DE2332245A1

DE2332245A1 - Vorrichtung zum abtasten von strahlungsenergie

Info

Publication number: DE2332245A1
Application number: DE2332245A
Authority: DE
Inventors: Ii Richard George Hoffman
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1972-11-13
Filing date: 1973-06-25
Publication date: 1974-05-16
Also published as: FR2206520B1; FR2206520A1; JPS4979536A; GB1435144A; DE2332245C3; DE2332245B2; IT985783B; US3912927A; JPS5648850B2; CA998466A

Description

Uneer Zeichen; T 1412

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
13500 North Central Expressway
Dallas. Texas, V.St.A.

Vorrichtung zum Abtasten von Strahlungsenergie

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System zum Sammeln und Fokussieren von Strahlungsenergie und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Abtasten von Strahlungsenergie.

In Abtastsystemen zum Abtasten von Strahlungsenergie wird derzeit als Abtastelement ein Spiegel verwendet, dessen Vorderfläche die im Infrarotbereich liegende Energie und dessen Rückfläche die im sichtbaren Bereich liegende Energie abtastet. Der Spiegel ist in einem zweiachsigen Kardanrahmen gelagert, und er wird darin zur Erzeugung einer Rasterabtastung in Schwingbewegungen versetzt. Bei dieser Anordnung wird der Spiegel im Uhrzeigersinn um eine vertikale Achse zur Erzeugung eines Horizontalabtastwegs von einem ersten Punkt zu einem zweiten Punkt gedreht, und dann wird er um eine horizontale Achse, die in der einen oder in der anderen

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Richtung um 90° gegen die vertikale Achse versetzt ist_? so gedreht, daß eine vorbestimmte Vertikalbewegung erzeugt wird, wobei er dann gegen den Uhrzeigersinn wieder um die vertikale Achse gegen den Uhrzeigersinn von dein zweiten Punkt zu dem ersten Punkt zur Erzeugung des Horizontalrücklaufs zurückgedreht wird* Das auf der Wiedergabeseite des Abtastspiegels bei einer im Uhrzeigersinn erfolgenden Drehung erzeugte Bild liegt nicht In der gleichen Linis wie das Bild, das bei der gegen den Uhrzeigersinn erfolgenden Drehung des Spiegels erzeugt wird. Die Größe der Versetzung ergibt sich aus der endlichen Zeit, die ein Signal vom Eingang der Elektronik zum Ausgang der Elektronik benötige· diese Erscheinung wird oft als elektronische Phasenverschiebung bezeichnet. Diese Phasenverschiebung liegt vor, ob das System nun ein nach dem Zeilensprungverfahren arbeitendes System ist oder nicht, Ylerm. das System ohne Zeilen» sprung arbeitet, dann bewirkt die Phasenverschiebung, da£ ein Objekt, beispielsweise eine Zeile, breiter als in der wahren Bildgröße erscheint, Bei einem mit Zeilensprung arbeitenden System bewirkt die Phasenverschiebung, daß die Zeile als zackige,gepunktete Linie erscheint* Wenn das System einen Videoverstärker enthält, ist die Größe dieser unerwünschten Phasenverschiebung durch Vergrößern der Bandbreite des Videoverstärkers herabgesetzt worden; bei einer Wiedergabevorrichtung mit einer Katodenstrahlröhre kann die Phasenverschiebung dadurch kompensiert werden, daß .der Elektronenstrahl während der für die Verschachtelung verwendeten Totzeit um den entsprechenden Betrag verschoben wird. Bei einer mit lichtemittierenden Dioden arbeitenden Wiedergabevorrichtung und bei einer Optik für die im sichtbaren Bereich liegende Energie , die die Energie auf einen Brennpunkt im Auge des Betrachters fokussiert, war es nicht möglich, ein Bild zu erzeugen, das nicht unter dem Mangel der Phasenverschiebung litt.

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Eine solche Abtastvorrichtung ist in der USA-Patentanmeldung Serial Number 097 753 vom 14.Dezember 1970 beschrieben.

Mit Hilfe der Erfindung soll eine verbesserte Abtastvorrichtung geschaffen werden. Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Abtastvorrichtung soll ein verbessertes sichtbares Bild erzeugen. Ferner soll bei der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung der Einfluß der elektronischen Phasenverschiebung auf das wiedergegebene Bild kompensiert werden. Die nach der Erfindung zu schaffende Abtastvorrichtung, die Einrichtungen zur Beseitigung des Einflusses der elektronischen Phasenverschiebung auf das wiedergegebene Bild enthält, soll klein, leicht, unkompliziert und höchstzuverlässig sein.

Bei der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung wird eine !Linse in einer zu ihrer optischen Achse senkrechten Richtung so verschoben, daß das von dem·Linsensystem erzeugte Bild zur Kompensation der elektronischen Phasenverschiebung eingestellt wird. Bei einem Wiedergabesystem, wie es in der oben erwähnten USA-Patentanmeldung beschrieben ist, das unter Anwendung des Zeilensprungverfahrens arbeitet, erscheint das Bild einer Zeile als gepunktete Linie, wobei die Punkte nach beiden Seiten hin seitlich gegen eine Bezugslinie versetzt sind. Zur Korrektur der elektronischen Phasenverschiebung in einem Bild wird die erforderliche Winkelkorrektur gleich der Bewegungsstrecke der Linse geteilt durch die Linsenbrennweite gemacht. Somit kann entweder die Brennweite der Linse als variable Größe zum Ausgleich der Winkelkorrektur für die Versetzungsabstände verwendet werden, damit die elektronische Phasenverschiebung kompensiert wird, oder es kann der Abstand zwischen der Linse und der Verschachte-

