DE2710738B1 - Anordnung zur Kompensation der Bewegung eines Bildes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kompensation der Bewegung eines Bildes (IMC-System) für ein mit Abtastung arbeitendes Abbildungssystem, beispielsweise eine Fernsehkamera, die auf einem beweglichen Fahrzeug, z. B. an einem Flugzeugkörper angebracht ist.

Bei bekannten Bildbewegungs-Kompensationssystemen werden Winkelbeschleunigungsmesser verwendet, um die Bewegung einer Fernsehkameraeinheit zu messen und analoge Spannungen abzuleiten, die dazu verwendet werden können, um die Bewegung der Blickrichtung bzw. der Visierlinie der Kamera mit Hilfe von optischen, mechanischen oder elektromagnetischen Vorrichtungen zu kompensieren.

Die Verwendung von Winkelbeschleunigungsmessern für die Messung der Bewegung der Kameraeinheit weist Nachteile auf. Zunächst sind Winkelbeschleunigungsmesser außerordentlich kostspielige Ausrüstungs- gegenstände. Zweitens neigen Winkelbeschleunigungsmesser zu Drifterscheinungen. Drittens wird bei bestimmten Anwendungsfällen, wie z. B. bei mit aufrechter Kopfhaltung wahrnehmbaren Anzeigen in Flugzeugen die Fernsehanzeige bezüglich des örtlichen

tu Bezugsrahmens, d. h. bezüglich der Flugzeugzelle dargeboten. Winkelbeschleunigungsmesser stabilisieren die Visierlinie der Kamera in wirksamer Weise bezüglich der Raumkoordinaten und wenn eine mit aufrechter Kopfhaltung wahrnehmbare Anzeige erfor derlich ist so muß eine kompensierende Filterung vorgenommen werden, um Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser zurückzuweisen bzw. zu unterdrücken, die repräsentativ für Manöver bzw. Bewegung des Flugzeuges sind, d. h. also Winkelgeschwindigkeiten mit niederer Frequenz, während gleichzeitig die Verwendung von Winkelgeschwindigkeiten mit hoher Frequenz für die Kompensation der Visierlinie ermöglicht wird. Eine einwandfreie Filterung ist äußerst schwierig durchzuführen.

Schließlich ist das Hochfrequenzverhalten eines Winkelbeschleunigungsmessers aufgrund eines relativ schlechten Signal-Rausch-Verhaltens sehr stark eingeschränkt, so daß es üblicherweise nicht möglich ist, ein zufriedenstellendes Verhalten oberhalb einer Frequenz von ungefähr 50 Hz zu erzielen

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bildbewegungs-Kompensationssystem zu schaffen, bei dem die Verwendung von Winkelbeschleunigungsmessern nicht erforderlich ist.

Hierzu ist erfindungsgemäß eine Bildbewegungs-Kompensationsanordnung vorgesehen, die dazu dient die Visierlinie eines auf einem Fahrzeug montierbaren, mit Abtastung arbeitenden Abbildungssystem zu stabilisieren, und die folgende Teile umfaßt: eine Fühlvorrich- tung zum Feststellen bzw. Erfassen der Winkelkomponenten der Bewegung des Systems bezüglich des Fahrzeugs und eine Detektorvorrichtung, die auf die Fühlvorrichtung in der Weise anspricht, daß sie elektrische Signale erzeugt, die für die Winkelkompo nenten repräsentativ sind.

In günstiger Weise ist das mit Abtastung arbeitende Abbildungssystem eine Fernsehkameraeinheit

Der Ausdruck »Fernsehkameraeinheit« soll alle die Teile einer Fernsehkamera umfassen, deren Winkelbe wegung relativ zum Fahrzeug eine Bewegung des

Fernsehbildes zur Folge hätte. Dies kann die gesamte Kamera umschließen, aber ebenso nur die Röhre und

das joch.

Vorzugsweise umfaßt die Fühlvorrichtung einen

gemeinsam mit der Kameraeinheit beweglichen Reflektor und eine zusammen mit dem Fahrzeug bewegliche Lichtquelle, die so angeordnet ist, daß sie den Reflektor zur Erzeugung eines reflektierten Bildes der Lichtquelle beleuchtet wodurch die relative Winkelbewegung zwischen dem Fahrzeug und der Kameraeinheit eine Bewegung des reflektierten Bildes erzeugt.

