DE2204498A1 - Optisches system mit bildfeldabtastung - Google Patents

Description

• Optisches System mit Bildfeldabtastun.
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme örtlicher Intensitätsverteilungen im optischen und quasioptlschen Spektralbereich. Derartige Vorrichtungen werden vorzugsweise im Infrarotbereich verwendet und als Wärmebildkameras bezeichnet. Prinzipiell wird bei Geräten dieser Art die von einem kleinen Teil des oehfeldes kommende Infrarotstrahlung mit Hilfe eines Objektives auf einen Infrarotdetektor fokussiert, der ein von der Strahlungsintensität abhängiges elektrisches Signal liefert. Durch optischmechanische Abtasteinrichtungen wird dafür gesorgt, daß der Detektor die Strahlung verschiedener Teile Qes Sehfeldes nacheinander empfängt.
• Das Sehfeld wird also punktweise abgetastet und aus dem Detektorsignal das Bild z.B. auf einer Braun'schen Röhre rekonstruiert.
• Die gebräuchlichen Abtastverfahren lassen sich in zwei Kategorien einteilen: a) Die Abtastvorrichtung befindet sich zwischenObjekt und Objektiv.
• b) Die Abtastvorrichtung befindet sich zwischen Objektiv und Detektor.
• Im ersten Fall sind Spiegel gebräuchlich, die Winkelablenkungen vornehmen. Es handelt sich dabei z.B. um Schwingspiegel (in Resonanz schwingend oder zwangsgesteuert) oder um rotierende Spiegelaußenpolygone. Der Vorteil dieser Verfahren ist, daß bei geeigneter Anordnung mögliche auf den Detektor treffende Störstrahlung aus dem Gerät nicht von der momentanen Stellung des Abtastspiegels abhängt. Bs tritt im Bild also keine durch Störstrahlung erzeugte Struktur (Hintergrundsstruktur) auf. Da aber aus Gründen der Empfindlichkeit große Rintrittspupillen notwendig sind, werden auch große Abtastvorrichtungen benötigt. Es lassen sich damit also keine hohen Bildfrequenzen erzielen.
• Im zweiten Fall wird im Prinzip durch die Abtastvorrichtung das vom Objektiv erzeugte Bild in der Bildebene, in der sich der Detektor befindet, parallel verschoben. Bei einem bekannten erfahren dieser Art besteht die Abtasteinrichtung aus einem rotierenden Germanlumwürfel (drehbare planparallele Platte), der durch seine Drehung das Bild über den Detektor führt. Durch die Kleinheit dieser Abtastvorrichtung und ihre Rotationsbewegung kann hier die Forderung nach hohen Bildfrequenzen erfüllt werden. Nachteil dieser Einrichtung ist, daß sich durch änderung der Strahlelnfallswinkel auf den Germaniumwürfel während seiner Drehung der Reflexionsgrad ändert und zusätzlich Strahlung von verschiedenen Teilen des Gerätes auf den Detektor reflektiert wird. Dies erzeugt im 3ild, insbesondere dann, wenn Szenentemperatur und Geräte temperatur verschieden sind, die genannte störende "Hintergrundsstuktur" Die Erfindung betrifft ein optisches System mit Bildfeldabtastung, welches gegenüber den bisher verwendeten Verfahren folgende Vor@ei@ besitzt: - Es sind große Eintrittspupillen zur erreichung hoher Empfindlichk@@ in Verbindung mit kleinen Abtastvorrichtungen zur Erzeugung hoher Bildfrequenzen möglich.
• - Es trifft keine von der momentanen Stellung der Abtastvorrichtung abhängige Störstrahlung aus dem Gerät auf den Detektor, so daU das Bild der beobachteten Objekte nicht verfälscht wird.
• - Die gesamte Anordnung bietet im optischen Teil die Möglichkeit, die an ein Wärmebildgerät zu stellenden Forderungen nach hoher Lichtstärke und gleichzeitig hoher geometrischer Aulösung so auf die einzelnen Komponenten zu verteilen, daß trotz geringerer Anforderungen an diese optischen Komponenten das Gerät die genanu Forderungen dennoch erfüllt.
