DE10218947A1

DE10218947A1 - Spectral radiometer or optical instrument calibration device comprises a light source and displaceable mirror that can be used for deflecting a collimated calibration light beam onto the optical instrument

Info

Publication number: DE10218947A1
Application number: DE10218947A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Suemnich
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2002-04-22
Filing date: 2002-04-22
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2022-04-23
Also published as: DE10218947B4

Abstract

Device for calibrating an optical instrument with a photoelectric detector. Said device comprises an illumination unit for radiating collimated radiation with a positioning device for adjusting the observation angle of the incident radiation. The positioning device (7) has a mirror (6) aligned with calibration radiation. The mirror can be rotated and translated in a defined manner, so that calibration radiation can be directed onto the optical instrument (11) from a range of angles.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines optischen Instrumentes mit einem fotoelektrischen Detektor, insbesondere zur Kalibrierung eines Spektroradiometers. The invention relates to a device for calibrating an optical instrument with a photoelectric detector, in particular for the calibration of a Spectroradiometer.

Spektroradiometer werden zur Vermessung des Strahlungsfeldes im Rahmen von Aufgaben der Fernerkundung eingesetzt. Die Szene wird durch eine Eingangsoptik in die Bildebene des Instrumentes abgebildet. Die die Eingangsoptik passierende Strahlung wird durch weitere optische Systeme auf die Detektorfläche abgebildet, wo das Bild durch die vielen Elemente des fotoelektrischen Empfängers räumlich und spektral aufgelöst in elektrische Messwerte umgewandelt wird. Zur Rekonstruktion der Szene aus den so erzeugten multispatialen und multispektralen Messdaten ist eine Kalibrierung des Instrumentes in allen seinen Parametern vor dem Einsatz erforderlich. Spectroradiometers are used to measure the radiation field within Remote sensing tasks used. The scene is through an entrance optics mapped in the image plane of the instrument. The one that passes through the entrance optics Radiation is imaged on the detector surface by further optical systems, where the image spatially through the many elements of the photoelectric receiver and converted into electrical measurement values with spectral resolution. to Reconstruction of the scene from the multispatial and multispectral generated in this way Measurement data is a calibration of the instrument in all its parameters the use required.

Bei der Kalibrierung wird die Eingangsoptik des Instrumentes mit kollimierter Strahlung aus verschiedenen Richtungen beleuchtet, wobei die spektrale Verteilung der Eichstrahlung von panchromatisch bis zu sehr engen Spektrallinien variieren kann. Für jedes Element des lichtelektrischen Empfängers wird der Beobachtungswinkel α, also seine Lage (IFOV) im gesamten Messfeld (FOV) durch die Einstrahlungsrichtung des Strahlenbündels in das Instrument definiert. Die optischen Parameter des Instrumentes bestimmen ihrerseits die Anforderungen an die Art und Weise und an die Genauigkeit, mit der die Einstrahlung in das Instrument vorgenommen werden muss: gesamter Winkelbereich a, Anzahl und die Genauigkeit der Winkeleinstellungen Δα, zulässige Divergenz des beleuchtenden Strahlenbündels δα. Hinzu kommen die Anforderungen hinsichtlich Spektralbereich λ, spektrale Auflösung Δλ, Anzahl der Messpunkte im Spektrum λ_i, die durch die Beleuchtungseinrichtung zu gewährleisten sind. During calibration, the input optics of the instrument are illuminated with collimated radiation from different directions, the spectral distribution of the calibration radiation varying from panchromatic to very narrow spectral lines. For each element of the photoelectric receiver, the observation angle α, i.e. its position (IFOV) in the entire measuring field (FOV), is defined by the direction of radiation of the beam into the instrument. The optical parameters of the instrument in turn determine the requirements for the way and the accuracy with which the radiation into the instrument must be carried out: total angular range a, number and the accuracy of the angle settings Δα, permissible divergence of the illuminating beam δα. In addition, there are the requirements with regard to spectral range λ, spectral resolution Δλ, number of measuring points in the spectrum λ _i , which are to be ensured by the lighting device.

Das Problem besteht in der genauen, reproduzierbaren Einstellung und Vermessung der optischen Achsen von Instrument und Beleuchtungseinrichtung zueinander (Winkel a und Auflösung Δα) unter Berücksichtigung der Tatsache, dass sowohl Instrument als auch Beleuchtungseinrichtung im allgemeinen komplizierte, hochpräzise empfindliche optoelektronische Objekte sind. The problem is the exact, reproducible setting and measurement the optical axes of the instrument and the lighting device to each other (Angle a and resolution Δα) taking into account the fact that both Instrument as well as lighting device in general complicated, are high-precision sensitive optoelectronic objects.

