DE3128469C2

DE3128469C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten von Strahlungsenergie

Info

Publication number: DE3128469C2
Application number: DE3128469A
Authority: DE
Inventors: Rochus 6720 Speyer Hien; Horst 6900 Heidelberg Vierling; Wolfgang 6901 Dossenheim Weigel
Original assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg De GmbH
Current assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg De GmbH
Priority date: 1981-07-18
Filing date: 1981-07-18
Publication date: 1983-09-08
Also published as: US4560869A; DE3128469A1

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung zum Abtasten von Strahlungsenergie verwendet einen Abtastspiegel (1), der im Azimut um die vertikal angeordnete Abtastachse (2) schwingt und der sich außerdem um eine mit dieser Achse einen Winkel einschließenden Kippachse (3) kippen läßt. Der Spiegel reflektiert die von ihm abgetastete IR-Energie auf ein in vertikaler Richtung ausgerichtetes und aus n IR-Detektor-Einzelelementen (22) zusammengesetztes Feld mit n-1 Zwischenräumen gleicher Größe. Während die Horizontalbewegung des Spiegels herkömmlich erfolgt, ist die jeweilige Kippbewegung kleiner als die Detektor-Einzelelemente einschließlich ihrer Abstände. Dadurch müssen für ein und dasselbe Wärmebild mehrere Kippvorgänge und dadurch auch mehrere zueinander parallele horizontale Abtastbewegungen erfolgen, wodurch eine höhere Auflösung des Bildes erzielt wird.

Description

dadurch gekennzeich et, daß der Abtastspiegel (1) in der zweiten Totzeit um eine halbe Zeilenhöhe aufwärts sowie in der dritten Totzeit um eine Zeilenhöhe aufwärts und in der vierten Totzeit um eine halbe Zeilenhöhe abwärts gekippt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Kippbewegung über je einen beiderseits der Kippachse (3) angeordneten, ansteuerbaren Elektromagneten (9^V: 9^VI) erzeugt wird (Fig. 6).

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippbewegung über eine vorgespannte Feder (13) auf der einen Seite und einen Elektromagneten (9') mit einem ihm gegenüberliegend an einen abgewickelten Teil (12) befestigten Dauermagneten (19) auf der anderen Seite erzeugt wird(Fig. 7).

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorausgehenden Ansprüche und unter Verwendung einer mittels eines Antriebs (6) um eine erste vertikale Achse (2) schwenkbaren ersten Kipplagervorrichtung (1, 2) und einer mittels eines weiteren Antriebs (9) um eine - mit der vertikalen Achse einen Winkel bildenden - zweite Achse (3) kippbaren zweiten Kipplagervorrichtung (1, 2, 5, 6, 12). wobei die zweite Kipplagervorrichtung im wesentlichen aus einem Kardanrahmen (5), einem daran angeformten, abgewinkelten Teil (12), dem in dem Rahmen über die erste Achse (2) gelagerten Abtastspiegel (1). dessen Antrieb (6) und der Halterung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Antrieb (9) für die um die Kippachse (3) bewegbare zweite Kipplagervorrichtung (1, 2, 5, 6, 12) sich aus beiderseits des abgewinkelten Teils (12) angeordneten und auf dieses wechselseitig oder sich ergänzend einwirkenden motorischen, (elektromagnetischen oder auf der einen Seite aus motorischen oder (elektro)magnetischen und auf der anderen Seite aus federnden mechanischen Mitteln (9 bis 9^V", 13,19 bis 21) zusammensetzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiderseits des abgewinkelten Teils (12) angeordneten magnetischen Mittel ;us jeweils

ίο zwei miteinander funktionell kombinierten ansteuerbaren Elektromagneten (9' bis 9^1V) besteht, von denen die beiden außenliegenden Elektromagnete (9"; 9'") als Umkehrhubmagnete ausgebildet sind (F ig. 5).

;5 6. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 4, gekennzeichnet durch je einen beiderseits des abgewinkeiten Teils (12) angeordneten ansteuerbaren Elektromotor (9^V; 9^VI) sowie folgende, sich der Reihe nach anschließende und beiden Motoren gemeinsame Baugruppen (14 bis 18), wie einen die Kippstellung detektierenden und diese Information in elektrische Signale umwandelnden Positionsaufnehmer (14), einen die elektrischen Signale verstärkenden Verstärker (15) und einen diese Signale mit Signalen einer mit dem Abtastspiegel (1) verbundenen Sollvorgabeeinheit (17) vergleichenden Vergleichsstufe (16), deren Ausgangssignale über eine Ansteuerschaltung (18) die beiden Motoren ansteuern (F ig. 6).

