本发明涉及用于透射通过波长的光的滤光器，包括沿透射方向布置的至少两个滤光器级，通过波长的光沿透射方向透射通过滤光器，其中至少两个滤光器级的每个包括至少一个进入偏振元件和至少一个恒延迟元件。
本发明还涉及用于同时捕获至少两个图像的照相机(其中，每个图像受限于有限光谱带中的光)、多光谱成像系统和照明系统。
背景技术：
基于各自包括双折射材料的多个滤波器级的滤光器是本领域中已知的。所述滤波器级可以以根据Solc或Lyot的设计布置。独立于使用的配置，本领域的滤光器示出低峰透射值的缺点，特别是相较于传统的固定波长的滤光器。因此，若应用在照相机或成像系统中，本领域的滤光器要求具有高感光度的照相机。在应用本领域的滤光器的照明系统的情况中，要求高照明强度。
技术实现要素：
因此，本发明的目的在于提供具有改进的透射值的滤光器、照相机、多光谱成像系统和照明系统。
开始提到的滤光器以如下解决上述问题，至少两个滤光器级的每个包括在工作波长范围上延伸的周期透射特性，其中每个透射特性包括各自与每个其他透射特性的至少一个峰值重叠的至少两个峰值，且其中滤光器的整体透射特性包括彼此光谱分离的至少两个光谱通带。
上述类型的照相机通过包括根据本发明的滤光器解决上述问题，其中，滤光器的整体透射特性的至少一个光谱通带位于光谱带的每个中。
本发明的用于同时成像的多光谱成像系统通过包括根据本发明的至少一个照相机解决上述问题。
用于使用至少两个不同光谱带的光照明样本的本发明的照明系统通过包括宽带光源和根据本发明的滤光器解决上述问题。
通过波长应当被理解为波长相依的透射曲线的中心波长，其中，透射曲线可以包括特定的类脉冲形状。
因此，通过波长应当被理解为对应的滤光器的最大透射的波长，其中，与通过波长相邻的波长也可以被透射，然而具有比通过波长低的透射。
滤光器级应当被理解为具有波长相依的透射的光学部件的组件。每个滤光器级的透射特性影响沿透射方向入射到滤光器级上的光。
全部滤光器级的透射特性相乘，以获得滤光器的整体透射特性。
进入偏振元件可以被实施为以接近100％透射预设的线性偏振的线性偏振器，其中与所述预设的偏振不同的偏振的光被偏振器衰减。
相对于预设的偏振方向而垂直地偏振的光优选地被完全阻挡。对于入射偏振和偏振器的预设偏振方向之间的角度，透射遵循余弦曲线，其中余弦函数的负半波。
每个滤光器级的恒延迟元件可以被实施为具有固定双折射的双折射材料。由于双折射引起垂直偏振的光分量相对于彼此的延迟，双折射材料也被称为延迟器或延迟元件。
本发明的滤光器包括至少两个滤光器级，其都包括在工作波长范围上延伸的周期透射特性。工作波长范围应当被理解为滤光器在其中透射至少一个通过波长的光的波长范围。
工作波长范围可以受限于应用在滤光器中的光学元件(例如包括在滤光器中的偏振元件、恒延迟元件或可能的抗反射或保护层)的个别的透射特性。
根据本发明，滤光器级的每个包括具有工作波长范围内的至少两个峰值的透射特性。滤光器级的至少两个透射特性重叠，其中每个滤光器级的透射特性的至少第一和第二透射最大值与每个其他滤光器级的透射特性的至少一个透射最大值重叠。
滤光器的整体透射特性通过个别的透射特性的乘积获得，然而，其仅应用在没有非线性效果的线性光交互的情况中。
滤光器的整体透射特性包括至少两个光谱分离的光谱通带，其中入射至滤光器上的光将以滤光器的最大透射被透射。
优选地，与至少两个光谱通带的光谱位置不同的任何波长的光，特别地在至少两个光谱通带的每个的光谱带宽之外的波长的光，被滤光器完全阻挡。至少两个光谱通带之间的光谱分离优选地等于光谱通带的光谱带宽的至少两倍。
由于滤光器的整体透射特性包括滤光器级的个别的透射特性，因此对于滤光器的所有光谱通带，光谱通带的光谱带宽和形状相同。