Vorteilhafterweise ist der Reflektor ein ebener Reflektor. Vorzugsweise ist eine Fokussiervorrichtung vorgese hen, um das von der Lichtquelle stammende Licht auf den Reflektor zu fokussieren, und die Lichtquelle ist in einer Brennebene der Fokussiervorrichtung angeordnet.

Vorzugsweise arbeitet die Fokussiervorrichtung so, daß sie das reflektierte Bild empfängt und ein fokussiertes Bild der Lichtquelle in dieser Brennebene erzeugt.

Vorteilhafterweise ist die Fokussiervorrichtung eine Autokollimationslinse.

Bevorzugterweise umfaßt die Detektor- bzw. Meßvorrichtung einen Quadrant-Detektor, der so arbeitet, daß er die Winkelkomponenten der Bewegung längs zweier aufeinander orthogonaler Achsen auflöst.

Vorzugsweise ist der Quadrant-Detektor eine Silizium-Quadrant-Zelle.

Vorzugsweise sind elastische Mittel zur Befestigung der Kameraeinheit an dem Fahrzeug vorgesehen, um die Einheit vor unerwünschten Stoßen und Vibrationen zu schützen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine stark schematisierte, perspektivische Ansicht einer Bildbewegungs-Kompensationsanordnung gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine mehr ins Einzelne gehende Ansicht der Fühlanordnung und des Detektors der Anordnung aus Fig. 1,

F i g. 3 ein erläuterndes Diagramm zur Erklärung der Wirkungsweise des Detektors aus F i g. 1 und

Fig.4 die Detektor-Beschaltung, die zur Gewinnung der erforderlichen Kompensationssignale von dem Quadrant-Detektor aus F i g. 3 dient.

Gemäß Fig. 1 ist eine Kameraeinheit 1 mit Hilfe von elastischen Elementen 2 auf einer Bezugsebene 3 befestigt, die einen Teil eines beweglichen Fahrzeugs bildet Ein ebener Spiegel 4 wird von der Einheit 1 getragen und durch eine von einer Leuchtdiode gebildeten Lichtquelle 5 mit einem parallelen Lichtbündel beleuchtet, das von einer Autokollimationslinse 6 erzeugt wird, die die Fokussiervorrichtung bildet. Das von der Diode 5 stammende Licht wird von dem ebenen Spiegel 4 zurück durch die Linse 6 reflektiert und wird auf einem Detektor 7 fokussiert, der weiter unten im einzelnen beschrieben wird. Die Lichtquelle 5, die Linse

6 und der Spiegel 4 bilden die Fühl- bzw. Erfassungsvorrichtung.

Die Kameraeinheit 1 besitzt eine Visierlinie, die durch die strichpunktierte Linie 8 wiedergegeben ist. Während der Bewegung des Fahrzeugs tritt eine komplexe Bewegung der Kameraeinheit auf, doch besitzt diese Bewegung Winkelkomponenten, die bewirken, daß die Einheit 1 winkelmäßig um die Befestigung 2 relativ zur Bezugsebene 3 rotiert bzw. sich dreht. Diese Winkelbewegung kann in zwei aufeinander senkrechte Komponenten aufgelöst werden, die durch die Pfeile 9 gekennzeichnet sind, und hat einen Winkelfehler der Kameravisierlinie zur Folge, die sich in eine durch die strichpunktierte Linie 10 wiedergegebene neue Stellung bewegt

Erfindungsgemäß werden diese Winkelkomponenten der Bewegung der Kameraeinheit bezüglich der Bezugsebene 3 des Fahrzeugs direkt abgetastet bzw. gemessen, und es wird in Verbindung mit dem Detektor

7 durch die Erfindung möglich, daß diese Komponenten in zwei aufeinander senkrechte Komponenten aufgelöst werden, so daß zwei elektrische Signale zur Korrektur der durch die Rotation der Visierlinie bewirkten Bildbewegung erhalten werden können.

In Fig. 2, die das Fühl- bzw. Abtastsystem und den Detektor in vergrößertem Maßstab zeigt, sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 bezeichnet.

