DE3927158C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zeilenkamera zur Abbildung von Objektstreifen auf photoempfindliche Detektorzeilen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Zeilenkamera ist aus der DE-AS 21 06 268 bekannt. Dort ist ein Verfahren zur Bildaufnahme eines Gegenstandes von Bord eines den Gegenstand überfliegenden, lagestabilisierten Flugkörpers durch zeilenweises Abbilden des Gegenstandes beschrieben. Der Flugkörper trägt eine Kamera, welche Objektstreifen des Gegenstandes, nämlich Geländestreifen der Erdoberfläche mittels eines Objektives zunächst in dessen Bildebene als Zeilenbild abbildet. Am Ort dieses Zeilenbildes befindet sich ein Strahlumlenksystem, welches aus zwei in Längsrichtung des Zeilenbildes aneinandergesetzten Spiegelstreifen als Ablenkelementen besteht, durch welche das Zeilenbild in zwei Bildabschnitte unterteilt wird. Die diesen beiden Bildabschnitten zugehörigen Strahlengänge werden von den Spiegelstreifen, welche unterschiedlich orientiert sind, in zwei unterschiedliche Raumrichtungen gelenkt. Dem Strahlumlenksystem optisch nachgeordnet sind zwei Relaisoptiken, die jeweils einem der beiden Bildabschnitte zugeordnet sind. Diese Relaisoptiken entwerfen von den jeweiligen Bildabschnitten jeweils ein zeilenförmiges Bild auf einem je eigenen Detektor.

Diese bekannte Zeilenkamera ist offenbar nur für relativ kleine Bildwinkel ausgelegt und soll vorwiegend im sichtbaren Spektralbereich betrieben werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Zeilenkamera der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche unter Aufteilung des Bildinhaltes und Gewährleistung einer lückenlosen Bildwiedergabe gleichzeitig für einen sehr großen Sichtwinkelbereich (beispielsweise ca. 110°) und für volle Anwendung im infraroten Spektralbereich geeignet ist.

Bei einer sehr weitwinkeligen Aufnahme von Geländestreifen entstehen naturgemäß sehr lange Zeilenbilder, und es würden daher normalerweise entsprechend lange Detektorzeilen verwendet werden müssen. Diese existieren zwar für den sichtbaren Spektralbereich (größenordnungsmäßig 6000 Detektorelemente mit einer Gesamtlänge von 6 cm), für den infraroten Spek­ tralbereich stehen jedoch noch keine ausreichend langen Detektorzeilen zur Verfügung. Zudem ist es problematisch, ein langes Zeilenbild durch Aneinanderreihung einzelner Detektorzeilen aufnehmen zu wollen, da an den Stellen, wo die Zeilen aneinanderstoßen, Informationsverluste auf­ treten. Die Herstellung einer langen Detektorzeile für den Infrarotbe­ reich durch Zusammensetzen mehrerer kurzer Detektorzeilen unter Vermei­ dung jeglicher Lücken ist sehr kostspielig.

Doch auch bei Verwendung einer einzigen, sehr langen Detektorzeile wür­ den im Infrarotbereich zusätzliche Probleme auftauchen, die dadurch be­ dingt sind, daß diese Detektorzeile wirksam vor jeglicher Störstrahlung abgeschirmt werden muß. Dazu wird vor der Detektorzeile im Strahlengang eine Blende angeordnet, welche ebenso wie das gesamte, die Detektorzeile und die Blende enthaltende Gehäuse auf möglichst niedrige Temperaturen gekühlt werden muß. Dies bedingt einen erheblichen zusätzlichen appara­ tiven Aufwand sowie beträchtliche zusätzliche Betriebskosten.