下面将描述本发明的其他有利实施例。实施例的技术特征可以被自由地组合或省略。
在本发明的滤光器的一个实施例中，至少两个滤光器级可以包括相似或甚至相同的个别的透射特性，其中，至少一个个别的透射特性相对于第二滤光器级的至少另一个别的透射特性而光谱偏移。由重叠但偏移的个别的透射特性生成的光谱通带可以相对于不使用一个透射特性的光谱偏移获得的光谱通带是光谱窄的。
在本发明的滤光器的另一实施例中，包括至少三个通带，其中，至少三个通带在波数谱中彼此光谱等间距间隔。波数是波长的倒数。生成的滤光器的通带因此形成由光谱通带限定的具有三个或更多个透射最大值的光谱梳。
通带之间的光谱间隔可以实际上在通带的中心波长之间测量。
应当注意的是，如果对波长绘制，光谱通带曲线的外观(即通带带宽和峰到峰距离)可以在工作波长范围的短和长波长侧之间而不同。如果对波数(波长的倒数)绘制，光谱通带的带宽和峰到峰距离是相同的。
在本发明的滤光器的另一有利实施例中，滤光器级的至少一个包括用于偏移对应滤光器级的波长相依的周期透射特性的可变延迟元件。
根据此实施例，滤光器级的至少一个包括引入固定量的双折射(即对入射光的延迟)的恒延迟元件，并附加地包括分别引入可变双折射和延迟的元件。这种可变延迟沿波长轴偏移波长相依的周期透射特性，这引起至少两个个别的透射特性的重叠最大值的可能的不同光谱位置，其反过来也偏移滤光器的至少两个光谱通带。
此实施例的滤光器因此是可调谐多带通滤波器，其允许至少两个光谱通带经过滤波器的透射，其中，至少两个光谱通带的光谱位置可以由用户改变。
如果滤光器级的每个包括可变延迟元件，本发明的滤光器可以被进一步改进。在此实施例中，包括的滤光器级的周期个别透射特性的全部可以被光谱偏移。因此，周期透射特性的重叠最大值的位置，和因此光谱通带的光谱位置可以被调谐至滤光器的工作波长范围内的几乎任何波长。
本发明的滤光器的上述实施例因此产生相对于现有技术的滤光器的另外优点，因为其允许取代现有技术的一个光谱带的多个光谱带的实时成像。此反过来引起相应地更快的扫描速度结合更好的吞吐效率，即更低的损耗以及更低的成本和尺寸。
现有技术的滤光器，甚至本领域的可调谐滤波器，仅可以实时提供单色图像。本发明的滤光器允许实时(即同时)考虑至少两个光谱通带。
在本发明的滤光器的另一实施例中，可变延迟元件的至少一个被实施为液晶元件。液晶元件基于如果被放置在电场中可以被定向的各向同性液晶。通过电场的场强的变化，液晶被旋转并分别改变其双折射和引入至入射其上的光的延迟。由可变延迟元件引入的可变延迟因此可以被简单地控制和改变。
在本发明的滤光器的另一实施例中，至少两个滤光器级包括相同的延迟，其中，两个滤光器级的周期透射特性相对于彼此偏移。本发明的滤光器的此实施例具有可以改变光谱通带的光学带宽的优势。所述带宽的改变可以可替代地或附加地应用至滤光器的光学通带的可调谐性。为获得光谱通带的窄光谱带宽，多于两个滤光器级可以包括相同的延迟。
本发明的滤光器可以由包括与至少一个其他滤光器级的延迟不同的延迟的至少一个滤光器级而进一步改进。恒延迟元件的不同延迟引起个别的透射特性的不同周期性。
当应用双折射材料(即晶体)时，延迟随沿透射方向测量的晶体厚度而增加。因此，具有较厚的恒延迟元件的滤光器级可以具有具有降低的周期性的透射特性，即周期透射特性的增加的光谱频率。具有较厚的恒延迟元件的滤光器级的透射最大值比应用较薄的恒延迟元件的滤光器级的周期透射特性的透射最大值更加彼此靠近。
具有低光谱频率的个别的透射特性可以包括高光谱带宽，其中具有高光谱频率的透射特性可以相应地包括较小的光谱带宽。获得的整体透射特性因此可以包括由高光谱频率的个别的透射特性的光谱带宽确定的光谱带宽，其中，光谱通带的中心波长可以由低光谱频率的透射特性的透射最大值确定。
