AT15358U1 - Optische Vorrichtung zur Erzeugung eines Flächenbildes - Google Patents

Abstract

Optische Vorrichtung (1, 2) zur Erzeugung eines Flächenbildes aus einer Sichtlinie (SL), wobei im Strahleneingang der Vorrichtung entlang einer optischen Achse (A) Mittel zur Fokussierung von elektromagnetischer Strahlung auf eine Abbildungsebene (B) angeordnet sind. Die Mittel umfassen ein Objektiv (O), zumindest eine astigmatische Linse und eine Aperturblende (S) mit einem schlitzförmigen Spalt. Die zumindest eine astigmatische Linse ist zwischen dem Objektiv (O) und der Aperturblende (S) angeordnet und die Aperturblende (S) ist in einer Bildebene der astigmatischen Linse angeordnet. Hierdurch wird in der Bildebene eine erste astigmatische Fokuslinie parallel zur Sichtlinie gebildet und es werden auf der Abbildungsebene (B) mehrere zweite astigmatische Fokuslinien normal zur Sichtlinie (SL) und zur optischen Achse (A) gebildet, die ein astigmatisches Bild auf der Abbildungsebene (B) bilden.

Description

Beschreibung

OPTISCHE VORRICHTUNG ZUR ERZEUGUNG EINES FLÄCHENBILDES

[0001] Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Erzeugung eines Flächenbildes aus einer Sichtlinie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Im Speziellen betrifft die Erfindung eine optische Vorrichtung für Hyperspektral-Kameras, insbesondere Hyperspektral-Kameras, die im Push-Broom-Verfahren zum Einsatz kommen.

[0003] Es sind ganz allgemein optische Vorrichtungen bekannt, die ein spektrales Flächenbild aus einer Sichtlinie erzeugen, wobei diese dazu ein Objektiv, eine Aperturblende mit einem Spalt, einen Kollimator, eine Abbildungsoptik (zum Beispiel eine Zylinderlinse oder sphärische Linse), ein dispersives Element (zum Beispiel ein Gitter oder Prisma), sowie eine Abbildungsebene umfassen. Die Abbildungsebene ist der Teil der optischen Vorrichtung, auf der das spektrale Flächenbild der Sichtlinie abgebildet wird. Zur elektronischen Erfassung des spektralen Flächenbilds ist in der Abbildungsebene ein Flächen-Bildsensor ausgebildet.

[0004] Durch die Verfügbarkeit von Flächen-Bildsensoren mit integrierten Bandpassfiltern einerseits, sowie von linearen Bandpassfiltern, deren Bandpass variabel ist, andererseits, ergibt sich die Möglichkeit die optische Vorrichtung, zum Beispiel zum Einsatz in Hyperspektral-Kameras, ohne dispersives Element auszubilden. In einfachster Weise kann dies durch Anordnung eines Objektivs vor dem Flächen-Bildsensor, sowie eines Bandpass-Filters zwischen Objektiv und Bildebene, welcher normal zur Sichtlinie variabel ist, erfolgen (zum Beispiel ein HSI-Sensor des Typs Linescan oder Snapshot der Firma IMEC, oder eine Kombination von einem Standard-Sensor mit einem linearen Bandpassfilter).

[0005] Hierbei ist aber der Nachteil erhalten, dass die Sichtlinie nicht auf alle Wellenlängenbereiche des Flächen-Bildsensors gleichmäßig abgebildet werden kann. Es wird vielmehr ein Flächenbild auf den Flächen-Bildsensor projiziert, dessen unterschiedliche vertikale Zeilen unterschiedliche Wellenlängen, aber gleichzeitig auch unterschiedliche örtliche Positionen in vertikaler Richtung repräsentieren.