Die strichpunktierte Linie 11 stellt die optische Achse

der Linse 6 dar, und die Leuchtdiode 5 und der Detektor 7 sind auf der Bezugsebene 3 des Fahrzeugs jeweils auf einer Seite der Achse 11 in einer Brennebene der Linse 6 angeordnet.

In einem stabilen Zustand, bei dem keine Winkelbewegung zwischen der Kameraeinheit 1 und der Bezugsebene 3 des Fahrzeugs auftritt, wird ein Bild der

to Diode 5 auf dem Detektor 7 mit demselben Abstand von der Achse U erzeugt, wie ihn die Diode 5 aufweist. Wenn eine Fahrzeugbewegung eine Winkeldrehung der Einheit 1 bezüglich der Bezugsebene 3 bewirkt, so hat das eine entsprechende Drehung des Spiegels 4 um die Achse 11 zur Folge.

Die Drehung des Spiegels 4 bewirkt eine Verschiebung des Bildes der Diode 5 am Detektor 7. Daher bewegt sich das Bild über den Detektor in der Ebene 3, und diese Bewegung wird, kurz gesagt, von dem Detektor so erfaßt, daß es möglich wird, elektrische Signale zu erhalten, die dazu dienen, die Bildbewegung zu korrigieren und die der Winkeldrehung folgende Visierlinie der Kamera zu stabilisieren.

Dreht sich der Spiegel 4 um die Achse 11 um einen Winkel dB, und hat die Kollimationslinse 6 eine Brennweite f, dann wird die Verschiebung D des Bildes über den Detektor 7 gegeben durch D=2 fdd.

Das beschriebene Fühl- bzw. Abtastsystem spricht lediglich auf Winkeldrehungen des Spiegels 4 um sein Zentrum, d.h. die Achse 11 relativ zu der im rechten Winkel zur Achse 11 stehenden Ebene an. Es spricht weder auf eine seitliche Bewegung des Spiegels in seiner eigenen Ebene oder längs der Achse 11, noch auf die Drehung des Spiegels 4 um die Achse 11 in der zur Achse 11 senkrechten Ebene an. Folglich werden nur die Winkelkomponenten der Drehung der Einheit 1 bezüglich der Ebene 3 gemessen und nicht die seitlichen Komponenten.

Der Detektor 7 erkennt die Bewegung des Bildes in der Ebene 3 und löst diese Bewegung in zwei orthogonale Komponenten auf, so daß elektrische Signale erzeugt werden, aus denen Kompensationssignale für die Bildbewegung gewonnen werden können. Um diese Funktion zu erzielen, wird nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der in F i g. 3 dargestellte Quadrant-Detektor verwendet.

In F i g. 3 wird der Quadrant-Detektor 7 von einer an sich bekannten Silizium-Quadrant-Zelle gebildet, die vier Detektor-Quadranten A, B, C und D besitzt, von denen jeder eine Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Stellung eines Lichtbildes 12 erzeugt, das auf den Detektor fällt.

Das Lichtbild 12 ist im vorliegenden Fall das von dem Fühl- bzw. Abtastsystem gebildete Bild der Diode S, und die Stellung dieses Bildes ändert sich, wie oben erklärt, mit der Winkelbewegung der Kameraeinheit 1. Der Detektor 7 löst die Bewegung dieses Bildes in die orthogonalen Komponenten auf, und durch geeignete Kombination der Ausgangsspannungen der verschiedenen Quadranten können zwei analoge Spannungen V_x und Vy erhalten werden, die repräsentativ für die aufgelösten Komponenten sind.

Wenn die Ausgangsspannungen der Quadranten A, B, C und D die Spannungen V_A, Vb, Vc und V_D sind, dann gilt

V_y »

Vd)-(Va₊ V_c) Vb)-(Vc+

Die Detektorschaltung für die Gewinnung von V_x und Vy ist in F i g. 4 dargestellt.