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lungsachse dafür verwendet werden; es können aber auch beide Maßnahmen kombiniert angewendet werden, damit die Korrektur erzielt wird, wie unten noch genauer erläutert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.· Darin zeigen:

Fig.1 eine perspektivische Ansucht des Strahlungsenergie-Wiedergabe systems, bei dem die Erfindung angewendet werden kann,

Fig.2 eine teilweise perspektivische Ansicht des Strahlungsenergie-Wiedergabesystems, wobei ein Teil des Gehäuses aufgebrochen ist, damit die erfihdungsgemäße Vorrichtung erkennbar wird,

Fig.3 eine Schnittansicht des Abtast- und Antriebsteils des V/iedergabesystems,

Fig.4 eine teilweise geschnittene .Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig.5 ein Diagramm, in dem die Änderung des Abtastwinkels in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt ist,

Fig.6 eine Draufsicht auf den inH.g.3 dargestellten Afctast- und Antriebsabschnitt, wobei die Beziehung zwischen den verschiedenen Achsen und der Reflexionsfläche der Abtastvorrichtung angegeben ist,

Fig.7 bis 11 einen Abtaat- und Verschachtelungsvorgang nach der Erfindung,

Fig.12 das Schaltbild der Abtastspiegelsteuerungs- und Zeilensprungschaltungen,

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Fig.13 das Schaltbild eines Videoelektronikkanals,

Fig.14 eine Ansicht eines ZeELenbildes, das von einer mit Zeilensprung arbeitenden Abtastvorrichtung ohne Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt wird, und

Fig.15 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei der Kardanrahmen der Klarheit wegen weggelassen ist.

Fig.1 zeigt ein Strahlungsenergie-Wiedergabesystem, wie es in der USA-Patentanmeldung Serial Number 097 753 vom 14.Dezember 1970 beschrieben ist.Das Wiedergabesystem 10 ist in einem Gehäuse.11 untergebracht. Dieses Wieder-" gäbesystem wandelt ankommende Strahlungsenergie in sichtbares Licht um. Wenn das Detektorfeld des Systems somit für eine unsichtbare elektromagnetische Strahlung, beispielsweise Infrarotstrahlung empfindlich ist und die Lichtquelle des Wiedergabesystems sichtbares Licht erzeugt, dann kann ein unsichtbares Infrarotbild in ein sichtbares Bild umgewandelt werden,das vom menschlichen Auge betrachtet v/erden kann, oder das auf Wunsch verarbeitet werden kann. Für die Erläuterung sei angenommen, daß die ankommende Strahlungsenergie im infraroten Bereich des Spektrums liegt.

Der Infrarotempfängerteil des Wiedergabesystems besteht aus einer Linsenanordnung 12, einer Abtastanordnung 14 und einer Detektoranordnung 16. Die Linsenanordnung 12 enthält drei Linsen, die für einen Betrieb im Infrarotbereich beispielsweise aus drei Germaniumelementen 18, 20 und 22 bestehen können. Die von einem ( nicht dargestellten) Objekt kommende Infrarotenergie tritt längs der optischen Achse 24 des Systems ein, durchläuft die Linsen-

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anordnung 12 und fällt schließlich auf die Abtastanordnung Die Abtastanordnung besteht zum Teil aus einem zweiseitigen, ebenen Spiegel 26, dessen Vorderseite 28 zum Empfang der Infrarotenergie verwendet wird, während seine Rückseite zum Abtasten des modulierten sichtbaren Lichts von einer noch zu beschreibenden Lichtquelle verwendet wird. Der Abtastspiegel 26 ist drehbar an einem Spiegelträger 32 befestigt, und er ist in einem Nennwinkel von 45° zur optischen Achse 24 angebracht. Die ankommende Strahlungsenergie wird vom Abtastspiegel 26 reflektiert und fällt dann auf einen Umlenkspiegel 34. Der Umlenkspiegel 34 reflektiert die Energie und fokussiert sie auf ein geradliniges Detektorfeld 36, das zum Kühlen der einzelnen Detektorelemente in einem Dewar'sehen' Gefäß 38 angebracht ist. Das Dewar'sehe Gefäß 38 liegt längs der umgelenkten optischen Achse 24 auf der Infrarotseite des Abtastspiegels

Das Detektorfeld 36 kann aus mehreren Infrarotdetektorelementen bestehen, die beispielsweise in einem geradlinigen Feld angeordnet sein können und aus im Abstand voneinander liegenden Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Dioden (HgCdTe-Dioden) oder aus Indiumantimonid-Dioden (InSb -Dioden) bestehen können. Die einzelnen Detektorelemente können auch beispielsweise gegeneinander versetzt angebracht sein. Das für die Detektorelemente verwendete bestimmte Material hängt davon ab, für welchen Bereich des Infrarotspektrums das System empfindlich sein soll. Beispielsweise kann das Detektorfeld 36 aus Detektorelementen mit einer Größe von 75 x 75/im (0,003 x 0,003 inch) zusammengesetzt sein, die in einem geradlinigen Feld in einem Abstand von 75/um voneinander liegen. Diese Detektorelemente können bei den Temperaturen von flüssigem Stickstoff (77°K) arbeiten. Das Dewar'sehe Gefäß enthält einen Kryostat 40, der an eine (nicht dargestellte) Quelle für Hochdruckstidkstoffgas

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angeschlossen ist. Dieses Gas durchläuft eine Druckänderung, die es abkühlt, so daß es direkt oder dicht beim Detektorfeld 36 zu einer Flüssigkeit mit einer Temperatur von 77°K kondensiert. Dies erhöht die Empfindlichkeit des Detektorfeldes 36. Ein dazu geeigneter Kryostat wird von der Firma Air Products Incorporated hergestellt und vertrieben.