[0006] Um mit so einer optischen Vorrichtung eine hyperspektrale Abbildung eines Objekts bzw. einen hyperspektralen Datenwürfel eines Objekts zu erstellen, muss die Bewegung des Objekts durch einen Bildbereich mitverfolgt werden. Der Bildbereich ist durch eine Länge der Sichtlinie der Kamera sowie durch eine aus dem Seitenverhältnis des Flächen- Bildsensors gegebene der Sichtlinienlänge entsprechende Länge gebildet. Die durch die Mitverfolgung des Objekts zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgezeichneten Wellenlängenaufnahmen des Objekts, auch Bänder genannt, können im Anschluss zu dem hyperspektralen Bild bzw. dem hyperspektralen Datenwürfel zusammengesetzt werden. Die Mitverfolgung des Objekts über den Bildbereich setzt eine absolut gleichmäßige und unbeschleunigte Bewegung des Objekts durch den gesamten Bildbereich voraus, wodurch der Nachteil erhalten ist, dass Objekte, die sich in einer beschleunigten Bewegung befinden, zum Beispiel Objekte im freien Fall, nicht korrekt erfasst werden können.

[0007] Als weiters nachteilig erweist sich, dass aufgrund der Mitverfolgung des bewegten Objekts durch den gesamten Bildbereich eine große Menge an Daten generiert wird, wobei eine von einer Software der Hyperspektral-Kamera zu verarbeitende Datenrate mit einem Faktor der Anzahl der beobachteten Bänder skaliert werden muss. Hierdurch ergeben sich immense Anforderungen an die Software und elektronischen Bauteile der Hyperspektral-Kamera.

[0008] Ferner erweist sich als nachteilig, dass in einem solchen Aufbau nicht nur die Sichtlinie, sondern der gesamte Bildbereich vollständig homogen und breitbandig ausgeleuchtet werden muss. Bei einer Sichtlinienlänge von 2m und einem Standard-Seitenverhältnis des Sensors von 4:3 ergibt sich ein zu beleuchtender Bildbereich von 3m2.

[0009] Unter dem Eindruck des Software-Aufwands, der großen Menge an zu verarbeitenden Daten, sowie des immensen Beleuchtungsaufwands und den Einschränkungen verarbeitbarer

Bewegungsformen der Objekte ist diese Lösung für Industrieanwendungen in Echtzeit nicht praktikabel.

[0010] Es ist daher die Aufgabe der gegenständlichen Erfindung eine optische Vorrichtung bereitzustellen, die die geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

[0011] Diese Aufgabe wird bei einer optischen Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

[0012] Die erfinderische optische Vorrichtung umfasst im Strahleingang der Vorrichtung entlang einer optischen Achse angeordnete Mittel zur Fokussierung von elektromagnetischer Strahlung auf eine Abbildungsebene, wobei die Mittel durch ein Objektiv, zumindest eine astigmatische Linse und eine Aperturblende mit einem schlitzförmigen Spalt gebildet sind. Die astigmatische Linse ist zwischen dem Objektiv und der Aperturblende angeordnet. Trotz des Weglassens des Kollimators bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann eine Fokussierung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung auf der Abbildungsebene erreicht werden. Dies erfolgt durch die Anordnung der Aperturblende in einer Bildebene der astigmatischen Linse, wodurch in der Bildebene eine erste astigmatische Fokuslinie parallel zur Sichtlinie erzeugt wird und auf der Abbildungsebene mehrere zweite astigmatische Fokuslinien normal zur Sichtlinie und zur optischen Achse erzeugt werden. Infolge wird ein auf die Abbildungsebene einfallendes astigmatisches Flächenbild der Sichtlinie ausschließlich mit der astigmatischen Linse und der Aperturblende geformt, wodurch sich der Aufbau der optischen Vorrichtung vereinfacht und diese somit preiswerter gefertigt werden kann.

[0013] Vorteilhaft weist die astigmatische Linse zumindest eine konvexe Mantelfläche auf, welche im Querschnitt parabel-förmig oder hyperbel-förmig ist. Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass je nach Anwendungsfall eine scharfe und fokussierte Abbildung der Sichtlinie als astigmatisches Flächenbild erreicht werden kann. Es sei hier noch erwähnt, dass die zumindest eine Mantelfläche im Querschnitt auch jegliche andere Krümmung aufweisen kann. Bevorzugt ist die astigmatische Linse durch eine Zylinderlinse gebildet.