Diese Problematik soll anhand der Fig. 1 verdeutlicht werden. Dort ist ein optischer Strahlengang dargestellt, welcher als optische Elemente ein Objektiv 1, eine Relaisoptik 2, eine Blende 5 sowie eine lange De­ tektorzeile 6 enthält. Von einem (nicht dargestellten) Objektstreifen wird in der Bildebene des Objektivs 1 ein wegen der weitwinkeligen Auf­ nahme entsprechend langes Zeilenbild 4 entworfen. Die nachgeordnete Re­ laisoptik 2 entwirft von diesem Zeilenbild 4 ein Bild auf der Detektor­ zeile 6. Zwischen der Relaisoptik 2 und der Detektorzeile 6 ist im Strahlengang eine Blende 5 angeordnet, welche eine Öffnung in einem Ge­ häuse 7 darstellt, an dessen innerer Rückwand die Detektorzeile 6 ange­ bracht ist. Um die Detektorzeile von störender Infrarotstrahlung abzu­ schirmen, muß das gesamte Gehäuse 7 gekühlt werden. Da nur eine einzige lange Detektorzeile 6 vorhanden ist, muß auch die Öffnung der Blende 5 entsprechende Ausmaße haben und ihr Abstand zur Detektorzeile muß ent­ sprechend groß sein, was sich wiederum auf die Dimensionen des Gehäuses 7 auswirkt. Die Blende 5 ist im Strahlengang zwischen der Relaisoptik 2 und der Detektorzeile 6 so angebracht, daß ein Strahlengang entsteht, der hinsichtlich der Relaisoptik 2 objektseitig und hinsichtlich des Ob­ jektivs 1 bildseitig telezentrisch ist.

Die obenerwähnte Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand der Ab­ bildungen näher erläutert. Es zeigt in schematischer Weise

Fig. 2 das Prinzip der Erfindung,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für die gleichzeitige Ab­ bildung zweier Objektstreifen,

Fig. 4 zur Ausführungsform der Fig. 3 einen Strahlengang für einen Bildabschnitt des Zeilenbildes,

Fig. 5 einen Strahlengang mit Relaisoptiken,

Fig. 6 ein gegenüber der Fig. 3 abgewandeltes Ausführungsbeispiel.

In Fig. 2 ist schematisch dargestellt, wie das durch das Objektiv 1 ent­ worfene Zeilenbild 4 in einer Anzahl aneinandergereihter, linearer Bild­ abschnitte 8/1, 9/1 bis 8/5, 9/5 unterteilt ist. Diese Unterteilung ge­ schieht mit einem (hier nicht dargestellten) Strahlumlenksystem, welches mit Hilfe ebenfalls nicht dargestellter Ablenkelemente die den Bildabschnitten 8/1 bis 8/5 zugehörigen Strahlengänge in eine, nämlich die in Fig. 2 dargestellte, und die den Bildabschnitten 9/1 bis 9/5 zugehörigen Strahlengänge in eine andere, in Fig. 2 nicht darge­ stellte, Raumrichtung lenken. Den Bildabschnitten 8/1 bis 8/5 sind fünf Relaisoptiken 10/1 bis 10/5 optisch nachgeordnet, welche die jeweiligen Bildabschnitte auf je eigene Detektorzeilen 12/1 bis 12/5 abbilden.

Zwischen den Relaisoptiken 10/1 usw. und den zugehörigen Detektorzeilen 12/1 usw. sind jeweils Blenden 11/1 usw. so angeordnet, daß wieder der bereits obenerwähnte telezentrische Strahlengang entsteht, dessen Ein­ satz sich gerade im vorliegenden Fall als besonders günstig erweist. Durch ihn wird nämlich bewirkt, daß ein der Abbildung eines Geländepunk­ tes in der Bildebene des Objektivs 1 dienender, in Fig. 2 von links kom­ mend dargestellter Strahlenkegel senkrecht auf der Bildebene steht und sich somit zur Relaisoptik 10/1 hin auch senkrecht fortsetzt, so daß die den Relaisoptiken 10/1 usw. zugeordneten Strahlengänge nicht auseinan­ derlaufen, sondern einander eng benachbart sind, was wiederum zur Folge hat, daß die einzelnen Detektorzeilen 12/1 usw. ebenfalls relativ eng beieinanderliegen.

Die Relaisoptiken 10/1 bis 10/5 bilden eine Gruppe, und die den Bildab­ schnitten 9/1 bis 9/5 zugeordneten, nicht dargestellten Relaisoptiken eine zweite Gruppe, wobei diesen beiden Gruppen von Relaisoptiken hin­ sichtlich ihrer Strahlengänge jeweils unterschiedlichen Raumrichtungen zugeordnet sind. Die Strahlengänge der Relaisoptiken einer Gruppe, bei­ spielsweise der Relaisoptiken 10/1 bis 10/5, weisen alle in dieselbe Raumrichtung. Die den Relaisoptiken 10/1 bis 10/5 zugeordneten Bildab­ schnitte 8/1 bis 8/5 werden in eine gemeinsame Bildebene 13 abgebildet, und zwar auf die ihnen je eigenen Detektorzeilen 12/1 bis 12/5, die in der gemeinsamen Bildebene 13 in einer parallel zum Zeilenbild 4 gerich­ teten Linie übereinander angeordnet sind.

Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, liegen bei der durch die Erfindung ge­ gebene Anordnung die nunmehr relativ sehr kleinen Blenden 11/1 bis 11/5 im Verhältnis zur Anordnung der Fig. 1 sehr dicht vor den jeweils zuge­ ordneten Detektorzeilen 12/1 bis 12/5. Dadurch ergibt sich eine erhebli­ che Verkleinerung des die Blenden 11/1 bis 11/5 sowie die Detektorzeilen 12/1 bis 12/5 enthaltenden Gehäuses 14. Der Kühlaufwand zur Kühlung die­ ses Gehäuses ist damit stark verringert. Dies gilt auch noch, wenn be­ rücksichtigt wird, daß für die Bildabschnitte 9/1 bis 9/5 eine zweite Gruppe von (nicht dargestellten) Relaisoptiken benötigt wird, zu denen gleichermaßen ein zum Gehäuse 14 analoges Gehäuse mit den entsprechenden Blenden und Detektorzeilen gehört, wobei dieses Gehäuse ebenfalls ge­ kühlt werden muß. Der erforderliche Kühlaufwand ist im Ergebnis wesent­ lich geringer als bei einer Anordnung gemäß der Fig. 1. Außerdem können relativ kurze Detektorzeilen, wie sie ohne Probleme für den Infrarotbe­ reich am Markt erhältlich sind, eingesetzt werden, die insgesamt weit weniger teuer sind als eine extra herzustellende, entsprechend lange De­ tektorzeile.

In Fig. 3 sind die wesentlichen Elemente einer Zeilenkamera dargestellt, mit der gleichzeitig zwei Objektstreifen abgebildet werden können. Das Objektiv 1 besteht aus zwei gewölbten, asphärischen, insbesondere ellip­ soidförmigen Spiegeln, nämlich einem konvexen Primärspiegel 15 und einem konkaven Sekundärspiegel 16. Hierbei handelt es sich also um ein Schief­ spieglersystem. Die beiden nicht dargestellten Geländestreifen er­ strecken sich senkrecht zur Zeichenebene. Die zugehörigen Strahlengänge 17 bzw. 18 führen über den Primär- und dem Sekundärspiegel 15 bzw. 16 zu Abbildungen der Geländestreifen als senkrecht zur Zeichenebene sich er­ streckende Zeilenbilder 19 und 20, an deren Ort jeweils ein Strahlum­ lenksystem 21 bzw. 22 angeordnet ist, welches übereinanderliegende Bild­ abschnitte des Zeilenbildes in zwei jeweils unterschiedliche Raumrich­ tungen lenkt.

So besteht beispielsweise das Strahlumlenksystem 21 aus einer Reihe je­ weils mit Abstand zueinander und mit ihren Längsachsen in Richtung des Zeilenbildes 19 orientierter, als Ablenkelemente dienender Spiegelstreifen, welche den Strahlengang um 90° umlenken. Zwischen den Spiegelstreifen wird der Strahlengang nicht umgelenkt, so daß im Ergebnis das Strahlumlenksystem 21 das senkrecht zur Zeichenebene sich erstreckende Zeilenbild 19 in eine Abfolge von Bildabschnitten unterteilt. Der einen Gruppe von Bildabschnitten sind Relaisoptiken einer ersten Gruppe zugeordnet, von der eine Relaisoptik 23 dargestellt ist. Diese bildet den zugehörigen Bildabschnitt auf eine senkrecht zur Zeichenebene orientierte Detektorzeile 24 ab, welche in der gemeinsamen Bildebene der ersten Gruppe von Relaisoptiken liegt. Zwischen der Relaisoptik 23 und der zugeordneten Detektorzeile 24 ist eine Blende 25 angeordnet, und zwar so, daß wiederum der oben bereits erwähnte telezentrische Strahlengang entsteht. Die den anderen Relaisop­ tiken der ersten Gruppe zugeordneten Strahlengänge verlaufen analog zu dem für die Relaisoptik 23 dargestellten Strahlengang.