Fig.2 zeigt den Wiedergabeteil des Wiedergabesystems 10. Das Ausgangssignal des Detektorfeldes 36 wird einer Videoelektronikschaltung 44 zugeführt, deren Ausgang 46 mit der Lichtquelle 48 verbunden ist. Die Lichtquelle kann beispielsweise aus mehreren , im Abstand voneinander liegenden, lichtemittierenden Dioden bestehen. Die Zahl der lichteraittierenden Dioden 48 entspricht dabei der Zahl der Detektorelemente des "geradlinigen Detektorfeldes 36,wobei auch gleiche Abstände vorliegen. Die Videoelektronikschaltung 44 koppelt jeden Detektorkanal mit der entsprechenden lichtemittierenden Diode 48, und sie sorgt für die Signalverarbeitung und die zusätzlichen Funktionen zum Modulieren des Ausgangssignals jeder lichtemittierenden Diode. Das in Form von sichtbarem Licht von den lichtemittierenden Dioden 48 abgegebene Ausgangssignal 50 fällt auf einen Umlenkspiegel 52, wo es durch Kollimatorlinsen 54 und 56 zur Rückseite des Abtastspiegels 26 Reflektiert wird. Die lichtemittierenden Dioden 48 können beispielsweise Gallium-Arsenid-Phosphid-Dioden sein, wie sie von der Firma Texas Instruments Incorporated hergestellt und vertrieben werden. Die sichtbare Wiedergabe des Objekts wird von der Rückseite 30 des Abtastspiegels 26 durch eine Linse 162 reflektiert, die mittels eines Gewindes an einem Kardanrahmen 62 befestigt ist. Die Linse 162 liefert ein Bild für ein Aufrechtbildteleskop 164, das in der Sichtlinie für einen Betrachter angeordnet ist. Die Verwendung des Abtastspiegels 26 sowohl für die Empfangsabtastung als auch für die Wiedergabeabtastung erlaubt die Ausschaltung kleiner Störungen der Spiegelbewegung während des Abtastzyklus. Die Verwendung der mittels einer Schraubverbindung am Kardanrahmen

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befestigten Linse 162 erlaubt die Einstellung des Abstandes von der Verschachtelungsachse 66, so daß die Bewegung des Kardanrahmens 62 eine entsprechende Bewegung der Linse zur Korrektur des sich ergebenden Bildes hinsichtlich der elektronischen Phasenverschiebung, d,h, hinsichtlich der Verschiebung des Sichtsignals bewirkt, die sich aus der endlichen Zeit ergibt, die zur Verarbeitung des sichtbaren Bildes aus dem abgetasteten Infrarotsignal erforderlich ist.

Aus Fig.3 ist zu erkennen, daß sich der Abtastspiegel 26 um eine erste Achse, die Abtastachse 64, und um eine zweite Achse, die Verschachtelungsachse 66, bewegt. Die Verschachtelungsachse 66 ist um einen Winkel θ von weniger als 90° gegen-die Abtastachse 64 versetzt. Wie oben bereits erwähnt wurde, ist der Abtastspiegel 46 in einem Winkel von etwa 45° zur optischen Achse 24 angebracht. Der Abtastspiegel besorgt sowohl die Abtastung für den Empfangsabschnitt als auch für den Wiedergabeabschnitt des Systems 10. Die vertikale Abtastung und Wiedergabe v/erden durch Verwendung vertikal ausgerichteter, geradliniger Felder aus Infrarotdetektoren 36 und aus lichtemittierenden Dioden 48 bewirkt. Diese Elemente liegen in einem solchen Abstand voneinander, daß eine 2:1-Verschachtelung, die durch Bewegen des Abtastspiegels um wenige Milliradiant um die Verschachtelungsachse 66 erzielt wird, eine Verringerung der Zahl der im System 10 erforderlichen Kanäle im Verhältnis von 2:1 erlaubt.

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Die Horizontalabtastung des Spiegels 26 erfolgt um die Abtastachse 64. Typischerweise wird der Abtastspiegel 26 zur Erzielung einer Gesamthorizontalabtastung von 15° um 7,5° auf beide Seiten der Abtastachse 64 gedreht. Der Abtaöbspiegel kann sich während der Horizontalabtastung mit 15° mit konstanter Geschwindigkeit drehen* was typischerweise 80% der Zykluszeit beansprucht. 20% Jeder Zykluszeit (die als Totzeit bezeichnet werden) können für die Drehrichtungsumkehr des Abtastspiegels bereit gestellt werden. Das Kippen des Spiegels für die Verschachtelung (die unten noch genauer beschrieben wird) erfolgt ebenfalls während der Totzeit. Der Abtastspiegel 26 ist an dem Kardanrahmen 62 befestigt. Ein kleiner, bürstenloser Gleichstrommotor mit konstantem Drehmoment sorgt für den Antrieb um die Abtastachse 64. Der Motor 68 besteht aus einem Stator 70 und einem Rotor 72. An den Rotor 72 ist eine Spiegelklemme 74 angeformt, mit deren Hilfe der Spiegel 26 am Rotor 72 festgeklemmt ist. Eine Schraubverbindung 76 verbindet den Rotor 72 mit Lagerzapfen 78.

Am oberen Ende ist der Abtastspiegel mit einer Spiegelklemrae 80 an einem Tachometer 82 befestigt, der ein Rückkopplungssignal erzeugt, das zum Abgreifen der Geschwindigkeit verwendet v/ird (wie im Zusammenhang mit Fig.12 noch genauer beschrieben wird). Der Tachometer 82 besteht aus einem Stator 84 und aus einen Rotor 86, an dem die Spiegelklemme 80 befestigt ist. Eine Schraubverbindung hält den Rotor 86 in Eingriff mit einem Lagerzapfen 90. Der die Horizontalabtastbewegung des Spiegels 26 bewirkende Motor 68 kann als Abtasttreiber angesehen werden. Der Motor 68 mit konstantem Drehmoment kann beispielsweise das von der Firma Aeroflex Incorporated

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hergestellte und vertriebene Modell TQ10Y-10P sein.