[0014] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die astigmatische Linse durch eine plankonvexe Zylinderlinse gebildet, welche eine plane Mantelfläche und eine konvexe Mantelfläche aufweist. Wird die plankonvexe Zylinderlinse derart gestaltet, dass sich die plane Mantelfläche der plankonvexen Zylinderlinse genau in ihrer Bildebene befindet, ist der Vorteil erhalten, dass die Aperturblende direkt in Dünnschichttechnik auf die plane Mantelfläche der plankonvexen Zylinderlinse aufprozessiert, aufgeklebt und/oder aufgetragen werden kann. Hierdurch kann die Komplexität der optischen Anordnung auf ein Element reduziert werden.

[0015] Vorteilhaft weist die optische Vorrichtung aberrations-reduzierende Elemente auf. Hierdurch ist der Vorteil erhalten, das etwaige durch die astigmatische Linse gebildete Unschärfen ausgeglichen werden können.

[0016] Zweckmäßig ist in der Abbildungsebene ein ortsauflösender Flächen-Bildsensor angeordnet, der mit einer Vielzahl von Bildpunkten zur ortsauflösenden und gemäß den spektralen Bestandteilen aufgelösten Detektion der empfangenen elektromagnetischen Strahlung ausgestattet ist.

[0017] Bevorzugt ist zwischen dem Flächen-Bildsensor und der Aperturblende ein wellenlängenselektiver Filter ausgebildet, welcher zum Beispiel durch einen Bandpassfilter oder einen dichroitischen Filter mit keilförmigen Schichtdickenverlauf gebildet sein kann, wobei der Bandpassfilter vorteilhaft an unterschiedlichen Positionen unterschiedliche Transmissionsbänder aufweist. Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass je nach Anwendungsfall verschiedene Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung ausgefiltert werden können.

[0018] In einer weiteren Ausführungsvariante ist der wellenselektive Filter pixelweise auf den Flächen-Bildsensor aufprozessiert und somit Bestandteil von diesem. Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass sich der Flächen-Bildsensor und der wellenselektive Filter auf ein Element redu- zieren.

[0019] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung werden nun anhand der Figuren näher erläutert.

[0020] Figur 1a und Figur 1b zeigen schematisch in einer Seitenansicht und in einer Draufsicht eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung mit einem Strahlengang einer von einer Sichtlinie reflektierten elektromagnetischen Strahlung.

[0021] Figur 2a und Figur 2b zeigen schematisch in einer Seitenansicht und in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung mit einem Strahlengang einer von einer Sichtlinie reflektierten elektromagnetischen Strahlung, wobei eine astigmatische Linse und eine Aperturblende in einem Element vereint werden.

[0022] Figur 1a zeigt schematisch in einer Seitenansicht einen Strahlengang einer von einer Sichtlinie SL reflektierten elektromagnetischen Strahlung durch eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 1. Figur 1b zeigt in einer Draufsicht den Strahlengang der von der Sichtlinie SL reflektierten elektromagnetischen Strahlung durch die optische Vorrichtung 1. Die optische Vorrichtung 1 besteht aus einem Objektiv O, einer astigmatischen Linse in Form einer Zylinderlinse Z, einer Aperturblende S mit einem schlitzförmigen Spalt und einer Abbildungsebene B, in der ein Flächen-Bildsensor ausgebildet ist und auf welcher die Sichtlinie SL flächig abgebildet wird. Die Zylinderlinse Z weist zwei konvexe Mantelflächen auf, die in ihrem Querschnitt jeweils parabel-förmig sind. Der Querschnitt je einer Mantelfläche kann aber auch hyperbelförmig oder anderweitig geformt sein. Durch die Querschnittsform der Mantelfläche wird eine Brechkraft der Zylinderlinse Z längs einer stärker brechenden Achse SA verändert.