Gemäß Fig.4 werden die Ausgangssignale von den Detektor-Quadranten A und B den jeweiligen Eingängen eines Addierers 13 zugeführt, um ein Signal 5 (Va + Vb) zu erzeugen. Das Ausgangssignal (Va + Vb) des Addieren 13 wird über einen Pufferverstärker 14 dem positiven Eingang bzw. dem Plus-Eingang einer Subtrahierschaltung 15 zugeführt

Ein zweiter Addierer 16 empfängt die Eingangssigna- ι ο le Va und Vc von den Quadranten A und C und erzeugt ein Ausgangssignal (Va + Vc), das über einen Verstärker 17 dem negativen Eingang bzw. dem Minus-Eingang einer zweiten Subtrahierschaltung 18 zugeführt wird.

Ein dritter Addierer 19 empfängt die Eingangssignale Vc und Vb von den Quadranten Cbzw. D des Detektors 7 und erzeugt ein Ausgangssignal (Vc + Vd) das über einen Pufferverstärker 20 dem zweiten und negativen Eingang der Subtrahierschaltung 15 zugeführt wird.

Ein vierter Addierer 21 empfängt in gleicher Weise die Eingangssignale Vd und Vb von den Quadranten B bzw. D und erzeugt ein Ausgangssignal (V_B + Vd) das über einen Pufferverstärker 22 dem positiven Eingang der Subtrahierschaltung 18 zugeführt wird.

Die Subtrahierschaltungen 15 und 18 erzeugen Ausgangssignale an den Anschlüssen 23 und 24, die V_y und V_x entsprechen.

Diese Spannungen V_x und V_y können an geeignete, der Kameraröhre zugeordnete Ablenkspulen angelegt werden, um das Bild um einen gewissen Betrag zu versetzen, so daß die auf der abgetasteten Winkeldrehung beruhende Bildbewegung kompensiert wird.

In einem speziellen Anwendungsfall, in dem die Fernsehkamera bei nur geringen Lichtintensitäten betrieben wird und bei dem ein Bildverstärker der Röhre vorausgeht, können die Spannungen V»und V_y an die Stromtreiber für zwei Ablenkspulen angelegt werden, die an dem mit der Schwachlicht-Fernsehröhre gekoppelten Bildverstärker befestigt sind, um so die das Bild formenden Fotoelektronen längs eben dieser Achsen abzulenken, um das Bild auf der Kameraröhre zu stabilisieren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Bildbewegungs-Kompensationsanordnung für die Stabilisierung der Visierlinie eines auf einem Fahrzeug zu befestigenden, mit Abtastung arbeitenden Abbildungssystems, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fühlvorrichtung (4, 5, 6) vorgesehen ist, die dazu dient, die Winkelkomponenten der Bewegung des Systems (1) bezüglich des Fahrzeugs zu erfassen und daß ein Detektor (7) vorgesehen ist, der auf die Fühlvorrichtung in der Weise anspricht, daß er elektrische Signale erzeugt, die repräsentativ für die Winkelkomponenten sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlvorrichtung (4,5,6) einen sich mit dem Abbildungssystem (1) bewegenden Reflektor (4) und eine sich mit dem Fahrzeug bewegende Lichtquelle (5) umfaßt, die so angeordnet ist, daß sie den Reflektor (4) so beleuchtet, daß er ein reflektiertes Bild der Quelle (5) erzeugt, wobei eine relative Winkelbewegung zwischen dem Fahrzeug und dem Abbildungssystem (1) eine Bewegung des reflektierten Bildes bewirkt

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (4) ein ebener Reflektor ist

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß eine Fokussiervorrichtung (6) für die Fokussierung des von der Lichtquelle (5) stammenden Lichtes auf den Reflektor (4) vorgesehen ist und daß die Lichtquelle (5) in der Brennebene der Fokussiervorrichtung (6) angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Fokussiervorrichtung (6) so angeordnet ist daß sie das reflektierte Bild empfängt und ein fokussiertes Bild der Lichtquelle (5) in der Brennebene erzeugt.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiervorrichtung (6) eine Autokollimationslinse (6) ist

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Detektor (7) ein Quadrant-Detektor ist der so arbeitet, daß er die Winkelkomponenten der Bewegung längs zweier zueinander orthogonaler Achsen auflöst.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß der Quadrant-Detektor (7) eine Silizium-Quadrant-Zelle ist

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß für das Abbildungssystem eine elastische Montierung (2) vorgesehen ist