DE2332245C3

DE2332245C3 - Vorrichtung zur Abtastung von Strahlungsenergie

Info

Publication number: DE2332245C3
Application number: DE2332245A
Authority: DE
Inventors: Richard George Allen Tex. Hoffman Ii
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1972-11-13
Filing date: 1973-06-25
Publication date: 1983-11-03
Also published as: DE2332245A1; IT985783B; JPS5648850B2; FR2206520A1; GB1435144A; CA998466A; FR2206520B1; JPS4979536A; DE2332245B2; US3912927A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer aus der US-PS 29 89 643 bekannten Vorrichtung dieser Art ist der Strahlungsenergi ;reflektor

ίο so gelagert, daß er um eine vertikale Achse und um eine dazu senkrechte horizontale Achse geschwenkt werden kann. Ein auf den Strahlungsreflektor und von diesem reflektierter Lichtstrahl würde bei diesen Schwenkbewegungen des Reflektors rechtwinklig zueinander verlaufende horizontale Wege beschreiten.

Zur Erzielung der horizontalen Schwenkbewegung und der dazu senkrechten vertikalen Schwenkbewegung sind Lager und entsprechende Halterungen für die im rechten Winkel zueinander verlaufenden Schwenkachsen erforderlich. Diese Lagerungen ergeben eine relativ große Baulänge der gesamten Abtastvorrichtung, die nicht für alle Anwendungsfälle tragbar ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abtastung von Strahlungsenergie der geschilderten Art so auszugestalten, daß sie einen sehr kompakten Aufbau erhält ohne daß dadurch nachteilige Auswirkungen aui die zu erzeugende sichtbare Abbildung der abgetasteten Strahlungsenergie auftreten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 enthaltenden Merkmalen gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Umwandlung der Infrarotstrahlungsenergie in ein elektrisches Signal in einem Detektor, dessen Klemme zeilenförmig angeordnet sind. Dadurch kann mit einer einzigen Schwenkbewegung des Reflektors, die gesamte abzutastende Szene erfaßt werden. Eine solche zellenförmige Anordnung der Detektorelemente ist bereits aus der FR PS 16 00930 bekann; jedoch erfolgt dabei die Erfassung der Strahlung mi'tels einer Cassegrain-Optik. und die Umsetzung in ein sichtbares Bild erfolgt in einem vom Erfassungssystem völlig getrennten Wiedergabesystem.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verlaufen die zwei Achsen, um die der Strahlungsenergiereflektor beweglich ist, in einem Winkel von weniger als 90" zueinander. Dies ermöglicht eine Verkürzung der Baulänge der Vorrichtung, da bei dieser Winkellage der Achsen die Lagerpunkte der einen Achse näher zur

anderen Achse herangerückt werden. Diese Änderung des Winkels zwischen den beiden Achsen führt zwar zu einer Verzerrung des Wegs eines über das Detektorfeld geschwenkten Bildbereichs. die wiederum zu einer Phasenverschiebung in den erzeugten elektrischen Signalen führt, doch kann diese Phasenverschiebung mittels einer eigenen Korrekturvorrichtung beseitigt werden, die sich gemeinsam mit einer der beiden Bewegungen des Strahlungsenergiereflektors bewegt.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also nicht nur ein kompakter Aufbau, sondern auch eine einwandfreie Wiedergabe der abgetasteten Strahlungsenergie erhalten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

ns Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt

Fig. I eine perspektivische Ansicht des Strahlungsenergie-Wiedergabesystems, 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 erfindungsgemäße Vorrichtung erkennbar wird,

F i g. 3 eine Schnittansichi des Abtast- und Antriebsteils des Wiedergabesystems,

F i g. 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,

F i g. 6 eine Draufsicht auf den in F i g. 3 dargestellten Abtast- und Antriebsabschnitt, wobei die Beziehung zwischen den verschiedenen Achsen und der Reflexionsfläche der Abtastvorrichtung angegeben ist,

