DE2224275C3

DE2224275C3 - Vorrichtung zur Bilderzeugung mit einer Detektoranordnung

Info

Publication number: DE2224275C3
Application number: DE2224275A
Authority: DE
Inventors: Peter Los Angeles Calif. Laakmann (V.St.A.)
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1971-05-28
Filing date: 1972-05-18
Publication date: 1974-01-24
Also published as: NL7207015A; IL39389A0; DE2224275A1; IL39389A; DE2224275B2; FR2139972A1; IT958071B; AU457159B2; AU4249972A; GB1361144A; US3723642A; SE371694B; JPS5141532B1; NL158675B; FR2139972B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bilderzeugung mit einer aus einer Anzahl von Detcktorelementen 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.

Bekannte Vorrichtungen zur Bilderzeugung, wie beispielsweise Infrarotsysteme, machen von einer mehr oder weniger linearen Anordnung \>m Detektoren Gebrauch, die so orientiert sind, daß sie eine Dimension des Blickfeldes 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 Plasmadioden 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 rekonstruieren, wie es in der Brennebene der Detektoranordnung erscheint.

Die Eigenschaften dieser bekannten Vorrichtungen zur Bilderzeugung haben sich für viele Anwendungszwecke als ausreichend erwiesen. Diese Vorrichtungen 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 Detektoranordnungen, die eine große Anzahl von Detektorelementen gleicher Eigenschaften aufweisen. Die Kompliziertheit solcher Vorrichtungen ergibt sich aus der Gefahr einer Rasterverschiebung, aus Ausgleichsproblemen 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 Überwachung 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 Zcilenrichtung 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 Detektoratiordnung 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 enindungsgemäßen 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 Weise, daß die von dem gleichen Abschnitt eines BiI-vergleicnbar mit derjenigen der besten bekannten des stammenden Signale zeitlich zusammenfalten. Die Vorrichtungen, obwohl eine bedeutende Verminde- in der Summiereinrichtung 24 verzögerten und komrung der Kosten fur eine solche Vorrichtung erzielbar binierten Videosignale werden dann auf einer Leitung ist. Die nachstehend aufgeführten Vorteile der erfin- S 26 einer Verstärker- und Filtereinheit 28 zugeführt, dungsgemaBen Vorrichtung führen zu einem weniger in der die verzögerten Videosignale verstärkt und gekomplizierten Aufbau und zu einer erhöhten Zuver- filtert werden, bevor sie dem Sichtgerät 30 zugeführt lässigkeit. Diese Vorteile bestehen darin, daß die Pro- werden. Das Sichtgerät 30 kann nach Art eines Fernbleme der Rasterverschiebung, des Ausgleiches und sehsichtgerätes mit einer Kathodenstrahlröhre ausgeder Einführung eines Gleichspannungspegels im we- »° bildet sein, das Horizontal- und Vertikal-Synchronisentlichen eliminiert sind, weil alle Teile des Bildes sationsimpulse und Rücksprung-Austastsignale von von allen Detektorelementen abgetastet werden. Die der optischen Abtasteinrichtung 10 empfängt. Statt Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die dessen könnte das Sichtgerät 30 auch eine zweidimen-Gleichheitder Detektorelemente sind bedeutend ver- sionale Anordnung von lichtemittierenden Festkörmindert, weil die Ausgangssignale aller-Detektoren «5 per- oder Plasma-Dioden mit Zeitmultiplexschaltunzu einem zusammengesetzten Videosignal integriert gen enthalten, die von den Horizontal- und werde». Die Anzah! der Detektorelemente kann ent- Vertikal-Synchronisationssignalen gesteuert werden, sprechend dem gewünschten Maß an Auflösung aus- Eine Ausführungsform einer geeigneten optischen gewählt werden, wodurch sich ein großer Spielraum Abtasteinrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. Wie erhiiiMchtlich der Bemessung des Bildfeldes sowie der ²° sichtlich, wird von dieser Abtiu,'.einrichtung das Blick-Abtastgeschwindigkeit ergibt. Endlich '.ann die Vi- feld 12 in eine'm zweidimensionaLn Raster mit Hilfe deoverarbeitung in einem einzigen Kanal erfolgen, eines Spiegels 31 für die Vertikalabtastung und einer wodurch die Schaltungsanordnungen zur Kontrast- prismatischen, rotierenden Spiegelanordnung 32 für steuerung vereinfacht und das Frequenzverhalten die- die Horizontalabtastung abgetastet. Die Spiegelanser Schaltungsanordnungen verbessert werden kann. ³5 Ordnung 32 wird von einem Motor 34 angetrieben.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Er- der auch ein Getriebe 36 antreibt, das zum Antrieb

findung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des Spiegels 31 für die Vertikalabtastung dient.