在本发明的滤光器的另一实施例中，至少一个滤光器级包括以因子2不同于至少一个其他滤光器级的延迟的延迟。因子2的延迟差异引起对应的周期透射特性中透射最大值的光谱频率，其也以因子2而不同。
因此，在由较低延迟导致的透射特性的一个半波内，优选地包括由两倍的延迟导致的第二周期透射特性的两个半波。
因此，保证具有不同延迟的滤光器级的至少两个周期透射特性的峰值(透射最大值)之间的重叠。
在另一实施例中，滤光器级1，2，……N的序列可以被包括在滤光器中，其中滤光器级2的延迟是滤光器级1的延迟的两倍，滤光器级3的延迟是滤光器级2的延迟的两倍，……，且滤光器级N的延迟是滤光器级N-1的延迟的两倍。
在此实施例中，还保证个别的透射特性的透射最大值的重叠。滤光器级1的周期透射特性确定滤光器的光谱通带的数量，其中，光谱通带的数量与位于工作波长范围内的周期透射特性的透射最大值的数量对应。
此外，滤光器级N的光谱带宽可以确定滤光器的生成的光谱通带的光谱带宽。因此，此实施例的滤光器可以包括具有至少两个光谱通带的光谱梳，其中，整个光谱梳可以借助于可变延迟元件而光谱偏移。
光谱梳的光谱通带可以特别地彼此光谱等间距地间隔。生成的滤光器因此允许至少两个波长同时地透射，可能实时地实现多光谱应用。
开始提到的用于同时捕获至少两个图像的照相机可以被实施以检测全部透射的光谱通带，即，滤光器的工作波长范围优选地对应于其中照相机对入射光敏感的照相机波长范围。照相机可以包括可以被实施为CCD检测器或CMOS检测器的检测器，其中，检测器的像素的每个可以包括微滤波器。
在用于同时捕获至少两个图像的本发明的照相机的第一实施例中，应用至个别像素的微滤波器可以被实施为仅透射对应微滤波器的波长下限和波长上限之间的波长的光的带通滤波器。
小于波长下限或大于波长上限的波长优选地被微滤波器完全阻挡。
第二微滤波器的光谱带可以与第一微滤波器的光谱带光谱相邻，其中第二微滤波器的光谱带的波长下限等于或高于第一微滤波器的光谱带的波长上限。
相应地，多于两个微滤波器可以被应用至相邻的像素用于限定颜色编码。在红-绿-蓝(RGB)颜色编码的情况中，可以应用三个不同的微滤波器的组，在绿-青-品红-黄(GCMY)颜色编码的情况中，可以将四个不同的微滤波器的组应用至相邻的像素。
因此，照相机的微滤波器可以预选择波长范围，其中滤光器的仅一个光谱通带光谱地位于所述波长范围内，以及其中光谱通带形成滤波器的光谱带的子波长范围。因此，使用所述像素测量的入射光的强度可以明确地与滤光器的对应光谱通带的强度相关。
本发明的照相机的另一可能的实施例应用具有不同的透射光谱的微滤波器，其中，滤光器的至少两个光谱通带对微滤波器的每个经历不同的透射值。所述照相机还包括用于后处理的处理器，以将每个像素的测量的强度与仅一个光谱通带相关。
开始提到的多光谱成像系统还可以通过提供至少两个照相机被进一步改进，其中，至少两个照相机的每个的至少两个通带可以相对于彼此光谱偏移。
通常，多光谱成像系统具有光谱通带之间的光谱距离是恒定的且因此不能独立地选择通带的限制。本发明的多光谱成像系统的此实施例缓解此限制，因为其允许独立地选择由每个照相机测量的通带。
对于开始提到的本发明的照明系统，可以应用连续的宽带光源或离散的宽带光源。照明系统因此滤波至少两个不同的光谱通带，用于使用所述至少两个通带照明样本。
可想到的是，可以应用滤波离散的宽带光源用于获得选择的光谱通带。所述通带可以被调谐至与样本的各个吸收特征对应的照明波长。因此，两个不同的荧光通道处的荧光激发是可能的。
附图说明
下面，将参考附图描述本发明。相同的技术特征或具有相同的技术效果的特征可以被提供有相同的附图标记。