Der Kardanrahmen 62 ist mit einer Gswindeöffnung 160 (Fig.4) versehen, in die die in einem mit Umfangsgewinde verseheraiiahmen befestigte Linse 162 geschraubt sein kann, damit die Linse in einstellbarer Weise in der Schrauböffnung 160 des Karadanrahxnen 62 angebracht werden kann. Der Kardanrahmen 62 Vann zu einem' vorbe stimmten Zeitpunkt während des j.b t:'?tzyklas (d.h. wahrend der Totzeit des Abtastzyklus) um ei ic Versohachtslungs- achse 66 bewegt oder gekippt we/uc.n, r>sr Kardanrahinen (Fig.3) ist mit Hilfe von zwei Ls.v^rsspfen 92 Md 94 im Gehäuse 11 gelagert. Die Lager.*--^pfen bestehen aus gekreuzten Blattfedern, die Ie charakteristischer Weise stabil sind und eine niedrige Reibung und ein geringes Gewicht aufweisen. Die Lagerzapfen 92 und 9U (Fig.3) ermöglichen dem Kardanrahr&yn 62(und daher dem Spiegel 26) eine Kippbewegung um die Verschachtelungsachse 66. Die für die Verschachtelung benötigte Antriebsbewegung wird mit Hilfe von Elektromagneten 96 und 98 erzeugt, die den Kardanrahmen 62 und den Abtastspiegel 26 um die Verschachtelungsachse kippen, wenn einer von ihnen betätigt wird. Wenn die Magnete $6 oder 98 betätigt werden, üben die Wellen 100 bzw. 102 eine Zugkraft auf den Kardanrahmen 62 aus, so daß dieser um eine vorbastimmte Größe (in der Größenordnung von v/enigen Milliradiant) um die Verschach&elungsachse kippt.Der Magnet 98 ist mit Hilfe von Bolzen 106 an einem Bügel 104 befestigt, während der Magnet 96 in der gleichen Weise mit Hilfe von Bolzen 107 an einem Bügel 105 befestigt ist (Fig.2). Anschläge 108 begrenzen die Bewegung der Magnete 96 und 98.

Aus Fig.1 ist zu erkennen, daß am Spiegelträger 32 eine Verlängerung 110 befestigt ist, die sich zwischen zwei "abgestimmten" Rückstellfedern 112 befindet. Diese Rück*

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stellfedern 112 liefern einen wesentlichen Teil des zum Drehen des Abtastspiegels 26 erforderlichen Moments, wobei der Motor 68 das restliche Drehmoment liefert und Verluste in den Lagern und den Federn ausgleicht.

In den Figuren 1 und 3 sind zwar ein eigener Abtastantrieb (Motor 68) und ein eigener Verschachtelungsantrieb (Magnete 96 und 98) dargestellt, doch kann in einigen Anwendungsfällen ein einziger Antrieb zur Erzielung der gewünschten Abtast- und Verschachtelungsbewegung des Abtastspiegels verwendet werden. Wenn zur Ausübung eines Drehmoments T_ auf die Abtastachse 6h nur ein Abtastantrieb verwendet wird, dann wird an die Verschachtelungsachse 66 eine über cos θ mit dem Drehmoment T_ in Beziehung stehende Komponente dieses Drehmoments angelegt, wobei θ der Winkel zwischen der Verschachtelungsachse und der Abtastachse ist. Dieses Drehmoment bewirkt dann die VerSchachtelungsfunktion. Wenn nur ein Verschachtelungsantrieb verwendet wird, der auf den Kardanrahmen 62 ein Drehmoment ausübt, und der Kardanrahmen eine Winkelgeschwindigkeit annimmt, dann erhält die Abtastachse (die ein Bestandteil des Abtastspiegels ist), die gleiche Winkelgeschwindigkeit, und die Komponente der Winkelgeschwindigkeit längs der Abtastachse erscheint als Änderung in der Abtastgeschwindigkeit des Spiegels bezüglich des Gehäuses, die die Abtastbewegung bewirkt. Ein einziger Antrieb zur Erzielung der Bewegung des Spiegels 26 kann erhalten werden, ohne daß zusätzliche Kraftübertragungsvorrichtungen erforderlich sind.

Das in den Figuren 1 und 3 dargestellte System ist im wesentlichen eine Bildebenenabtastvorrichtung; das soll heißen, daß das Objekt in der Objektebene (nicht dargestellt) bezüglich der Blende des Systems fest bleibt,

