DE2037997A1 - Infrarotthermograph mit automatischer Helligkeitssteuerung - Google Patents

Description

P A T E N T A' M W J C X ■

DR. I. MAAS

1273 DR. W. PFEIFFER

DR. F. VOITHENLEITNERI

8 MÜNCHEN 23 UNQERERSTR. 25 - TEL. 39 02 SS

Barnes Engineering Company Stamford, Connecticut» V.St.A,

Infrarotthermo^raph mit automatischer Helligkeitssteuerung

Zusammenf as sung^

.Ein Infrarotdetektor tastet ein Gesichtsfeld ab und erzeugt ein Infrarotbildsignal aufgrund der Intensität der Infrarotstrahlung des Gesichtsfeldes. Das Signal wird zur Erzeugung eines thermischen Bildes des Gesichtsfeldes verwendet. Nach ausreichender Verstärkung wird das Infrarotsignal zu einem Spitzendetektor geleitet, der ein Signal erzeugt, das auf dem maximalen oder minimalen Signalniveau in dem Infrarotbildsignal basiert, das zu einem Abweichverstärker geleitet und in den Auswertungskanal zur Helligkeitssteuerung der anzuzeigenden Szene wieder eingesetzt wird.

Ein Infrarotthermograph ist ein Instrument zum Umwandeln der infraroten Strahlung eines Gesichtsfeldes in ein thermisches Bild dieses Gesichtsfeldes. Der Infrarotthermograph besteht

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aus einem Infrarotdetektor, der ein Gesichtsfeld rasterförmig abtastet und ein elektrisches Signal erzeugt, das die Intensitätsinformation der Infrarotstrahlung aus dem Gesichtsfeld enthält. Der Thermograph hat eine visuelle Anzeige, die das infrarote Gesichtsfeld abbildet. Da ein ganz bestimmter Zusammenhang zwischen der Infrarotstrahlung eines Gesichtsfeldes und der Temperatur besteht, werden Thermographen in großem Umfang für medizinische Diagnosen, zerstörungsfreie Untersuchungen und viele andere industrielle und militärische Anwendungszwecke verwendet. Die Anzeige oder das Bild des Thermographen wird synchron mit der Abtastung des Gesichts- · feldes durch den Detektor erzeugt, so daß genau ein sichtbares Bild auf einer Anzeigeeinrichtung erhalten v/ird, die die Form einer modulierten Lichtquelle haben kann, welche eine photoempfindliche Oberfläche beatreicht oder die eine Kathodenstrahlröhre sein kann, deren Bildschirm zur Erzeugung einer permanenten Aufzeichnung des Gesichtsfeldes photographiert werden kann. Nach der vorläufigen Einstellung des Thermographen, z.B. dem Richten auf das Bildfeld und dem Fokusieren der Optiken,über die der Detektor das Gesichtsfeld abtastet, wird ein Bild auf der Anzeigeeinrichtung erzeugt. Vor der Anzeige werden die von dem Infrarotdetektor erzeugten Signale in einer Verwertungsschaltung ausgewertet, die gewöhnlich eine Verstärkungssteuerung enthält, welche in Abhängigkeit von den Temperaturdifferenzen des Gegenstandes in dem Gesichtsfeld eingestellt wird, um zu bewirken, daß die Temperaturdifferenzen in den Intensitätsbereich der An- _β zeige fallen. Deshalb bestimmt die Verstärkungssteuerung den Temperaturbereich, der auf der Anzeige registriert wird. Eine Helligkeitssteuerung von Hand ist ebenfalls vorgesehen, die von der Bedienungsperson in Abhängigkeit von der absoluten

