DE2222494C3 - Multispektralkamera - Google Patents

Description

der ersten Linse und der Umwandlungsiinse dicht beim Keilfilter ein Feld linsensystem angeordnet ist.

Mit der erfindungsgemäßen Multispektralkamera wird in vorteilhafter Weise eine Abtastung der aufgefangenen Strahlung erreicht, ohne daß dabei Probleme der chromatischen Aberration auftreten. Zur Auswahl eines schmalen, den jeweiligen Erfordernissen entsprechenden Frequenzbereiches aus der aufgefangenen Strahlung ist es lediglich erforderlich, den Gleichspannungspegel der Ablenkspannung in der Ablenkeinrichtung zu variieren und zur Auswertung der aufgefangenen Strahlung die jeweilige Ablenkspannung auf einen optimalen Wert für den zu untersuchenden Bereich einzustellen.

Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Multispektralkamera besteht in dem verbesserten Auflösevermögen in einer beliebigen Anzahl von wählbaren schmalen Wellenlängenbereichen, die sich aus dem großen Bereich der insgesamt aufgefangenen Strahlung selektieren lassen, ohne daß dazu Prismen verwendet werden, die meist nur in einem schmalen Frequenzbereich brauchbar sind.

Die erfindungsgemäße Multispektralkamera stellt ein System dar, welches durch Fernwahl oder programmierte Wahl eine große Anzahl unterschiedlicher enger Spektralkanäle abhängig von den Anforderungen des Benutzers erzeugen kann. Die Fähigkeit der erfindungsgemäßen Multispektralkamera, eine große Anzahl unterschiedlicher enger Spektralkanäle zu liefern, führt zu einem vergrößerten Informationsinnalt für die Photoauswertung.

Da bei der erfindungsgemäßen Multispektralkamera keinerlei bewegliche Teile verwendet werden, eignci sie sich besonders gut für die Verwendung in Satelliten od. dgl. Auch wird bei der erfindungsgemäßen Multispektralkamera ein Elektronenbildzerleger als Sensoreinrichtung verwendet, so daß der Zwang zur Verwendung einer Glühkathode entfällt. Der Elektronenbildzerleger ist einfach und robust in seiner Konstruktion und sehr anpassungsfähig und besitzt darüber hinaus eine lange Betriebsdauer.

Die erfindungsgemäße Multispektralkamera liefert eine sehr hohe räumliche Auflösung für einen oder mehrere kleine spektrale Durchlässigkeitsbereiche. Sie eignet sich auch zur Verwendung als Auflösungsspektrometer im mittleren Bereich und weist darüber hinaus einen weiten Verstärkungsbereich auf.

Bei der nicht nach einem Speicherverfahren arbeitenden erfindungsgemäßen Multispektralkamera lassen sich die Spektralbereiche vom Boden her bei Satellitenanwendung auswählen und programmieren oder bei Anwendung im Flugzeug von Hand auswählen und programmieren, und zwar in Abhängigkeit von den besonderen erwünschten Erfordernissen. Dies kann besonders vorteilhaft für die Begrenzung des Ausmaßes von aufzunehmenden Informationen und/oder reduzierten Daten sein.

Die Erfindung soll im folgenden an Hand der Zeichnungen im einzelnen beispielhaft erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in fio

F i g. 1 eine perspektivische bildhafte Darstellung einer erfindungsgemäßen Multispektralkamera,

F i g. 2 eine vergrößerte Einzelansicht eines hoch auflösenden Linsensystems der Multispektralkamera nach F i g. 1,

Fig.3 einen Teilschnitt eines Interferenzkeilfilters für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Multisnektralkamera.

F i g. 4 ein Diagramm zur Wiedergabe der Charakteristiken eines geeigneten Keilfilters, das einer Beleuchtung senkrecht zur Filteroberfläche ausgesetzt ist,

F i g. 5 ein Diagramm einer weiteren Chai akteristik eines Interferenzkeilfilters zweiter Ordnung zur Verwendung in der Multispektralkamera,

F i g. 6 ein Blockschaltbild eines geeigneten elektronischen Systems zur Verwendung in der Multispektralkamera,

F i g. 7 eine schematische Seitenansicht des Kamerasystems nach F i g. 1 und in

F 1 g. 8 einen Schnitt längs der Linien 8-8 der F i g. 7.