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während das Bild des Objekts über das Detektorfeld 36 gelenkt wird. Fig.5 zeigt die Beziehung zwischen der Abtastwinkeländerung des Abtastspiegels 26 und der Zeit, während eine Draufsicht auf die Anordnung von FLg.6 zeigt, in der die . Beziehung zwischen den drei Achsen 24, 64 und 66 bezüglich des Abtastspiegels 26 zu erkennen ist. Wie aus Fig.5 zu erkennen ist, dreht sich der Abtastspiegel 26 ausgehend von seiner bei einem Nennwinkel von 45° bezüglich der optischen Achse 24 liegenden 0°-Position um 7»5°. D.h. in anderen Worten , daß sich der Abtastspiegel 26 bezüglich der optischen Achse 24 über einem Winkel zwischen 37»5° und 52,5° dreht, wie am besten in Fig.6 zu erkennen ist. Wie in Fig.5- angegeben ist, entspricht die vom Spiegel 26 zur Bewegung um +_ 7,5° benötigte Zeit der Betriebszeit T , während die für das Kippen des Abtastspiegels 26 (zur Erzielung der Verschachtelung) benötigte Zeit als die Totzeit t^ bezeichnet ist. Die Betriebszeit kann etwa Q0% des gesamten Arbeitszyklus der Abtastvorrichtung betragen, während die Totzeit in der Größenordnung von 20% dieses gesamten Arbeitszyklus lieger, kann. Fig.5 läßt sich entnehmen, daß während der Betriebszeit der Abtastvorrichtung eine lineare Abtastung ( mit konstanter Winkelgeschwindigkeit oder Abtastgeschwindigkeit) angewendet wird. Es hätte auch eine sinusförmige Abtastbewegung angewendet v/erden lönnen, doch würde die Veränderung der Objektverweilzeit (d.h. der Zeitdauer, in der das Bild eines Objekts mit Auflösungsgröße auf ein einzelnes Detektorelement fällt) mit dem Abtastwinkel zu einer veränderlichen Verstärkung auf dem wiedergegebenen Bild führen. Die Totzeit (T^) jedes Arbeitszyklus ist für die Umkehr der Drehbewegungsrichtung des Abtastspiegels 26 und für das Kippen des Spiegels zur Verschachtelung vorgesehen.

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Die Figuren 7 bis 11 zeigen im einzelnen den Äbtast- und Verschachtelungsvorgang. Wie oben bereits erwähnt wurde, besteht das Detektorfeld 36 aus mehreren einzelnen Detektorelementen, die in einem geradlinigen Feld im Abstand einer Detektorelementbreite voneinander angeordnet sind. Die Zahl der als Lichtquelle dienenden Elemente der Lichtquelle 48 entspricht der Zahl der Elemente des Detektorfeldes 36 , wobei inr wesentlichen der gleiche Abstand vorliegt. Da also keine kontinuierliche Reihe von Elementen, sondern nur die Hälfte der dafür erforderlichen Elemente verwendet wird, heißt das in anderen Worten, daß die Zahl der Detektorkanäle ebenso wie die zugehörige Videoelektronikschaltung 44 auf die Hälfte verringert wird, wodurch auch nur die halbe Anzahl von Elementen der Lichtquelle 48 benötigt wird. In den Figuren 7 bis 11 sind zur Verdeutlichung der Darstellung bestimmte Elemente , die in den Figuren 1 und 3 dargestellt sind, weggelassen worden. Beispielsweise sind die Umlenkspiegel 34 und 52 nicht dargestellt, und die auf den Abtastspiegel 26 fällende Strahlungsenergie ist in den Figuren 7 bis 11 so dargestellte, daß sie direkt auf das Detektorfeld 36 fällt.

Fig.7 zeigt den Abtastspiegel 26 bei einem Nennwinkel von 45° zur optischen Achse 24. Für Erklärungsz^recke sei angenommen, daß die ankommende Strahlungsenergie die linken Elemente 18 bis 22 durchläuft und im Bereich 114 auf den Abtastspiegel 26 fällt. Diese Energie (von der angenommen wird, daß es sich um Infrarotenergie handelt) wird vom Abtastspiegel 26 reflektiert, und sie trifft auf das Detektorfeld 36. Das Bild des (nicht dargestellten) Objekts wird vom Bereich 116 begrenzt, der teilweise über dem Detektorfeld 36 liegt.' Es ist zu erkennen, daß der Bereich 116 des Objekts in zwei ^üruppen von Informations-

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zeilen 116a und 116b aufgeteilt werden kann. In der in Fig.7 dargestellten Lage liegen die Zeilen 116a über den einzelnen Detektorelementen 36, während die Informationszeilen 116 über keine der einzelnen Detektorelemente liegen. Demnach wird die in den Zeilen 116b enthaltene Information während des ersten Durchlaufs des Abtastspiegels 26 nicht erhalten. Der Bildpunkt auf der optischen Achse, ist auf ein Detektorelement als Auflösungeelement 118 dargestellt.

In ELg.8 ist zu erkennen, daß der Abtastspiegel 26 bezüglich seiner in Fig.7 dargestellten Stellung um 7,5° bewegt worden ist. Die in Fig.7 dargestellte ursprüngliche Lage des Abtastspiegels ist in den Figuren 8 bis 11 mit gestrichelten Linien zur Bezugnahme dargestellt. Diese Auslenkung des Abtastspiegels 26 um 7»5° entspricht der Zeit t.. von Fig. 5. Die in den Zeilen 116a enthaltene Infor mation läuft über die einseinen Detektorelemente 36; und der während der Abtastung vom einzelnen Auflösungselement 118 durchlaufende Weg ist als Weg 120 dargestellt. Wenn sich der Abtastspiegel 26 in die in Fig.8 dargestellte Stellung bewegt, dann stößt er gegen eine der zwei Rückstellfedern 112 (Fig.2), die zur Umkehrung seiner Bewegungsrichtung beitragen. Diese Richtungsumkehr erfolgt ebenso wie die Verschachtelungskippbewegung des Abtastspiegels während der erstenTotzeit t·, (Fig.5).