Bisherige Lösungen sehen vor, dass entweder mit dem Instrument oder mit der Beleuchtungseinrichtung die erforderlichen Bewegungen ausgeführt werden, um die optischen Achsen in der erforderlichen Lage zu bringen. Das erfordert im allgemeinen einen sehr hohen mechanischen Aufwand, um eine oder beide Einheiten in Translation und Rotation mit hoher Genauigkeit zu bewegen, da hier Massen bis zu 50 kg bei bis zu einem Meter Längenabmessungen zu bewegen sind. Previous solutions provide that either with the instrument or with the Lighting device to perform the required movements bring optical axes in the required position. That requires in general a very high mechanical effort to one or both Units in translation and rotation to move with high accuracy since here Weights of up to 50 kg with a length of up to one meter can be moved.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines optischen Instrumentes mit einem fotoelektrischen Detektor, insbesondere für ein Spektroradiometer, zu schaffen, mittels derer die Kalibration vereinfacht werden kann. The invention is therefore based on the technical problem of a device for Calibration of an optical instrument with a photoelectric detector, especially for a spectroradiometer, by means of which the calibration can be simplified.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. The solution to the technical problem results from the subject with the Features of claim 1. Further advantageous embodiments of the Invention result from the subclaims.

Hierzu umfasst die Stelleinrichtung einen auf die Eichstrahlung ausgerichteten Spiegel, der definiert translatorisch und rotatorisch derart bewegbar ist, dass die Eichstrahlung in verschiedenen Richtungen auf das optische Instrument umlenkbar ist. Die Beleuchtungseinheit und das optische Instrument sind jedoch unter einem bestimmten Winkel ihrer optischen Achsen fest zueinander aufgebaut, wobei der Winkel vorzugsweise 90° in der Horizontalen oder der Vertikalen entspricht. Die definierte Veränderung der Einstrahlrichtung erfolgt dann ausschließlich über den Spiegel, der vorzugsweise als Plan-Spiegel ausgebildet ist. Aufgrund seines geringen Gewichtes lässt sich der Spiegel leichter und exakter manipulieren. For this purpose, the actuating device includes one that is aligned with the calibration radiation Mirror that is translationally and rotatably movable such that the Calibration radiation can be deflected in different directions onto the optical instrument is. However, the lighting unit and the optical instrument are under one certain angles of their optical axes built up to each other, the Angle preferably corresponds to 90 ° in the horizontal or vertical. The The defined change in the direction of irradiation then takes place exclusively via the Mirror, which is preferably designed as a plane mirror. Because of his light weight, the mirror can be manipulated more easily and precisely.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beleuchtungseinheit horizontal zum Spiegel ausgerichtet, wobei der Spiegel translatorisch entlang der optischen Achse der Beleuchtungseinheit verschiebbar und um eine vertikale Achse drehbar gelagert ist. In a preferred embodiment, the lighting unit is horizontal Mirror aligned, the mirror translationally along the optical axis the lighting unit slidably and rotatably mounted about a vertical axis is.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das optische Instrument um eine Achse in der Hauptebene eines Objektives drehbar gelagert, um somit auch im optischen Instrument die IFOV von lichtempfindlichen Elementen mehrerer nebeneinander liegender Reihen vermessen zu können. In a further preferred embodiment, the optical instrument is one Axis rotatably mounted in the main plane of a lens, so that also in the optical instrument the IFOV of photosensitive elements of several to be able to measure adjacent rows.

Die Beleuchtungseinheit umfasst vorzugsweise eine Lichtquelle, einen Monochromator und einen Kollimator zur Erzeugung einer kollimaren Eichstrahlung. The lighting unit preferably comprises a light source, a Monochromator and a collimator for generating a collimation calibration radiation.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Kalibrierung eines optischen Instrumentes mit einem fotoelektrischen Detektor. The invention is described below using a preferred exemplary embodiment explained in more detail. The single figure shows a schematic representation of a principle Device for calibrating an optical instrument with a photoelectric detector.