图1示出现有技术的滤光器的示意性装配；
图2a-c示出滤光器级的个别透射特性和生成的滤光器的整体透射特性；
图3示出应用本发明的滤光器的用于同时捕获至少两个图像的照相机的工作原理；
图4示出应用滤光器的本发明的照明系统的工作原理；
图5示出本发明的照相机的详细的工作原理；以及
图6示出本发明的多光谱成像系统的工作原理。
附图标记
1 滤光器
3 滤光器级
4 偏振元件
5 进入偏振元件
5a 整体进入偏振元件
6 输出偏振元件
6a 整体输出偏振元件
7 恒延迟元件
9 厚度
11 透射方向
13 光
13b 滤过光
13c 反射光
15 波长
17 通过波长
19 可变延迟元件
21 液晶元件
23 液晶
25 玻璃板
27 光学透射电极
29 整体透射特性
31 透射率
Io 进入强度
I1 输出强度
33 输出光
35 透射特性
37a-37e 延迟
39a 第一滤波器级的光谱频率
39b 第二滤波器级的光谱频率
39c 第三滤波器级的光谱频率
39d 第四滤波器级的光谱频率
39e 第五滤波器级的光谱频率
41 工作波长范围
43c-43e 峰值
44 光谱带
45，45a 光谱通带
47 光谱梳
47a 第一光谱梳
47b 第二光谱梳
47c 第三光谱梳
49 光谱间隔
51 偏移方向
53 照相机
53a 第一照相机
53b 第二照相机
53c 第三照相机
55 光谱带
57 滤色器
57a 颜色编码
58 GCMY滤波器
58a GCMY颜色编码
59 图像传感器
60 RGB滤波器
60a RGB颜色编码
61 微滤波器
63a-63d 微滤波器特性
65 带通滤波器
67a-67d 下限波长
69a-69d 上限波长
71 带宽
73 照明系统
75 宽带光源
75a 连续的宽带光源
77a 光源的强度分布
77b 滤波后的强度分布
77c 反射后的强度分布
79 样本
81 检测系统
83a-83d 透射曲线
85 包络函数
87 多光谱成像系统
89 多色镜
90 棱柱元件
91a-91d 测量波长
93 多光谱成像系统的整体感光度
具体实施方式
图1示出现有技术的滤光器1的示意性工作原理。在示出的实施例中，滤光器1包括六个滤光器级3，其中，滤光器级3的每个包括进入偏振元件5和产生从图1的左侧滤光器级至右侧的滤光器级3的增加的厚度9的一个恒延迟元件7。
此外，每个滤光器级3包括被实施为液晶元件21的可变延迟元件19。每个液晶元件21包括在提供有光学透射电极27的两个玻璃板25之间设置的液晶23。仅对左侧滤光器级3，由附图标记指示液晶23、玻璃板25和电学透射电极27。
每个滤光器级3包括被定向以便穿过两个偏振元件的第一个的线性偏振光被定向垂直于透射穿过两个偏振元件的第二个的光的两个偏振元件4。
在示于图1的装配中，进入偏振元件5表示用于位于对应的进入偏振元件5的左侧的滤光器级3的输出偏振元件6。
位于图1的左侧的滤光器级3的进入偏振元件5表示整体进入偏振元件5a且滤光器1还包括不表示进入偏振元件5的整体输出偏振元件6a。
图1还示出透射方向11，且由于示于图1的穿过滤光器1的透射影响在透射方向11上行进的光13或相同地影响与透射方向11相对的方向，图1中还示出可替代的透射方向11b。
在透射方向11上进入滤光器1的光13具有波长15，波长15在图1中是通过波长17。
滤光器1具有以对于通过波长17的最大透射率31为特征的整体透射特性29。也就是说，通过波长17的输出光33被透射穿过滤光器1，而进入强度Io小于输出强度I1。
非通过波长17的波长15的光13不被透射穿过滤光器1。