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Fig. 12 zeigt die Abtastspiegelsteuerungs- und Ver-schachtelungs (Zeilensprung)-Schaltung, die zum Ansteuern des Motors 68 und der Elektromagnete 96 und 98 (Fig.2) verwendet wird. Der Motor 68 bewegt den Abtastspiegel 26 bei seiner Abtastbewegung um +_ 7,5°. Der in Fig.3 und schematisch in Fig.12 dargestellte Tachometer 82 ist mit dem Motor 68 mechanisch gekoppelt, und das am Ausgang

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vom Tachometer abgegebene elektrische Ausgangssignal wird einem invertierenden Verstärker 124 zugeführt; es wird auch über einen Widerstand 126 zu einem Eingang einer Vergleichsschaltung 128 zurückgekoppelt. Das Ausgangsignal des invertierenden Verstärkers 124 wird über einen Widerstand 130 zum gleichen Eingang der Vergleichsschaltung 128 geführt, an dem auch der Widerstand 126 angeschlossen ist; an diesem gemeinsamen Eingang ist auch ein Widerstand 132 angeschlossen. Die andere Seite des Widerstands 132 ist mit dem Ausgang der Vergleichsschaltung 128 verbunden. Die Vergleichsschaltung 128 liefert ein Ansteuer- und Bezugsgleichspannungssignal, dessen Polarität von der Abtastrichtung abhängt. Der Widerstand 130 bestimmt die Abtastgeschwindigkeit und die Abtastperiode. In anderen Worten heißt das, daß die Abtastspiegelsteuerungsschaltung von Fig.12 während der Betriebszeit der Abtastvorrichtung eine geeignete Spannung an den Motor 68 liefert.

Fig.9 veranschaulicht das Kippen des Spiegels 26 während der Totzeit t, . Aus Fig.9 läßt sich erkennen, daß der Objektbereich 116 bezüglich der einzelnen Detektorelemente um eine Detektorelementbreite nach unten ■ bewegt wird. Das heißt in anderen Worten, daß die Zeile 116a nun nicht mehr in einer über eines der Detektorelemente 36 laufenden Linie liegt, während sich die Zeile 116b nun in einer solchen Position befindet, in der sie über eines der Detektorelemente 36 läuft. Dies wird mit Hilfe des vom Auflösungselement 118 durchlaufenen Weges 134 deutlicher angegeben. Zur Erzielung dieser Verschachtelung oder dieses Zeilensprungs wird der Abtastspiegel 26 um einen vorbestimmten Wert um die Verschachtelungsachse 36 gekippt. Diese Bewegung wird mit Hilfe des Elektromagnets 96 erzielt, der die Welle 100 (Fig.2) erregt.

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Die inFig.12 dargestellte Zeilensprungschaltung aktiviert die Magnete 96 und 98 im passenden Zeitpunkt. Die Zeilensprungschaltung bewirkt eine elektrische Aktivierung des Magnets 96 während der Totzeit t, (Fig.5).Ein am Ausgang 136 des Verstärkers 124 von Fig.12 abgegebenes Zeitsteuersignal ist an Funktionsgeneratoren 138 und 140 angelegt, die ihrerseits mit Magnettreiberschaltungen 142 bzw. 144 verbunden sind. Das am Ausgang 136 abgegebene Zeitsteuersignal betätigt den Funktionsgenerator 138, der an den Magnet 96 ein Beschleunigungs-, Verzögerungs- und Haltesignal für eine vorbestimmte Zeitpferiode anlegt. Der Magnet 96 übt auf die Welle 100 eine Zugkraft aus, die den Kardanr=thmen 92 um die Verschachtelungsach.se 66 dreht oder kippt.

Fig.10 zeigt die Abtastung durch den Abtastspiegel 26, wenn dieser sich um den Winkel von 15° nach Fig.3 während der Zeit t₂ bewegt, wobei er in der gekippten Stellung gezeigt ist. In dieser Stellung durchläuft das Abtastelement 118 den Weg 146. Der Abtastspiegel 26 bewirkt beim Durchlaufen des.Wegs 146 eine Abtastung in einer entgegengesetzten Richtung bezüglich des Wegs 120.

Fig.11 zeigt den Abtastspiegel in der Stellung nach dem Kippen während der Totzeit t. (Fig.5). Während dieser Zeitdauer befindet sich die ziile 116a der Objektinformation wieder in einer Lage, in der sie über die einzelnen Detektorelemente 36 geführt wird, während die Zeile 116b der Objektinformation nicht über Detektorelemente geführt wird. Das Auflösungselement 118 durchläuft einen Weg 148 während der Totzeit t^ .Während dieser Totzeit t^ betätigt das am Ausgang 136 von Fig.12 abgegebene Zeitsteuersignal den Funktionsgenerator 14C, der seinerseits den Magneten

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erregt. Der Hagnet 98 übt auf die Welle 100 eine Zugkraft aus, die den Kardanrahmen 62 in einer Richtung um die Verschachtelungsachse 66 kippt, die entgegengesetzt zu der vom Magneten 96 und der Welle 100 hervorgerufenen Kippbewegungsrichtung ist.

Somit ist zu erkennen, daß bei der Vollendung eines vollständigen Zyklus durch den Spiegel 26 ein als Beispiel angegebenes Auflösungselement 118 iijj wesentlichen ein Parallelogramm durchläuft, dessen Seiten aus den Wegen 120, 134, 146 und 148 besteht. Die Wege 120 und 146 verlaufen senkrecht zur Abtastachse 64, während die Wege 134 und 148 senkrecht zur Verschachtelungsachse 166 verlaufen.

Bei dem hier beschriebenen Zeilensprungverfahren wird das Gesamtbild des Objektbereichs 116 über die Detektorelemente 36 geführt, wenn der Abtastspiegel 26 einen Betriebszyklus vollständig durchläuft.. Durch Anwendung dieses Zeilensprungverfahrens , d.h. durch Kippen des Abtastspiegels 26 um die Verschachtelungsachse 66 während der Totzeit t_d wird im Vergleich zu einem Fall ohne Zeilensprung nur die halbe Anzahl von Detektorelementen benötigt. Nachdem das Objekt über das Detektorfeld 36 abgetastet worden ist, wie oben beschrieben wurde, verarbeitet die in Fig.2 in Blockform dargestellte Videoelektronikschaltung 44 die Detektorinformation, und sie moduliert das Lichtquellenfeld 48. Die Videoelektronikschaltung 44 koppelt jedes Detektorelement im Feld 36 mit einer entsprechenden lichtemittierenden Diode im Feld 48. Wie in Fig.13 dargestellt ist, durchläuft das Ausgangssignal eines Detektorelements im Feld 36 einen Vorstärker 150 und dann einen Zwischenverstärker 152. Das Ausgangssignal des Zwisehenverstärkers 152 wird dann an die Ansteuerschaltung 154 für die lichtemittierenden Dioden angekoppelt, die das Ausgangslicht

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der ' lichtemittierenden Dioden im Feld 48 moduliert. Die Ansteuerschaltung 154 für die lichtemittierenden Dioden schickt durch die Diodenelemente im Feld 48 Strom, der von der Größe der auf die Elemente des Detektorfeldea 36 fallenden Strahlungsenergie abhängt.