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb auf der einen Seite des abgewinkelten Teils (12) aus einer vorgespannten Feder (13) besteht, der auf der anderen Seite ein Elektromagnet (9') gegenüberliegt, der durch Steuerung seiner Erregerspannung mit einem auf dem abgewinkelten Teil ihm gegenüberliegend befestigten Dauermagneten (19) zusammenwirkt (F i %. 7).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3. 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb auf der einen Seite des abgewinkelten Teils (12) aus einem mit einem Entkoder versehenen Motor (9^V") besteht, dessen Rotationsbewegung über einen sich aus Getriebe (20) und Spindel (21) zusammensetzenden Umsetzer (20, 21) linearisiert auf die eine Seite

•»5 des abgewinkelten Teils (12) einwirkt, der auf der anderen Seite eine konstante Gegenkraft in Form der Feder (13) oder eines mit einem Dauermagneten (19) kombinierten Elektromagneten (9') entgegenwirkt (F ig. 8).

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtasten von Strahlungsenergie nach dem Oberbegriff des Anspruchs I sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Verfahren und Vorrichtung dieser Art sind Gegenstand der DE-AS 23 32 245. Dieselben arbeiten mit einem 2fach-Zeilenversatz, bei dem die vertikale Bildauflösung msofern nicht immer voll befriedigt, weil für manche Anwendungsbereiche geringere Wärmeintensitäten nicht mehr aufgenommen und dargestellt werden können. Aus der DE-AS 27 15 908 ist sodann ^b> auch ein Abtastspiegel mit einem 4fach-Zeilenversatz bekannt. Hierbei werden im wesentlichen zwei verschiedene Abtastzyklen vorgeschlagen: Der eine sieht nach drei kleinen Schritten gleicher Größe und Richtung

einen der Große aller drei Schritte zusammengenommen entsprechenden Schritt in die Gegenrichtung vor. Bei dem anderen Abtastzyklus erfolgt einmal zwischen zwei gleich großen Schritten in dieselbe Richtung ein etwa halb so großer in die Gegenrichtung und zum anderen ist noch ein vergleichsweise großer Schritt am Ende des Abtastzyklus vorgesehen, der den Spiegel wieder in die Ausgangslage versetzt. Nachteilig sind hierbei die jeweils großen Schritte am Ende eines jeden Abtastzyklus. Aus der US-PS 39 41 923 ist sodann noch eine Mehrfachaotastung (sogenanntes »Overscan«) bekannt, bei dem drei Gruppen von Detektor-Einzelelementen jeweils so angeordnet sind, daß die zweite ein Drittel der ihr vorausgehenden ersten und die dritte ein Drittel der ihr vorausgehenden zweiten Gruppe räumlich überlappt Ein Hinweis auf eine zeitliche Überlappung im Verlauf eines Abtastzyklus ist dieser Schrift nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem gattungsgemäßen Verfahren die vertikale Bildauflösung zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Durch diese Art eines soezieHen 4fach-AbtastzykIus wird die vertikale Bildauflösung qualitativ an die horizontale angenähert, das heißt bei Objekten hoher vertikaler Ortsfrequenz der Wärmestrahlung können noch relativ geringe Wärmeintensitäten aufgenommen und dargestellt werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden werden an Hand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszahlen aufweisen. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch die Lager- und Antriebsteile des Abtabtspiegels.

F i g. 2 den Antrieb der Kipplagervorrichtung in Form eines Elektromotors, der mit einer Federkraft zusammenwirkt - in Pfeilrichtung von F i g. 1 gesehen,

F i g. 3 eine Schemaskizze der Vorrichtung gemäß F i g. i - in Draufsicht

F i g. 4 eine Ansicht der F i g. 3 in nach oben geklappter Darstellung,

F i g. 5 eine Variante des Antriebs gemäß F i g. 1 und 2 mit jeweils zwei beiderseits der Kippachse angeordneten Elektromagneten nebst Ansteuerung,

Fig. 6 das Blockschaltbild einer Variante des Antriebs gemäß F i g. 1 und 2 mit je einem Elektromagnet beiderseits der Kippachse,

F i g. 7 eine Variante de-5 Antriebs gemäß F i g. 1 und 2 mit Feder auf der einen und Elektromagnet mit gegenüberliegendem Dauermagnet auf der anderen Seite der Kippachse,

Fig. 8 eine weitere Antriebsvariante gemäß Fig. 1 und 2, wobei auf der einen Seite die Rotationsbewegung des Motors in eine Linearbewegung umgesetzt wird und eine Feder- oder magnetische Kraft auf der anderen Seite der Kippachse entgegenwirkt.

