DE10259667A1

DE10259667A1 - Verfahren zur Vergrößerung des Bildfeldes einer Focal-Plane-Array-Kamera

Info

Publication number: DE10259667A1
Application number: DE10259667A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr. Barth; Michael Dr. Assel
Original assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Current assignee: MBDA Deutschland GmbH
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: DE10259667B4; GB2397962A; ITMI20032431A1; US7450781B2; FR2849219A1; GB0328137D0; US20040141660A1; IL159170A; GB2397962B; FR2849219B1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Vergrößerung des Bildfeldes einer Focal-Plane-Array-Kamera, bei der das aus N Pixeln bestehende Bildfeld durch Zusammensetzen von gescannten, jeweils aus n Pixeln bestehenden Teilbildern erzeugt wird, vorgeschlagen, bei dem mit Hilfe von wenigstens zwei kontinuierlich rotierenden refraktiven Prismen ein zykloidisches Scan-Muster gebildet wird, das astroidförmig ausgebildet ist, wobei die Anzahl der den Umkehrpunkten der Scanbewegung entsprechenden Spitzen der Astroidfigur der Anzahl der Teilbilder entspricht und die Bewegungsumkehr an den Spitzen der Astroid-Figur dazu genutzt wird, um während der Belichtungszeit eines Einzelbildes die Unschärfe durch das Scan-Verfahren unter der Größe eines Pixels zu halten. DOLLAR A Das Verfahren setzt voraus, daß die Integrationszeit eines Einzelbilds der Kamera kurz ist im Vergleich zur Zeit zwischen zwei Einzelbildern. Andererseits läßt sich die Totzeit zwischen den Einzelbildern sinnvoll nutzen, um ein erweitertes Bildfeld zu erfassen. DOLLAR A Die Realisierung des Step-Scan-Verfahrens mit Hilfe kontinuierlich rotierender Prismen gemäß der Erfindung vereinfacht die elektronische Ansteuerung des Scanners, senkt den Energieverbrauch, verringert die im Scannerantrieb entstehende Abwärme und verhindert die Entstehung periodischer Stör-Drehmomente. Diese Vorteile sind von besonderer Bedeutung für den Einsatz des Scanners in Suchköpfen mit Schwenk-, Neigeplattformen, wie sie beispielsweise in Flugkörpern eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergrößerung des Bildfeldes einer Focal-Plane-Array-Kamera, bei der das aus N Pixeln bestehende Bildfeld durch Zusammensetzen von gescannten, jeweils aus n Pixeln bestehenden Teilbildern erzeugt wird und Vorrichtungen zu dessen Durchführung.
Um ein großes Bildfeld mit einer Focal-Plane-Array Kamera mit hoher Auflösung zu erfassen, ist die Verwendung eines Detektors mit entsprechend großer Zahl von Elementen (Pixeln) erforderlich. Dies führt, insbesondere im IR-Bereich, zu hohen Kosten. Alternativ kann das große Bildfeld aus mehreren zueinander versetzten kleineren Bildern zusammengesetzt werden. Dies erfordert einen "Step-Scan" Mechanismus, durch den die opt. Achse von Einzelbild zu Einzelbild versetzt wird, aber während der Belichtungszeit fixiert bleibt. Dabei ergibt sich insbesondere bei Kameras, die zur Ausrichtung auf einer beweglichen Plattform montiert sind, das Problem, daß die schrittweise ruckartige Bewegung störende Drehmomente erzeugt, die die Ausrichtung ungünstig beeinflussen können. Ferner ist eine schrittweise Bewegung mit erhöhtem Energieverbrauch verbunden.
Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das einen „Step-Scan" mit kontinuierlich bewegten Scan-Elementen erzeugt.
Dies wird durch die Merkmale nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 erreicht.
Das verwendete Scan-Prinzip ist an sich schon lange bekannt, beispielsweise aus J.M. Lloyd, Thermal Imaging Systems, 1975 Plenum Press, N.Y.. Mit zwei rotierenden refraktiven Prismen lassen sich, bei geeigneter Wahl der Ablenkwinkel und der Drehgeschwindigkeiten, verschiedene Scan-Muster erzeugen, u.a. das gemäß der Erfindung vorgeschlagene Astroid-Muster. In der Vergangenheit dienten ähnliche Scan-Muster (Zykloiden) zur Erfassung eines 2-dim Bildfelds mit Hilfe eines Einzeldetektors oder einer Detektorzeile.
Gemäß der Erfindung wird hingegen vorgeschlagen, ein schon zweidimensionales Bild anstelle des Einzeldetektor-Punktes oder der Detektorzeilen-Linie zu verwenden und die Bewegungsumkehr an den Spitzen der Astroid-Figur zu nutzen, um während der Belichtungszeit eines Einzelbilds die Unschärfe durch das Scan-Verfahren unter der Größe eines Pixels zu halten.
Die Realisierung des Step-Scan Verfahrens mit Hilfe kontinuierlich rotierender Prismen gemäß der Erfindung vereinfacht die elektronische Ansteuerung des Scanners, senkt den Energieverbrauch, verringert die im Scannerantrieb entstehende Abwärme und verhindert die Entstehung periodischer Stör-Drehmomente. Diese Vorteile sind von besonderer Bedeutung für den Einsatz des Scanners in Suchköpfen mit Schwenk-, Neigeplattformen, wie sie beispielsweise in Flugkörpern eingesetzt werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, in der anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel erörtert wird. Es zeigen