Die Beleuchtungseinheit 1 mit Lichtquelle 2, Monochromator 3 und Kollimator 4 ist horizontal auf einem stabilen Tisch aufgebaut. Die optische Achse des austretenden parallelen Strahlenbündels 5 ist horizontal auf einen Spiegel 6 gerichtet. Der Spiegel 6 ist in der Stelleinrichtung 7 so angebracht, dass eine messbare Verschiebung in horizontaler Richtung 8 und eine messbare Drehung um eine vertikale Achse 9 erfolgen kann. Durch die Spiegelposition wird das Strahlenbündel 10 unter einem bestimmten Winkel in das Instrument 11 geführt und durch ein Objektiv 12 und strahlenformende Elemente 13 zu dem ausgewählten, zu vermessenden Element 14 des lichtelektrischen Empfängers geführt. Die Position des Spiegels 6 in der Translationsrichtung - nach einem vorgegebenen Programm mit der Drehung gekoppelt - erlaubt somit die einfache Bestimmung der Blickrichtung (Lage des IFOV) des Instrumentes 11. The lighting unit 1 with light source 2 , monochromator 3 and collimator 4 is constructed horizontally on a stable table. The optical axis of the emerging parallel beam 5 is directed horizontally onto a mirror 6 . The mirror 6 is mounted in the actuating device 7 such that a measurable displacement in the horizontal direction 8 and a measurable rotation about a vertical axis 9 can take place. Due to the mirror position, the beam 10 is guided into the instrument 11 at a certain angle and guided through a lens 12 and radiation-forming elements 13 to the selected element 14 of the photoelectric receiver to be measured. The position of the mirror 6 in the translation direction - coupled with the rotation according to a predetermined program - thus allows the direction of view (position of the IFOV) of the instrument 11 to be determined easily.

Wird der Gesamtaufbau nicht wie dargestellt horizontal, sondern vertikal vorgenommen, so kann durch eine einfache Drehung des Spiegelsystems um eine horizontale Achse 15 die entsprechende Umlenkung des Parallelstrahles vorgenommen werden. Sind im Instrument 11 die IFOV der lichtempfindlichen Elemente 14 mehrerer nebeneinander liegender Reihen zu vermessen, muss das Instrument um eine entsprechende Achse 16 in der Hauptebene des Objektives 12 gedreht werden. If the overall structure is not carried out horizontally, as shown, but vertically, the corresponding deflection of the parallel beam can be carried out by simply rotating the mirror system about a horizontal axis 15 . If the IFOV of the light-sensitive elements 14 of several rows lying next to one another are to be measured in the instrument 11 , the instrument must be rotated about a corresponding axis 16 in the main plane of the objective 12 .

Die Vorteile der vorgeschlagenen Lösung:
Die Einkopplung erfolgt über einen relativ kleinen Spiegel, der nur zwei Bewegungen ausführen muss: Verschiebung in einer Richtung, Drehung um eine Achse. The advantages of the proposed solution:
The coupling takes place via a relatively small mirror that only has to perform two movements: displacement in one direction, rotation around an axis.

Da die im allgemeinen großen und schweren optischen Präzisionsbaueinheiten (das zu kalibrierende Instrument 11 selbst und die Beleuchtungseinheit 1) nach einer Grundjustage während der umfangreichen Manipulationen ihre Lage nicht verändern müssen, ist eine hohe Stabilität und damit Genauigkeit in den Winkelmessungen gewährleistet. Since the generally large and heavy optical precision assemblies (the instrument 11 to be calibrated itself and the lighting unit 1 ) do not have to change their position after a basic adjustment during the extensive manipulations, a high stability and thus accuracy in the angle measurements is ensured.

Da die leichte Spiegeleinheit in nur 2 Freiheitsgraden (Translation und Rotation) bewegt werden muss, ist ein stabiler Aufbau mit einer hochpräzisen Längen- und Winkelmessung leicht zu realisieren. Since the light mirror unit is only in two degrees of freedom (translation and rotation) must be moved is a stable structure with a high-precision length and Easy to measure angle measurement.

Claims

1. An apparatus for calibrating an optical instrument with a photoelectric detector, comprising an illumination unit for emitting a collimation calibration radiation, the direction of the collimation calibration radiation to the photoelectric detector being changeable by means of an adjusting device, the observation angle for each element of the photoelectric detector being determined by the direction of irradiation of the calibration radiation can be defined, characterized in that the adjusting device ( 7 ) comprises a mirror ( 6 ) aligned with the calibration radiation, which can be moved in a defined translatory and rotary manner such that the calibration radiation can be deflected in different directions onto the optical instrument ( 11 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that the lighting unit ( 1 ) is aligned horizontally to the mirror ( 6 ), the mirror ( 6 ) being translationally displaceable along the optical axis ( 8 ) of the lighting unit ( 1 ) and about a vertical axis ( 9 ) is rotatably mounted.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the optical instrument ( 11 ) is rotatably mounted about an axis ( 16 ) in the main plane of an objective ( 12 ).

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the lighting unit ( 1 ) comprises a light source ( 2 ), a monochromator ( 3 ) and a collimator ( 4 ).