Wie in Fig.2 dargestellt ist, wird das in Form von sichtbarem Licht abgegebene Ausgangssignal 50 der lichtemittierenden Dioden des Felds 48 vom Uralenkspielgel 52 reflektiert, durch die Kollimatorlinsen 54 und 56 übertragen und schließlich auf die Rückfläche 30 des Abtastspiegels 26 gelenkt. Das von der Vorderfläche 30 des Abtastspiegels 36 übertragene Licht wird in der gleichen Weise abgetastet und verschachtelt, wie oben im Zusammen» hang mit der ankommenden Strahlungsenergie, die auf die Vorderfläche 28 des Abtastspiegels 26 fällt, beschrieben worden ist, damit ein sichtbares Bild erzeugt wird. Aus diesem Grund ist zwischen der Empfängerabtastung, die von der Vorderfläche 28 des Abtastspiegels 26 erhalten wird, und der auf der Hinterfläche 30 des Abtastspiegels 26 erzeugten Wiedergabeabtastung keine Synchronisierung erforderlich. Das heißt in anderen Worten, daß durch Vervrendung des gleichen Abtastspiegels 26 für die Ejspfangsabtastung und die Wiedergabeabtastung eine Beseitigung kleiner Störungen der Spiegelbewegung während des inELg.5 dargestellten Abtastzyklus ermöglicht wird. Das sichtbare Bild, das von einem Betrachter längs der Sichtachse 58 von Fig.1 gesehen werden kann, ist eira sichtbare Darstellung der ankommenden Infrarotenergie. Jedoch erzeugt die in Fig.1 dargestellte Vorrichtung ein gezacktes, gepunktetes Bild. Wenn beispielsweise als Objekt eine Linie verwendet wird, ergibt sich ein Bild, wie in Fig.14 dargestellt ist. In Fig. 14 geben die Pfeilspitzen 166 die Abtastrichtung jeder

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Zeile an,während die vertikale Linie 168 zwischen den Zeilen aus länglichen Blöcken 170 die Bezugspunktlage der Zeile darstellt; die länglichen Blöcke 170 stellen dabei das wiedergegebene Bild der Zeile dar. Die länglichen Blöcke 170 geben die Beobachtete Zeilenlage an. Durch Einstellen der Linse 162 (Fig. 4) durch eine nach innen oder nach außen erfolgende Verschiebung der · Gwindeöffnung des Kardanrahmens 62 zur Veränderung des Abstandes zwischen der Linse 162 und der Verschachtelungsachse 66 können die länglichen Blöcke (Fig.i4) jeder zweiten Zeile beginnend mit der zweiten Zeile so beeinflußt werden, daß sie in einer Linie mit den länglichen Blöcken der jeweils anderen zweiten Zeile beginnend mit der ersten Zeile erscheinen. Diese Ausrichtung ergibt sich deshalb, weil die Linse bei der Abtastung in der ersten Richtung einen Teil des Zeilenbildes auf der linken Seite der Bezugslinie anordnet, und mit der Verschachtelungsbewegung am Ende der ersten Bewegungsrichtung ist die Linse richtig eingestellt, so daß die Abtastung in der zweiten Bewegungsrichtung die länglichen Blöcke in Ausrichtung auf die länglichen Blöcke verschiebt, wie sie während der Spiegelbewegung in der ersten Abtastrichtung erscheinen. Am Ende der Abtastung in der zweiten Bewegungsrichtung führt die Verschachtelungsbewegung die Linse wieder in ihre Ausgangsstellung zurück, damit sie wieder in der ersten Richtung bewegt wird. Fig.15 zeigt den Einfluß der Linsenbewegung parallel zur Abtastrichtung auf das Bild. Diese Bewegung wird durch Drehen der Linse um die Verschachtelungsaohse erzeugt. Die mit gestrichelten Linien dargestellte Linsenposition 172 zeigt die Lage des Bildes 174 vor der Drehung des Kardanrahmens um

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die Verschachtelungsachse; die rait ausgezogenen Linien angegebene Linsenposition 176 zeigt die Lage des Bildes 178 nach der Drehung des Kardanrahmens um die Verschachtelungsachse. Der Abstand Δ χ ist zweimal so groß wie derjenige Abstand, der sich aus der elektronischen Phasenverschiebung ergibt ; somit liegt das resultierende korrigierte Bild entweder auf der linken oder auf der rechten Seite der durchgezogen gezeichneten Bezugszeilenposition (Fig,14), je nach der Richtung der anfänglichen Abtastung. Diese kleine Abweichung kann bei Bedarf während der Einvisierung des Instruments , bei dem die Abtastvorrichtung verwendet wird, kompensiert werden. Somit bewirkt das hier beschriebene Strahlungsenergie-Wiedergabesystem nicht nur eine Umwandlung von sichtbarer Strahlungsenergie in eine sichtbare Analoggröße dieser Strahlungsenergie, sondern es verbessert auch die Bildauflösung.

