DE2261526A1

DE2261526A1 - Abtastanordnung zur navigationshilfe

Info

Publication number: DE2261526A1
Application number: DE19722261526
Authority: DE
Inventors: Joseph Henry Keahey; Thomas Richard Patrick
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1971-12-17
Filing date: 1972-12-15
Publication date: 1973-06-28
Also published as: JPS4868000A; FR2163746B1; GB1417176A; FR2163746A1

Description

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
13500 North Central Expressway
Dallas, Texas, V. St.A.

Abtastanordnung zur Navigationshilfe

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Abtastanordnung und insbesondere auf eine Infrarotabtastanordnung für die Verwendung als Navigationshilfe für Fahrzeuge bei schlechten ■Sichtverhältnissen. ."""

Bekannte Navigationshilfen .zur Verwendung bei schlechteniSichtverhältnissen waren in erster Linie auf Funkfeuer und Radarsysteme beschränkt. Diese Systeme sind im allgemeinen darauf beschränkt, eine Kursinformation von Merkmalen des Geländes zu liefern, über die das Fahrzeug gelenkt werden soll. Diese Eigenschaften verhindern im allgemeinen die Anwendung dieser Systeme beispielsweise beim Landen von Flugzeugen bei einer nahe bei Null liegenden. Sichtweite, da diese Systeme keine angemessene Höheninformation in Bezug auf die Eigenschaften des Geländes liefern. Beispielsweise liefern diese Systeme gewöhnlich, keine' Höheninformation für Gebäude oder andere Hindernisse, die in der Bahn des Flugzeugs liegen können. Außerdem erfordern viele dieser Systeme die Anbringung von Einrichtungen sowohl am Boden

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als auch im Flugzeug. Dieses Merkmal macht es schwierig, diese Systeme an entfernten Orten aufzustellen. Im Gegensatz dazu liefert die nach der Erfindung ausgebildete Abtastanordnung ein Bild des Geländes, das die richtige Höhen- und Winkelinformation aller sichtbaren Merkmale des Geländes in einem im Weg des Fahrzeugs liegenden Bereich liefert. Dieses Bild wird von einem 'Infrarotabtaster erzeugt, der das Gelände in der Bahn des Fahrzeugs abtastet und ein Bild erzeugt,das eine Reproduktion der Geländemerkmale darstellt. Diese Reproduktion des Geländes wird auf einen Schirm projiziert, der vom Fahrer des Fahrzeugs betrachtet werden kann.

Mit Hilfe der Erfindung soll also eine Abtastanordnung geschaffen werden, die als Navigationshilfe für ein Fahrzeug bei schlechten Sichtverhältnisser dient. Außerdem soll mit Hilfe der Erfindung eine Abtastanordnung geschaffen werden, die es gestattet mit einem Flugzeug beinahe bei Null liegenden Sichtweiten zu fliegen. Die von der Erfindung zu schaffende Abtastanordnung ist eine passive Anordnung, die den Betrieb von Fahrzeugen bei schlechten Sichtbedingungen ermöglicht. Mit Hilfe der von der Erfindung zu schaffenden Abtastanordnung kann ein interessierendes Gebiet in zwei Teilen so abgetastet werden, daß Signale entstehen, aus denen ein zusammengesetztes Bild der zu betrachtenden Szene erzeugt werden kann. Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Abtastanordnung tastet das Gelände längs der Bahn eines Fahrzeugs ab, und sie erzeugt ein Bild dieses Geländes. Ferner soll mit Hilfe der Erfindung eine Abtastanordnung geschaffen werden, mit der ein interessierendes Gebiet in einem Teil abgetastet werden kann, damit Signale entstehen, aus denen ein Bild der zu betrachtenden Szene erzeugt werden kann.

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Der hier verwendete Ausdruck "Fahrzeug" umfaßt alle angetriebenen Beförderungseinrichtungen, beispielsweise Flugzeuge, Landfahrzeuge und Wasserfahrzeuge.

In*einer AusfUhrungsform der Erfindung wird die von einer zu betrachtenden Szene ausgehende Infrarotstrahlung von einem Spiegel abgelenkt und mit Hilfe eines Linsensystems auf ein Infrarotdetektorfeld fokussiert. Das Infrarotdetektorfeld , die Linsen und der Spiegel werden um eine zur optischen Achse des Feldes senkrechte Achse gedreht, so daß das Infrarotdetektorfeld das in der Bahn des Fahrzeugs liegende Gelände abtastet. Ein kreisförmig gekrümmter Spiegel begrenzt das Gesichtsfeld der Linsen auf 180°« Die Abtastanordnung ist so ausgerichtet, daß sie nach vorne blickt und gleiche Gebiete auf jeder Achse des Fahrzeugs abtastet. Der kreisförmig gekrümmte Spiegel reflektiert das Gesichtsfeld des Detektorfeldes derart, daß das vor dem Fahrzeug liegende Gelände bei jeder 360°-Drehung des Detektorfe?udes zweimal abgetastet wird, wobei das Gesichtsfeld während dieser zwei Abtastzyklen derart ausgerichtet wird, daß die untere Kante des Gesichtsfeldes eines Abtastzyklus mit der oberen Kante des .Gesichtsfeldes des zweiten Abtastzyklus zusammenfällt. Dies bewirkt eine effektive Vergrösserung des Gesichtsfeldes der Abtastanordnung auf das abzutastende Gebiet. Die Ausgangssignale des Detektorfeldes werden verstärkt und an zwei Leuchtdiodenfelder angekoppelt. Das erste Leuchtdiodenfeld erzeugt ein Bild des Bereichs der Szene, der während des ersten Abtastzyklus innerhalb des Gesichtsfeldes der Abtastanordnung liegt. Das zweite Leuchtdiodenfeld erzeugt ein Bild des Bereichs der Szene, der während des- zweiten Abtastzyklus innerhalb des Gesichtsfeldes der Abtastanordnung liegt. Die Ausgangssignale der Leuchtdiodenfelder werden auf

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einen Schirm projiziert, damit ein Bild der betrachteten Szene entsteht.