F i g. 7 bis i 1 einen Abtast- und Verschachtelungsvorgang nach der Erfindung,

Fig. 12 das Schaltbild der Abtastspiegelsteuerungs- und Zeilensprungschaltungen, F i g. 13 das Schaltbild eines Videoeiektronikkanao,

F i g. 14 eine Ansicht eines Zeilenbildes, 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

F i g. 1 zeigt ein Strahlungsenergie-Wiedargabesystem. wie es in der US-PS 37 42 238 beschrieben ist Das Wiedergabesystem 10 ist in einem Gehäuse 11 untergebracht. Dieses Wiedergabesystem wandelt ankommende Strahlungsenergie in sichtbares Licht um. Wenn das Detektorfeld des Systems somit für eine unsichtbare elektromagnetiscne 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 werden 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 Unsenanordnunii 12, einer Abtastan-Ordnung 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 so Infrarotenergie tritt längs der optischen Achse 24 des Systems ein. durchläuft die Linsenanordnung 12 und fällt schließlich auf die Abtastanordnung 14. Die Abtastanordnung besteh', zum Teil aus einem zweiseitigen, ebenen Spiegel 26. dessen Vorderseite 28 zum Empfang der Infrarotenergie verwendet wird, während seine Rückseite 30 zum Abtasten des modulierten sichtbaren Lichts von einer noch zu beschreiberden Lichtquelle verwendet wird Der Abtastspiegel 26 ist drehbar an einem Spiegelträger 32 befestigt, und er ist in einem ω 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 Dewarschen Gefäß 38 angebracht ist. Das Dewarsche Gefäß 38 liegt längs der umgelenkten optischen Achse 24 auf der Infrarotseite des Abtastspiegels 26.

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 Detekiorelemente verwendete bestimmte Material hängt davon ab, für weichen Bereich des Infrarotspektrums das System empfindlich sein soll. Beispielsweise kann das Detektorfeld 36 aus Detektorelementen mit einer Größe von 75 χ 75 Jim (0,003x0,003 inch) zusammengesetzt sein, die in einem geradlinigen Feld in einem Abstand von 75 μπι voneinander liegen. Diese Detektorelemente können bei den Temperaturen von flüssigem Stickstoff (77° K) arbeiten. Das Dewarsche Gefäß enthält einen Kryostat 4ft der an eine (nicht dargestellte) Quelle für Hochdruck."tickstoffgas 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.

F i g. 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 lichtemittierenden Dioden 48 entspricht dabei der Zahl der Deiektorelemente des geradlinigen Detektorfeldes 36, wobei auch gleiche Abstände vorliegen. Die Videoelcktroiikschaltung 44 koppelt jeden Detektorkanal mit der entsprechenden lichtemittierenden Diode 48, und sie sorgt für div. Signalverarbeitung und die zusätzlichen Funktionen zum Modulieren des Ausgangssignals jeder lichtemittierenden Diode. Das in Form von sichtbarem Licht von dem 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 Objektivs wird von der Rückseite 30 des Abtastspiegels 26 durch eine Un· ? 162 reflektiert, die mittels eines Gewindes an einem Kardanrahmen 62 befestigt ist. Die Linse 162 liefert ein Bild fü. ein Aufrechtbildtelesko? 164. das in der Sichtlinie für einen Betrachter angeordnet ist. Die Verwendung dss Abtastspiegels 26 sowohl für die Empfangsabta'Uur.g als auch für die Wiedergabeabtastung erlaubt die Ausschaltung kleiner Störungen der Spiegelbewegung während des Abtastzyklus, Die Verwendung der mittels einer Schraubverbindung am Kardanrahmen 62 befestigten Linse 162 erlaubt die Einstellung des Abstandes von der Verschachtelungsachse 66, so daß die Bewegung des Kardanrahmens 62 eine entsprechende Bewegung der Linse 162 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 F i g. 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 26 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 werden durch Verwendung vertikal ausgerichteter, geradliniger Felder aus Infrarot· detektoren 36 und aus lichiemittierenden 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 : I erlaubt.