Den in den Lücken zwischen den Spiegelstreifen des Strahlumlenksystems 21 gelegenen Bildabschnitten sind Relaisoptiken einer zweiten Gruppe nachgeordnet, von denen eine Relaisoptik 26 dargestellt ist. Letztere bildet den ihr zugeordneten Bildabschnitt des Zeilenbildes 19 auf eine eigene Detektorzeile 27 ab, welche wiederum in der allen Relaisoptiken der zweiten Gruppe gemeinsamen Bildebene angeordnet ist, und zwar senk­ recht zur Zeichenebene. Auch hier ist eine Blende 28 wie beschrieben an­ geordnet. Analoges gilt für die übrigen, nicht dargestellten Relaisopti­ ken der zweiten Gruppe und deren Strahlengänge.

Der Strahlengang 18 führt über den Primär- und den Sekundärspiegel 15 bzw. 16 zur Abbildung eines zweiten Geländestreifens in einem senkrecht zur Zeichenebene orientierten Zeilenbild 20, welches durch ein analog zum Strahlumlenksystem 21 aufgebautes weiteres Strahlumlenksystem 22 ebenfalls in zwei Gruppen von Bildabschnitten unterteilt wird. Diesen beiden Gruppen von Bildabschnitten sind eine dritte und eine vierte Gruppe von Relaisoptiken zugeordnet, von denen jeweils wiederum ledig­ lich eine Relaisoptik dargestellt ist, welche die zugehörigen Bildab­ schnitte analog zu der oben geschilderten Weise auf je eigene Detektor­ zeilen abbildet.

Die in der Fig. 3 dargestellte Zeilenkamera stellt quasi eine Stereover­ sion dar, mit der zwei parallele, um einen Winkel ϕ auseinanderliegen­ de Geländestreifen gleichzeitig aufgenommmen werden können. Die Abbil­ dung erfolgt senkrecht zur Zeichenebene, d.h. in Richtung der Gelände­ streifen, sehr weitwinklig.

In Fig. 4 ist die Darstellung der Fig. 3 um 90° gedreht. Dargestellt ist die Abbildung eines Teils des dem Strahlengang 17 zugeordneten Gelände­ streifens, welcher gerade einem Bildabschnitt entspricht. Zwei paralle­ le, von den Randpunkten dieses Teiles des Geländestreifens kommende Strahlenbündel werden als Randpunkte des zugehörigen Bildabschnittes 29 abgebildet, welcher gleichzeitig Teil des den gesamten Geländestreifen abbildenden Zeilenbildes 19 ist. Die zugeordnete Relaisoptik 26 entwirft von diesem Bildabschnitt 29 ein Bild auf der zugehörigen Detektorzeile 27. Der an den Bildabschnitt 29 nach unten anschließende Bildabschnitt wird über einen zum Strahlumlenksystem 21 gehörenden Spiegelstreifen durch einen senkrecht zur Zeichenebene nach hinten gerichteten Strahlen­ gang auf die zugehörige Detektorzeile abgebildet, wie beispielsweise in Fig. 3 anhand des der Relaisoptik 23 zugeordneten Strahlenganges darge­ stellt. Das gesamte Zeilenbild 19 der Fig. 4 ist in lückenlos aneinan­ dergereihte Bildabschnitte eingeteilt, welche abwechselnd je einer von zwei Gruppen angehören, wobei wiederum jeder Gruppe eine Gruppe von Re­ laisoptiken und Detektorzeilen zugeordnet ist. Dies ist in Fig. 4 nicht im einzelnen dargestellt.

Zur Verdeutlichung dieses Tatbestandes dient noch die Fig. 5, die einen Ausschnitt aus dem Zeilenbild 19 darstellt, und zwar drei mit Abstand zueinander angeordnete Bildabschnitte 29/1 bis 29/3, sowie die zugehöri­ gen Strahlengänge, durch welche die genannten Bildabschnitte über Re­ laisoptiken 26/1 bis 26/3 auf die ihnen je zugeordneten Detektorzeilen 27/1 bis 27/3 abgebildet werden. Der Strahlengang ist wiederum durch Blenden 28/1 bis 28/3 begrenzt. Die zwischen den Bildabschnitten 29/1 und 29/2 usw. liegenden Bildabschnitte werden über die Spiegelstreifen des Strahlumlenksystems 21 über senkrecht zur Zeichenebene nach hinten weisende Strahlengänge abgebildet, und zwar analog zu dem in Fig. 3 an­ hand der Relaisoptik 23 abgebildeten Strahlengang.