In einer weiteren AusfUhrungsform der Erfindung werden zwei Linsensysteme auf das Feld aus lichtempfindlichen Dioden fokussiert, und die Gesichtsfelder dieser zwei Linsensysteme werden durch eine Kombination aus Prismen und Spiegeln derart abgelenkt, daß die Gesichtsfelder der zwei Linsensysteme in der Vertikalebene um 180° und in der Horizontalebene um weniger als 180° voneinander abweichen. Ein sphärischer Spiegel ist derart angeordnet, daß das Gesichtsfeld einer der Linsensysteme stets von ihm verdeckt ist. Die Ausgangssignale des Feldes aus lichtempfindlichen Dioden werden verstärkt und an zwei Leuchtdiodenfelder angelegt. Das Ausgangssignal des einen Leuchtdiodenfeldes wird von einer der Linsen zur Wiedergabe eines Bildes der betrachteten Szene auf den oberen Abschnitt des Schirms fokussiert, während das Ausgangssignal des zweiten Leuchtdiodenfeldes von den zweiten Linsen zur Wiedergabe eines Bildes der betrachteten Szene auf den unteren Abschnitt des Schirms fokussiert wird. Da die Gesichtsfelder der zwei Linsensysteme in der Vertiklebene in Bezug zueinander kleiner als 180° sind, können diese Gesichtsfelder so eingestellt werden, daß der Betrachtungswinkel der Abtastanordnung gleich der Summe der Betrachtungswinkel der zwei Linsensysteme ist. Dadurch entsteht ein Bild der von der Abtastanordnung betrachteten Szene, bei dem das Gesichtsfeld der Anordnung im wesentlichen gleich der Summe der Gesichtsfelder der zwei Linsensysteme ist.

In einer weiteren AusfUhrungsform der Erfindung wird zum Fokussieren von Infrarotenergie auf einem Detektorfeld

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ein einziges Linsensystem verwendet. Im Gesichtsfeld der Linsen liegen zwei Ablenkspiegel, die das Gesichtsfeld in zwei Teile aufteilen, die in Bezug zueinander in der Vertikalebene um 180° und in der Horizontalebene um weniger als 180° voneinander abweichen. Ein sphärischer Spiegel wird dann so angebracht, daß er die Infrarotstrahlung ständig daran hindert, auf einen der Ablenkspiegel zu fallen. Das Ausgangssignal des Detektorfeldes wird verstärkt und an zwei Leuchtdiodenfelder angekoppelt. Das Ausgangssignal des einen Leuchtdiodenfeldes wird auf einen Schirm fokussiert, damit ein Bild der Szene entsteht, die dann betrachtet wird, wenn der Spiegel, der den höchsten Betrachtungswinkel erzeugt, nicht vom sphärischen Spiegel verdeckt ist. Das Ausgangssignal des zweiten Leuchtdiodenfeldes wird auf den unteren Abschnitt eines Schirms fokussiert, damit ein Bild der Szene entsteht, die dann betrachtet wird, wenn der den unteren Betrachtungswinkel erzeugende Spiegel nicht vom sphärischen Spiegel verdeckt wird. Die Spiegel sind so eingestellt, daß sich die zwei Bilder zur Erzeugung einer Weitwinkelansicht der von der Abtastanordnung abgetasteten Szene aneinander anfügen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigens

Fig.1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, wobei die Optik in die Gesichtsfeldlage mit hohem Winkel eingestellt ist,

Fig.2 einen Schnitt durch die Ausführungsform von Fig.1, wobei die Optik in die Gesichtsfeldlage mit niedrigem Winkel eingestellt ist_P

Fig.3 eine Ansicht eines Reflektorspiegels,

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Pig.A eine perspektivische Ansicht des Drehteils der Abtastanordnung, ; ■

Fig.5 einen Schnitt durch die Anordnung längs einer horizontalen Achse, .

Fig.6 eine Schnittansicht des Drehteils der Abtastanordnung in einem Winkel von 90° bezüglich der Drehachse,

Fig.7A und 7B Draufsichten auf einen Kreisspiegel,

Fig.8 eine Darstellung, aus der die gegenseitige Beziehung zwischen der Abtastanordnung, dem Bildschirm und dem Fahrer des Fahrzeugs hervorgeht,

Fig.9 eine Draufsicht auf ein Diodenfeld,

Fig.10 eine perspektivische Ansicht eines Linsensystemd zum Fokussieren von Infrarotstrahlung auf ein Detektorfeld,

Fig.11 eine perspektivische Ansicht eines Linsen* und Spiegelsystems zum Aufspalten des Gesichtsfeldes des Infrarotdetektorfeldes in zwei gleiche Teile,

Fig.12 eine Seitenansicht des Linsen- und Spiegelsystems von Fig.11 und

Fig.13 ein Blockschaltbild der Abtastanordnung,

Nach Fig.1 tritt die von der betrachteten Szene ausgesendete Strahlungsenergie in Form von Strahlenbündel 10 und 11 in die Anordnung ein. Der Winkel zwischen diesen zwei Strahlenbündeln 10 und 11 bestimmt das Gesichtsfeld der Abtast-