• - Die Anordnung ermöglicht auf einfache Weise - ohne den Abtastvorgang verändern zu müssen - den Bildwinkel und die geometrische A@ lösung zu ändern und zwar derart, daß die Bildpunktzahl konstar bleibt.
• - Zu Eich- und Meßzwecken kann die notwendige Referenzstrahlung ohne - zusätzliche mechanisch bewegten Teile dem Detektor zu Beginn und/oder Ende der Zeilen- und/oder Bildabtastung zugeführt werden.
• Diese Vorteile werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zunächst mit einem teleskopischen System in vorm eines Kepler'schen Fernrohres die in das Gesamtsystem eintretenden Strahlen in einen aus parallelen Strahlen bestehenden Strahlengang geringeren Querschnittes umgeformt werden. Am oder in der Nähe des Ortes der Austrittspupille der Fernrohres befindet sich das Abtastsystem, das vorzugsweise aus einem um zwei Achsen beweglIchen Spiegel besteht. Durch ein weiteres Objektiv, dessen Durchmesser dem Durchmesser der Austrittspupille des Fernrphres entspricht, wird nun die Strahlung auf den Detektor fokussiert. Das vom Objektiv des Fernrohres erzeugte reelle Zwischenbild wird also durch das "Okular" des Fernröhres, den Abtastspiegel und das weitere Objektiv punktweise auf den Detektor abgebildet.
• In einer anderen Ausführung wird in der Austrittspupille des Fernrohres das Bildfeld nur in einer Richtung abgetastet, durch ein weiteres Linsensystem ein Bild dieser Austrittspupille erzeugt und dort die Abtastung der anderen Richtung vorgenommen.
• Es sei hier darauf hingewiesen, daß entsprechend den optischen Anforderungen oder dem für das Gerät zurVerfügung stehenden Raum noch Feldlinsen eingeführt bzw. Zwischenabbildungen vorgenommen werden können. Insbesondere kann es bei hoher geometrischer Auflösung, bei großem Sehfeld oder großem Abstand zwischen Abtastsystem (Ort der Austrittspupille des Fernrohres) und dem Objektiv vor dem Detektor notwendig sei, eine Abbildung dieser Austrittspupille auf die '*intrittspupille dieses Objektives vorzunehmen.
• Weiterhin können sowohl Linsen-, Spiegel- als auch kombinierte Spiegel-Linsensysteme verwendet werden. is kann insbesondere von Vorteil sein, für das Fernrohr ein Spiegelobjektiv zu verwenden, um durch einen spektralen Strahlteiler und ein Okular eine gleichzeitige koaxiale optische Beobachtung des Sehfeldes zu ermöglichen.
• An Wärmebildgeräte sind je nach Verwendungszweck unterschiedliche Forderungen zu stellen, welche unter Umständen gleichzeitig optimal und mit möglichst minimalem Aufwand erfüllt werden müssen. Im Grenzfall der gleichzeitigen Forderung nach hoher Bildfrequenz und hoher geometrischer Auflösung, d.h. hoher Bildpunktzahl, begrenzt die Zeitkonstante des Detektors die Größe des beobachtbaren Sehfeldes. Aus diesem Grunde werden Reihenanordnungen von mehreren Detektoren verwendet. Diese Maßnahme bedeutet jedoch nicht nur eine nur in Sonderfällen tragbare Verteuerung der Geräte, sonder mit Mehrelementanordnungen läßt sich unter Umständen nur ein homogenes und unverfälschtes Bild der Objekte erzeugen, wenn man einbußen hinsichtlich derGesamtempfindlichkeit hinnimmt. Das liegt daran, daß das Nachweisvermögen und die Empfindlichkeit der einzelnen Detektorelemente der Reihenanordnung verschieden sind und sich zeitlich durch Alterung unterschiedlich ändern. Eine Anpassung der Detektoren aneinander durch Schaltungsmaßnahmen zur Erreichung eines 0eichmäßigen Bildes ist daher erforderlich. Das bewirkt gewöhnlich Nachteile hinsichtlich der Empfindlichkeit und zusätzlichen Aufwand. is sollte daher die'geforderte Leistungsfähigkeit der Wärmebildgeräte mit einer möglichst geringen Zahl von Detektoren erreicht werden.