[0023] Aufgrund der Ausbildung der astigmatischen Linse als Zylinderlinse Z ist die stärker brechende Achse die einzige brechende Achse der Linse. Die Zylinderlinse Z ist so gegenüber der Sichtlinie SL ausgerichtet, dass ihre stärker brechende Achse SA parallel zur Sichtlinie SL ist.

[0024] Die Aperturblende S ist vorteilhaft plattenförmig ausgebildet, wobei diese so gegenüber der Sichtlinie SL ausgerichtet ist, dass der schlitzförmige Spalt parallel zur stärker brechenden Achse SA der astigmatischen Linse angeordnet ist.

[0025] Durch die Brechkraft der stärker brechenden Achse SA der Zylinderlinse Z wird zwischen Zylinderlinse Z und dem Flächen-Bildsensor B eine erste astigmatische Fokuslinie parallel zur Sichtlinie SL geformt. Genau an dieser Stelle, bei der sich die erste astigmatische Fokuslinie bildet, ist der schlitzförmige Spalt der Aperturblende S angeordnet, wodurch eine scharfe Abbildung der Sichtlinie SL hergestellt wird. Diese Stelle entspricht auch der Bildebene der Zylinderlinse Z, wodurch in dieser Ebene ein erstes astigmatisches Bild der Sichtlinie SL parallel zu dieser abgebildet wird. Auf dem Flächen-Bildsensor B wird durch den Abstand zwischen der Aperturblende S und dem Fläche-Bildsensor B eine zweites astigmatisches Bild der Sichtlinie SL abgebildet, wobei zweite Fokuslinien des zweiten astigmatischen Bilds normal zur Sichtlinie SL und zu einer Achse A gebildet werden.

[0026] Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist der Vorteil erhalten, dass sich die zweiten Fokuslinien auf einem Bildsensor als Push-Broom Bild verwenden lassen. In einer derartigen Anordnung wird mit Hilfe der Zylinderlinse, deren Brechungsachse Parallel zur Sichtlinie liegt, die von dem Objektiv erzeugte Abbildung derart modifiziert, dass zuerst eine Fokussierung der Sichtlinie SL parallel zu Sichtlinie SL gebildet wird und danach eine Fokussierung der Sichtlinie SL normal zur Sichtlinie SL und zur Achse A gebildet wird.

[0027] Figur 2a zeigt schematisch in einer Seitenansicht einen Strahlengang einer von einer Sichtlinie reflektierten elektromagnetischen Strahlung durch eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 2. Figur 2b zeigt schematisch in einer Draufsicht den Strahlengang der von der Sichtlinie reflektierten elektromagnetischen Strahlung durch die optische Vorrichtung 2.

[0028] Im Unterschied zu der Vorrichtung 1 gezeigt in Figur 1 ist bei dieser Ausführungsvariante die astigmatische Linse durch eine plankonvexe Zylinderlinse ZS mit einer planen und einer konvexen Mantelfläche gebildet, wobei die konvexe Mantelfläche der plankonvexen Zylinderlinse ZS im Querschnitt die Form einer Parabel aufweist. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die konvexe Mantelfläche auch jede andere Form, zum Beispiel eine hyperbel-form, aufweisen kann. Die plankonvexe Zylinderlinse ZS ist so ausgebildet, dass sich ihre plane Mantelfläche genau in ihrer Bildebene befindet, wobei auf der planen Mantelfläche eine Aperturblende in Dünnschichttechnik aufprozessiert ist. Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass sich die Komplexität der optischen Anordnung auf ein Element reduziert wird.

[0029] In einer weiteren Ausführungsvariante weist die optische Vorrichtung aberrationsreduzierende Elemente auf, wodurch der Vorteil erhalten ist, dass etwaige Unschärfen, die durch die astigmatische Linse entstehen könnten, ausgeglichen werden können.