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anordnung, wenn die Optik so eingestellt ist, wie in dieser Figur gezeigt ist. Die Strahlen dieser Strahlenbündel 10 und 11 werden von einem Spiegel 12 abgelenkt und fallen durch Linsen 13, die sie auf ein Infrarotdetektorfeld 14 fokussieren. Die Ausgangssignale des Infrarotdetektorfeldes 14 werden mit Hilfe von ( in dieser Ansicht nicht dargestellten) Schaltungen verstärkt und an zwei Leuchtdiädenfeider 15 und 20 angekoppelt. Die Ausgangssignale der Leuchtdiodenfelder 15 und 20 werden mit Hilfe von Projektoroptiken 16 und 17 auf einem Anzeigeschirm fokussiert. Die Optiken, das Infrarotdetektorfeld 14 und die Leuchtdiodenfelder 15 und 20 sind mit einem Drehteil verbunden, der von Lagern 21 und 22 gehalten wird. Dieser Drehteil wird von einem Motor angetrieben, so daß das Infrarotdetektorfeld 14 eine innerhalb des Gesichtsfeldes der Abtastanordnung liegende Fläche abtastet«,

Fig.2 zeigt die Abtastanordnung von Fig.1 in dem Zustand, in dem das Infrarotdetektorfeld 14 zu einem Punkt godreht worden ist, in dem sich das Gesichtsfeld des Infrarotdetektorfeldes 14 zu einem niedrigeren Winkel verändert hat. In dieser Figur fallt die von der zu betrachtenden Szene ausgehende Infrarotstrahlung, die durch die Strahlenbündel 23 und 24 wiedergegeben ist, durch eine Linse 25, .■ und sie fällt anschliessend auf einen ersten Spiegel 2¹? Der Spiegel 27 reflektiert diese Strahlenbündel 23 und 24 durch eine zweite Linse 30. Nachdem die Strahlenbündel die Linse 30 durchdrungen haben, werden sie von einem weiteren Spiegel 31 reflektiert , so daß sie auf einen sphärischen Spiegel 32 treffen. Nach der Reflexion durch den sphärischen Spiegel 32 fallen die diese Bündel bildenden Strahlen auf den Spiegel 12 und werden durch die Linse 13, gelenkt, so daß sie von dieser auf das Infrarotdetektorfeld

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fokussiert werden. Aus der Betrachtung der Figuren 1 und ist zu erkennen, daß die Winkel der Strahlenbündel 24 und bezüglich der horizontalen Achse 35 im wesentlichen gleich sind. Dadurch können die von dem Infrarotdetektorfeld 14 ausgehenden Signale verstärkt und an das Leuchtdiodenfeld angekoppelt werden, damit ein Bild der von einer vom Strahlenbündel 24 zum Strahlenbündel 10 reichenden Fläche gebildeten Szene erzeugt wird.

Fig.3 zeigt eine Ansicht des Spiegels 31. Der reflektierende Abschnitt dieses Spiegele ist bei 34 angegeben. Der reflektierende Absdnitt wird von einer größeren Anordnung gehalten, die für Infrarotstrahlung durchlässig ist. Diese Anordnung kann beispielsweise aus Germanium bestehen. Der reflektierende Abschnitt 34 ist so geformt, daß die Infrarotstrahlung möglichst wenig gestört wird, wenn sich die Optik in der in Fig.1 dargestellten Lage befindet, und daß im wesentlichen die gesamte Infrarotstrahlung innerhalb des Gesichtsfeldes des Infrarotdetektorfeldes 14 abgelenkt wird, wenn sicii die Optik in der in Fig.2 dargestellten Lage befindet. Dieses Verhalten kann deshalb verwirklicht werden, weil das zusammengeklappte Teleskop aus den Linsen 25 und 30 in der in Rg.2 dargestellten Lage der Optik die von der betrachteten Szene ausgehende Energie so konzentriert, daß das Gesichtsfeld des Infrarotdetektorfeldes 14 beim Projizieren durch die Optik auf die Fläche des Spiegels 31 auf den reflektierenden Abschnitt 34 begrenzt wird. Im Gegensatz dazu bedeckt der reflektierende Abschnitt 34 in der Stellung der Optik von Fig.2 nur etwa ^15% des Gesichtsfeldes des Infrarotdetektorfeldes, wenn dieses Gesichtsfeld auf die Oberfläche des Spiegels 31 projiziert wird.

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Das Ausgangssignal des Infrarotdetektorfeldes 14 wird, wie "bereits erwähnt wurde, verstärkt und an zwei Leucht-,diodenfeider 15 und 20 angekoppelt. Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, sind diese Felder in unterschiedlichen Winkeln bezüglich der Drehachse 35 des Infrarotdetektorfeldes 14 angeordnet. Das Ausgangssignal des Leuchtdiodenfeldes 15 wird mit Hilfe von Projektoroptiken 16 und 17 auf einen Schirm projiziert, so daß bei einer Stellung der Optiken nach Fig.1 ein Bild eines ersten Abschnitts der abgetasteten Szene erzeugt wird. Wenn die Optiken die in Fig.2 dargestellte Lage einnehmen, wird das Ausgangssignal des Leuchtdiodenfeldes 20 auf einen zweiten Teil des Schirms projiziert, damit ein Bild eines zweiten Abschnitts der abgetasteten Szene entsteht. Die relativen Winkel dieser Leuchtdiodenfelder 15 und 20, der Projektoroptiken 16 und 17 und des Gesichtsfeldes des Infrarotdetektorfeldes 14 sind in Bezug zueinander und in Bezug auf den ( in dieser Figur nicht dargestellten)Bildschirm so eingestellt,daß sich die zwei Bilder aneinander anschliessen und ein Gesamtbild der abgetasteten Szene erzeugen, wenn sich das Infrarotdetektorfeld 14 um 36O° dreht.