des in der Zeichnung dargestellen Ausführungsbei- Der Spiegel 30 für die Vertikalabtastung ist um eine

spieles. Es zeigt Achse 38 mit Hilfe einer Nockenanordnung 40

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Vorrichtung zur 3° schwenkbar, die ein Folgeglied 42 und eine Nocken-Bilderzeugung nach der Erfindung, scheibe 44 mit einem linear ansteigenden Abschnitt

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teiles ei- umfaßt. Die Nockenbcheibe 44 ist auf einer Welle 46

ner optischen Abtasteinrichtung, die zur Anwendung befestigt, auf der auch ein Zahnrad 48 des Getriebes

in der Vorrichtung nach Fig. 1 geeignet ist, 36 sitzt. Das Folgeglied wird durch eine nicht näher

Fig. 3 das Blockschaltbild eines Teiles einer line- 35 dargestellte Federanordnung am Umfang der Nokaren Detektoranordnung in Verbindung mit zur Si- kenscheibe 44 in Anlage gehalten,
gnalverarbeitung dienenden Schaltungskreisen der Die aus dem Blickfeld 12 einfallende Strahlung Vorrichtung nach Fig. 1, wird zunächst an einer Spiegelfläche der rotierenden

Fig. 4fl eine Darstellung verschiedener Wärme- Spiegelanordnung 32, beispielsweise an der Spiegelquellen im Blickfeld der Vorrichtung nach Fig. 1 und 4° fläche SO, und dann an dem eine Schwingbewegung

F i g. 4 b ein Zeitdiagramm von Signalen, wie sie in ausführenden Spiegel 31 für die Vertikalabtastung reder Vorrichtung nach Fig. 1 auftreten, wenn im flektiert. Die an dem Spiegel 31 reflektierte Strahlung Blickfeld dieser Vorrichtung die Wärmequellen nach fällt durch eine Linse 52 auf die Brennebene 20 der Fig. 4a vorhanden sind. Detektoranordnung 18 (Fig. 1) und wird in dieser

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt eine *5 Brennebene von der Linse 52 fokussiert. Die Abtastoptische Abtasteinrichtung 10, die ein Blickfeld 12 einrichtung nach F i g. 2 kann beispielsweise so ausgein Form eines zweidimensionalen Rasters 14 abtastet bildet werden, daß sie ein Abtastraster mit 525 hori- und ein stationäres Strahlungsbündel 16 auf die zontalen Zeilen pro Bild, 15 Bildern pro Sekunde und Brennebene 20 einei Detektoranordnung 18 richtet. einem Blickfeld von 30° auf 45° liefert. Zwischen den Die Detektoranordnung 18 besteht aus einer linear 5" horizontalen und vertikalen Abtastgeschwindigkeiten angeordneten Gruppe von Detektorelementen, wel- kann ein nicht ganzzahliges Verhältnis vorliegen, um ehe auf die Intensität des Strahlungsbündels 16 an- ein verschachteltes Abtastraster zu erzeugen,
sprechen und als Funktion der Strahlungsintensität Die in Fig. 2 dargestellte Abtasteinrichtung weist Bildsignale liefern. Um die Zeichnung übersichtlich keine Mittel zur Erzeugung von Sywchronisatiansimzu halten, sind nur vier Detektorelemente dargestellt. 55 pulsen auf, jedoch sind Einrichtungen zur Erzeugung Es versteht sich jedoch, daß die Detektoranordnung von Synchronisationsimpulsen allgemein bekannt. 18 so viel Detektorelemente enthalten kann, wie es Beispielsweise könnte eine kapazitive Sonde den zum Erreichen der gewünschten Auflösung erforder- Scheitel der Nockenscheibe 44 feststellen und Impulse lieh ist. In der Praxis werden zweckmäßig 25 bis 50 zur Vertikalsynchronisation sowie zur Videoausta-Detektorelemente verwendet, obwohl auch eine grö- ⁶° stung liefern. Entsprechend könnte eine kapazitive ßere oder kleinere Anzahl Detektorelemente benutzt Sonde, welche auf die Kanten 54 der prismatischen werden kann. Spiegelanordnung 32 anspricht, Signale für die Hori-

Das Ausgangssignal jedes Detektorelements wird zontalsynchronisation liefern.

