DE2224275B2

DE2224275B2 - Vorrichtung zur bilderzeugung mit einer detektoranordnung

Info

Publication number: DE2224275B2
Application number: DE19722224275
Authority: DE
Inventors: Peter Los Angeles Calif Laakmann (V St A) H04n 9 44
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1971-05-28
Filing date: 1972-05-18
Publication date: 1973-06-28
Also published as: GB1361144A; DE2224275C3; IT958071B; FR2139972A1; JPS5141532B1; IL39389A; NL158675B; AU457159B2; SE371694B; US3723642A; IL39389A0; NL7207015A; AU4249972A; DE2224275A1; FR2139972B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bilderzeugung mit einer aus einer Anzahl von Detektorelementen bestehenden Detektoranordnung, einer Einrichtung zum Abtasten eines Blickfeldes in zwei Dimensionen und Projizieren der empfangenen Strahlung auf die Detektoranordnung und einer zur Abtasteinrichtung synchronisierten Einrichtung zur bildlich!.·! Wiedergabe der Ausgangssignale der Detektoranordnung.

Bekannte Vorrichtungen zur Bilderzeugung, wie beispielsweise fnfrarotsysteme, machen von einer mehr oder weniger linearen Anordnung von Detektoren Gebrauch, die so orientiert sind, daß sie eine Dimension des Blickfelde:» bedecken. Das Ausgangssignal jedes Detektorelementes wird individuell verstärkt und mit den anderen Signalen zur Erzeugung einer einzelnen Videozeile vereinigt oder es werden die Ausgangssignale einzeln einer Gruppe von lichtemittierenden Festkörper- oder Plasuiadioden zugeführt. Die Gruppe wird dann über das Blickfeld mit relativ geringer Geschwindigkeit in einer geradlinigen, kreisförmigen oder halbkreisförmigen Bewegung hinweggeführt. Ein entsprechend angetriebenes oder synchronisiertes Sichtgerät kann dann das Bild rekon-

struieren, wie es in der Brennebene der Detektoranordnung erscheint.

Die Eigenschaften dieser bekannten Vorrichtungen zur Bilderzeugung haben sich für viele Anwendungszwecke als ausreichend erwiesen. Diese Vorrichtun- gen haben jedoch für andere Anwendungszwecke gewisse Nachteile hinsichtlich des Kostenaufwandes. Insbesondere die Tatsache, daß eine Gruppe von Detektorelementen verwendet wird, um eine Dimension des Rasters abzutasten, führt zu Schwierigkeiten bei der Signalverarbeitung und erfordert Detektoranord nungen, die eine große Anzahl von Detektorelementen gleicher Eigenschaften aufweisen. Die Kompliziertheit solcher Vorrichtungen ergibt sich aus der Gefahr einer Rasterverschiebung, aus Ausgleichspmblemen sowie Problemen der Wiedereinführung eines Gleichspannungspegels die alle bei den bekannten Vorrichtungen auftreten.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bilderzeugung der

eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die kosteneffektiver ist als die bisher bekannten Vorrichtungen, einen relativ unkomplizierten Aufbau und eine verbesserte Zuverlässigkeit aufweist. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Vorrichtung keine besonderen

Maßnahmen hinsichtlich der Übervachung der Lage des Blickfeldes und der Raster-Abtastgeschwindigkeit erfordern.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Einrichtung zur Verarbeitung der Ausgangssignale der einzelnen Detektorelemente der Detektoranordnung vorhanden ist, die eine Summierung der aus dem gleichen Abschnitt des Blickfeldes stammenden Ausgangssignale eines jeden der Detektorelemente bewirkt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine kurze lineare Anordnung von Detektorelementen parallel zur Zeilenrichtung des Rasters orientiert, so daß jedes Element der Detektoranordnung das ganze Blickfeld optisch abtastet. Die Ausgangssignale der verschiedenen Detektorelemente werden als Funktion der Stellung jedes Elementes innerhalb der Detektoranordnung und der Zeilen-Abtastgeschwindigkeit verzögert. Die verzögerten Bildsignale eines jeden Detektorelementes, die aus dem gleichen BiIdabschnitt stammen, tragen zur Verbesserung der Auflösung oder des Signal-Rausch-Verhältnisses bei.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung findet die Videoverarbeitung, wie beispielsweise die Kontraststeuerung und die Frequenzbereichswahl, in einem einzigen Kanal statt, wodurch die Probleme der Rasterverschiebung sowie Ausgleichsprobleme und die Notwendigkeit für eine Wiedereinführung des Gleichspannungspegels vermindert werden.

Die Qualität des erfindungsgemäßen Systems ist vergleichbar mit derjenigen der besten bekannten Vorrichtungen, obwohl eine bedeutende Verminderung der Kosten für eine solche Vorrichtung erzielbar ist. Die nachstehend aufgeführten Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung führen zu einem weniger komplizierten Aufbau und zu einer erhöhten Zuverlässigkeit. Diese Vorteile bestehen darin, daß die Probleme der Rasterverschiebung, des Ausgleiches und der Einführung eines Gleichspannungspegels im wesentlichen eliminiert sind, weil alle Teile des Bildes von allen Detektorelementen abgetastet werden. Die Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die Gleichheit der Detektorelemente sind bedeutend vermindert, weil die Ausgangssignale aller Detektoren zu einem zusammengesetzten Videosignal integriert werden. Die Anzahl der Detektorelemente kann entsprechend dem gewünschten Maß an Auflösung ausgewählt werden, wodurch sich ein großer Spielraum hinsichtlich der Bemessung des Bildfeldes sowie der Abtastgeschwindigkeit ergibt. Endlich kann die Videove: übeitung in einem einzigen Kanal erfolgen, wodurch die Schaltungsanordnungen zur Kontraststeueimig vereinfacht und das Frequenzvei halten dieser Schaltungsanordnungen verbessert werden kann.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestcllen Ausführungsbeispieles Es zeigt

1 ι g. 1 das Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Bilderzeugung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teiles einer optischen Abtasteinrichtung, die zur Anwendung in der Vorrichtung nach Fig. 1 geeignet ist,

Fig. 3 das Blockschaltbild eines Teiles einer linearen Detektoranordnung in Verbindung mit zur Signalverarbeitung dienenden Schaltungskreisen der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 4« eine Darstellung verschiedener Wärmequellen im Blickfeld der Vorrichtung nach F i g. 1 und

Fig. 4bein Zeitdiagramm von Signalen, wie sie in der Vorrichtung nach Fig. 1 auftreten, wenn im Blick^feld dieser Vorrichtung die Wärmequellen nach Fig. 4a vorhanden sind.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt eine optische Abtasteinrichtung 10, die ein Blickfeld 12 in Form eines zweidimensionalen Rasters 14 abtastet und ein stationäres Strahlungsbündel 16 auf die Brennebene 20 einer Detektoranordnung 18 richtet. Die Detektoranordnung 18 besteht aus einer linear angeordneten Gruppe von Detektorelementei., welche auf die Intensität des Strahlungsbündels 16 ansprechen und als Funktion der Strahlungsintensität Bildsignale liefern. Um die Zeichnung übersichtlich zu halten, sind nur vier Detektorelemente dargestellt. Es versteht sich jedoch, daß die Detektoranordnung 18 so viel Detektorelemente enthalten kann, wie es zum Erreichen der gewünschten Auflösung erforderlich ist. In der Praxis werden zweckmäßig 25 bis 50 Detektorelemente verwendet, obwohl auch eine größere oder kleinere Anzahl Detektorelemente benutzt werden kann.

Das Ausgangssignal jedes Detektorclements wird von einem rauscharmen Verstärker 22 mit hohem Verstärkungsgrad einzeln verstärkt und dann einer Summier, "mrichtung 24 zugeführt. Die Summiereinrichtung 24 verzögert die von den einzelnen Detcktorelementen gelieferten Bildsignale in solcher Weise, daß die von dem gleichen Abschnitt eines Bildes stammenden Signale zeitlich zusammenfallen. Die in der Summiereinrichtung 24 verzögerten und kombinierten Videosignale weiden dann auf einer Leitung 26 einer Verstärker- und Filtereinheit 28 zugeführt, in der die verzögerten Videosignale verstärkt und gefiltert werden, bevor sie dem Sichtgerät 30 zugeführt werden. Das Sichtgerät 30 kann nach Art eines Fernsehsichtgerätes mit einer Kathodenstrahlröhre ausgebildet sein, das Horizontal- und Vertikal-Synchronisationsimpulse und Rücksprung-Austastsignale von der optischen Abtasteinrichtung 10 empfängt. Statt dessen könnte das Sichtgerät 30 auch eine zweidimensionale Anordnung von lichtemittierenden Festkör-

'5 per- oder Plasma-Dioden mit Zeitmultiplexschaltungen enthalten, die von den Horizontal- und Vertikal-Synchronisationssignalen gesteuert werden.

Eine Ausführungsform einer geeigneten optischen

Abtasteinrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. Wie ersichtlich, wird von c . ser Abtasteinrichtung das Blickfeld 12 in einem zweid^::nensionalen Raster mit Hilfe eines Spiegels 31 für die Vertikalabtastung und einer prismatischen, ioticrendcn Spiegelanordnung 32 für die Horizontalabtastung abgetastet. Die Spiegelan-

^a5 Ordnung 32 wird von einem Motor 34 angetrieben, der auch ein Getriebe 36 antreibt, das zum Antrieb des Spiegels 31 für die Verlikalabtastung dient.

Der Spiegel 30 für die Vertikalabtastung ist um eine Achse 38 mit Hilfe einer Nockenanordnung 40 schwenkbar, die ein Folgeglied 42 und eine Nockenscheibe 44 mit einem linear ansteigenden Abschnitt umfaßt. Die Nockenscheibe 44 ist auf einer Welle 46 befestigt, auf der auch ein Zahnrad 48 des Getriebes 36 sitzt. Das Folgeglied wird durch eine nicht näher dargestellte Federanordnung am Umfang der Nokkenscheibe 44 in Anlage gehalten.

Die aus dem Blickfeld 1? einfallende Strahlung wird zunächst an einer Spiegelfläche der rotierenden Spiegelanordnung 32. beispielsweise an der Spiegelfläche 50, und dann an dem eine Schwingbewegung ausführenden Spiegel 31 für die Vertikalabtastung reflektiert. Die an dem Spitzel 31 reflektierte Strahlung fällt durch eine Linse 52 auf die Brennebene 20 der Detektoranordnung 18 (Fig. 1) und wird in dieser Brennebene von der Linse 52 fokussiert. Die Abtasteinrichtung nach Fig. 2 kann beispielsweise so ausgebildet werden, daß sie ein Abtastraster mit 525 horizontalen Zeilen pro Bild, 15 Bildern pro Sekunde und einem Blickfeld von 30° auf 45° liefert. Zwischen den horizontalen und vertikalen Abtastgeschwindigkeiten kann ein nicht ganzzahliges Verhältnis vorliegen, um ein verschachteltes Abtastraster zu erzeugen.

Die in Fig. 2 dargestellte Abtasteinrichtung weist keine Mittel zur Erzeugung von Synchronisationsimpulsen auf, jedoch sind Einrichtungen zur Erzeugung von Synchronisationsimpulsen allgemein bekannt. Beispielsweise könnte eine kapazitive Sonde den Scheitel der Nockenscheibe 44 feststellen und Impulse zur Vertikalsyiichronis2tion sowie zur Videoaustastung liefern. Entsprechend könnte eine kapazitive Sonde, welche auf die Kanten 54 der prismatischen Spiegelanordnung 32 anspricht, Signale für die Horizontalsynchronisation liefern.

Ein wichtiger Aspekt der Erfindung besteht in der

Abtastung einer Detcktoranordnung und in einer solchen Verarbeitung der Ausgangssignale der einzelnen Detektorelemente, daß die aus den gleichen Bildabschnitten stammenden Signale integriert werden. Wie

in Fig. 3 dargestellt, sind die vier Elemente der Detektoranordnung 18, die mit 0 bis 3 bezeichnet sind, so angeordnet, daß sie parallel zur horizontalen Abtastrichtung 15 liegen. Um der klareren Darstellung willen wurden die Größe der Detektorelemente sowie deren Abstand in Fig. 3 stark übertrieben. Es versteht sich, daß in der Praxis die Detektorelemente von kleinen benachbarter Abschnitten eines einzigen Streifens eines Festkörpermatertals gebildet werden können. Da jeder gegebene Punkt des Blickfeldes 12 über die Detektoranordnung 18 hinweggeführt wird, wird dieser Punkt die Detektorelemente 3, 2, 1 und 0 in der angegebenen Reihenfolge aktivieren. Nach der Erfindung wird das Ausgangssignal jedes Detektorelementes als Funktion der horizontalen Abtastgeschwindigkeit, ν cm/s, und seiner Stellung in der Detektoranordnung verzögert. Wenn beispielsweise die Mitten der Detektorelemente den gleichen Abstand von χ cm haben, dann wird dem Ausgangssignal 5-0 des Detektorelementes 0 keine Verzögerung erteilt. Dagegen wird das Ausgangssignal 5-1 des Detektorelementes um die Zeit 1 xv Sekunden verzögert. Entsprechend wird das Signal 5-2 des Detektorelementes 2 um die Zeit 2 xv und das Signal 5-3 des dritten Detektorelemcntes um die Zeit 3 xv verzögert usw. Gemäß Fig. 3 erfolgt die Verzögerung und Summierung der Ausgangssignale mit Hilfe einer mit Abgriffen versehenen Verzögerungsleitung 60. Jede

Induktivität 62 und einer Kapazität 64. Beide Enden der Verzögerungsleitung 62 sind mit dem Wellenwiderstand Z₀ der Verzögerungsleitung abgeschlossen. Die Ausgangssignale der einzelnen Detektorelemente werden einzeln verstärkt und einzeln ausgewählten Eingangsabgriffen der Verzögerungsleitung 60 zugeführt, so daß die gewünschten Verzögerungswerte eingeführt werden.

Die Ausgangssignale der Detektorelemente, welche den Bildabschnitten a, b und c nach Fig. 4a entsprechen, sind in den ersten vier Zeilen der Fig. 4b dargestellt. Wie durch die diagonalen Linien a\ b' und c'in Fi g. 4 b dargestellt, sind die von einem speziellen Abschnitt des Blickfeldes stammenden Signale, die von jedem der verschiedenen Detektorelemente geliefert werden, zeitlich gegeneinander linear verschoben. Die Zeilen 5 bis 7 in F i g. 4 b veranschaulichen die verzögerten Ausgangssignale, bei denen die von den gleichen Bildabschnitten stammenden Signale zeitlich zusammenfallen. Dieser Zustand ist durch die senkrechten Linien a", 6" und c" angegeben.

Die Kurve 66 in F i g. 4 b veranschaulicht die ungefähre Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses, die mit der Anordnung nach Fig. 3 erzielbar ist. Es sei erneut darauf hingewiesen, daß in der Praxis sehr viel mehr als vier Detektorelemente für die Detektoranordnung verwendet werden und es ist zu erwarten, daß die Verbesserung im Signal-Rausch-Verhältnis etwa dem Faktor "^/"entspricht, wenn N die Anzahl der Detektorelenientc ist, welche die lineare Detektoranordnung bilden.

Für ein gegebenes Maß der Auflösung ist bei ande-

reu Vorrichtungen, bei denen die Detektoranoi dinting vollständig eine Dimension des Blickfeldes überdeckt, während die Gruppe in der anderen Dimension abgetastet wird, eine sehr viel geringere liildfolgc erforderlich, was zu einem stärkeren Flimmern führt: als

ίο bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen kompensieren die höheren Abtastgeschwindigkeiten der Detektorelemente durch eine Integration der hinsichtlich ihrer Verzögerung korrigierten, von der Vielzahl der De-

¹S tektorelemente stammenden Signale. Ein bedeutender Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß jedes Element jeden Punkt im Blickfeld erfaßt und infolgedessen Probleme der Rasterverschiebung, des Ausgleiches und der Herstel- lung des Gleichspannungspegels, wie sie bei anderen Vorrichtungen angetroffen werden, im wesentlichen vermieden sind. Bei den erfindungsgemäßen Systemen ist nicht nur eine Gleichheit der Charakteristik aller Detektorelemente ohne Bedeutung, sondern es

^a5 ktiiin auch die Anordnung einen gewissen Anteil von defekten Elementen aufweisen, ohne daß die Qualität der Bildwiedergabe erheblich vermindert wird. Die Anzahl dei Gesamtelemente einer Detektorartordnuno ksnn von vornherein so °£wäh!t werden dsS die Ausbeute an guten Elementen bei der Herstellung berücksichtigt wird. Auf diese Weise können die Herstellungskosten für die Detektoranordnungen bedeutend vermindert werden. Bei den crfindungsgemaßen Vorrichtungen haben defekte Detektorelemente keine weißen Flecke in dem erzeugten Bild zur Folge, sondern nur eine geringfügige Abnahme des Signal-Rausch-Verhältnisses. Diese Abnahme im Signal-Rausch-Verhältnis infolge defekter Elemente kann dadurch kompensiert werden, daß von vornherein eine größere Anzahl von Detektorelementen bei der Konstruktion vorgesehen wird. Die Vielseitigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beruht auf der Tatsache, daß ein gegebenes Maß der Auflösung leicht für Systeme mit verschiedenen Abtastgeschwindig-

keiten und verschiedenen Begrenzungen des Blickfeldes durch eine entsprechende Änderun^ in der Anzahl der Detektorelemente hergestellt werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gut für Infrarot-Sichtgeräte oder auf Wärmestrahlung anspre-

So chende Sichtgeräte geeignet Es versteht sich jedoch, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf die Anwendung in einem speziellen Frequenzbereich beschränkt ist, sondern in einem weiten Bereich Anwendung finden hann, in dem Detektorelemente to solcher Weise benutzt werden, daß diskrete elektrische AusgangsMgnale von jedem der Detektorelemente erhalten werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansp rüche:

1. Vorrichtung zur Bilderzeugung mit einer aus einer Anzahl von Detektorclementen bestehenden Detektoranordnung, einer Einrichtung zum Abtasten eines Blickfeldes in zwei Dimensionen und Projizieren der empfangenen Strahlung auf die Detektoranordnung und einer zur Abtasteinrichtung synchronisierten Einrichtung zur bildlichen Wiedergabe der Ausgangssignale der Detektoranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (24) zur Verarbeitung der Ausgangssignale der einzelnen Detektorelememe (0 bis 3) der Detektoranordnung (18) vorhanden ist, die eine Summierung der aus dem gleichen Abschnitt des Blickfeldes stammenden Ausgangssignale der einzelnen Detektorelemente (0 bis 3) bewirk?

2. Vüi richtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (Obis 3) eine lineare Detektoranordnung (18) bilden, in der die Detektorelemente parallel /u einer der Abtastdimensionen dt. s Blickfeldes (12) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (24) zur Verarbeitung der Ausgangssignale eine Verzögerungseinrichtung umfaßt, welche die Ausgangssigi: .Ie der üetektorelemente (0 bis 3) als Funktion der Abtastgeschwindigkeit längs einer der Abtastdimensionen und der Stellung des Detektorelementes inntrhal! der Detektoranordnung (18) verzögert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtung eine Verzögerungsleitung mit einer Vielzahl von Eingangsabgriffen ist und jedes Detektorelement (0 bis 3) mit einem anderen Eingangsabgriff der Verzögerungsleitung verbunden ist und daß der Ausgang der Verzögerungsleitung mit dem Eingang eines Sichtgerätes (30) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (10) einen stationären optischen Strahl nach einem zweidimensioi.alen Raster (14) horizontal und vertikal ablenkt und den stationären Strahl in einer Brennebene (20) fokussiert und daß die Detektorelemente (0 bis 3) in der Brennebene der Abtasteinrichtung (10) derart angeordnet sind, daß die lineare Dimension der Detektoranordnung (18) sich wenigstens annähernd parallel zur horizontalen Abtastrichtung der Abtasteinrichtung (10) erstreckt.