F i g. 9 die Unterteilung eines Kippvorgangs der Kipplagervorrichtung pro Gesamtfeld in mehrere hier vier - Teilkippvorgänge,

Fig. 10 das Kurvendiagramm des horizontal schwingenden Abtastspiegel und

Fig. Il die Aufeinanderfolge der vier Teilkippvorgänge - bezogen auf F i g. 9.

In F i g. I läßt sich d~r Abtastspiegel 1 - zum Zweck einer Horizontalabiastiinji nach IR-Strahliingsenergie — um die Abtastachse 2 und zum anderen auch noch um die Kippachse 3 bewegen. Letztere bildet hierbei mit der Abtastachse einen in der Zeichnung durch einen Doppelpfeil angedeuteten Winkel. Außerdem ist die mit der Bezugszahl 4 bezeichnete optische Achse dargestellt, gegenüber der der Abtastspiegel 1 etwa unter 45° angeordnet ist Die Abtastachse 2 ist Teil des Abtastspiegels, der außerdem an dem Kardanrahmeti 5 befestigt ist und über den Motor 6 um die Abtastachse 2

to angetrieben wird. Mit 8 ist das der Lagerung des Kardanrahmens 5 (mit 1, 6) und des Antriebes 9 dienende Gehäuse bezeichnet Mittels des Antriebs 9 verursacht die Welle 10 über das abgewinkelt am Kardanrahmen angeformte Teil 12 eine Kraft auf den Kardanrahmen 5, der daraufhin um die Kippachse 3 kippt

In F i g. 2 ist der Antrieb 9 des abgewinkelten Teils 12, das zusammen mit dem Spiegel 1, der Abtastachse 2, dem Kardanrahmen 5 und dem Antrieb 6 die Kipplagervorrichtung bildet, nochmals für sich herausgezeichnet, und zwar in Blickrichtung von Pfeil 13 gem. Fig. 1. Dieser Antrieb 9 läßt sich zi verschiedener Weise ausgestalten. Nachfolgend seier-, fünf dieser Möglichkeiten aufgezeigt:

In den F i g. 3 und 4 ist — jeweils in verschiedener Ansicht — der Antrieb 9 in Form eines Elektromotors dargesteiii. Derselbe ist hier ein linearer Schrittmotor, der den Abtastspiegel 1 samt Kardanrahmen 5 um die Kippachse 3 in definierten Schritten vor- und zurückbewegt

Ein anderes Ausführungsbeispiel des Antriebs 9 zeigt F i g. 5. Hier wird über das abgewinkelte Teil 12 auf die Kippfagervorr. 1, 2, 5, 6, 12 mit Hilfe von auf beiden Seiten der Kippachse 3 angeordneten kombinierten Elektromagneten 9' bis 9^IV, die mit einer entsprechenden Ansteuerung versehen sind, eingewirkt. Im vorliegenden Beispiel sind die Magnete 9" und 9'" als Umkehrhubmagnete ausgebildet. Die Kippbewegung wird wie folgt realisiert.

Kippstellung A:

Kippstellung B:

Kippstellung C:

Kippstellung D:

Kippstellung C:

Magnet 9¹"
Magnet 9^IN
Magnet 9"
Magnet 9¹

Magnet 9¹
Magnet 9"
Magnet 9¹"
Magnet 9^IV

Magnet 9¹
Magnet 9"
Magnet 9^m
Magnet 9^IV

Magnet 9¹
Magnet 9"
Magnet 9'"
Magnet 9^IV

aktiv

inaktiv aktiv

inaktiv inaktiv

aktiv aktiv

inaktiv inaktiv

aktiv

positiv negativ

negativ negativ

positiv negativ

negativ negativ

Kippstellung B:

Magnet 9¹
Magnet 9"
Magnet 9¹"
Magnet 9^IV

Kippstellung A

aktiv

inaktiv

negativ positiv

Bei Positivschaltung von Magnet 9" wird Teil 21. welches z. B. mit einem axial magnetisierten Dauermagneten ausgestattet ist, gegen die Fläche 26 gezogen. Damit befindet sich Teil 21 mit seinem Anschlagende in Stellung A. Durch Aktivierung von Magnet 9^IV wird Teil 12 gegen den Anschlag von Teil 21 gezogen und befindet sich in Stellung A. Magnet 9" wird für die nachfolgende Kippstellung negativ geschaltet, dadurch Teil 24. welches wie Teil 21 aufgebaut ist, gegen die Fläche 28 gezogen, wobei es von Feder 25 unterstützt wird. Damit befindet sich Teil 24 mit seinem Anschlagende in Stellung B.

Kippstellung B

Teil 24 befindet sich in Stellung B. Magnet 9" bleibt negativ geschaltet.

Magnet 9¹ wird aktiviert und dadurch Teil 12 gegen den Anschlag von 24 gezogen. Teil 12 befindet sich in Stellung B.

Magnet 9^m wird für die nachfolgende Kippstellung negativ geschaltet. Teil 21 wird dadurch gegen die Fläche 29 gezogen und dabei durch die Feder 22 unterstützt. Teil 21 befindet sich in Stellung C.

Kippstellung C

Durch Aktivierung von Magnet 9^IV wird Teil 12 gegen den Anschlag von Teil 21 gezogen und befindet sich damit in Stellung C.

Magnet 9" wird positiv geschaltet. Teil 24 wird gegen die Fläche 27 gezogen. Teil 24 mit seinem Anschlagende befindet sich in Stellung D.

Kippstellung D

Teil 24 befindet sich bereits in Stellung D. Magnet 9" bleibt positiv. Magnet 9¹ wird aktiviert und Teil 12 gegen den Anschlag von Teil 24 gezogen. Teil 12 befindet sich in Stellung D.

Magnet 9¹¹¹ verbleibt negativ, somit Teil 21 in Stellung C

Kippstellung C

Teil 21 befindet sich bereits in Stellung C, Magnet 9¹" ist negativ. Magnet 9^IV wird aktiviert Teil 12 wird auf Anschlag von Teil 21 gezogen und befindet sich in Stellung C. Magnet 9" wird negativ geschaltet, dadurch Teil 24 in Stellung SgebrachL

Kippstellung B

Teil 24 befindet sich in Stellung B, Magnet 9" bleibt negativ. Magnet 9¹ wird aktiviert und Teil 12 in Stellung B gezogen. Magnet 9'" wird positiv geschaltet und Teil 21 in Stellung A gebracht.

Wieder ein anderes Ausführungsbeispiel des Antriebs ι 9 ist aus Fig. 6 ersichtlich, wo auf beiden Seiten der Kippachse 3 jeweils ein entsprechend angesteuerter, die Kippbewegung bewirkender Elektromagnet angeordnet ist. Der Positionsaufnehmer 14 delektiert die Kippstellung und wandelt diese Information in ein elektrisches Signal um. Dieses Signal wird in dem Verstärker 15 verstärkt und in der Vergleichersiufe 16 • mit der .Sollvorgabeeinheit 17 (Kippstelkingsvorgabe). die mit dem Abtastspiegel in Verbindung steht, verglichen. In Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Vergleicherstufe werden mittels der Ansteuerschaltung 18 die beiden Elckiromagnctc angesteuert. Die Sollvor-' gäbe, das heißt die Kippstellung, wird immer nur im Abtastumkehrpunkt geändert.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Antriebs 9 geht aus Fig. 7 hervor, wo die Kippbewegung durch einen Elektromagnet, z. B. 9¹, auf der einen Seite der ' Kippachse 3 erzeugt wird, der gegen die auf der anderen Seite der Kippachse angebrachte Feder 13 drückt. Die Feder drückt ihrerseits auf das abgewinkelte Teil 12 in Richtung Elektromagnet. Durch Steuerung der Erregerspannung wird das Teil 12 mittels des an ihm befestigten Dauermagneten 19 definiert in die entsprechende Kippstellung gebracht.