In F i g. 1 ist eine Ausführungsform der Multispektralkamera aligemein mit 10 bezeichnet. Die Kamera enthält eine Linse 12, ein Keilfilter 14 und eine Bildzerlegeröhre 16. Linse, Filter und Bildzerlegeröhre sind in einem nicht gezeichneten Gehäuse derart montiert, daß die Lage von Linse und Keilfilter relativ zur Bildzerlegungsröhre genau eingestellt werden kann.

Die ΛΓ-Richtung nach I i g. 1 der Zeichnung entspricht der räumlichen Auflösung eines Linien-Scans von einer Seite zur anderen. Die Kamera wird normalerweise in einem Flugzeug oder einem Satelliten derart montiert, daß die X-Richtung senkrecht zur Flugrichtung steht. Die V-Richtung ist die Richtung veränderlicher Wellenlängen längs des Flugweges.

Aus F i g. 2 der Zeichnungen erkannt man, daß ein geeignetes Linsensystem beispielsweise aus einer ersten Linse 20, einer Feldlinse 22 und einer Umwandlungslinse 24 besteht, die so angeordnet ist, daß die Brennebene sowohl auf das Filter als auch auf die Zerlegephotokathode 18 eingestellt werden kann.

Das Linsensystem muß ein angemessenes Auflösungsvermögen aufweisen, so daß es nicht das Auflösungsvermögen der Zerlegeröhre begrenzt.

Bei Laboratoriumsversuchen wurde eine Kameralinse mit 50 mm Brennweite vom f/1.2-Typ der Firma Cannon üblicher Ausführungsform erfolgreich verwendet. Bei Anwendung im Flugzeug oder im Satelliten müssen die Linsen so gewählt werden, daß sie den Gesichtsfelderfordernissen und den Umgebungsbedingungen Rechnung tragen. Dies ist insbesondere wichtig bei Anwendungen im Satelliten, wo das ausgewählte Linsensystem über längere Zeiträume im Raum bleiben muß.

Wie man aus F i g. 1 der Zeichnungen erkennt, ist das Keilfilter, vorzugsweise ein Interferenzfilter, so eng wie möglich an der Zerlegephotoelektrode 18 angeordnet, um die Größe der Einsteilungsschärfe in der Filterebene weitgehendst herabzusetzen. Der Effekt einer solchen zu großen Unscharfe führt zu einer Vergrößerung der Halbwertsbreite des spektralen Eigendurchlässigkeitsbereiches. Das Keilinterferenzfilter hat die Eigenschaft einer konstanten Übertragung des Wellenlängenpeaks in der X-Richtung, während die Wellenlänge sich linear mit der K-Stellung des Filters ändert. Das tatsächliche Verhältnis zwischen der Übertragung des Wellenlängenpeaks und der Stellung des Filters ist in F i g. 5 der Zeichnung wiedergegeben. Es hat sich herausgestellt, daß die von der Firma Bausch und Lomb hergestellten Filter zufriedenstellende Ergebnisse erbringen.

Wie F i g. 3 der Zeichnung zeigt, enthält diese Filterart ein Deckglas 23, eine Filterfläche 25 und ein Mikroskopobjektglas 26. Die Filterfläche des handelsüblichen Filters mißt 20 nm χ 65 mm mit einem Wellenlängendurchlässigkeitsbereich von 400 bis 700 nm und einer durchschnittlichen linearen Auflösung von 5.5 nm/mm. Die Halbwertsbereiche des spektralen

Durchlässigkeitsbereiches des Filters betrug 10 m. und das Filter hat eine Stärke von 2,4 mm.

Die Wirkung des Kegels von der Linse besteht in der Änderung der Übertragung des Wellenlängenpeaks auf einen kleineren Wert und außerdem in der Erzeugung einer Vergrößerung der Halbwertsbreite. Die exakte Form der Filterdurchgangskurve ändert sich auch leicht, wenn das X-FeId abgetastet wird, da der Linsenkegelwinkel sich während des Abtastens leicht ändert. LJm diesen Effekt zu verringern, ist es notwendig, die Brennweite auf Werte über 4 zu beschränken, wobei der genaue Wert von der gewünschten Halbwertsbrei te im System abhängt.