Die Strahlumlenksysteme 21 und 22 sind Spezialfälle eines Strahlumlenk­ systems, welches aus mehreren, abwechselnd je in eine andere Raumrich­ tung reflektierenden, in Richtung des Zeilenbildes sich erstreckenden Spiegelstreifen besteht, wobei sich die Aufeinanderfolge der Raumrich­ tungen je nach der Anzahl der einer Gruppe zugehörigen Relaisoptiken mehrmals wiederholt. Es ist auch denkbar, daß ein Zeilenbild in mehr als zwei Gruppen von Bildabschnitten unterteilt wird, denen dann mehr als zwei unterschiedliche Raumrichtungen zugeordnet sind. Auf jeden Fall ge­ hört zu jeder einzelnen Raumrichtung eine separate Gruppe von Relaisop­ tiken, welche sämtliche dieser Raumrichtung zugeordneten Bildabschnitte auf übereinander in der gemeinsamen Bildebene gelegene, jeweils eigene Detektorzeilen abbilden.

Das in den Fig. 3 und 4 wiedergegebene Objektiv 1 ist aus Spiegeln auf­ gebaut. Dies ist natürlich nur ein möglicher Spezialfall, denn selbst­ verständlich kann das Objektiv auch aus Linsensystemen bestehen. Das Strahlumlenksystem kann auch so ausgebildet sein, daß es keinen der Strahlengänge ungehindert passieren läßt, sondern die Strahlengänge sämtlicher Gruppen von Relaisoptiken am Ort des Zeilenbildes in eine an­ dere Raumrichtung umlenkt. Dies geschieht durch entsprechend unter­ schiedliche Orientierung der jeweils zugeordneten Spiegelstreifen.

Claims (3)

1. Zeilenkamera zur Abbildung von Objektstreifen auf photoempfindliche Detektorzeilen, mit einem ein Zeilenbild eines Objektstreifens erzeugenden Objektiv, einem am Ort des Zeilenbildes befindlichen Strahlumlenksystem, durch welches das Zeilenbild in eine Anzahl lückenlos aneinandergereihter Bildabschnitte unterteilt wird, derart, daß einander unmittelbar benachbarten Bildabschnitten zugehörige Strahlengänge mittels entsprechender Ablenkelemente des Strahlumlenksystems in je unterschiedliche Raumrichtungen gelenkt werden, sowie je einer jedem Bildabschnitt optisch nachgeordneten Relaisoptik zur Abbildung des jeweiligen Bildabschnittes auf eine je eigene Detektorzeile, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl der Relaisoptiken (10/1 bis 10/5, 23, 26) in mindestens zwei Gruppen unterteilt ist, jede Gruppe (23, 26) einer anderen Raumrichtung zugeordnet ist, die Relaisoptiken jeder einzelnen Gruppe die ihnen zugeordneten Bildabschnitte jeweils in eine gemeinsame Bildebene (13) auf die ihnen je eigenen Detektorzeilen (12/1 bis 12/5, 24, 27) abbilden, welche in der jeweiligen Bildebene in einer parallel zum Zeilenbild (4, 19) gerichteten Linie übereinander angeordnet sind, und zwischen jeder Detektorzeile und der ihr je zugeordneten Relaisoptik jeweils eine Blende (11/1 bis 11/5, 25, 28) angeordnet ist.

2. Zeilenkamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden (11/1 bis 11/5) so angeordnet sind, daß sich ein für die Relaisoptiken objektseitig und für das Objektiv (1) bildseitig telezentrischer Strahlengang ergibt.

3. Zeilenkamera nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlumlenksystem (21) als Ablenkelement mehrere, abwechselnd je in eine andere Raumrichtung reflektierende, in Richtung des Zeilenbildes (19) sich erstreckende Spiegelstreifen aufweist, wobei sich die Aufeinanderfolge der Raumrichtungen je nach der Anzahl der einer Gruppe zugehörigen Relaisoptiken (23, 26) mehrmals wiederholt.