BAD ORIGINAL

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Infrarothelligkeit des Gegenstandes eingestellt wird, Gleiche Temperaturdifferenzen können bei verschiedenen absolu- ' ten Temperaturniveaus auftreten. Deshalb bestimmt die Helligkeitssteuerung ..das Niveau der Temperaturen, das auf der Anzeige registriert wird. Wenn die Helligkeit nicht richtig eingestellt ist, gehen viele Infrarotinformationen aus dem Gesichtsfeld verloren. Da die Helligkeit der Szene sich infolge der Umweltsbedingungen in dem Gesichtsfeld und auch die Temperatur des beobachteten Gegenstandes sich stark ändert, ist es äußerst schwierig, die Helligkeitssteuerung von Hand so einzusetzen, daß die gleiche hohe Bildqualität beim' Thermographieren verschiedener Gegenstände und selbst des gleichen Gegenstandes zu unterschiedlichen Zeiten reproduziert werden kann. Mit der manuellen Helligkeitssteuerung hängt die Qualität der Anzeige von der Genauigkeit der Bedienungsperson ab, mit der diese die Helligkeit der Szene visuell einschätzt. Dies ist äußerst schwierig, weil das Auge nicht sehr genau Helligkeitsunterschiede beurteilen kann, insbesondere dann, wenn diese Unterschiede klein sind.

Da Temperaturanomalien oft bei maximalen und minimalen Tem-.peraturen des Gegenstandes,der thermographiert werden soll, auftreten, ist die Thermographie besonders brauchbar, wenn diese Anomalien aufgedeckt werden, indem die Temperaturunter- · schiede des Gegenstandes bei maximalen und minimalen Niveaus · ermittelt werden. Es ist deshalb vorteilhaft, eine thermographische Anzeige zu haben, die die heißesten und kältesten Stellen des Gegenstandes zeigen und deshalb besteht die Aufgabe der Erfindung darin, diese wichtige Information automatisch zu erhalten, ohne daß ein Verlust an Information durch falsche Einstellung der Helligkeitssteuerung möglich ist. Es

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ist wichtig, daß die Steuerfunktion nicht von der manuellen Bedienung durch die Bedienungsperson abhängt.

Die Erfindung bezweckt daher eine automatische Helligkeitssteuerung für einen Infrarotthermographen.

Bei einem Infrarotthermographen nach der Erfindung wird das Infrarotbildsignal für eine optimale Anzeige verwendet. Nach einer ausreichenden Verstärkung in dem System wird die Spitze des Infrarotbildsignals festgestellt und eine Gleichspannung proportional zu diesem Spitzenwert erzeugt, die in einen Abweichverstärker eingespeist wird. Der Gleichspannungsausgang des Abweichverstärkers wird mit dem Infrarotbildsignal zur automatischen Helligkeitssteuerung der Szene überlagert.

Figur 1 zeigt ein Blockschaltschema einer Ausführungsform eines Infrarotthermographen mit einer automatischen Helligkeitssteuerung nach der Erfindung.

Figur 2 zeigt ein Schaltschema einer Ausführungsform einer automatischen Infrarothelligkeitssteuerungsschaltung für
einen Thermographen wie er in Figur 1 dargestellt ist.

Die Erfindung wird in Verbindung mit dem "Bofors Infrared Camera model T-101" beschrieben, jedoch läßt sie sich auf alle Infrarotthermographen anwenä@n₉ in denen eine Heilige keitasteuerung stattfindet. . "..-·.

Der in Figur 1 dargestellt® Infrarotthermograpb ist in drei Einheiten unterteilt, nämlicti ate. Detektorabtasteinriclatung