Es hat sich herausgestellt, daß eine geeignete Bildzerlegeröhre eine magnetisch fokussierte. magnetisch \$ abgelenkte Zerlegeröhre der Firma ITT-Corporation ist, die die Bezeichnung F4052RP trägt. Die in Laborversuchen verwendete F4052RP-Zerlegeröhre hatte eine S-20 Photokathode und eine Öffnung mit einem plier verstärkt. Die Vorteile dieses Signalumformungssystems liegen in einer ausgezeichneten Linearität, einem weiten dynamischen Bereich und einem schnellen Ansprechen, ohne daß eine Glühkathode erforderlich ist. Weitere Vorteile bestehen darin, daß das System keine Speicherwirkung hat. einfach und robust im Aufbau ist und verschiedene Öffnungsgrößen und Öffnungsformen bis herunter zu 0.0127 mm Durchmesser verfügbar sind. Der Rauschstrom ist nur die Komponente, die sich aus dem äquivalenten Öffnungsbereich an der Photokathode ergibt. Der Signalumformer ist anpassungsfähig und weist eine lange Lebensdauer auf und ist wegen des Fehlens einer Speicherwirkung verhältnismäßig unempfindlich gegen eine Bewegung der Plattform. Darüber hinaus kann der Signalumformer oder Abtaster zur Elektronenzählung verwendet werden.

Die Auflösung der Röhre für eine Öffnung mit 0.024 mm Durchmesser ergibt an der Photokathode 20

Durchmesser von 0.025 mm. Die Photokathoden-Auflö- 20 Zeilen pro Millimeter bei 60% einer Sinus-Modulasung beträgt 1000 Fernseh-Zeilen pro Zoll oder 20 Li tionsübertragungsfunktion. Dieser Wert läßt sich stei-

■ - - ■ g_{ern au}f 40 Zeilen pro Millimeter durch Verwendung

einer Öffnung mit 0,0125 mm Durchmesser mit einen¹ gewissen Verlust an Systemempfindlichkeit.

Die Röhre kann in einer großen Anzahl von Breitband-, Linien- oder variablen Scan-Typen betrieben werden, was zu ihrer vielseitigen Anwendbarkeit bei-

nien pro Millimeter bei 60% der Modulationsübertragungsfunktion, 1600 Fernsehzeilen pro Zoll oder 32 Linien pro Millimeter bei 20% der Modulationsübertragungsfunktion, für eine 0,0125 mm Öffnung 80 Linien pro Millimeter bei 0% der Modulationsübertragungs funktion. Für Versuchszwecke geht die Zeilenabtastge

sch windigkeit dieser Zerlegeröhre bis zu 1000 Hz. Der trägt. Die Röhre kann auch auf anderen Anwendungs-Photokathodendurchmesser beträgt 35.56 mm mit gebieten Verwendung finden, einschließlich nicht abbil-Güte und hat ein Maximum von 44,45 mm Der Arbeits- 3° dender Typen, wie in Stemnaehführungssystemen. um temperaturbereich geht bis 70⁰C Maximum ohne Mini- genaue Informationen über Satellitenpositionen zu ermum. Die Stromverstärkung beträgt 5 - 10⁵ Die Informationsgeschwindigkeit für ein typisches Dreiwellenlängengerät in einem Flugzeug beträgt 75 kHz und für

35

einen Satelliten 30 kHz.

Die S-20 Photokathode deckt den Wellenbereich von 300 bis 620 Nanometer (10% Spitzen). Es ist jedoch selbstverständlich, daß auch andere Photokathodenarten erhältlich sind, mit denen der Bereich auf bis zu

halten.

In F i g. 6 ist schematisch das elektronische System wiedergegeben. Das System besteht aus gewöhnlichen elektronischen Bauelementen und enthält Niederspannungsversorgungskreise und einen Hochspannungsversorgungskreis, die richtig für die Versorgung des Elektronenmultipliers der Zerlegeröhre eingestellt sind. Das System enthält ferner einen Leistungsverstärker fur die

Nanometer erstreckt werden kann. Wie aus 40 Fokussierungsspule der Zerlegeröhre, einen magneti-

F 1 g. 1 der Zeichnungen hervorgeht, enthält die Bildzerlegeröhre eine äußere Fokussierspule 30, eine Ablenkspule 32. eine Elektronenabbildangseinrichtung 34. einen Elektronen-Multiplierteil 36, ein Beschleunischen Ablenkungsverstärker für die V-Richtung (Wellenlängenrichtung) mit einer Gleichspannungsablenkvorrichtung, einen magnetischen Ablenkungsverstärker für die X-Abtasteinrichtung, betrieben mit einem Oszil-

gungsgitter 38 und die Photokathode 18. Die Zerlege- 45 lator mit veränderlicher Frequenz (60 bis 1000 Hz), röhre besitzt ferner eine Öffnung 40. einen 250 kHz Breitbandvorverstärker für den Video-