In Fig.4 ist der Drehteil der Abtastanordnung mit Ausnahme · bestimmter Teile der Optiken dargestellt. In dieser Figur ist ein Dewar-Gefäß 40 gezeigt, in dem das Infrarotdetektorfeld 14 angebracht ist. In dieser Ansicht ist das Infrarotdetektorfeld 14 nicht zu erkennen. Das Dewar-Gefäß 40 ist an einem Ende eines Kühlaggregats 41 befestigt, das in einem Stirling-Zyklus arbeitet. Das Dewar-Gefäß 40 enthält einen Kühlfinger 42, der sich durch den Hals des Dewar-Gefässes 40 erstreckt und am Kühlaggregat 41 befestigt ist. Das Infrarotdetektorfeld 14 ist an diesem Kühlfinger angebracht. Das Kühlaggregat 41 ist von einem Wärmeaustauscher 43 umgeben. Zur Wärmeabfuhr von dem Kühl-

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aggregat 41 zirkuliert Luft durch den Wärmeaustauscher 43. Um den Wärmeaustauscher 43 ist ein Halterungsteil 44 angebracht. Die Außenseite des Halterungsteils 44 ist mit einer Reihe von ebenen Flächen 45 ausgestattet.

An Jeder dieser ebenen Flächen 45 ist eine Aufnahmeplatte angebracht; in der Darstellung ist jedoch nur eine dieser Aufnahmeplatten gezefet. An jeder dieser Aufnahmeplatten 50 sind mehrere Anschlußglieder 51 befestigt. An jedem Ende der Aufnahmeplatte 50 ist ein Kabel 52 angeschlossen} das seinerseits mit den Leuchtdiodenfeldern 15 und 20 verbunden ist.

Die Anschlußglieder 51 stellen eine zweckmässige Einrichtung dar, mit der Schaltungsplatten 53 befestigt werden können. Die Schaltungsplatten 53 werden dadurch angebracht, daß die komplementären Hälften der Anschlußglieder 51 an den Schaltungsplatten angebracht werden und daß die zwei Hälften der Anschlußglieder 51 dann ineinandergesteckt werden. Das obere Ende ausgewählter Schaltungsplatten 53 ist mit zweiten Anschlußjliedern 54 versehen. Die zwei ten Hälften der Anschlußglieder 54 sind mit einem Kabel 55 verbunden. Das Kabel 55 verbindet die Schaltungsplatten 53 je nach Bedarf.

Der untere Teil des Dewar-Gefässes 40 ist von Schaltungsplatten 53 umgeben. Jede dieser Schaltungsplatten ist unter Verwendung von Anschlußgliedern 61 in eine Aufnahmeplatte eingesteckt. Die Aufnahmeplatte 60 1st mit dem Infrarotdetektorfeld 14, das sich in dem Dewar-Gefäß 40 befindet, über ein Kabel 62 verbunden. Es ist zwar nur ein solches Kabel 62 dargestellt, doch sind mehrere Kabel 62 erforderlich, da längs jeder ebenen Fläche 45 des Halterungsteils 44 Schaltungsplatten 53 angebracht sind. Da die

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Schaltungsplatten 53 rotieren, können zum Festhalten der Platten (nicht dargestellte) Halterungen erforderlich

Fig.5 zeigt einen Schnitt durch den Drehteil der in Fig.1 und Fig.2 dargestellten Abtastanordnung mit Ausnahme von Teilen der Optik. Aus Fig.5 ist zu erkennen, daß das Dewar-Gefäß mit einem Ende des Kühlaggregats 41 verbunden ist und daß die Leuchtdiodenfelder 15 und 20 mit dem anderen Ende des Kühlaggregats 41 verbunden sind. Das Kühlaggregat 41 ist von einem Wärmeaustauscher 43 umgeben. Rund um den Wärmeaustauscher 43 sind, das Halterungsteil 44 und die Schaltungsplatten 53 angebracht. Mit dem Drehteil der Abtastanordnung ist der Rotor 63 eines Antriebsmotors verbunden. Der Stator 64 des Antriebsmotors ist mit dem Gehäuse 65 der Abtastanordnung verbunden. Versorgungsenergie und Steuersignale werden der Abtastanordnung über mehrere Schleifringe 70 zugeführt.

In der Ansicht von Fig.5 ist auch ein Gebläse 71 zu erkennen, mit dessen Hilfe Kühlluft durch den Wärmeaustauscher 43 und über die Schaltungsplatten 53 transportiert wird.

Die Ausgangssignale der Leuchtdiodenfelder 15 und 20 werden mit Hilfe von Projektoroptiken 16 und 17 auf einen ( in dieser Figur nicht dargestellten)Schirm, fokussiert.

In Fig.6 ist die Abtastanordnung in einem Schnitt längs einer zur Drehachse 35 senkrechten Linie dargestellt. Es ist aus dieser Figur zu erkennen, daß die Schaltungsplattenreihen bezüglich der Drehachse 35 symmetrisch angeordnet sind. Auch Stromversorgungen 72 zur Abgabe der Energie zum Betreiben der elektronischenßaugruppen

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sind symmetrisch "bezüglich der Drehachse 35 angeordnet. Die sich drehenden Teile sind in einem zylindrischen Innengehäuee 73 untergebracht, und das Innengehäuee 73 befindet sich in einem dazu exzentrisch liegenden Aussengehäuse 74. Dadurch entsteht zwischen dem Innengehäuse und dem Aussengehäuse 74 Platz für die Kühlgebläse 71.

Fig.7A zeigt typische Infrarotstrahlen A und B, die direkt in dieAbtastanordnung eintreten Fig.7B zeigt Infrarotstrahlen C und D, die durch das Teleskop in die Abtastanordnung eintreten. In diesen Figuren ist auch eine Bezugstemperaturquelle 75 in ihrer relativen Lage bezüglich des sphärischen Spiegels 32 gezeigt. Die Bezugstemperaturquelle wird zur Wiedergewinnung der Gleichspannungskomponente des Videosignals verwendet, wie später noch erläutert wird.