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 Abtastspiegel kann sich während der Horizontalabtastung mit 15" mit kontanter Geschwindigkeit drehen, was typischerweise 80% der Zykluszeit beansprucht. 20% jeder Zykluszeit (die als Totzeit bezeichnet werden) können für die Drehrichtungsumkehr des Abtastspiegels bereitgestellt 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 J5 Kardanrahmen 62 befestigt. Ein kleiner, bürstenloser GiciCnStron'iinOiur iiiii kutisiäfiicm Drehmoment Süfgi 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 Spiegelklemnie 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 Spiegelklemme 80 an einem Tachometer 82 befestigt. der ein Rückkopplungssignal erzeugt, das zum Abgreifen der Geschwindigkeit verwendet wird (wie im Zusammenhang mit Fig. 12 noch genauer beschrieben wird). Der Tachometer 82 besteht aus einem Stator 84 und aus einem Rotor 86. an dem die Spiegelklemme 80 befestigt ist. Eine Schraubverbindung 88 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 hergestellte und vertriebene Modeil TQlOY-1 OPsein.

Der Kardanrahmen 62 ist mit einer Gewindeöffnung 160 (Fig.4) versehen, in die die in einem mit Umfangsgewinde versehenen Rahmen befestigte Linse fco 162 geschraubt sein kann, damit die Linse in einstellbarer Weise in der Schrauböffnung 160 des Kardanrahmens 62 angebracht werden kann. Der Kardanrahmen 62 kann zu einem vorbestimmten Zeitpunkt während des Abtasizykius (d. h. während der Totzeit des Abtastzyklus) um die Verschachtelungsachse 66 bewegt oder gekippt werden. Der Kardanrahmen 62 (Fi g. 3) ist mit Hilfe von zwei Lagerzapfen 92 und 94 im Gehäuse 11 gelagert. Die Lagerzapfen bestehen aus gekreuzten Blattfedern, die in charakteristischer Weise stabil sind und eine niedrige Reibung und ein geringes Gewicht aufweisen. Die Lagerzapfen 92 und 94 (F i g. 3) ermöglichen dem Kardanrahmen 62 (und daher dem Spiegel 26) eine Kippbewegung um die Verschachtelungsachse 66. Die für die Verschachtelung benötigte Antriebsbewegung wird mit Hilfe von Elektromagneten % und 98 erzeugt, die d"n Kardanrahmen 62 und den Abtastspiegel 26 um die Verschachtelungsachse kippen, wenn einer von ihnen betätigt wird. Wenn die Magnete 96 oder 98 betätigt werden, üben die Wellen 100 b/w. 102 eine Zugkraft auf den Kardanrahmen 62 aus, so daß dieser um eine vorbestimmte Größe (in der Größenordnung von wenigen Milliradiant) um die Verschachtelungsachse 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 (K ι g. 2). Anschläge

108 begrenzen die Bewegung der Magnete % und 98.
Aus F ι g. I ist zu erkennen, daß am Spiegclträger 32

eine Verlängerung 110 befestigt ist, die sich zwischen zwei »abgestimmten« Rückstellfedern 112 befindet. Diese Rückstellfedern 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 F i g. 1 und 3 sind zwar ein eigener Abtastantrieb (Motor 68) und ein eigener Verschachtelungsantrieb (Magnete % und 98) dargestellt, doch kann in einigen Anwendungsfällen ein einziger Antrieb zur Erzielung der gewünschten Abtast· und Verschachtelungsbewegung des Abtastspiegels 26 verwendet werden. Wenn zur Ausübung eines Drehmoments T, auf die Abtastachse 64 nur ein Abtastantrieb verwendet