Das Arbeitsprinzip der Zerlegeröhre ist in F i g. 1 kanal des Zerlegesignalumformers. Sie enthält femer wiedergegeben. Eine Elektronenlinse 12 bildet Photo- eine Einrichtung zur Änderung des Frequenzdurchläselektronen auf der Lochplatte 40 ab. Dieses sigkeitsbereiches, abhängig von der verwendeten Ab- »Photoelektronenbild« wird dann durch magnetische 5° tastfrequenz vor der Leistungskontrolle. Bei durchge Felder Ober ein kleines Loch in der Nähe der Photo- führten Versuchen erfolgte die Kontrolle mit Hilft

eines Bildschirmes/Schreibers. Es ist selbstverständlich, daß die oben wiedergegebe

eiektronenäbbildung elektrisch abgelenkt. Die kleine Öffnung prüft einen kleinen Ausschnitt der Photokathodenemission zu einem gegebenen Zeitpunkt Die ne Schaltung nur diejenigen Teile enthält, die notwen

durch eine kleine Öffnung laufenden Elektronen wer- 55 dig sind, das Kamerasystem als nicht abbildendes Sy den dann durch einen üblichen Pfptodektronen-Muli- stem zu betreiben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

if 1 mene Bild über eine Faseroptik Prismen zugeleitet, die Sr die spektrale Zerlegung des aufgenommenen Bildes Patentansprüche: '"T aie JL,ches dann mittels Bildzerlegerohren und der HaVu gehörigen Elektronik weiterverarbeitet und an

1. Multispektralkamera mit hohem Auflösever- dazuϊ »^, _Empfänger übertragen wird Die mögen zur Umsetzung einer durch ein Linsensy- 5 J^nen _besch ^H _riebene, mit einer Vielzah von Pnsmer, arstem erzeugten Bildinformation bestimmten WeI- Jon _Vorrichtung weist aber auf Grund der Pnslenlängenbereiches in elektrische Signale fur Satelli- Deue _{dn eringes} Auflösungsvermögen auf und erten od. dgl. mit einem empfangsseitigen Linsensy- m ^ ^^ _eingangsseitig ein sehr sorgsam

stern, mit einer spektralen Zerlegeeinrichtung und fore■ Kollimator-Linsensystem, welches im

mit einer auf Photonen ansprechenden mit einer io au g chromatische Aberrationen korngiert sein

Bild-Signal-Wandlerröhre zusammenwirkenden hhto _derartjg_e Korrektur der chromatischen

Abtasteinrichtung, dadurch g e k e η η ζ e ι c η - T. _ _{tionen ist} nicht nur teuer, sondern auch in den net, daß die Zerlegeeinrichtung ein dicht an einer £ . _{FäUen nur} j_n einem begrenzten Frequenzbe-Photoelektrode (18) der Abtasteinrichtung angeord- me _{friedenstelle}nder Weise möglich, so daß die

netes Keilinterferenzfilter (14) aufweist, daß das 15 reicn ^ Farbfiltern an der Vorderseite der

Keilinterferenzfilter (14) und die Abtasteinrichtung ve™^e .. *. erforderlich wird, um chromatische im wesentlichen in einer Brennebene des Linsensy- Aberrationen im wesentlichen zu vermeiden. Es ist einstems angeordnet sind und daß das Keil.nterferenz- Aberrat _{der abtastbare We}llenlängenbereich

filter (14) in einer ersten Richtung (X) Strahlung s ™ _{hränkt wird}.

konstanter Wellenlänge und in einer zweiten Rieh- 20 ^sta«^^g _{jst bei einer} Vorrichtung nach der US-PS tung (Y) senkrecht zur ersten Richtung (X) M ran- r berücksichtigen, daß zur wirkungsvollen

lung mit linear veränderlicher Wellenlänge hin- f ^J _{der aufgen}ommenen Strahlung die dazu verdurchläßt, die an der Photoelektrode (18) Elektro- Spreizung α js ^ _{einem betrachtlichen Abstand} nen auslöst, welche beim Durchfahren der Ab enk- wen ^ Vorrichtung angebracht sein

spannung einer Ablenkeinrichtung (30 b.s 40) zur 25 sonder Hioto ^ _{wesemHchen vollstandige} AusAuswertung der aufgefangenen Strahlung in schma- musse . ^ _{photokathode zu} erzielen. Wenn nämlich len. auswählbaren Frequenzbereichen gelangen. _«■ Prisinen direkt vor der Photokathode angeordnet