1 schematisch die Zusammensetzung des Gesamtbildes aus vier Einzelbildern,
2 schematisch den Aufbau einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden Kameraanordnung,
3 den Strahlenverlauf in den beiden gegenläufig drehenden Prismen,
4 schematisch die Erzeugung des Scan-Musters,
5 das Scanmuster in Parameterdarstellung, und
6 eine Darstellung zur Berechnung der Bildverwischung.
1 zeigt schematisch die Zusammensetzung des Gesamtbildes mit beispielsweise 456 × 456 Pixeln aus vier Einzelbildern 1 – 4 mit je 256 × 256 Pixeln. Der Abstand zwischen den Bildzentren beträgt 200 Pixel; die Überlappungszone ist also jeweils 56 Pixel breit. Die vier Bilder werden an der Position der Spitzen einer astroidförmigen Scanbewegung S gewonnen, deren Erzeugung im folgenden beschrieben wird. Im Randbereich der Überlappungszonen der Einzelbilder sind vier Positionen R' für Richtmarken angegeben; im zentralen Überlappungsbereich die Position für eine temporäre Richtmarke R zur Justierung des Gesamtbildes.
2 zeigt schematisch den Aufbau einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden Kameraanordnung. Diese besteht aus einer Kamera 1, der zwei optische Elemente 2 zur Ablenkung der Blickrichtung vorgeschaltet sind. Eine Vorrichtung 3 dient zur Projektion von Richtmarken.
3 zeigt den Strahlenverlauf in den beiden optischen Ablenkelementen. Diese bestehen aus zwei gegenläufig mit den Winkelgeschwindigkeiten ω_A und ω_B um eine gemeinsame Drehachse kontinuierlich drehenden Prismen A und B. Die optische Achse des Systems wird entsprechend der Drehlage abgelenkt.
Die Anordnungen nach den 2 und 3 sind Stand der Technik; sie dienen lediglich zur Illustration der folgenden Erläuterungen.
4 zeigt die Ablenkung der Blickrichtung aufgrund des Zusammenwirkens der beiden Prismen während eines Viertel-Zyklus, nämlich zwischen den Scan-Positionen 1 und 2 der Scanbewegung S. Dabei ist für das komplette Scan-Muster der bzw. die:
Prismen-Ablenkwinkel: α_A = 3·α_B
max. Gesamtablenkwinkel: α_max = 4·α_B
Drehgeschwindigkeit: ω_A = –1/3·ω_B.
Tatsächlich hängt der Ablenkwinkel an Prisma B bei genauer Betrachtung vom Winkel ab, unter dem die optische Achse auf das Prisma trifft. Die Variation in diesem Auftreffwinkel ist jedoch sehr klein, so daß die folgenden Herleitungen in guter Näherung gelten; für die Beschreibung des Verfahrens sind ohnehin nur die Umkehrpunkte der Scanbewegung von Bedeutung.
Die Parameterdarstellung des Scanmusters nach 5 ergibt sich zu x = 3α·cos ωt + α·cos 3ωt y = 3α·sin ωt – α·sin 3ωtmit α – Skalierungsfaktor für Ablenkwinkel
Eine Reihenentwicklung um t₀ = 0 (entspr. Punkt „3") ergibt:
d.h. die Scangeschwindigkeit bei t₀ = 0 verschwindet; für |t₀| << 1 wächst die Scangeschwindigkeit in einer Achse quadratisch mit t, in der anderen Achse nur mit t³.
Dies gilt für alle Eckpunkte des Scan-Musters.
Es ergibt sich zwanglos, daß bei einem um 45° gedrehten Scan-Muster nach 5 ein rechteckiges Gesamtbildfeld aus vier rechteckigen Einzelbildern zusammengesetzt wird.
Die Berechnung der Bildverwischung um t₀ = 0 (entspr. Punkt „ 3") ergibt sich nach 6 zu x = x0 – δx = 4α – 6α ω2δt2 δx = 6α ω2 δt2.
Mit x₀ = 4α erhält man δx = (3/2) x0 ω2 δt2.mit L = √2 x₀; ω = 2π/T_Per. = π/(2Δt); und δt = t_int/2 ergibt sich:
Dabei sind
δx – Größe der Bildverwischung in x-Richtung
δt – für die Bildverwischung relevante Zeitdauer
L – räumlicher Versatz zwischen zwei Bildern
T_Per. – Umlaufperiode für Astroid-Figur
Δt – zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilbildern
t_int – Integrationszeit für ein Bild.
Die Bildverwischung während der Belichtungszeit erfolgt entlang der Pixel-Diagonalen. Damit die Bildverwischung innerhalb eines Pixels bleibt, ergibt sich aus obiger Formel folgendes Verhältnis von Belichtungszeit zu Scanzeit („Scan-Effizienz"): δx = 0.65·(tint/Δt)2·L < √2(L in Einheiten der Pixel-Kantenlänge) tint/Δt < √(2/200) = 1 : 10
Damit ergibt sich eine geeignete Lösung für die gestellte Aufgabe.
Es wird darauf hingewiesen, daß anstelle der im beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendeten refraktiven Prismen auch andere geeignete Bauelemente zum Ablenken der optischen Achse verwendet werden können, wie Spiegelflächen oder aktive optische Komponenten, soweit der zu verarbeitende Spektralbereich dies zuläßt.
Ferner können zur Erzeugung der Scanbewegung ggf. auch mehr als zwei Elemente verwendet werden.
Eine Feinjustage der optischen Achse ist zusätzlich durch eine Verkippung der Drehachsen der Prismen möglich.