Ein letztes Ausführungsbeispiel des Antriebs 9 ist in Fig. 8 gezeichnet, wo die Kippbewegung dadurch zustande kommt, daß die Rotationsbewegung des mit "> einem Entkoder (Schrittgeber) versehenen Motors 9^V" über den z. B. in Form eines Getriebes 20 mit Spindel 21 ausgebildeten Umsetzer 20, 21 in eine Linearbewegung transformiert wird. Letztere wirkt einseitig auf das Teil 12 der Kipplagervorrichtung ein. Als konstante ) Gegenkraft kann die Feder 13 oder der Elektromagnet mit dem Dauermagnet 19 Verwendung finden, die hier durch einen Pfeil symbolisier· sind. Die elektrische Ansteuerung trägt die Bezugszahl 18.

Zum einmaligen Abtasten eines Gesamtfeldes werden mehrere Kippvorgänge benötigt. In vorstehenden Beispielen wird ein Gesamtfeld mit jeweils vier Kippbewegungen in vertikaler Richtung — einem sog.

4fach-Zeiienversatz - abgetastet.

In Fig. 10 schwingt der Abtastspiegel 1 mit ) Dreieckfunktion im Azimut und in den F i g. 9 und 11 ist die Zerlegung eines Kippvorgangs in vier Abschnitte dargestellt, die während der Totzeit der horizontalen bzw. azimutalen Abtastbewegung des Spiegels alternierend beiderseits des IR-Detektors erfolgen. Die > dargestellte Schrittfolge — bezogen auf Fig.9 — lautet I. 2. 3. 4. Entsprechend wird aus der Anfangsstellung heraus um eine volle Elementhöhe nach abwärts, sodann auf der anderen Feldseite um eine halbe Elementenhöhe nach aufwärts und abschließend - wieder auf der Ausgangsseite — um eine volle Elementenhöhe nach aufwärts gekippt.

Im einzelnen bedeutet dies: Wenn sich der Abtastspiegel 1 in Stellung von F i g. 9a (Schritt 1) befindet, daß sich die in den Zeilen a enthaltene Information unter den Einzelelementen 22 befindet und man die in den Zeilen a'enthaltene Information während des ersten Spiegel-Durchlaufs nicht erhält.

Befindet sich der Abtastspiegel 1 in Stellung von Fig.9b (Schritt 2), liegt die in den Zeilen a'enthaltene Information — nach Kippen des Spiegels während der Totzeit um die Kippachse 3 um den Betrag einer Zeilenhöhe — unter den Einzelelementen 22. Die Zeilen a liegen jetzt zwischen den Einzelelementen.

Befindet sich der Abtastspiegel 1 in Stellung von F i g. 9c (Schritt 3), so ist der Spiegel nach dem Rücklauf — während der Totzeit — um Kippachse 3 um die Hälfte einer Zeilenhöhe nach oben gekippt Dadurch liegt die Information der Zeilen a und a'jetzt zur Hälfte

auf den jeweiligen Einzelelementen.

Befindet sich der Abtastspiegel 1 schließlich in Stellung von F i g. 9d (Schritt 4), so ist der Spiegel nach dem zweiten Durchlauf — wahrend der Totzeit — wieder um eine halbe Zeilenhöhe nach oben gekippt. Auch hier liegt die Information der Zeilen n und a'zur Hiilftc auf den jeweiligen Einzelelementen, jedoch auf deren oberer Hälfte.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen ij

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abtasten von Strahlungsenergie mit

a) einem IR-Abtastspiegel, dessen Vorderseite Strahlungsenergie auf einen - in vertikaler Richtung — aus mehreren Detektor-Einzelelementen zusammengesetzten IR-Detektor wirft, bei dem die Abstände zwischen den Detektor-Einzelelementen gleich der Höhe der Detektor-Einzelelemente sind, und der nach optoelektronischer Umwandlung entsprechende elektrische Signale abgibt,

b) einer die Strahlungsenergie über den IR-Detektor lenkenden beweglichen Spiegelhalterung, die eine erste Kipplagervorrichtung für eine horizontale Abtastbewegung zum Halten des Abtastspiegels in einer vertikalen Ebene und eint- zweite Kipplagervorrichtung für eine vertikale Bewegung zum Halten des Abtastspiegels in einem Winkel zur ersten Kipplagervorrichtung aufweist.

c) einem den Abtastspiegel um die erste Kipplagervorrichtung schwingenden ersten Antrieb und

d) einem zweiten Antrieb, der den Abtastspiegel in der Totzeit nach der ersten horizontalen Abtastbewegung um die zweite Kipplagervorrichtung kippt, und zwar abwärts um die der Höhe des Detektor-Einzelelements entsprechende Zeilenhwhe