• Diese kann nun dann auf jeden Fall besser erreicht werden, wenn das Sehfeld und die geometrische Auflösung veränderlich sind und der momentanen Beobachtungsaufgabe angepaßt werden können. In manchen Fällen zeigt sich dann, daß schon mit einem einzelnen Detektor die gleiche Beobachtungsleistung erzielt werden kann, die heute nur mit einer Reihenanordnung erreicht wird. Es kann zunächst mit großem Sehfeld und geringer geometrischer Auflösung die Szene beobachtet werden und dann interessierende Ausschnitte durch Verkleinerung des Sehfeldes bei konstanter Bildpunktzahl, d.h. mit besserer geometrischer Auflösung, betrachtet werden.
• Dies ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung leicht möglich. Setzt man das Objektiv oder das "Okular" des Fernrohres aus zwei Linsen bzw.
• Linsengruppen zusammen, so kann in bekannter Weise durch Veränderung des Abstandes dieser Linsen bzw. Linsengruppen die Brennweite des Objektives oder des "Okulares" geändert werden. Da okularseitig der' Bildwinkel durch den Abtastwinkel der Abtastvorrichtung und die geometrische Auflösung durch Detektorfläche und Brennweite des Sammelobjektives gegeben sind, ändern sich Sehfeld und geometrische Auflösung im Sehfeld in gewünschter Weise. Selbstverständlich kann auch durch die gleiche Linse bzw. Linsengruppe je nach ihrer Lage zum Bildfeld entweder die Objektiv oder die "Okular"- Brennweite geändert werden.
• Ein weiteres Merkmal dieser erfindung ist es, daß auf einfache Weise Bezugsstrahlung, d.h. Strahlung bekannter Intensität, auf den Detektor geliefert werden kann. Diese Strahlung kann zur Eichung, insbesondere zur Selbsteichung, des Gerätes verwendet werden. Wird nämlich das Bildfeld in der Zwischenbildebene von einem oder mehreren bekannten Strahlern begrenzt und die Abtastung so ausgelegt, daß diese Strahler am Beginn und/oder Ende der Zeilen- und/oder der Bildabtastung vom Detektor gerade noch gesehen werden, so erhält der Detektor dann jeweils Strahlung bekannter Intensität. Diese Strahler können je nach Aufgabe und Eichverfahren gleiche oder verschiedene Temperaturen haben. Ss kann sich dabei um geschwärzte Objekte handeln, die sich auf Umgebungstemperatur befinden oder thermostatisiert sind, oder um verspieeelte Objekte, die die Strahlung von z.B. Schwarzen Körpern reflektieren.
• Ergänzend sei noch erwähnt, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung selbstverständlich auch Detektorreihen verwendet werden können.
• Anhand einer schematischen Zeichnung eines einfachen Ausführungsbeispieles wird nun das Prinzip der Erfindung näher erläutert: Durch das Objektiv L1 wird in der Brennebene diese-s Objektives ein reelles Bild 1 der zu betrachtenden Szene erzeugt. Die Linse bzw.
• Linsengruppe L2 verwandeln die von jedem Punkt des Bildes ausgehenden Strahlen wieder in Parallelbündel, die alle durch die Austrittspu pille des durch L1 und L2 gebildeten Kepler'schen Fernrohres gehen.