Claims

Verfahren zur Vergrößerung des Bildfeldes einer Focal-Plane-Array-Kamera, bei der das aus N Pixeln bestehende Bildfeld durch Zusammensetzen von gescannten, jeweils aus n Pixeln bestehenden Teilbildern erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe von wenigstens zwei kontinuierlich rotierenden refraktiven Prismen ein zykloidisches Scan-Muster gebildet wird, das astroidförmig ausgebildet ist, wobei die Anzahl der den Umkehrpunkten der Scanbewegung entsprechenden Spitzen der Astroidfigur der Anzahl der Teilbilder entspricht und daß die Bewegungsumkehr an den Spitzen der Astroid-Figur dazu genutzt wird, um während der Belichtungszeit eines Einzelbildes die Unschärfe durch das Scan-Verfahren unter der Größe eines Pixels zu halten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umkehrpunkt jeweils annähernd in die Mitte der Belichtungszeit der Einzelbilder fällt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vier Teilbilder mit einer Astroidfigur mit vier Spitzen erzeugt und überlappend zusammengesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Überlappungsbereich der Einzelbilder wenigstens eine Richtmarke (R, R') projiziert wird, deren Positionen) in jedem Einzelbild per Bildverarbeitung vermessen wird/werden und daß daraus die tatsächliche Verschiebung zwischen den Einzelbildern vermessen und das Gesamtbild aus den Einzelbildern exakt zusammengefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtmarken (R') zeitlich auf wenige Abtastzyklen begrenzt projiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtmarken (R) permanent in den Randbereich des Gesamtbildes projiziert werden.