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10, die elektronische Verwertungs- und Anzeigeschaltung 30 und die automatische Helligkeitssteuerung 60. Die Detektor- · abtasteinrichtung 10 hat ein optisches System, das aus einer hexagonalen rotierenden Spiegeltrommel 12, einem Kippspiegel 14 und einem konkaven Sammelspiegel 18 besteht. Die Infrarotstrahlung aus dem Gesichtsfeld fällt auf die rotierende Spiegeltrommel 12, die die Strahlung auf den Kippspiegel 14 ablenkt. Die rotierende Spiegeltrommel 12 erzeugt die horizontale Abtastung, während der Kippspiegel 14 die vertikale Abtastfunktion ausübt. Beide Einrichtungen werden von einem Motor 16 angetrieben. Pur jede Umdrehung der rotierenden Spiegeltrommel werden sechs Linien abgetastet, nämlich eine für jede der sechs Trommelflächen. Die Strahlung, die von den Seiten der rotierenden Spiegeltrommel 12 reflektiert werden, fallen auf den Kippspiegel 12, der die Strahlung auf den konkaven Sammelspiegel 18 ablenkt. Der Spiegel 18 bündelt die einkommende Strahlung auf einen Infrarotdetektor.20. Der Infrarotdetektor 20 erzeugt ein Ausgangssignal, dessen Intensität durch die einfallende Strahlung moduliert wird, so daß ein Infrarot-Video-Signal erzeugt wird, das von dem Vorverstärker 22 verstärkt wird. Schaltkreise 24 und 26 mit Photodioden sind nahe der Spiegeltrommel 12 und dem Kippspiegel 14 angeordnet. Sie dienen dazu, horizontale und vertikale Synchronisations-Impulse für das Rastern des Abtaststrahles zu'erzeugen.

Das Infrarot-Video-Signal oder Bildsignal aus dem Vorverstärker 22 wird zu der elektronischen Verwertungs- und Anzeigeschaltung 30 geleitet, die eine Kontraststeuerung 32 zum Einstellen der gesamten Systemverstärkung und damit des Gesamtintensitätsbereichs des Thermographen aufweist. Das Infrarot-

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— ο —

bildsignal wird von mehreren Verstärkern 34, 36, 38 und 40 verstärkt und an das Steuergitter 52 einer Kathodenstrahl- · röhre 50 gelegt, die die Anzeige erzeugt. Um das abgetastete Gesichtsfeld auf der Kathodenstrahlröhre 50 zu reproduzieren, ist es notwendig, daß die Kathodenstrahlröhre synchron mit der mechanischen Abtastung des Gesichtsfeldes abgelenkt wird. Deshalb werden Horizontal-Triggerimpulse von der Photodiodenschaltung 24 an einen Horizontal-Kippgenerator 46 gelegt, der mit den Horizontal-Ablenkplatten oder Elektroden 54 der .Kathodenröhre 50 gekoppelt ist. Der Horizontal-Kippgenerator 46 ist auch mit der Strahlausta-•stung 48 gekoppelt. In gleicher Weise ist für die vertikale Synchronisation der Photodiodenkreis 26 vorgesehen, der einen Vertikal-Triggerimpuls erzeugt, welcher an dem Vertikal-Kippgenerator 44 liegt, der mit der Strahlaustastung 48 und den Vertikal-Ablenkungsplatten 56 der Kathodenstrahlröhre 50 gekoppelt ist. Die Strahlaustastung 48 liegt an dem Verstärker 40, so daß ein zusammengesetztes Infrarotbildsignal an dessen Ausgang und an dem Steuergitter 52 erzeugt wird. Diese Impulse dienen dazu, die Kathodenstrahlröhre während Intervallen, bei denen keine Abtastung stattfindet, an den Ecken der Spiegeltrommel und am Ende des Bildrahmens auszutasten. Der Thermograph erzeugt dadurch ein System für die kontinuierliche Anzeige von thermischen Bildern des Gesichtsfeldes.

Der Thermograph hat weiter eine Helligkeitssteuerung 42, die in die Verstärkerkette eingeschaltet ist, indiesem Fall mit dem Eingang des Verstärkers 36 verbunden ist. Die Steuerung führt eine Gleichspannung in die Verstärkerkette ein, die einen Austastpegel für die Anzeige setzt. Wie ausgeführt, 1st