..-:.--l -I ...:_J -11- \r I L.-I 1 cc -:

wiiu, uaiiu wiiu au uic re151.titit.1iLC1uiig3di.113e oo cmc über cos θ mit dem Drehmoment 7", in Beziehung stehende Komponente dieses Drehmoments angelegt, wobei θ der Winkel zwischen der Verschachtelungsachse und der Abtastachse ist. Dieses Dremoment 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 bezüglic^u 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 F i g. 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, während das Bild des Objekts über das Detektorfeld 36 gelenkt wird F i g. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Abtastwinkeländerung des Abtastspiegels 26 und der Zeit, während eine Draufsicht auf die Anordnung von Fig.6 zeigt, in der die Beziehung zwischen den drei Achsen 24,64 und 66 bezüglich des Abtastspiegels 26 zu erkennen ist Wie aus F i g. 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°. Das heißt 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 F i g. 6 zu erkennen ist. Wie in F i g. 5 angegeben ist, entspricht die vom Spiegel 26 zur Bewegung um ±7,5° benötigte Zeit der Betriebszeit T₀, während die für das Kippen des Abtast.«niegels 26 (zur Erzielung der Verschachtelung) benötigte Zeit als die Totzeit t_d bezeichnet ist. Die Betriebszeit kann etwa 80% des gesamten Arbeitszyklus der Abtastvorrichtung betragen, während die Totzeit in der Größenordnung von 20% dieses gesamten Arbeitszyklus liegen kann. Fig.5 läßt sich entnehmen, daß während der Betriebszeit der Abtastvorrichtung eine lineare Abtastung (mit konstanter Winkelgeschwindigkeit oder Abtastgeschwindigkeit) '5 angewendet wird. Es hätte auch eine sinusförmige Abtastbewegung angewendet werden können, 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 Td jedes Arbeitszyklus ist für die Umkehr der Drehbewegungsrichtung des Abtastspiegels 26 und für das Kippen des Spiegels zur Verschachtelung vorgesehen.

Die F i g. 7 bis 11 zeigen im einzelnen den Abtast- und Verschachtelungsvorgang. Wie oben bereits erwähnt wurde, besteht das Detektorfeld 36 aus mehreren einzelnen Detektorelementen, die in einem geradlinigen Feld im Abstand einer Detektorelementbreite vonein- » ander angeordnet sind. Die Zahl der als Lichtquelle dienenden Elemente der Lichtquelle 48 entspricht der Zahl der Elemente des Detektorfeldes 36. wobei im wesentlichen der gleiche Abstand vorliegt. Da also keine kontinuierliche Reihe von Elementen, sondern nur die Hälfte der dafür erforderlichen Elemente verwendet wird, heißi 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 Fig.7 bis 11 sind zur Verdeutlichung der Darstellung bestimmte Elemente, die in den F i g. 1 und 3 dargestellt sind, weggelassen worden. Beispielsweise sind die Umlenkspiegel 34 und 52 nicht dargestellt, und die auf den Abtastspiegel 26 fallende Strahlungsenergie ist in den F i g. 7 bis 11 so dargestellt, daß sie direkt auf das Detektorfeld 36 fällt.

Fig.7 zeigt den Abtastspiegel 26 bei einem Nennwinkel von 45° zur optischen Achse 24. Für Erklärungszwecke sei angenommen, daß die ankommende Strahlungsenergie die Linsenelemente 18 bis 22 durchläuft und im Bereich 114 auf den Abtastspiegel 2β 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 Gruppen von Informationszeilen 116a und 1166 aufgeteilt werden kann. In der in F i g. 7 dargestellten Lage liegen die Zeilen 116a über den einzelnen Detektorelementen 36, während die Informationszeilen 1166 über keine der einzelnen Detektorelemente liegen. Demnach wird die in den Zeilen 1166 enthaltene Information während des ersten Durchlauf» des Abtastspie- ss gels 26 nicht erhalten. Der Bildpunkt auf der optischen Achse ist auf ein Detektorelement als Auflösungselement 118 dargestellt

In Fig. 8 ist zu erkennen, daß der Abtastspiegel 26 bezüglich seiner in F i g. 7 dargestellten Stellung um 7,5° bewegt worden ist. Die in F i g. 7 dargestellte ursprüngliche Lage des Abtastspiegels ist in den F i g. 8 bis Il mit gestrichelten Linien zur Bezugnahme dargestellt. Diese Auslenkung des Abtastspiegels 26 um 7,5° entspricht der Zeit t\ von F i g. 5. Die in den Zeilen 116a enthaltene Information läuft über die einzelnen 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 F i g. 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 26 während der ersten Totzeit ί<*, (Fig. 5).