• Am Ort dieser Austrittspupille liegen die zwei zueinander senkrechten Schwenkachsen 2 und 3 des Abtastspiegels SPO Dieser Spiegel Sp möge z.B. schnell sinusförmig um die Achse .2 schwingen (Zeilenabtastung), während er eine langsame sägezahnförmige Bewegung um die Achse 3 ausführt (Bildabtastung). Der Detektor empfängt also über das Objektiv L3, in dessen Brennebene er sich befindet, den Abtastspiegel Sp und das "Okular" L2 des Fernrohres je nach Stellung des Spiegels Sp Strahlung von verschiedenen Punkten des Bildes und damit des entsprechenden Sehfeldes. Das Sehfeld wird durch die geschwärzten Strahler definierter Temperatur 4 und 5 , die die Bezugsstrahlung liefern, begrenzt. Die Pfeile 6 und 7 deuten die Grenzen der Zeilenabtastung an.
• - Patentansprüche -

Claims (11)

1. Patentansnriiche Optisches System mit Bildfeldabtastung dadurch gekennzeichnet, daß mit einem teleskopischen System in Form eines Kepier'scher.

   Fernrohres die in das Gesamtsystem eintretenden Strahlen in einen aus parallelen Strahlen bestehenden Strahlengang geringeren Querschnittes umgeformt werden, da2 sich am oder in der Nähe des Ortes der Austrittspupille dieses kernrohres eine Abtastvorrichtung befindet, mit der dlese von den Bildelementen der betrachteten Szene kommenden parallelen Strahlunsbündei auf ein weiteres Objektiv gelenkt werden, und daß sich in der Brennebene dieses Objektives der Strahlungsdetektor befindet.
2. 2. Optisches System mit Bildfeldabtastung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß mit der Abtastvorrichtung in der Austrittspupille des Fernrohres das Sehfeld nur in einer Richtung abgetastet wird, daß durch ein weiteres Linsensystem ein Bild der Austrittspupille erzeugt wird und daß sich dort eine weitere Abtastvorrichtung zur Abtastung des Sehfeldes in der anderen Richtung befindet.
3. 3. Optisches System mit Bildfeldabtastung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung aus einem oder mehreren um eine oder zwei Achsen beweglichen Spiegeln besteht.
4. 4. Optisches System mit Bildfeldabtastung nach Anspruch 1 oder dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung aus einem Drehkeilpaar besteht.
5. 5. Optisches System mit Bildfeldabtastung nach Anspruch 1 oder dadurch gekennzeichnet, daß Kombinationen der In den Ansprüchen 3 und 4 angegebenen Abtastvorrichtungen verwendet werden.
6. 6. Optisches System mit 3ildSeldabtastung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dad das teleskopische System aus drei oder mehr Linsen bzw. Linsengruppen besteht, wobei durch Verschieben der Linsen oder Linsengruppen gegeneinander die Vergrö£erung des teleskopischen Systems und damit das Sehfeld und die geometrische Auflösung des Systems geändert wird.
7. 7. Optisches System mit Bildfeldabtastung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß durch ein weiteres Objektiv die Punille, in der die Abtastung vorgenommen wird, auf die Sintrittspupille des Objektives, in dessen Brennebene sich der Detektor befindet, abgebildet wird.
8. 8. Optisches System mit Bildfeldabtastung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß optisch wirksamen Elemente aus Linsen, Spiegeln oder Kombinationen daraus bestehen können.
9. 9. Optisches System mit Bildfeldabtastung nach einam oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß das vom Objektiv des teleskopischen Systems entworfene Zwischenbild durch geschwärzte Eichstrahler begrenzt wird und daß die Bildfeldabtastung so vorgenommen wird, daß die Eichstrahlung am Beginn und/oder Ende der Zeilen- und/oder der Bildabtastung auf den Detektor trifft.
10. 10. Optisches System mit Bildfeldabtastung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß das vom Objektivdes teleskopischen Systems entworfene Zwischenbild durch Spiegel begrenzt wird, die die Strahlung von Eichstrahlern wie z.B. Schwarzen Körpern reflektieren, und daß die Bildfeldabtastung so vorgenommen wird, daß die Eichstrahlung am Beginn und/oder Ende der Zeilen- und/oder der Bildabtastung auf den Detektor trifft.
11. 11. Optisches System mit Bildfeldabtastung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß Anordnungen von mehreren Detektoren verwendet werden können.