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diea bei thermischen Bildern schwieriger von Hand durchzuführen. Es ist wünschenswert und in den meisten Fällen we- ■ sentlich, eine technisch einwandfreie Anzeige zu erhalten, die photographiert werden kann und deren Qualität ein weder zu dunkles noch zu helles Bild gewährleistet. Dieses Problea hat noch schwerwiegendere Bedeutung bei Infrarotkanseras, wo die Anzeige direkt auf einen Film projiziert wird. Deshalb verwendet man eine automatische Helligkeitssteuerung (ABC) 60, die eine gleichmäßig hohe Bildqualität gewährleistet, indem menschliche Fehler ausgeschaltet werden. Da in der Thermographie das Hauptinteresse an den maximalen' oder minimalen Temperaturen des Subjekts besteht, stellt die ABC-Einrichtung 60 automatisch die Helligkeitssteuerung der Anzeige so ein, daß die heißesten oder kältesten Stellen des Subjekts auf dem Bild in einem bevorzugten Helligkeitsniveau therinographiert erscheinen, das mit dem Intensitätsbereich dieser Anzeige oder dieses Bildes übereinstimmt. Um dies zu erreichen, ist eine Spitzendetektorschaltung 62 mit dem Ausgang des Verstärkers 38 gekoppelt. An dem Spitzendetektor 62 liegen die Austastimpulse der Torschaltung 64, die von dem Ausgang des Verstärkers 40, dem zusammengesetzten Infrarotbildsignal, gesteuert wird. Der Spitzen- λ detektor 62 nimmt daher die maximale Intensität der abgetasteten Szene wahr und erzeugt einen Gleichspannungsausgang, der proportional dieser Intensitätsspitze ist. Dieser Ausgang liegt an einem Abweichverstärker 66, an dem ebenfalls eine variable Bezugsspannung 68 liegt. Der Gleichstromausgang des Abweichverstärkers 66 liegt über einen Schalter an dem Eingang des Verstärkers 36, wo er mit dem Infrarotbildaignal unter Erzeugung der automatischen Helligkeitssteuerung summiert wird. Sie Rückkopplung dieses Kreises ge-

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währleistet, daß die Spitze des Bildausgangs praktisch an das vorbestimmte Gleichstromniveau 68 angeklemmt ist. Dieses Gleichstromniveau ist einstellbar und wird normalerweise auf das maximale Niveau des Intensitätsbereiches der Anzeige eingestellt. Wenn daher das Infrarothelligkeitsniveau der Szene sich ändert, wird eine automatische Kompensation erhalten, die die neue Szene dem Bild anpaßt, so daß das Infrarotniveau sich nicht ändert. Es ist auch möglich, eine Minimum- ^ anzeige zu erhalten, indem lediglich das Bildsignal mit ' einem Umkehrverstärker umgekehrt und die Spitzenintensität wahrgenommen wird, die in diesem Fall der minimalen Intensität entspricht. Es können daher die wärmsten oder kältesten Punkte in 'der Anzeige automatisch ohne Einstellung sichtbar • gemacht werden.

Figur 2 stellt eine Ausführungsform einer ABC-Einheit 60 dar, die für Kameras geeignet ist. Die angegebenen Parameter und die Schaltung hängt jedoch von der jeweiligen Kamera, der Abtastgeschwindigkeit und anderen elektronischen Charakteristiken ab, so daß die Erfindung nicht auf die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform beschränkt ist. An der Eingangs- * klemme 80 der Torschaltung (gating logic) 64 liegt das zusammengesetzte Bildsignal am Ausgang des Verstärkers 40. Dieses Signal enthält die vertikalen und horizontalen Austastsignale, sowie das Infrarotbildsignal. Dieses Signal wird über eine Widerstandsschaltung aus den Widerständen 81, 83 und 84 zu der Basis eines Transistors 82 gelegt. Die Widerstände 81 und 83 verschieben das Gleichspannungsniveau des zusammengesetzten Signals. Dieses Signal wird an den Transistor 82 und an eine Diode 85, die in der Emitter-Basisverbindung des . Transietors 82 liegt, gelegt. Die Diode 85 schützt diese Ver-