Wie aus den Figuren 7A und 7B hervorgeht, treffen die direkt eintretenden Strahlen A und B nicht auf den sphärischen Spiegel 32, während die Strahlen C und D, die durch das Teleskop eintreten, auf den sphärischen Spiegel 32 treffen, von dem sie durch Linsen 32 reflektiert werden und auf das Infrarotdetektorfeld 14 fallen.

Fig.8 zeigt die Lage der Abtastanordnung 80 bezüglich des Fahrers des Fahrzeugs. Die Abtastanordnung 80 ist normalerweise so angebracht,daß sie durch das Fahrzeugdach ragt und der Anzeigeschirm 81 befindet sich vor dem Fahrer. Der Anzeigeschirm 81 ist in der Horizontalebene kreisbogenförmig und in der vertikalen Ebene elliptisch gekrümmt, damit die auf ihn fallende Energie etwa bei den Augen des Fahrers fokussiert wird. Die Oberfläche des Anzeigeschirms 81 kann geringfügig uneben ausgeführt sein, damit die Energie leicht gestreut wird, so daß der Fahrer seinen Kopf geringfügig bewegen kann, ohne eine merkliche Verringerung der Intensität des Bildes zu verursachen.

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Fig.9 zeigt eine Ansicht eines Diödenfeides,das entweder für das Infrarotdetektorfeld 14 oder für die Leuchtdiodenfelder 15 und 20 verwendet werden kann. Die. diese Felder bildenden Dioden sind zweckmässigerweise in-, zwei Gruppen mit einer gemeinsamen Katodenverbindung 83 und mit einzelnen Anodenanschlüssen 84 für jede Gruppe ausgestattet, wobei Halbleiterzonen 82 die einzelnen Dioden bilden.

Das in Fig.9 dargestellte Feld eignet sich für die
Verwendung als Infrarotdetektorfeld 14 oder als Leuchtdiodenfelder 15 und 20. Im allgemeinen sind die die
Leuchtdiodenfelder 15 und 20 bildenden Dioden Jedoch
räumlich größer ausgeführt als die das Infrarotdetektor-'· feld 14 bildenden Dioden. Es sei darauf hingewiesen, daß die Zahl der Dioden des Infrarotdetektörfeldes 14 gleich der Zahl der in den Leuchtdiodenfeidern 15 und 20 verwendeten Dioden ist. Das Auflösungsvermögen der
Abtastanordnung wird von der Größe der Dioden des
Infrarotdetektörfeldes 14 bestimmt, wobei kleinere
Dioden ein größeres Auflösungsvermögen ergeben*

Das Infrarotdetektorfeld 15 kann unter Verwendung
eines Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Hälberleitermaterials hergestellt werden, während die Leuchtdioden 15 und 20
durch Diffundieren von Störstoffen im Galliumarsenid
gebildet werden können,

Fig.10 zeigt eine in der Abtastanordnung von Fig.1 und
Fig.2 verwendbare Infrärotoptik* Die in Fig, 10 dargestellte Infrarotoptik tritt an die Stelle der Linsen 25, 30 und 13 und an die Stelle der Spiegel 31, 12 und 2? der Figuren und 2.

Die Infrarotoptik von Fig.10 enthält zwei Linsensysteme. Das erste Linsensystem enthält Linsen 85 und 90. Das zweite

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Linsensystem enthält Linsen 91 und 92. Es sind zwei typische parallele Strahlen 105 und 106 einer Infrarotstrahlung dargestellt, die in das erste Linsensystem eintreten. Diese Strahlen 105 und 106 werden von einem Prisma 95 und einem Spiegel 93 abgelenkt, und von den Linsen 85 und 90 auf das Infrarotdetektorfeld 14 fokussiert. Zwei typische parallele Strahlen 107 und 108 treten gemäß der Darstellung durch das zweite Linsensystem in die Abtastanordnung ein. Diese Strahlen werden vom Spiegel 94 abgelenkt, und durch die Linsen 91 und 92 auf das Infrarotdetektorfeld 14 fokussiert.

Wie oben bereits erwähnt wurde, ersetzt die in Fig.10 dargestellte Optik die Linsen und Spiegel der Figuren 1 und 2. Bei der richtigen Lage in der Anordnung schirmt der sphärische Spiegel 32 ständig eine der Linsen ab» so daß die Infrarotstrahlung in die Anordnung nur aus einer Richtung eintritt. Die Spiegel 93 und 94 sind so ausgerichtet, daß die Strahlen 105 und 107 in einer vertikalen Ebene um 180° voneinander verschieden verlaufen. Das Prisma 95 lenkt die parallelen Strahlen 105 und 106 derart nach unten, daß die Optik die Szene in der oben im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen Weise abtastet.

Das Ausgangssignal des Infrarotdetektorfeldes 14 ist ein zusammengesetztes Signal, das sich aus der vom sphärischen Spiegel 32 reflektierten Infrarotenergie und von der gerade abgetasteten Szene ergibt. Der sphärische Spiegel 32 ist so abgeschirmt, daß Schwankungen der auf ihn auftreffenden Infrarotstrahlung auf ein Minimum verringert werden. Unter diesen Umständen stammen im wesentlichen alle Schwankungen der Infrarotstrahlung, die am Infrarotdetektorfeld 14 ankommen, von der abgetasteten Szene.

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Die Ausgangssignale des Infrarotdetektors 14 werden dann verstärkt und an die Leuchtdiodenfelder 15 und 20 entsprechend der oben im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 gemachten Ausführungen angekoppelt. Die Ausgangssignale der Leuchtdiodenfelder 15 und 20 werden mit Hilfe der Projektor-Optiken 16 und 17 zur Erzeugung eines Bildes der abgetasteten Szene auf den Anzeigeschirm projiziert.

