbstverständlich ist die Erfindung auf die Spektralanalyse mit jedem Wellenlängenband anwendbar (sichtbares, Ultraviolett-, Fern-Infrarot-Spektrum usw.)


Anspruch[de]

1. Vorrichtung mit spektraler Ausblendung zur Erzeugung eines Bildes auf einem optischen Sensor, mit Mitteln (10) zur Erzeugung eines Bündels paralleler Lichtstrahlen, das von einem Beobachtungsausschnitt ausgeht, Mitteln (24) zur spektralen Dispersion des Lichtbündels in wenigstens einer Richtung (X), in der sich die Wellenlängen der Streustrahlen im wesentlichen kontinuierlich ändern, wenigstens einer im Strahlengang der Streustrahlen befindlichen Blende (26), um wenigstens ein Wellenlängenband abzuschirmen, Mitteln zum Positionieren bzw. Verschieben der Blende im wesentlichen in der vorgenannten Richtung, Mitteln (28) zum Rekombinieren der Streustrahlen in einem Bündel paralleler Lichtstrahlen und Mitteln (18) zur Fokussierung des rekombinierten Lichtbündels auf den Sensor (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Blende so bemessen ist, dass ein schmales Wellenlängenband abgeschirmt wird, ohne die Empfindlichkeit und den Arbeitspunkt des Sensors (20) zu verändern und ohne die Transmission der Vorrichtung merklich zu verändern, wenn sie in der vorgenannten Richtung positioniert oder verschoben wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Verschieben der Blende (26) mit hoher Geschwindigkeit über eine Distanz umfasst, die in etwa der Spektralbreite des optischen Sensors (20) entspricht.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (26) periodisch mit einer Kadenz verschoben wird, die synchron zu der Betriebskadenz einer Kamera ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (26) und die Mittel zu ihrem Verschieben ein Galvanometer aufweisen, dessen Zeiger die Blende bildet, oder einen auf einem Schlitten montierten Zeiger.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch Reflexion funktioniert und dass die Blende durch einen Spalt eines beweglichen Spiegels gebildet ist, der zwischen den Dispersionsmitteln und den Rekombinationsmitteln angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (20) eine Reihe von Elementarsensoren vom Typ TDI (Time Delay Integration) umfasst, die so gesteuert werden, dass jeder ein Elementarbild des Beobachtungsausschnitts liefert.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Informationsverarbeitung aufweist, die dem optischen Sensor (20) zugehörig sind, um die Differenz zwischen den gleichzeitig gewonnenen Ausgangssignalen der TDI-Sensoren zu bilden, oder um die Differenz zwischen den Ausgangssignalen des optischen Sensors zu bilden, die nacheinander für nur geringfügig voneinander abweichenden Blendenpositionen gewonnen werden, und die Ableitung der Wellenlänge des vom optischen Sensor empfangenen Lichtstroms zu erhalten.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (24) zur spektralen Dispersion des Lichtbündels ein Prisma (38) und eine zwischen dem Prisma und der Blende (26) angeordnete Linse (40) umfassen, wobei sich die Blende in der Brennebene der Linse (40) befindet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationsmittel (28) eine zweite Linse (42) und ein zweites Prisma (44) umfassen, die beispielsweise mit der Linse und dem Prisma der Dispersionsmittel (24) identisch sind, wobei sich die Blende (26) in der Brennebene der zweiten Linse (42) befindet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung X, in der die Blende (26) verschoben wird, auf der Achse der Linse (40) der Dispersionsmittel schräg geneigt ist, um den chromatischen Abbildungsfehler der Linse zu korrigieren.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersionsmittel ein Plan- oder Konkavgitter (30) und die Rekombinationsmittel einen Konkavspiegel (32) umfassen, der die durch das Gitter (30) gestreuten Strahlen aufnimmt und zu einer Kollimationslinse (34) zurückstrahlt, wobei sich die Blende im Strahlengang der durch das Gitter (30) gestreuten Strahlen oder im Strahlengang der durch den Konkavspiegel (32) reflektierten Strahlen befindet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersionsmittel ein Konkavgitter (46) umfassen, das einem Planspiegel (48) zugehörig ist, der die durch das Konkavgitter gestreuten Strahlen aufnimmt und sie zur Blende (26) und den Rekombinationsmitteln reflektiert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationsmittel einen Planspiegel (50) und ein Konkavgitter (52) umfassen, wobei der Planspiegel die aus den Dispersionsmitteln austretenden Strahlen aufnimmt und sie zu einem Konkavgitter (52) reflektiert, das sie wieder in ein Bündel paralleler Lichtstrahlen umbildet.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersionsmittel zwei identische Elemente (54, 56, 62, 64) wie Prismen oder Gitter umfassen, die hintereinander spiegelbildlich angeordnet sind, um beim Verlassen des zweiten Elements (56, 64) ein Bündel paralleler monochromatischer Lichtstrahlen zu erzeugen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationsmittel zwei identische Elemente (58, 60, 66, 68) wie Prismen oder Gitter umfassen, die hintereinander spiegelbildlich angeordnet sind, wobei das erste Element (58, 66) die durch die Dispersionsmittel spektral geteilten Strahlen aufnimmt und sie zu einem zweiten Element (60, 68) zurückstrahlt, das sie zu einem Bündel paralleler polychromatischer Lichtstrahlen rekombiniert.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (26) zwischen dem zweiten Element (56, 64) der Dispersionsmittel und dem ersten Element (58, 66) der Rekombinationsmittel angeordnet und quer zu den aus den Dispersionsmitteln austretenden parallelen Strahlen verschiebbar ist.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com