Fig. 12 zeigt die Abtastspiegelsteuerungs- und Verschachteiungs-iZeiiensprungj-Schaitung, die zum Ansteuern des Motors 68 und der Elektromagnete 96 und 98 (F i g. 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 122 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 Ausgangssignal 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 Ans'.euer 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 r</,. Aus F i g. 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 1166 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. l)erregt

Die in Fig. 12 dargestellte Zeilensprungschaltung aktiviert die Magnete 96 und 98 im passenden Zeitpunkt Die Zeilensprungschaltung bewirkt eine elektrische Aktivierung des Magnets 96 während der Totzeit frf, (F i g. 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 Beschleunigung*-, Verzögerungs- und Haltesignal für eine vorbestimmte Zeitperiode anlegt. Der Magnet % übt auf die Welle 100 eine Zugkraft aus, die den Kardanrahmen 92 um die Verschachtelungsachse 66 dreht oder kippt.

Fig. 10 zeig' die Abtastung durch den Abtastspiegel 26, wenn dieser sich um den Winkel von 15° nach F i g. 3 während der Zeit I2 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.

F i g. 11 zeigt den Abtastspiegel in der Stellung nach dem Kippen während der Totzeit Ij₂ (F i g. 5). Während dieser Zeitdauer befindet sich die Zeile 116a der Objektinformation wieder in einer Lage, in der sie über die einzelnen Detektorelemente 36 geführt wird, während die Zeile 1166 der Objektinformation nicht über Detektorelemente geführt wird. Das Auflösungselement 118 durchläuft einen Weg 148 während der Totzeit (J₂. Während dieser Totzeit I^ betätigt das am Ausgang 136 von Fig. 12 abgegebene Zeitsteuersignal den Funktionsgenerator 140, der seinerseits den Magneten 98 erregt. Der Magnet 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 im 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, wahrend 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 Betr^;ebszyklus vollständig durchläuft. Durch Anwendung dieses Zeilensprungverfahrens, d. h. durch Kippen des Abtastspiegels 26 um die Verschachtelungsachse 66 während der Totzeit u 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 F i g. 2 in Blockform dargestellte Videoelektronikschaltung 44 die Detektorinformation, und sie moduliert das Lichtquellenfeld 48. Die Vidcoelektronikschaltung 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 Verstärker ISO und dann einen Zwischenverstärker 152. Das Ausgangssignal des Zwischenverstärkers 152 wird dann an die Ansteuerschaltung 154 für die lichtemittierenden Dioden angekoppelt, die das Ausgangslicht 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 Detektorfeldes 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 Umlenkspiegel 52 refiel· 'iert, 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 Zusammenhang 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 erforderlieh. Das heißt in anderen Worten, daß durch Verwendung des gleichen Abtastspiegels 26 für die Empfangsabtastung und die Wiedergabeabtastung eine Beseitigung kleiner Störungen der Spiegelbewegung während des in Fig. 5 dargestellten Abtastzyklus ermöglicht wird. Das sichtbare Bild, das von einem Betrachter längs der Sichtachse 58 von Fig. I gesehen werden kann, ist eine sichtbare Darstellung der ankommenden Infrarotenergie, ledoch erzeugt die in F i g. 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 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 Gewindeöffnung des Kardanrahmens 62 zur Veränderung des Abstandes zwischen der Linse 162 und der Verschachtelungsachse 66, können die iängiichen Blöcke (F ig. H) jeder zweiten Zeile, beginnend mit der zweiten Zeile, so beeinflußt

■»0 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 Verschachtelungsachse erzeugt Die mit gestrichelten Linien dargestellte Linsenposition 172 zeigt die Lage des Bildes 174 vor der Drehung des Kardanrahmens um die Verschachtelungsachse; die mit ausgezogenen Linien angegebene Linsenposition 176 zeigt die Lage des Bildes 178 nach der Drehung des Kardanrahmens um die Verschachtelungsachse. Der Abstand Ax 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

gekennzeichneten Bezugszei'snposition (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 werder,.