Fig.11 zeigt eine weitere Ausführung einer in der beschriebenen Abtastanordnung verwendbaren Optik. Diese Optik ersetzt die Linsen 25, 30 und 13 und die Spiegel 31, 12 und 27 der Figuren 1 und 2.

Die in Fig.11 dargestellte Optik enthält Linsen 95 und 100, die Infrarotstrahlung auf das Infrarotdetektorfeld 14 fokussieren. Das Gesichtsfeld des Infrarotdetektorfeldes 14, das durch die Linsen 85 und 100 projiziert wird, wird von Spiegeln 101 und 102 in zwei Teile geteilt. Die Spiegel und 102 sind so angeordnet, daß die zwei Teile des Gesichtsfeldes des Infrarotdetektorfeldes 14 im Winkel von 180° in der vertikalen Ebene und in einem kleineren Winkel als 180° in der horizontalen Ebene zueinander liegen.

Erste und zweite Infrarotstrahlen 127 und 128 treten in die Abtastanordnung ein und treffen auf den Spiegel 102. Diese Strahlen werden auf das Infrarotdetektorfeld 14 fokussiert. Dritte und vierte Strahlen 137 und 138 treten in die Abtastanordnung ein und tD?effen auf den Spiegel 101, und sie werden dann abgelenkt und mit Hilfe der Linsen 95 und 100 auf das Infrarotdetektorfeld 14 fokussiert. Die Winkel der Spiegel 101 und 102 sind so eingestellt, daß die Winkel der Strahlen 138 und 127 bezüglich der optischen Achse 103 im wesentlichen gleich sind.

Die in Fig 11 dargestellte Optik ersetzt die Linsen und

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Spiegel der Figuren 1 und 2. Der sphärische Spiegel 32 verdeckt eines der Gesichtsfelder. Wenn sich die Abtastanordnung dreht, tastet sie die Szene in zwei Teilen ab. Der erste Teil besteht aus dem Bereich zwischen den Strahlen 127 und 128 , und der zweite Teil besteht aus dem Bereich zwischen den Strahlen 137 und 138.

Das Ausgangssignal des Infrarotdetektorfeldes 14 ist ein Ergebnis der vom. sphärischen Spiegel 32 kommenden Infrarotstrahlung und der von der abgetasteten Szene kommenden Infrarotstrahlung. Vom sphärischen Spiegel 32 wird nur eine sehr geringe Schwankung der Infrarotstrahlung empfangen, so daß im wesentlichen das gesamte Ausgangssignal des Infrarotdetektorfeldes 14 ein Ergebnis der von der abgetasteten Szene kommenden Infrarotstrahlung ist.

Das Ausgangssignal wird zur Erzeugung ^■on Signalen verstärkt, die die zwei Leuchtdiodenfelder 15 und 20 ansteuern. Die Ausgangssignale dieser Leuchtdiodenfelder werden mit Hilfe der Projektoroptiken 16 und 17 zur Erzeugung eines Bildes der abgetasteten Szene auf einen Anzeigeschirm fokussiert. Die Wirkungsweise der Leuchtdiodenfelder und der Projektionsvorrichtungen wurde oben im Zusammenhang mit Fig.1 beschrieben.

Fig.12 zeigt eine zweidimensionale Ansicht der in Fig.11 dargestelltenlnfrarotoptik. Aus dieser Darstellung ist zu erkennen, wie die Spiegel 101 und 102 bezüglich der optischen Achse 103 angeordnet sind, damit das Gesichtsfeld des Infrarotdetektorfeldes 14 in zwei Teile aufgespalten wird.

Wenn die in den Figuren dargestellten Infrarotoptiken in der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Abtastanordnungen verwendet werden, kann der sphärische Spiegel 32 durch eine

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Quelle konstanter Infrarotenergie ersetzt werden. Ein sphärischer Spiegel ist ein Ausführungsbeispiel einer solchen Quelle, da er es erlaubt, daß Infrarotenergie, die auf das Infrarotdetektorfeld 14 fällt, von Punkten des Drehteils ausgehet, die bezüglich des Drehteils ortsfest sind.

Die Funktionsweise der gesamten Abtastanordnung einschließlich der verwendeten Elektronik wird nun im Zusammenhang mit den in Fig.13 dargestellten Blockschaltbild beschrieben. Nach dieser Darstellung tritt Infrarotstrahlung durch die Optik 110 ein, und sie fällt auf das Infrarotdetektorfeld 111. Das Infrarotdetektorfeld 111 besteht entsprechend-der obigen Beschreibung aus mehreren Dioden, die für Infrarotstrahlung empfindlich sind. Jede dieser Dioden benötigt ein Vorspannungssignal, und sie erzeugt Videosignale die die auf die Dioden fallende Infrarotstrahlung anzeigen. Das Vorspannungssignal für jede der Dioden wird von einem Vorverstärker 112 geliefert. Die Videosignale werden ebenfalls vom Vorverstärker 112 verstärkt. Die Videoausgangssignale desVorverstärkers 112 werden an erste und zweite Nachverstärker 113 bzw. 114 angekoppelt. Die Ausgangssignale der Nachverstärker werden an erste und zweite !reiber - und Normalisierungsschaltungen 115 bzw.

120 angekoppelt. Die Aufgabe dieser Treiber- und Normalisierungsschaltungen 115 und 120 besteht darin, die Verstärkung jedes der einzelnen Kanäle, die die Dioden der Leuchtdiodenfelder 115 und 120 ansteuern, so einzustellen, daß der Hintergrund der Anzeige gleichmässig ist. Die Ausgangssignale der Leuchtdiodenfelder 15 und 20 werden über ein erstes Linsensystem

121 bzw. über ein zweites Linsensystem 122 auf einen Anzeigeschirm 123 projiziert.