von einem rausdmrmen Verstärker 22 mit hohem Ein wichtiger Aspekt der Erfindung besteht in der

Verstärkungsgrad einzeln verstärkt und dann einer 65 Abtastung einer Detektoranordnung und in einer sol-

SummiereinrichturtB 24 zugeführt. Die Summierein- chen Verarbeitung der Ausgangssignale der einzelnen

richtung 24 verzögert die von den einzelnen Detektorelemente, daß die aus den gleichen Bildab-

Detektorelementen gelieferten Bildsignale in solcher schnitten stammenden Signale integriert werden. Wie

in Fig. 3 dargestellt, sind die vier Elemente der Detcktoranordnung 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 benachbarten Abschnitten eines einzigen Streifens eines Festkörpermaterials 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. Entspucliiiiu »iid du» 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 Summ ie rung der Ausgangssignale mit Hilfe einer mit Abgriffen versehenen Verzögerungsleitung 60. Jede Stufe dieser Verzögerungsleitung besteht aus einer 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 Fig. 4bdargestellt, 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", 5" und c" angegeben.

Die Kurve 66 in F i g. 4 b veranschaulicht die unge fähre 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 Y^ entsprich«, wenn N die Anzahl der Detektorelemente ist, welche die lineare Detektoranordnung bilden.

Für ein gegebenes Maß der Auflösung ist bei anderen Vorrichtungen, bei denen die Detektoranordnung vollständig eine Dimension des Blickfeldes überdeckt während die Gruppe in der anderen Dimcnsioa abgetastet wird, eine sehr viel geringere Bildfolge erforderlich, was zu einem stärkeren Flimmern führt als bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen kompensieren die höheren Abtastgeschwindiigkeitcn der Detektorelemente durch eine Integration der hinsichtlich ihrer Verzögerung korrigierten, von der Vielzahl der De-

'5 tektorelemente stammenden Signale. Ein bedeutender Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß jedes Element jeden Punkt im Blickfeld erfaßt und infolgedessen Probleme der Rasterverschieburig, des Ausgleiches und der Herstellung des Gleichspannungspegels, wie sie bei anderen Vorrichtungen angetroffen wenden, im wesentlichen vermieden sind. Bei den erfindungsgemäßen Systemen ist nicht nur eine Gleichheit der Charakteristik aller Detektorelemente ohne Bedeutung, sondern es kann auch dh Anordnung einen gewissen Anteil von defekten Elementen aufweisen, ohne daß die Qualität der Bildwiedergabe erheblich vermindert wird. Die Anzahl der Gesamtelemente einer Detektoranord nung kann von vornherein so gewählt werden, daß die Ausbeute an guten Elementen bei der Herstellung berücksichtigt wird. Auf diese Weise können die Herstellungskosten für die Detektoranordnungen bedeutend vermindert werden. Bei den erfindungsgemäßen 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 gegebene!! Mail der Auflösung leicht für Systeme mit verschiedenen Abtastgeschwindig-

♦5 keiten und verschiedenen Begrenzungen des Blickfeldes durch eine entsprechende Änderung in der Anzahl der Detektorelemente hergestellt werden kann.

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

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 kann, in dem Detektorelemente in solcher Weise benutzt werden, daß diskrete elektrische Ausgangssignale von jedem der Detektorelemente erhalten werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 bildli- to chen Wiedergabe der Ausgangssignale der Detektoranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (24) zur Verarbeitung der Ausgangssignale der einzelnen Detektorelemente (0 bis 3) der Detektoranordnung (18) vorhanden ¹S ist, die eine Summierung der aus dem gleichen Abschnitt des Blickfeldes stammenden Ausgangssignale der einzelnen Detektorelemente (0 bis 3) bewirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- »° kennzeichnet, daß die Detektorelemente (0 bis 3) eine lineare Detektoranordnung (18) bilden, in der die Detektorelemente parallel zu einer der Abtastdimensionen des Blickfe!.ies (12) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (24) zur Verarbeitiig der Ausgangssignale eine Verzögerungseinrichtung umfaßt, welche die Ausgangssignale der Detekioreler» jnte (0 bis 3) als Funktion der Abtastgeschwindigkeit längs einer der Abtastdimensionen und der Stellung des Detektorelementes innerhalb 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 zweidimensionalen 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 Detektoranoulnung (18) sich wenigstens annähernd parallel zur horizontalen Abtastrichtung der Abtasteinrichtung (10) erstreckt.

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