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bindung. Ein Widerstand Θ6 ist zwischen eine positive Potentialquelle und dem Kollektor des Transistors 82 geschaltet und erzeugt eine Vorspannung für den Kollektor. Die Schaltung des Transistors 82 trennt die Austastsignale von dem zusammengesetzten Signal, das an der Klemme 80 liegt. Der Transistor 82 ist während der Austastimpulse gesättigt, da sein Kollektor-auf Erdpotential getrieben wird. Während der Bildteile des zusammengesetzten Infrarot-Bildsignals ist der Transistor 82 ausgeschaltet, da die Kollektorspannung sich der Spannung der Stromversorgung über den Widerstand 86 nähert. Dieses geerdete, positiv verlaufende Signal wird von dem Kollektor des Transistors 82 über die Widerstände 87 und 88 zu der Basis eines Transistors 90 geleitet. Der Transistor 90 wird dadurch gesättigt oder abgeschaltet und dient als Bildtor. Das Bildsignal wird von dem Ausgang des Verstärkers 38 zu der Eingangsklemme 91 geleitet, die mit dem Kollektor des Transistors 90 verbunden ist. Eine Diode 89 erzeugt eine Vorspannung für den Kollektor des Transistors 90. Wenn das Bildtor 90 geschlossen ist - zu welcher Zeit der Transistor 90 gesättigt ist - liegt das Bildsignal an einer Diode 92. Wenn das Bildtor geöffnet und daher der Transistor 90 ausgeschaltet ist, liegt kein Signal an der Diode "92. Deshalb erscheinen die Infrarotbildsignale an der Diode 90 nur während der ,aktiven Abtastintervalle. Die Diode 92 erzeugt zusammen mit einem Kondensator 93 eine Spitzenwertabtastung des Bildsignals. Dieser Spitzenwert liegt in Anbetracht der niederen . Impedanz des Transistors 90 während des Vorhandenseins einer .Bildinformation fast unmittelbar an dem Kondensator 93. Der Spitzenausgang wird über einen Widerstand 94 zu dem Eingang eines Verstärkers 95 geleitet, der eine Umkehrung der ABC-

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Spannung erzeugt. Die Zeitkonstante des RC-Gliedes 93 und 94 ist im Vergleich zu der Zeit, während der ein Bild abgetastet wird, hinreichend lang, um einen glatten stabilisierten Betrieb zu gewährleisten. Ein Widerstand 96 verschiebt zusammen mit dem Widerstand 94 das Gleichspanraingsniveau des ABO-Signals und ein Kondensator 97, der ebenfalls mit dem Eingang des Verstärkers 95 verbunden ist, erzeugt eine Stabilisation des Verstärkers 95,. Der Ausgang des Verstärkers 95 liegt an dem Atmeichverstärker 66 und ist über einen Widerstand 98 mit dem Eingang eines Verstärkers 100 verbunden, an dem weiter eine Bezugsspannung liegt, die von * einem einstellbaren Widerstand 99 über den Widerstand 101 erzeugt wird. Die Bezugsspannung des Widerstandes 99 bewirkt die Verschiebung des maximalen Gleichspannungsniyeaus der ABC-Spannung. Diese Schaltung bildet einen Teil des Abv/eichverstärkers 66 und der Ausgang aus dem Verstärker 100 ist über Widerstände 102 und 103, sowie den Kondensator 104 mit dem Schalter 70 verbunden. Diese letztgenannten Teile erzeugen eine Rückkopplungs-Schleifenverstärkung und eine Frequenzstabilisierung für den Abweichverstärker. Wenn der Schalter 70 in der Automatikstellung ist, wird der Ausgang des Abweichverstärkers an den Eingang des Verstärkers 36 gelegt, der die Verstärkerkette der Auswertungsschaltung an ein Gleichspannungsniveau klemmt, das dem Spitzenwert des Bildsignals entspricht.

Wie erwähnt, sind die Parameter in dem Schaltschema nur als Beispiel aufgeführt und hängen von dem Typ der jeweiligen Infrarotkamera ab. Die Verstärker 95 und 100 können integrierte Fairchild-Sohaltungen 741 sein.