Wie bereits erwähnt wurde, projiziert das erste Linsensystem 121 das Ausgangssignal des ersten Leuchtdiodenfeldes 15 auf

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den oberen Abschnitt des Anzeigeschirms 123, damit ein erster Teil der Anzeige erzeugt wird, während das zv/eite Linsensystem 122 das Ausgangssignal des zweiten Leuchtdiodenfeldes 20 zur Vervollständigung der Anzeige auf den unteren Abschnitt des Anzeigeschirms 123 fokussiert. Die zwei Abschnitte schliessen sich aneinander an, damit ein Bild der gesamten abgetasteten Szene entsteht.

Die Ausgangssignale des Infrarotdetektorfeldes 111 sind Qleichspannungssignale mit Wechselspannungaanteilen, die die Änderung der an den Dioden, die das Infrarotdetektorfeld 14 bilden, ankommenden Infrarotstrahlung anzeigen. Die 'Gleichspannungskomponente der Signale ist im Vergleich zur Wechselspannungskomponente verhältnismäßig groß, so daß eine Verstärkung dieser Signale in direkt gekoppelten Verstärkern nicht möglich ist. Df.her ist der Vorverstärker 112 ein wechselspannungsgekoppelter Verstärker, und die Gleichspannungskomponente der Signale aus dem Infrarotdetektorfeld 111 wird in den Nachverstärkern 113 und 114 zurückgewonnen.

Die Gleichspannungskomponente wird dadurch wiedergewonnen, daß eine Bezugstemperaturquelle 124 so angeordnet wird, daß sie periodisch innerhalb des Gesichtsfeldes des Infrarotdetektorfeldes 111 liegt. Der Mittelwert des Stroms des Infrarotdetektorfeldes 111 wird von einem Detektorstromfühler 126 im Verlauf von zwei Perioden festgestellt, wobei im Verlauf einer Periode das Infrarotdetektorfeld Infrarotstrahlung von der abgetasteten Szene empfängt, während das Infrarotdetektorfeld 111 im Verlauf der anderen Periode die von der Bezugstemperaturquelle 124 stammende Infrarotstrahlung empfängt. Die sich dabei ergebenden Meßwerte werden in der Bezugstemperatursteuerschaltung

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verglichen, und die Temperatur der Bezugstemperaturquelle 124 wird so eingestellt, daß die zwei Strommessungen im wesentlichen zu gleichen Werten führen. Dies ist notwendig, um die Erzeugung großer Differenzsignale zu vermeiden, wenn das Gesichtsfeld des Infrarotdetektorfeldes 111 von der abgetasteten Szene zu der Bezugstemperaturquelle 124 abgelenkt wird. Wenn große Differenzsignale erzeugt werden, könnten die Verstärkerschaltungen gesättigt werden, und die Arbeitsweise der gesamten Abtastanordnung könnte beeinträchtigt werden.

Die Wiedergewinnung der Gleichspannungskömpnnente wird durch Festklemmen des Ausgangssignals des Vorverstärkers 112. auf einem festen Wert während der Zeit erzielt, in der das Infrarotdetektorfeld 111 Infrarotstrahlung von der Bezugstemperaturquelle 124 empfängt. Der zweckmässigste Wert zum Festklemmen dieser .Signale ist Masse. Das Anklemmen des Ai^sgangssignals des Vorverstärkers 112 an das Fassepotential bewirkt die Wiedergewinnung der Gleichspannungskomponente der Videoausgangssignale des Vorverstärkers 112. Die Ausgangssignale des Vorverstärkers 112 werden in den Nachverstärkern 113 und 114 und in den Treiber- und Normalisierungsschaltungen 115 und 120 weiter verstärkt.

Der Vorverstärker 112 enthält auch für jedenVideokanal eine Verstärkungsregelung. An die Nachverstärker 113 und und an den Vorverstärker 112 sind auch Steuersignale von der Bedienungsplatte der Abtastanordnung angekoppelt, damit der Konstrast und die Verstärkung der Anordnung eingestellt werden können. .

Die Bezugstemperaturquelle 124 kann eine thermoelektrische Kühlvorrichtung sein, die auf einem Kühlkörper befestigt ist. Die Temperatur des Kühlkörpers wird dadurch auf dem vorbestimmten Wert gehalten, daß Strom in einer Richtung

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zum Kühlen des Kühlkörpers durch die thermoelektrische Kühlvorrichtung geschickt wird. Wenn der Strom in der anderen Richtung durch die thermoelektrische Kühlvorrichtung geschickt wird, nimmt die Temperatur des Kühlkörpers zu. Die Bezugstemperatursteuerschaltung 125 steuert den durch die thermoelektrische Kühlvorrichtung fliessenden Strom derart, daß die Temperatur auf dem gewünschten Wert gehalten wird.

Die in den verschiedenen Ausführungen der Abtastanordnung verwendeten Linsen können entweder aus Germanium oder aus Stran-2 hergestellt sein,das ein gepreßtes gesintertes Zinksulfid.ist, das von der Eastman Kodak Company, Rochester, New York vertrieben wird.

Die Optik 110 wird mit Hilfe einer Nadfokussierungsschaltung 130 automatisch eingestellt,damit Brennweitenänderungen der Linsen, die infolge von Temperaturänderungen auftreten, kompensiert werden. Dies ermöglicht die Aufrechterhaltung einer genauen Fokussierung über einen Temperaturbereich von etwa 10° bis 54⁰C ( 50 ° bis 130⁰F).

Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Abtastanordnung können zur Durchführung einer 36o°-Abtastung abgeändert werden, indem der sphärische Spiegel 32 und eines der Leuchtdiodenfelder sowie eine der Infrarotoptiken und eine der Projektoroptiken entfernt werden.

Es kann eine abgeänderte Ausführung der in Fig.11 dargestellten Optik verwendet werden, bei der die zwei Spiegel 101 und durch einen einzigen Spiegel ersetzt werden, der so ausgerichtet ist, daß ähnliche Strahlen wie die Strahlen 137 und 138 von Fig.11 auf eine abgeänderte Ausführung des in Fig.9 dargestellten Infrarotdetektorfeldes 114 fallen. Das abgeänderte

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Detektorfeld ist dabei so ausgebildet, daß das in Fig.9 dargestellte Infrarotdetektorfeld 14 im wesentlichen in zwei gleiche Teile in der Längsrichtung des Feldes aufgeteilt wird, wobei das abgeänderte Detektorfeld nur aus einem dieser zwei Teile besteht. Der einzige Spiegel, der die Spiegel 137 und 138 ersetzt,wird weitergeschaltet, so daß er eine offensichtliche Verschiebung der abgetasteten Szene ergibt. Die Verschiebung erfolgt dabei in der Längsrichtung des abgeänderten Detektorfeldes,und die Größe der Verschiebung ist gleich dem momentanen Gesichtsfeld eines Detektors-.-Dies erfolgt bei abwechselnden 36o°-Drehungen des Drehteils. Das Weiterschalten des Spiegels ermöglicht es der Optik, ein vollständiges 36O°-Gesichtsfeld in zwei Umdrehungen des Drehteils abzutasten, wobei im Vergleich zu einer Anordnung ohne Spiegelweiterschaltung bei Verwendung einer ähnlichen Optik zusammen mit dem Infrarotdetektorfeld 14 eine weniger umfangreiche Vidooverarbeitungsschaltung erforderlich ist. Eine gleichartige Weiterschaltung der zum Projizieren des Leuchtdiodenfeldes verwendeten Optik erzeugt dabei das richtige Bild der abgetasteten Szene. Eine weitere Ausführung der Abtastanordnung ist an eine Feuerleitsteuerung zum Steuern und Verbessern der Genauigkeit der Wirksamkeit von Waffen, wie Maschinengewehren, Raketen und Kanonen angepaßt. Bei dieser Ausführung wird ein Feuerleitfadenkreuz vorgesehen, das eine Visiervorrichtung für Bordwaffen bildet. '

Patentansprüche

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Claims

P dtentansprüche

1. Abtastanordnung zur Navigationshilfe, gekennzeichnet durch eine Schaltung zur Erzeugung von Signalen, die die Merkmale erster und zweiter Abschnitte einer Fläche anzeigen, über die ein Fahrzeug gelenkt werden soll, und eine diese Signale empfangend3 Anzeigevorrichtung zur Erzeugung erster und zweiter Bilder, wobei das erste Bild die Merkmale des ersten Abschnitts der Fläche und das zweite Bild die Merkmale des zweiten Abschnitts der Fläche wiedergibt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Optik vorgesehen ist, die die von dem ersten Abschnitt der Fläche empfangene Strahlungsenergie auf einen Detektor fokussiert, und die von dem zweiten Abschnitt der Fläche in einer zweiten Lage des Detektors auf dem Detektor fokussiert, so daß erste und zweite Signale entstehen, die die Merkmale der ersten und zweiten Abschnitte der Fläche angeben, über die das Fahrzeug gelenkt werden soll.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ein rotierender Detektor ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu überquerende Fläche die Erde ist, und daß die Optik einen ersten Spiegel und eine Linse zum Ablenken und fokussieren der von den ersten Abschnitten der Erdoberfläche stammenden Strahlungsenergie auf dem Detektor enthält.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik zweite und dritte Linsen enthält, die mit einem zweiten Spiegel optisch in Verbindung stehen, daß ein dritter Spiegel im wesentlichen dicht beim Brenn punkt der zv/eiten und dritten Linsen und eines vierten

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Spiegels angebracht ist und daß der dritte und der vierte Spiegel Strahlungsenergie von den zweiten und dritten Linsen empfängt und derart ablenkt, daß sie auf den ersten Spiegel fällt. '

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Spiegel ein sphärischer Spiegel ist.

7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik erste und zweite Ablenksysteme zum Fokussieren von Strahlungsenergie, die aus ersten und zweiten Richtungen kommt, auf den Detektor und daß die Ablenksysteme so angeordnet sind, daß wenigstens eines Strahlungsenergie von einem sphärischen Spiegel in allen Positionen des rotierenden Detektors empfängt.

8. Anordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Prisma, das eins Strahlung aus einer der Richtungen derart ablenkt, daß diese Richtung um einen vorbestimmten Wert von der zweiten Richtung in einer parallel zur Drehachse des Detektors verlaufenden Ebene abweicht.

9. Anordnung nach Anspruch 2, daurch gekennzeichnet, daß das optische System erste und zweite Linsen zum Fokussieren von Strahlungsenergie auf den Detektor und erste und zweite Spiegel zum Teilen des Gesichtsfeldes des ersten Detektors in erste und zweite, im wesentlichen gltiehe Abschnitte aufspaltet.

0. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß dieAnzeigevorrichtung ein Feld aus lichtemittierenden Elementen zur Urzeugung der ersten und zweiten Bilcler enthält.

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11. Anordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Projektoreinrichtungen zum Projizieren der ersten und zweiten Bilder auf einen Schirm.

12. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsenergie im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums liegt.

13. Anordnung nach Anspruch 91 dadurch; gekennzeichnet, daß das Feld der lichtemittierenden Elemente und die Projektoreinrichtungen zur gemeinsamen Drehung mit dem Detektor verbunden sind.

14. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm in einer Ebene kreisbogenförmig und in einer zweiten Ibene elliptisch gekrümmt ist.

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