2. Multispektralkamera nach Anspruch L dadurch aie _Spreizung der Strahlung nur gering, was gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung der B.ld- ;"^α- geringen Auflösevermögen der gesamten Signal-Wandlerröhre eine Bildzerlegeröhre mit 30 ™ J™J|J_n| _fuhr\ _Die Verwendung von Prismen, die Photokathode aufweist. . _wiri_iung_Svolle Spreizung des Strahlungsbün-

3. Multispektralkamera nach Anspruch 1 oder 2, tür eme e erfordert somit eine beträchtliche dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastemnch.ung JJ,^^^«, Vorrichtung.

eine Fernsehkameraröhre aufweist. Aufeabe der Erfindung ist es, eine derartige Multi-

4. Multispektralkamera nach e.nem oder mehre- ₃5 *^UI?,_{k a zu} schaffen, die weitgehend frei von ren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- ^sP^™_{chen Abe}rrationsfehlern ist und einen großen kennzeichnet, daß dem Keilinterferenzfilter e.ne er- ™_α^_{Μ3ΐΐΓ03Ι}._6η Spektralbereich bei hohem Aufsie. das Bild auf das Filter rohrende Lmse vor- ^™^ _gestattet, _wobei die gesamgeschaltet und eine zwischen dem filter₍ unc der ^™JJ"_{eine relativ} kurze Baulänge aufweisen Abtasteinrichtung angeordnete Umwandlungslinse 40 te Anoranui _B

zur Fokussierung des Filters auf die Abtasteinricn- soil _fi . _emaße Multispektralkamera der im

tung nachgeschaltet ist, während der ersten ünse £^_f7SS5neten Art ist dadurch gekennzeich-

und der Umwandlungslinse dicht be.m Ke.lf.lter e.n "^De™2 _{die Zer}legeeinrichtung ein dicht an e.ner

Feldlinsensystem angeordnet ist. Photoelektrode der Abtasteinrichtung angeordnetes

⁴⁵ Keilinterferenzfilter aufweist, daß das Keilinterferenz-

filter und die Abtasteinrichtung im wesentlichen in

einer Brennebene des Linsensystems angeordnet sind

„ . _nnH Haß das Keilinterferenzfilter in einer ersten Kicn-

Die Erfindung betrifft eine Multispektralkamera m.t ™*^df™^ konstanter Wellenlänge und in eine,

hohem Auflösevermögen zur Umsetzung e.ner durch 50 ^^^"nkrecht zur ersten Richtung Strah-

ein Linsensystem erzeugten B.ld.nformation bes mm- zweiten κ » _derHcher Wellenlänge hindurch

ten Wellenlängenbereiches in elektrische_ Signale fur ung mit _Photoelektrode Elektronen auslöst

Satelliten od. dgl., mit einem empfangsseitigen Linsen- IM · ™e _Durchfahren der Ablenkspannung eine,

system, mit einer spektralen Zerlegere.nnchtung und we ^cheJ^e™ ¹^ _{zur Auswert}ung der aufgefangene·

mit einer auf Photonen ansprechenden m.t einer B.ld- ₅₅ ^Able£^inr "S_816n. auswählbaren Frequenzberei

Signal-Wandlerröh-.e zusammenw.rkenden Abtasten- ^_η™_η8"_η

richtung. . . . . Rpcnnders vorteilhaft ist es, wenn die Abtasteinrich

Eine derartige Multispektralkamera ist .bewpielswe-λ- ^besJ _Bild._signal-Wandlerröhre eine Bildzerlege

se aus der US-PS 36 60 594 bekannt. Das dort beschrie- tung de tma 8

bene, optisch-elektronische Gerat ,st üblicherweise ιη 6o rohre ™^{l Ph}^^ok . _{jst dje Abtaste}inrichtung mi

einem Satelliten oder einem Flugzeug mont.ert und ^ZweC _e;^m _s ^a _eh^_merarohre versehen,

dien, dazu, auf seiner Flugbahn von uberftogene Ge- ^e'7;_w™^k _{Ausbildung der} Erfindung ist dem Kei

bieten, beispielsweise der Erde emittier e Strahlung als in _{das Bi},_{d auf das FiUer foku}.

Bild aufzunehmen davon spektral ."Heg e Abbildu"- Jterfcrenzr^ ^ _{und eine zwischen} ^

gen zu erzeugen und d.ese in elektrische S.gnale umzu 65 siere_ ^ ^ Abtasteinrichtung angeordnete Un

wandeln. heschriebenen Vor- wandlungslinse zur Fokussierung des Filters auf di

J?£^^^^- Abtasteinrichtung nachgeschaltet, während zw.sche