Claims (16)

1. Ansprüche

   1. Optische Vorrichtung (1, 2) zur Erzeugung eines Flächenbildes aus einer Sichtlinie (SL), wobei im Strahleneingang der Vorrichtung entlang einer optischen Achse (A) Mittel zur Fokussierung von elektromagnetischer Strahlung auf eine Abbildungsebene (B) angeordnet sind, wobei die Mittel ein Objektiv (O), zumindest eine astigmatische Linse und eine Aperturblende (S) mit einem schlitzförmigen Spalt umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine astigmatische Linse zwischen dem Objektiv (0) und der Aperturblende (S) angeordnet ist und dass die Aperturblende (S) in einer Bildebene der astigmatischen Linse angeordnet ist, wodurch in der Bildebene eine erste astigmatische Fokuslinie parallel zur Sichtlinie formbar ist und auf der Abbildungsebene (B) mehrere zweite astigmatische Fokuslinien normal zur Sichtlinie (SL) und zur optischen Achse (A) formbar sind, die ein astigmatisches Bild auf der Abbildungsebene (B) bilden.
2. 2. Optische Vorrichtung (1,2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die astigmatische Linse eine stärker brechende Achse (SA) aufweist, wobei die zumindest eine astigmatische Linse so gegenüber der Sichtlinie (SL) ausgerichtet ist, dass ihre stärker brechende Achse (SA) parallel zur Sichtlinie (SL) ist.
3. 3. Optische Vorrichtung (1, 2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der schlitzförmige Spalt der Aperturblende (S) parallel zur stärker brechenden Achse (SA) der astigmatischen Linse angeordnet ist.
4. 4. Optische Vorrichtung (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die astigmatische Linse zumindest eine konvexe Mantelfläche aufweist, wobei die zumindest eine konvexe Mantelfläche im Querschnitt parabel-förmig oder hyperbel-förmig ist.
5. 5. Optische Vorrichtung (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die astigmatische Linse durch eine Zylinderlinse (Z) gebildet ist.
6. 6. Optische Vorrichtung (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die astigmatische Linse durch eine plankonvexe Zylinderlinse (ZS) gebildet ist.
7. 7. Optische Vorrichtung (1, 2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die plankonvexe Zylinderlinse (ZS) eine konvexe Mantelfläche aufweist, wobei die konvexe Mantelfläche im Querschnitt parabel-förmig oder hyperbel-förmig ist.
8. 8. Optische Vorrichtung (1, 2) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die plankonvexe Zylinderlinse (ZS) eine plane Mantelfläche aufweist, wobei die plane Mantelfläche und die Aperturblende (S) in einer Ebene liegen.
9. 9. Optische Vorrichtung (1, 2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturblende (S) durch zumindest eine dünne Schicht gebildet ist, die auf der planen Mantelfläche der plankonvexen Zylinderlinse (ZS) aufgetragen, aufprozessiert und/oder aufgeklebt ist.
10. 10. Optische Vorrichtung (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein aberrations-reduzierendes Element Teil der optischen Vorrichtung (1,2) ist.
11. 11. Optische Vorrichtung (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abbildungsebene (B) ein Flächen-Bildsensor angeordnet ist.
12. 12. Optische Vorrichtung (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Abbildungsebene (B) und der Aperturblende (S) ein wellenlängenselektiver Filter ausgebildet ist.
13. 13. Optische Vorrichtung (1,2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der wellenlängenselektive Filter Teil des Flächen-Bildsensors ist und pixelweise auf diesen aufprozessiert ist.
14. 14. Optische Vorrichtung (1,2) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der wellenlängenselektive Filter durch einen Bandpassfilter gebildet ist.
15. 15. Optische Vorrichtung (1,2) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandpassfilter unterschiedliche Positionen aufweist, welche unterschiedlichen Positionen unterschiedliche Transmissionsbande haben.
16. 16. Optische Vorrichtung (1, 2) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der wellenselektive Filter ein dichroitischer Filter mit keilförmigem Schichtdickenverlauf, insbesondere ein dichroitischer Bandpass-Filter mit keilförmigem Schichtdickenverlauf, ist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen