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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei der Justierung
von Infrarot (IR)-Kameras, und insbesondere befasst sich die Erfindung
mit der Justierung solcher Kameras, die auf Tieftemperatur gekühlte Detektorelemente
aufweisen.
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Derartige
Kameras benutzen im typischen Fall eine Vielzahl von Detektorelementen
in Form einer Brennebenengruppierung (FPA), auf der ein Bild der
Szene fokussiert wird. Es sind jedoch auch andere Konfigurationen
bekannt, beispielsweise lineare Mehrelementgruppierungen oder ein
Einzelelementdetektor, über
dem ein Bild der Szene abgetastet wird.
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Daten
von den Detektorelementen können benutzt
werden, um ein sichtbares Bild auf einem Display, beispielsweise
einem Fernsehmonitor, zu erzeugen. Dies ist analog einem herkömmlichen
sichtbaren Lichtfernsehbild, wo jedoch die Intensität auf verschiedenen
Teilen der Szene eine Funktion der detektierten IR-Strahlung ist
und nicht eine Funktion der sichtbaren Lichtstrahlung von den entsprechenden
Teilen der Szene.
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Einzelne
Detektorelemente haben Unterschiede in ihrer Empfindlichkeit gegenüber der
einfallenden Strahlung (Fluss) und in der Versetzung oder der „Vorspannung" ihrer Ausgänge als
Funktion der Zeit und der Betriebsbedingungen. Die Änderungen in
der Empfindlichkeit können Änderungen
in der Nicht-Linearität
im Ausgang als Funktion des Flusses repräsentieren und sie sind als
solche abhängig
von dem Flusswert, der seinerseits von der Temperatur der Elemente
abhängt,
die die betrachtete Szene bilden. In Kameras mit einem Mehrelementdetektor verursacht
diese Veränderbarkeit
ein ungleichförmiges
Ansprechen auf irgendeinen gegebenen IR-Intensitätswert. Diese Ungleichförmigkeit
erzeugt Störungen
oder Bildfehler über
dem sich ergebenden Bild, und dies ist in höchstem Maße unerwünscht.
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Es
können
Detektoren erforderlich sein, um numerische Ausgänge zu erzeugen, die genau
den auf den Detektor einfallenden IR-Fluss repräsentieren. Dies wird auch durch
die Veränderungen
im Detektorverhalten gefährdet.
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Es
ist bekannt, IR-Kameras dadurch zu justieren, dass Ablesungen von
jedem Element vorgenommen werden, wenn eine oder mehrere Bezugsoberflächen auf
verschiedenen Temperaturen der Kamera präsentiert werden. Diese Ablesungen
werden dann benutzt, um die Kamera zu justieren. Zum Zwecke einer
robusten und genauen Justierung ist es notwendig, Oberflächen zu
präsentieren,
die Flusswerte erzeugen, die den Bereich jener überdecken, die in den abzubildenden
Szenen vorkommen können.
Jedoch erfordert die Schaffung einer genügend kalten Bezugsoberfläche, die
die niedrigen Flusspegel, die äquivalent
zu den in der Praxis oft auftretenden Szenen sind, eine beträchtliche
Kühlung
der Bezugsoberfläche.
Dies kann kostspielig und schwierig zu erreichen sein.
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Die
US-A-4 387 301 beschreibt ein Ziel zur Justierung und Prüfung einer
IR-Detektorvorrichtung.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Justiersystem zu
schaffen, welches keine Kühlung
der Bezugsoberfläche
mehr benötigt.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe, wie in Anspruch
1 angegeben, gelöst
durch ein Justiersystem für
einen Infrarotdetektor mit den folgenden Merkmalen: mit einer Bezugsoberfläche, die
aus einer Vielzahl von hohlen Würfelecken
besteht, die teilweise reflektierend und teilweise emittierend sind;
mit einer Temperaturregelvorrichtung, um die Bezugsoberfläche auf
einer gewünschten
Justiertemperatur zu halten und mit einer Verarbeitungsvorrichtung,
die ein vom Infrarotdetektor bei der gewünschten Justiertemperatur erzeugtes Ausgangssignal
empfängt
und das Detektorausgangssignal mit einem vorbestimmten idealen Ausgangssignal
für die
gewünschte
Justiertemperatur vergleicht und einen Justierkoeffizienten auf
der Basis der Differenz zwischen dem Detektorausgangssignal und
dem idealen Ausgangssignal bei der gewünschten Justiertemperatur berechnet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie dieser in Anspruch
8 definiert ist, betrifft diese ein Verfahren zur Justierung eines Infrarotdetektors,
der eine Vielzahl von Detektorelementen aufweist, wobei das Verfahren
die folgenden Schritt umfasst:
es wird eine Bezugsoberfläche mit
bekannter Temperatur einem Infrarotdetektor präsentiert, wobei die Bezugsoberfläche eine
Vielzahl von hohlen Würfelecken
aufweist, die teilweise reflektierend und teilweise emittierend
sind;
es wird der Ausgang eines jeden Detektorelementes gemessen;
es
wird der gemessene Ausgang eines jeden Detektorelementes mit einem
nominellen Ausgang für
die bekannte Bezugsoberflächentemperatur
verglichen, um einen Justierfehler bei der bekannten Temperatur zu
bestimmen; und
es wird die Bezugsoberfläche auf eine oder mehrere weitere
bekannte Temperaturen erwärmt,
und es werden die Schritte b) und c) wiederholt, um einen Justierfehler
für jede
der weiteren bekannten Temperaturen zu bestimmen.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird nunmehr auf ein Ausführungsbeispiel anhand
der Zeichnung Bezug genommen. In der Zeichnung zeigen:
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1 veranschaulicht
einen Teil einer reflektierenden Oberfläche gemäß der Erfindung;
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2 zeigt
einen Abschnitt eines Sektors der reflektierenden Oberfläche in seinen
Einzelheiten;
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3 veranschaulicht
die Arbeitsweise einer Würfelecke
bei der Reflexion von Licht;
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4 veranschaulicht
einen ankommenden Lichtstrahl, der durch eine dreidimensionale Würfelecke
reflektiert wird; und
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5 veranschaulicht
ein Blockschaltbild des Justiergerätes, das eine Bezugsoberfläche gemäß der vorliegenden
Erfindung benutzt.
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Gemäß der Erfindung
ist eine Bezugsoberfläche
vorgesehen, die, wenn sie über
einen tiefgekühlten
Detektor betrachtet wird, die Strahlung erzeugen kann, die äquivalent
derjenigen ist, die ein schwarzer Körper bei niedrigerer Temperatur
aufweist. Dies ermöglicht
eine Justierung einer Infrarot (IR)-Kamera für kalte Szenen, ohne dass es
notwendig wäre,
die Oberfläche
auf die tatsächliche
Temperatur des schwarzen Körpers
abzukühlen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine teilweise reflektierende, teilweise
emittierende Oberfläche,
die die äquivalente
Strahlung eines relativ kalten, schwarzen Körpers bei z.B. 0°C repräsentiert, und
dies geschieht mit einer Ausrüstung,
die bei Temperaturen, im typischen Fall bei Raumtemperatur oder
darüber,
arbeitet. Die Oberfläche
kann zur Justierung eines gekühlten
IR-Detektors mit Brennebenengruppierung (FPA) benutzt werden.
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Eine
einfache ebene Oberfläche
mit einem Emissionsgrad von N% reflektiert umgebendes, heißes Metall
mit 100-N%, so dass es unmöglich
ist, eine niedrige Gesamtstrahlung einfach durch Änderung
des Emissionsgrades der Oberfläche
zu erreichen. Um dies zu realisieren, ist es notwendig, die Oberfläche abzukühlen. Durch
Benutzung einer Oberfläche
mit einem Würfeleckenmuster
wird es möglich,
die Reflexionen von heißem
(oder auf Umgebungstemperatur befindlichem) Metall im Wesentlichen
zu eliminieren und nur die Temperatur der kalten Brennebenengruppierung
(FPA) zu reflektieren, die im typischen Fall auf 77K steht.
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Da
N% der bemusterten Oberfläche
noch emittierend ist, wird es möglich,
die äquivalente
Temperatur der Oberfläche
(über 77K)
durch Erhitzung der Oberfläche
zu steuern.
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Nunmehr
wird auf 1 Bezug genommen, wo ein Teil 10 einer
Bezugsoberfläche
dargestellt ist. Die Bezugsoberfläche wird durch ein Muster hohler Würfelecken 12, 14, 16, 18, 20, 22 gebildet
und ist somit ähnlich
jener Oberfläche,
wie sie sich bei Fahrradreflektoren findet. Jede Oberfläche eines
jeden Würfels 12, 14, 16, 18, 20, 22 ist
versilbert oder aluminisiert, um eine nominell 100%ig reflektierende Oberfläche zu schaffen.
Dies gewährleistet,
dass eine nicht dargestellte zu justierende Brennebenengruppierung
(FPA) reflektiertes Licht nur von der kalten FPA empfängt, und
der Fluss hiervon ist klein im Vergleich mit dem gewünschten
Fluss. Die Temperatur der FPA wird bei etwa 77K gesteuert. Der reflektierenden
Oberfläche
wird dann ein gleichförmiges Muster
matter, schwarzer Farbe mit einer durchschnittlichen Dichte von
0% überlagert,
so dass der wirksame Emissionsgrad N% beträgt. Das Farbmuster und im Idealfall
die Oberflächenstruktur
müssen eine
relativ hohe Ortsfrequenz haben und so positioniert sein, dass eine
De-Fokussierung
durch die Optik der Kamera eine gleichförmige Intensität auf der FPA
präsentiert.
Eine derartige Anordnung ist in 2 dargestellt.
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2 veranschaulicht
einen Abschnitt 24 der Bezugsoberfläche im Einzelnen. Hier ist
ersichtlich, dass die matte, schwarze Farbe 26 eine Vielzahl von
Punkten 28 umgibt, die wirksam durch die Farbe 26 nicht überzogen
sind. Diese Punkte 28 sind das, was von der ursprünglichen
reflektierenden Oberfläche
verbleibt, nachdem die matte, schwarze Farbe 26 aufgebracht
wurde.
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Nach
einer Versilberung oder Aluminisierung und einer nachfolgenden Farbgebung
erscheint die gesamte Bezugsoberfläche, wenn sie durch einen gekühlten IR-Detektor betrachtet
wird, als Quelle in Form eines schwarzen Körpers, der eine Temperatur hat,
die niedriger ist als die tatsächliche
Temperatur der Bezugsoberfläche.
Die scheinbare Temperatur ist eine Funktion der tatsächlichen Temperatur
der Bezugsoberfläche,
da die Strahlung von den matten, schwarzen Flächen ansteigt, wenn sie erhitzt
werden. Dies bedeutet, dass die Bezugsoberfläche erhitzt und die Temperatur
gesteuert werden können, um
unterschiedliche äquivalente
Bezugstemperaturen (über
77K) für
die FPA zur Betrachtung während der
Justierung zu liefern.
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3 veranschaulicht
einen Schnitt einer Würfelecke 30.
Wie ersichtlich, wird ein auf dem Pfad 32 angekommender
Lichtstrahl reflektiert, um einem Pfad 34 zu folgen, und
er wird dann wiederum reflektiert, um auf den Pfad 36 zurückzukehren.
In gleicher Weise wird ein auf dem Pfad 38 ankommender
Strahl in den Pfad 40 reflektiert und dann zurück auf den Pfad 42 reflektiert.
In beiden Fällen
wird ein Strahl, der auf den Pfaden 32, 38 ankommt,
durch die Würfelecke 30 auf
parallele Pfade 36, 42 in Gegenrichtung zu den
ankommenden Strahlen reflektiert. Dies wird als Retro-Reflexion
bezeichnet.