Patentansprüche

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Claims

23322A5 Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Abtasten von Strahlungsenergie mit einer Strahlungsenergiereflektorfläche , einer die Strahlungsenergiereflektorfläche um eine erste und eine zweite Achse drehbar haltenden Befestigungseinrichtung und einer Einrichtung zum Abtasten der Strahlungsenergiereflektorflache um die erste und die zweite Achse, gekennzeichnet durch eine Drehbefestigungseinrichtung mit einer ersten Kippvorrichtung, die die Reflektorfläche zur Erzeugung eines Abtastmusters hält,und mit einer zweiten Kippvorrichtung, die die Reflektorfläche in einem Winkel von weniger als 90° bezUblich der ersten Kippvorrichtung so hält, daß eine Verschachtelungsabtastung erzeugt wird.

2. Vorrichtung zum Abtasten von Strahlungsenergie mit einer Strahlungsenergiereflektorfläche, einer die Strahlungsenergiereflektorfläche um eine erste und um eine zweite Achse drehbar haltenden Befestigungseinrichtung, und einem Antrieb zum Auslenken der Strahlungsenergiereflektorflache um die erste und die zweite Achse, gekennzeichnet durch eine erste Kipplagereinrichtung, die die Reflektorfläche in einer vertikalen Ebene zur Erzeugung einer Horizontalabtastung hält, eine zweite Kipplagereinrichtung, die die Reflektorfläche in einem Winkel von weniger als 90° bezüglich der ersten Kipplagereinrichtung zur Erzeugung einer horizontalen Verschachtelungsabtastung hält, einen ersten Antrieb zum Drehen der Reflektorfläche um die erste Kipplagereinrichtung in einer ersten und einer zweitenRichtung zur Erzeugung einer hin -und hergehenden Abtastbewegung, einem zweiten Antrieb zum Kippen der Reflektorfläche um die zweite Kipplagereinrichtung während der Totzeit der Abtastbewegung und ein geradliniges

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Feld von im Abstand voneinander angebrachten Infrarotdetektoren, die so angeordnet sind, daß auf sie der
parallelogrammartig laufende Abtaststrahl der Infrarotenergie fokussiert wird, und daß sie ein sich mit
dieser Energie änderndes Ausgangssignal erzeugen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorfläche ein Spiegel, ist,

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Kippen der Reflektorfläche ein Kardanglied ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, c&ß der Antrieb zum Drehen der Reflektorfläche ein Motor mit

- konstantem Drehmoment ist und daß zum Kippen des Kardanglieds ein daran angekoppelter- Elektromagnet verwendet
wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastachse um 90° gegen die optische Achse des Systems gedreht ist, und daß die Reflektorfläche bei einem Nennwinkel von 45° zu der optischen Achse liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel eben ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren im Abstand voneinander liegende Quecksilbercadmiumtelluriddetektoren sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren aus einem geradlinigen Feld von im Abstand voneinander liegenden Indiumantimonidelementen bestehen.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Lichtquellenanordnung,die derart ausgebildet ist, daß sie auf das Ausgangssignal des geradlinigen Feldes von im Abstand voneinander liegenden Infrarotdetektoren unter Erzeugung eines sichtbaren Lichtstrahls entsprechend der Infrarotenergie anspricht, wobei der Lichtstrahl von der Rückfläche des Spiegels zur Erzeugung einer sichtbaren Wiedergabe in einer Zeile des Sichtwegs ausgelenkt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellenanordnung aus mehreren lichtemittierenden Dioden besteht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein Optikelement in der Linie des Sichtwegs zur Rückfläche der Strahlungsenergiereflektorflache, das auf eine Bewegung der zweiten Achse so anspricht, daß seitliche Verschiebungen im sichtbaren Bild, die vom Strahlungsenergiewiedergabesystem erzeugt werden, korrigiert werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Optikelement eine Linse ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die in der Linie des Sichtwegs zur Rückfläche des Spiegels befestigte Linse auf die die Verschachtelungsbewegung des Kardangliedes verursachende Bewegung anspricht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse von dem die Verschachtelungsbewegung verursachenden Kardanglied getragen ist.

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16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse an dem die Verschachtelungsbewegung verur~ sachenden Kardanglied einstellbar befestigt ist.

17. Vorrichtung zum Abtasten von Strahlungsenergie, gekennzeichnet durch

(a) einen Spiegel mit einer Strahlungsenergiereflektorfläche in einer Lage zvm Empfang von Strahlungsenergie und mit einer Lichtreflektorfläche in einer Lage zum Empfang von sichtbarem Licht,

(b) eine auf die von der Strahlmigsenergiereflektorfläche des Spiegels reflektierte Strahlungsenergie ansprechende Elektronikschaltung zur Erzeugung eines die reflektierte Strahlungsenergie anzeigenden sichtbaren Bildes auf der Rückseite des Spiegels,

(c) ein ßardanglied, das den Spiegel so hält, daß er zur Bewegung in einer Abtastrich.tung kippen kann,

(d) einen Kardanträger mit einom Kipplager für das Kardanglied, wobei- das .Kipplager eine Verschachtelungsachse bildet,die in einem Winkel von weniger als 90° zur Abtastachse liegt _} und.

(e) ein vom Kardanträg^r gehaltenes Linsenelement

in der Linie des SichWegs zur Rückseite des Spiegels zur Korrektur seitlicher Verschiebungen im sichtbaren Bild als Folge einer elektronischen Phasenverschiebung, wobei das Linsenelement so gehalten ist, daß es eine Bewegung entsprechend der Verschachtelungsbewegung des Kardanträgers ausführen kann.

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18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsenelement so in den Kardanträger geschraubt ist, daß der Abstand zwischen der Linse und der Verschachtelungsachse zur Korrektur seitlicher Verschiebungen im sichtbaren Bild als Folge einer elektronischen Phasenverschiebung eingestellt werden kann.

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