Somit bewirkt das hier beschriebene Strahlungsenergiewiedergabesystem nicht nur eine Umwandlung von sichtbarer Strahlungsenergie in eine sichtbare Analoggröße dieser Strahlungsenergie, sondern es verbessert auch die Bildauflösung.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Abtastung von Strahlungsenergie mit einer Linsenanordnung, die von einer Szene ausgehende Infrarotenergie fokussiert, einem zweiseitigen Strahlungsenergiereflektor mit einer die fokussierte Infrarotenergie reflektierenden Vorderseite und einer sichtbares Licht reflektierenden Rückseite, einer den Strahlungsenergiereflektor beweglich tragenden beweglichen Halterung, die den Reflektor derart bewegt, daß dieser die fokussierte Strahlungsenergie über einen Infrarotdetektor lenkt, der ein die auftreffende Strahlungsenergie repräsentierendes elektrisches Signal abgibt, einer Lichtquelle, die sichtbares Licht mit einer dem vom Infrarotdetektor abgegebenen elektrischen Signal entsprechenden Intensität abgibt, und eine Wiedergabevorrichtung zum Wiedergeben des von der Rückseite des Strahlungsenergiereflektors reflektierten sichtbaren Abbilds der vom infrarotdetektor empfangenen Infrarotenergie, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (36) von zellenförmig angeordneten Detektorelementen gebildet ist. daß die bewegliche Halterung eine erste Kipplagervorrichtung (74, 78, 80, 90) für eine horizontale Ablenkbewegung zum Halten des Strahlungsenergiereflektors (26) in einer vertikalen Ebene und eine zweite Kipplagervorrichtung (62) für eine vertikale Bewegung zum Halten des Strahlungsenergieren'·''tors (26) in einem Winkel von weniger als 90° C bezüglich der ersten Kipplagervorrichtung aufweist, daß dem Strahlungsenergiereflektor (26) ein erster Antrieb (68) zjgeor<1net ist, der den Reflektor um die erste Kipplage, vorrichtung in einer ersten und in einer zweiten Richtung zur Erzeugung einer hin- und hergehenden Ablenkbewegung dreht, daß dem Strahlungsenergiereflektor (26) ein zweiter Antrieb (96, 98) zugeordnet ist, der den Strahlungsenergiereflektor (26) um die zweite Kipplagervorrichtung (62) in einer ersten und einer zweiten Richtung während der Zeiiperiode kippt, in der sich Her Ablenkvvig des Strahlungsenergiereflektors auf einer der beiden Seiten des Infrarotdetektors (36) befindet, damit für eine Horizontalabtastung mit Zeilensprung eine parallelogrammartige Ablenkbewegung entsieht, und daß im Wege des sichtbaren Lichts zur Rückseite des Strahlungsenergiereflektors eine abhängig von der Bewegung der zweiten Kipplagervornchtung bewegliche Korrekturvorrichtung (162) angebracht ist, die im wiedergegebenen sichtbaren Abbild erscheinende seitliche Verschiebungen korrigiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kipplagervorrichtung ein Kardanrahmen (62) ist. der den Strahlungsenergiereflektor (26) drehbar hält, und daß der zweite Antrieb (96,98) zum Kippen des Strahlungsenergiereflektors ein Elektromagnetantrieb ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturvorrichtung eine an dem Kardanrahmen (62) befestigte Linse (162) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (162) zur Einstellung der seitlichen Verschiebung des von ihr erzeugten Bildes in den Kardanrahmen (62) geschraubt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente Quecksüber-Cadmium-Tellurid oder Indiumantimonid-Elemente sind.