在图2a、2b和2c中，示出不同的透射特性35。图2a示出图1的六个滤光器级的五个透射特性35，而标注有1的上面板表示布置在左侧(即紧挨图1的整体进入偏振元件5a)的滤光器级3的透射特性35。与整体输出偏振元件6a相邻的滤光器级3的第六透射特性35未示于图2a中。
示出的透射特性35描绘对应的滤光器级3的透射率31对波长15，其中，在工作波长范围41内示出透射特性35。
图示出不同的晶体厚度9引起不同的延迟37a-37e，其中选择延迟37a-37e以便第二滤波器级39b的光谱频率是第一滤波器级39a的光谱频率的两倍，对应地，第三滤波器级39c的光谱频率是第二滤波器级39b的光谱频率的值的两倍，以此类推。
本发明的滤光器1组合透射特性35c、35d和35e，其中使用实线绘制透射特性35c，使用短划线绘制透射特性35d，且使用点线绘制透射特性35e。
在本发明的滤光器1中(使用图2a-2c被示意性描述)，具有透射特性35a和35b的滤光器级3被忽略，且仅仅具有透射特性35c-35e的滤光器级3对示于图2c中的整体透射特性29有贡献。图2b和图2c的图还示出在工作波长范围41内的波长15上绘制的透射率31。
在图2b中，可以看出，透射峰值43c、43d和43e以及透射特性35c-35e中的九个其他峰值彼此重叠。重叠的峰值43c、43d和43e形成光谱通带45a。
相似地，图2a中未标注的九个重叠峰值导致三个其他通带45以便滤光器1的整体透射特性29包括四个光谱通带45。
滤光器1的光谱通带45形成以四个相同的光谱通带45为特征的光谱梳47，四个相同的光谱通带45以光谱间隔49彼此等间距地间隔。
如果可变延迟元件19(参见图1)被应用于本发明的滤光器，整个光谱梳47可以沿示于图2c的偏移方向51而光谱偏移。
图3示出照相机53的示意性工作原理，其中照相机53包括滤色器57、本发明的滤光器1和图像传感器59。图像传感器59可以被实施为CMOS或CCD。
光13沿透射方向11入射至照相机53上。
图3的较大面板是绘制透射率31对波长15的所述照相机53的工作原理的的示意图。在图3中绘制的整体透射特性29包括光谱梳47，光谱梳47包括四个光谱通带45。
滤色器57包括四个微滤波器61，其每个位于图像传感器59的全部像素(未示出)的子集的前方。特别地，每个微滤波器61位于一个单个像素的前方。词语“前方”应当被理解为滤光器1和图像传感器59之间的位置。
多个微滤波器61可以以图案应用至图像传感器59的对应的多个像素。
透射率31的图指示四个微滤波器特性63a-63d，其中，每个微滤波器特性63a-63d对应于带通滤波器65。
带通滤波器65以形成光谱带44的下限波长67a-67d和上限波长69a-69d为特性。在图中，选择上限波长69a和下限波长67b，以便微滤波器特性63a不与微滤波器特性63b重叠。在其他实施例中，所述特性63a-63d可以示出小重叠。
因此，光谱通带45的仅一个光谱地位于一个微滤波器特性63a-63b内。由于光13由全部四个光谱通带45组成，全部四个通频带45将入射至微滤波器61的每个上。然而，每个微滤波器61将阻挡未光谱位于对应的微滤波器特性63a-63d内的三个光谱通带45。
因此，如果多个像素(优选地以图案布置)被提供有微滤波器61，可以捕获图像，其中每个图像受限于一个单个光谱通带45。
因此捕获的光谱图像仅考虑对应的光谱通带45的带宽71内的波长的光。
仅对光谱通带45a示出带宽71，并将带宽71给定为半高全宽(FWHM)带宽，但带宽71可以在发明的其他实施例中被不同地确定。
图4示出本发明的照明系统73的示意性装配，其包括宽带光源75和滤光器1。
宽带光源75可以被实施为连续的光源75a或离散的宽带光源(未示出)。示于图4的宽带光源75是连续的宽带光源75a。连续的宽带光源75a发射具有强度分布77a的光13。