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Es
ist leicht verständlich,
dass die Prinzipien, die vorstehend in Verbindung mit 3 beschrieben wurden,
sich auf alle Lichtstrahlen beziehen, die auf eine dreidimensionale
Würfelecke
auftreffen, beispielsweise auf die Würfelecken 12, 14, 16, 18, 20, 22,
wie dies oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben
wurde. Insbesondere zeigt 4 Würfeleckoberflächen, die
parallel zu einigen Achsen x, y, z ausgerichtet sind. Ein ankommender
Lichtstrahl 44 besitzt eine Bewegung in einer bestimmten
Richtung (d.h. er besitzt eine Geschwindigkeit) mit Komponenten,
z.B. x1, y1, z1. Der Strahl 44 wird einmal durch jede
der drei Oberflächen
(x = y = 0; x = z = 0 und y = z = 0) reflektiert. An jeder Oberfläche wird
das Vorzeichen der Komponente längs
der Normalen der Oberfläche
invertiert, d.h. an der Oberfläche
x = y = 0 wird die Komponente der Geschwindigkeit z1 invertiert
und wird –z1. Die anderen Komponenten werden nicht geändert. Nach
allen drei derartigen Reflexionen hat der reflektierte Strahl 44' eine Geschwindigkeit
(Richtung) –x1, –y1, –z1. Dies ist gleich und entgegengesetzt gerichtet
zu dem ankommenden Strahl 44.
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Bei
der Herstellung der oben beschriebenen Bezugsoberfläche wird
angenommen, dass eine Versilberung oder Aluminisierung vor der Farbgebung eine
reflektierende Oberfläche
erzeugt, die geometrisch genauer ist, als wenn dieses Verfahren
in umgekehrter Weise durchgeführt
wird.
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Als
Alternative zu der Farbgebung kann die versilberte oder aluminisierte
Oberfläche
geätzt
werden, um darunter eine nicht-reflektierende Oberfläche zu belassen.
Dies hat einen Effekt, der äquivalent
einer matten, schwarzen Farboberfläche ist.
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5 zeigt
eine Justieranordnung 50, die eine Bezugsoberfläche 52 benutzt,
wie sie oben in Verbindung mit 1 bis 4 beschrieben
wurde. Die Bezugsoberfläche 52 ist
mit einer Heizeinheit 54 verbunden, die die Bezugsoberfläche auf
die Justiertemperatur erhitzt, bei der eine Infrarotkamera 56 justiert
werden soll. Die Heizeinheit 54 ist mit einem Steuergerät 58 verbunden,
das die Anordnung 50 steuert. Ein Temperatursensor auf
der Bezugsoberfläche 52 führt die
Temperaturdaten an das Heizsteuergerät 58 zurück, um die
Temperatur der Bezugsoberfläche 52 thermostatisch
auf der gewünschten Temperatur
zu halten. Die gewünschte
Temperatur wird durch einen Prozessor 62 als Teil der Justierfolge
definiert und dem Steuergerät 58 übermittelt.
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In
bekannter Weise wird die Kamera 56 mit einer Kühlsteuereinheit 60,
die die nicht dargestellten Detektorelemente in der Kamera 56 kühlt und
mit dem Prozessor 62 verbunden, der Signale von der Kamera 56 enthält und die
Signale verarbeitet und einen Ausgang 64 liefert. Der Prozessor 62 bewirkt auch
eine Steuerung der Kühlsteuereinheit 60,
so dass die Kamera 56 im Betrieb und bei der Justierung auf
der optimalen Betriebstemperatur gehalten wird.
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Der
Prozessor 62 ist auch mit einer Speichereinheit 66 verbunden,
wo die Justierkoeffizienten gespeichert werden, die während der
Justierung bestimmt wurden.
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Während der
Justierung wird die Bezugsoberfläche 52 so
positioniert, dass sie durch die Kamera 56 betrachtet werden
kann. Anfangs ist die Heizeinheit 54 nicht in Betrieb,
und die Bezugsoberfläche 52 erzeugt
einen Fluss unter dem minimal erforderlichen Justierflusswert. Dieser
Fluss ist prinzipiell eine Kombination des reflektierten Flusses
vom gekühlten
Detektor und des emittierten Flusses von den emittierenden Teilen
der Bezugsoberfläche,
die sich auf der inneren Umgebungstemperatur der Kamera befinden.
Es ist auch ein gewisser Streufluss infolge der Unvollkommenheit
der Reflektoren und der Reflexionen der Kameraoptik vorhanden, jedoch
kann dieser Einfluss durch sorgfältig
gewählte
Konstruktion minimal gehalten werden.