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Da bei vielen Anwendungen der Thermographie größte Temperaturänderungen bei maximalen oder minimalen Niveaus erschei-· nen, bietet die Erfindung eine vorteilhafte Möglichkeit, die heißesten und kältesten Teile des Gegenstandes durch automatische Einstellung der Helligkeit anzuzeigen. Wenn daher eine Szene abgetastet wird, erscheinen die heißesten und kältesten Stellen automatisch mit maximaler oder minimaler Intensität. Wenn daher die Kamera auf eine Szene gerichtet wird, wird ein Bild ohne manuelle Einstellung erhalten, wodurch eine Darstellung hoher Qualität unter Be- " seitigung menschlicher Irrtümer bei der Helligkeitseinstel-' lung erhalten. Mit der automatischen Helligkeitssteuerung ist es nicht notwendig, die Temperaturcharakteristiken des Gegenstandes zu kennen und es muß das Helligkeitsniveau nicht r,ur Anpassung an die Szene eingestellt werden, Bei kontinuierlichen Bilddarstellungen, wie sie z.B. bei medizinischen Untersuchungen oder zu zerstörungsfreien Versuchen angewandt werden, können Bilder mit gleichbleibender Qualität ohne Verlust wichtiger Temperaturinformationen infolge ungleicher Einstellungen und schlechter Beurteilung beim Einstellen der Helligkeitssteuerungen erhalten werden.

VO 9 8 0 8 / U 2 5

Claims (4)

1. 2037937

   Patentansprüche

   Infrarotthermograph mit automatischer Helligkeitssteuerung, der

   a) einen Infrarotdetektor, welcher in Abhängigkeit von der Intensität der auf ihn auffallenden Infrarotstrahlung Signale erzeugt,

   b) Einrichtungen zum Abtasten eines Gesichtsfeldes mit dem Infrarotdetektor, so daß dieser ein Infrarotbildsignal auf Grundlage der Intensität der Gesichtsfeldstrahlung erzeugt, und

   c) einen.* das Bildsignal auswertenden Kanal mit einer Vielzahl von Verstärkern aufweist, die das Bildsignal auf die jeweilige Anzeigeeinrichtung abstimmen,

   gekennzeichnet durch

   d) eine Spitzendetektorechaltung, die mit dem Ausgang eines dieser Verstärker verbunden ist und die maximale oder minimale Intensität des Bildsignals wahrnimmt,

   e) einen Abweichverstärker, der mit der Spitzendetektorschaltung gekoppelt ist und ein automatisches Helligkeitsteuerungssignal in Abhängigkeit von der maximalen oder minimalen Intensität erzeugt, und

   f) Einrichtungen, die das Helligkeitseteuerungssignal in den Verwertungskanal für das Bildsignal ein speisen, so daß die Helligkeit dieses Kanals, bezo-

   • gen auf die maximale oder Minimale Intensität des

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   Bildsignals automatisch eingestellt wird.
2. 2. Infrarotthermograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet., daß

   a) die Einrichtung, mit der der Infrarotdetektor das Gesichtsfeld abtastet, eine Hasterabtastung ist und daß

   b) die Spitzendetektorschaltung eine Zeitkonstante

   hat, die hinreichend groß ist, so daß das Maximum- i oder Minimum-Signal wenigstens während einer Rah-, menabtastung des Rasters fällt.
3. 3· Infrarotthermograph nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Erzeugen von Synchronisationsiinpulsen in Abhängigkeit von der Abtastung durch den Infrarotdetektor und Einrichtungen vorgesehen sind, die den Spitzendetektorkreis mit den Synchronisationsimpulsen öffnen.
4. 4. Infrarotdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abweich-, verstärker eine Gleichspannungsbezugsquelle hat, ™

   deren Eingang dem Ausgang des Spitzendetektorkreises überlagert ist, so daß die.zwei Kreise zur Erzeugung des automatischen Helligkeitssteuerungssignals am Ausgang desselben algebraisch summiert werden.

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