光源的强度分布77a入射至滤光器1上并被根据图3的整体透射特性29滤波，导致滤波后的强度分布77b。滤波后的强度分布77b包括与滤光器1的光谱通带45对应的四个光谱带44。
滤过光13b具有滤波后的强度分布77b并被入射至样本79上。样本79是反射性的，其中反射的程度取决于入射至样本79上的波长。因此，反射光13c示出由于几个光谱特征被衰减而与滤波后的强度分布77b不同的反射后的强度分布77c。
反射光13c随后由可以被实施为照相机53的检测系统81捕获。
由于偏移整体透射特性29的光谱梳47的可能性，图4的样本79可以以不同的波长15被照明，其中，在示出的实施例中，实时地使用四个波长同时地照明样本79。
图5示出本发明的照相机的第二实施例的示意性工作原理。
图5示出被实施为以四个微滤波器61为特征的绿-青-品红-黄(GCMY)滤波器58。示于图5中的GCMY滤波器58的实施例包括颜色编码57a，其是GCMY颜色编码58a。
相应地，滤色器57的不同的实施例(未示出)可以被实施为具有红-绿-蓝(RGB)颜色编码60a(未示出)的RGB滤波器60(未示出)。
微滤波器61与示于图3的微滤波器61相反，不被实施为带通滤波器65。GCMY滤波器58的微滤波器61而是以示出描述依赖于波长15的微滤波器61的透射率31的特定透射曲线83a-83d的微滤波器特性63a-63d为特征。
如果这样的GCMY滤波器58与具有整体透射特性29的本发明的滤光器1组合，GCMY滤波器58的每个微滤波器61透射由滤光器1提供的全部四个光谱通带45。对波长15绘制的滤波后的强度分布77b以GCMY滤波器58的对应微滤波器特性63a-63d与由滤光器1提供的光谱梳47的的乘积为特征。
微滤波器61的透射曲线83a-83d因此用作光谱梳47的包络函数85。
图6示出本发明的多光谱成像系统87的示意性工作原理及其简化的装配。
多光谱成像系统87包括反射入射到多光谱成像系统87上的光13的多色镜89。
多色镜89具有具有至少三个不同反射率的光谱区域的反射特性(未示出)，其中不同反射率的光谱区域沿波长轴交替(与包括分离高反射光谱带和非反射光谱带的带边沿的分色镜相反)。
多色镜89位于三个棱柱元件90之间的界面处，并朝着三个各自被提供有滤光器1的照相机53反射光13。
滤光器1被实施为是可调谐的，以便第一照相机53a被使用第一光谱梳47a照明，第二照相机53b被使用第二光谱梳47b照明，且第三照相机53c被使用第三光谱梳47c照明。
图6示出独立于光谱梳47a-47c的偏移，各个光谱通带45在每个滤光器1的整体透射特性29中彼此等间距地间隔。因此，光谱通带45不能被单独地选择。
可以期望实时执行在四个测量波长91a-91d(在第一光谱梳47a的整体透射特性29的图中指示)处的多光谱检测或成像。由于测量波长91a-91b不是彼此等间距地间隔的，一个光谱梳47不允许实时检测全部测量波长91a-91b。
因此，通过具有第二光谱梳47b的第二照相机53b的应用，可以检测测量波长91c，且通过产生第三光谱梳47c的第三照相机53c的应用，可以与测量波长91a和91d同时地检测测量波长91b。
在图6的右手侧对波长15绘制生成的多光谱成像系统93的整体感光度。所述多光谱成像系统93的整体感光度是缓解光谱通带之间的等间距间隔的限制的一种方法。其允许由每个成像传感器59测量的光谱通带45的独立选择。
还应当注意的是，图6仅示出本发明的多光谱成像系统87的示意性工作原理，其中，在真实装配中，可以在棱柱元件90、滤光器1和照相机53之间要求附加的光学元件。