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Dann
wird die Heizeinheit 54 unter der Steuerung des Steuergerätes 58 aktiviert,
um die Temperatur der Bezugsoberfläche 52 auf jene Temperatur anzuheben,
die erforderlich ist, um den minimal erforderlichen Justierflusswert
zu erzeugen. Die Kamera 56 detektiert den Fluss, der durch
die Bezugsoberfläche 52 präsentiert
ist und liefert Signale, die repräsentativ sind für die Ausgänge eines
jeden Detektorelementes nach dem Prozessor 62. Wie üblich, verarbeitet
der Prozessor 62 das Signal und liefert einen Ausgang 64,
der die Bildintensität
an jedem Teil der Szene repräsentiert.
Innerhalb des Prozessors 62 wird der Ausgangswert von jedem
Detektorelement (einschließlich
dem Prozessorausgang 64) mit dem Idealwert verglichen,
der für
die gegewärtige
Bezugsoberflächentemperatur
berechnet wird. Jede Differenz zwischen dem Ausgangswert und dem
Idealwert für
jedes Detektorelement wird der Speichereinheit 66 zugeführt, um
den Wert zu speichern, bis er später
im Justierverfahren benötigt
wird.
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Dann
wird die Heizeinheit 54 unter der Steuerung des Steuergerätes 58 aktiviert,
um die Temperatur der Bezugsoberfläche 52 weiter anzuheben. Dieser
neue erhöhte
Flusswert, der durch die Bezugsoberfläche 52 erzeugt wird,
erfolgt primär
als Kombination des reflektierten Flusses von der Kamera 56 und
der emittierenden Teile der Bezugsoberfläche 52 bei der erhöhten Temperatur,
die durch die Heizeinheit 54 gesteuert wird. Es wird wiederum
innerhalb des Prozessors 62 der Ausgangswert von jedem
Detektorelement mit dem idealen Ausgangswert für die gegenwärtige Bezugsoberflächentemperatur verglichen.
Alle Differenzen werden wiederum der Speichereinheit 66 zugeführt, um
eine Speicherung vorzunehmen, bis dies später im Justierverfahren benötigt wird.
Dieses Verfahren wird für
jede der verschiedenen Justiertemperaturen wiederholt, bis die Speichereinheit 66 genügend Daten
enthält,
um alle Justierkoeffizienten zu berechnen, die notwendig sind, damit
die Kamera 56 wirksam arbeiten kann. Im typischen Fall
werden derartige Ablesungen bei jeder von drei verschiedenen Bezugsoberflächentemperaturen
vorgenommen. Die gespeicherten Ausgangswerte werden dann innerhalb
des Prozessors 62 benutzt, um die Koeffizienten der polynomen
Funktion zweiter Ordnung zu berechnen, die sich auf Ausgangsfehler
der Szenentemperatur für
jedes Detektorelement beziehen.
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Es
ist leicht verständlich,
dass infolge der Konstruktion der Bezugsoberfläche 52, wie sie in
Verbindung mit den 1 bis 4 beschrieben
wurde, im Idealfall der einzige Fluss, der in die Kamera reflektiert
wird, jener ist, der von den gekühlten
Komponenten des Kameradetektors selbst herrührt. Dies verhindert, dass
Temperaturen der die Kamera 56 umschließenden Umgebung das Justierverfahren wesentlich
stören.
Außerdem
können
die Temperaturen der Bezugsoberfläche 52 genau dadurch
gesteuert werden, dass die durch die Heizeinheit 54 zugeführte Wärmemenge
eingestellt wird.
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Natürlich können Kamera 56,
Kühlsteuereinheit 60,
Prozessor 62 und Speichereinheit 62 in einer einzigen
Einheit vereinigt werden, wie dies durch die punktierte Linie 68 angedeutet
ist.
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Das
oben beschriebene Verfahren kann auch mit einer Bezugsoberfläche benutzt
werden, die sowohl erhitzt als auch abgekühlt werden kann. In diesem
Fall kann das erforderliche Ausmaß der Kühlung für die Bezugsoberfläche beträchtlich
vermindert werden.