DE3133326C2 - "Tragbares Wärmebildgerät" - Google Patents

Abstract

Bei einem tragbaren Wärmebildgerät zur Direktbetrachtung einer Szene ist zwischen dem Objektiv und dem Okular ein Bildwandlerteil eingesetzt, der das vom Objektiv erzeugte Wärmebild der Szene mit wärmeempfindlichen Detektorelementen abtastet und über Leuchtelemente in der Betrachtungsebene des Okulars als sichtbares Bild wiedergibt. Der Bildwandlerteil ist als geschlossene, etwa zylindrische Patrone (1) ausgebildet und rotiert mit einer Frequenz zwischen 20 und 25 Hz um die optische Achse des Gerätes. Für eine zirkulare Abtastung der Bildebene des Objektives (2) sind eine Detektorzeile (4) im Wärmebildbereich und zur synchronen Bildwiedergabe in der Betrachtungsebene des Okulars (3) eine Leuchtelementzeile (5) vorgesehen. Ferner sind eine Verstärkerelektronik zwischen Detektorzeile (4) und Leucht elementzeile (5), ein Dewar zum Einbau der Detektorzeile, Mittel zur Kühlung der Detektorzeile sowie eine Einrichtung zur Wärme-Abfuhr (6) in der Bildwandlerpatrone (1) untergebracht.

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Wärmebildgerät entsprechend den Merkmalen des Oberbegriffes des Hauptanspruches.
Bei Wärmebildgeräten 4er eingangs erwähnten Art, die heute u.a. als Zielgeräte im Spektralbereich zwischen 3 und 10 μπι Wellenlänge der empfangenen Strahlung eingesetzt werden, spielen das Gewicht und das Volumen des Gerätes eine entscheidende Rolle, falls sie von Einzelpersonen direkt nach Art eines Fernglases eingesetzt werden sollen.

Wärmebildgeräte auf der Basis von Halbleitersensoren wie Cadmiumquecksilbertellurid (CMT) als Wärmedetektoren besitzen heute noch Abmessungen, die die Verwendung des Gerätes als tragbare Version unmöglieh machen. Hierfür sind einmal die zur Kühlung der Detektoren erforderlichen Baugruppen verantwortlich, die aus dem Dewargefäß und dem Kühler bestehen, wobei letzterer entweder ein sogenannter closed-cyclecooler ist, oder nach dem Joule-Thomson-Prinzip aus Druck-Flaschen über ein Drosselventil mit einem gasförmigen Kühlmittel versorgt wird. Zum anderen erfordern die meistens gewünschten hohen Reichweiten eine hohe Auflösung und damit eine große Eintrittspupille der Germaniumoptik. Schließlich sind für die Detektoranordnungen mechanische Abtast-Vorrichtungen erforderlich, ganz abgesehen von der Elektronik und den notwendigen Baugruppen für die Bildwiedergabe.
Aus der DE-AS 25 17 406 ist eine Vorrichtung zur Bilderzeugung mit einer Detektoranordnung bekannt, die geometrisch so verteilt ist, daß jsdes Detektorelement während jedes Abtast-Zyklus von jedem Punkt des Blickfeldes Strahlungsenergie empfängt. Eine spezielle Detektoranordnung ist in der DE-OS 27 52 704 beschrieben. Die bildliche Wiedergabe erfolgt über Leuchtelemente, welche die gleiche geometrische Verteilung aufweisen wie die Detektorelemente. In Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des entsprechenden Detektorelcmentes erzeugen die Leuchteleso mente sichtbares Licht mit der Intensität der empfangenen Strahlung. Ferner sind bilderzeugende Mittel vorgesehen, die das von den Leuchtelementen emittierte Licht empfangen und synchron zum Muster der optischen Abtastung ein zweidimensionales Muster aussenden. Diese Vorrichtung weist schließlich einen die Detektoranordnung aufnehmenden Dewar und eine Elektronik auf, welche die von der Detektoranordnung ausgehenden Ausgangssignale parallel verarbeitet. Mit dieser Vorrichtung ist zwar der Vorteil verbunden, daß

eo die gleiche Abtastvorrichtung für Blickfeld und Bildwiedergabe zwangsläufig eine Synchronisation gewährleistet, die genannten Mangel bezüglich des Gewichtes und des Bauvolumens sind jedoch nicht beseitigt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wärmebildgerät zu schaffen, das durch Reduzierung einer Reihe von Forderungen den Einsatz als handgehaltenes Gerät ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im

Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst Der wesentliche Vorteil des Wärmebildgerätes nach der Erfindung besteht darin, daß durch eine besondere Ausbildung des Scanners, neben einer platzsparenden Kühlung sowie durch Einsatz eines IR-CCD als Detektorzeile, Abmessungen erzielbar sind, die die Verwendung des Gerätes als Handgerät ermöglichen. Der Scanner nimmt eine zirkuläre Bildabtastung vor, bei der die abgetasteten Bildzeilen wie bei der bekannten Nipkow-Scheibe konzentrische Kreise sind.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung schematisch dargestellt Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der optischen Einrichtung,

F i g. 2 eine schematische Draufsicht auf die Detektorzeile bzw. Leuchtelementenzeile und

Fig.3 eine andere Ausführungsform der Detektorzeile.

In F i g. 1 ist der Bildwandler als in Pfeilrichtung drehbare Wärmebildpatrone 1 zwischen dem Objektiv 2 und dem Okular 3 dargestellt Die Patrone 1 rotiert mit etwa 25 Umdrehungen pro Sekunde. Die Rotation kann über einen Zahnriemenantrieb oder dadurch erfolgen, daß die gesamte Patrone als Kurzschlußläufer in einem Drehfeld ausgebildet wird. Die durch das Objektiv 2 einfallende und auf die Bildebene fokussierte Strahlung wird dort durch eine lineare Detektorzeile 4 zirkulär abgetastet und in der Ebene der Bildbetrachtung durch eine automatisch synchron rotierende Leuchtelemente (LED-)Zeile 5 im sichtbaren Spektralbereich wiedergegeben. Dieses sichtbare Bild kann durch das Okular betrachtet werden. In einer konstruktiven Ausgestaltung kann die schnelle Rotation der Wärmebildpatrone 1 durch geeignete Integration eines Lüfters 6 gleichzeitig zur Wärmeabführung aus der Elektronik und der Kühleinheit herangezogen werden. Schließlich kann auf dem Umfang der Patrone 1 ein Schleifringkörper 7 zur Stromversorgung vorgesehen sein.

In der Detektorzeile 4 als auch in der LED-Zeile 5 sind, wie Fig.2 zeigt, die Abstände zwischen den Einzelelementen ebenso groß wie die Elemente in radialer Richtung selbst. Die Zeilen 4 und 5 sind bezüglich ihrer Drehachse 8 so angeordnet, daß eine zirkulare 2: l-Interlace-Abtastung erfolgt

Bei einer Rotation der Wärmebildpatrone 1 mit ca. 25 Umdrehungen pro Sekunde entsteht ein flimmerfreies Bild. Die erforderliche 180°-Drehung zwischen Bildaufnahme- und Bildwiedergabe-Ebene ist ohne Schwierigkeit auch unter Berücksichtigung der elektronischen Laufzeit zu realisieren.
Für eine Reichweite des Gerätes von etwa 1000 m ist

ίο der 3-5^-Bereich ausreichend. Bei dieser Annahme kann die erförderliche Kühlung der Detektorelemente durch eine platzsparende Peltier-Kühlung zum Einsatz gebracht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß im mittleren Bereich des Bildfeldes durch die höhere

Verweilzeit der Detektoren ein besseres S/N-Verhältnis entsteht und damit, wie vom Auge her bekannt, im zentralen Bereich des Bildfeldes eine bessere MRTD (mean resolvable temperature difference) möglich wird. Diese Gegebenheiten können auch dahingehend ausge-

nutzt werden, daß im zentralen Teil kleinere, die beugungsbedingten Grenzen maxiirjj ausnutzende Detektoren verwendet werden, wahrend in den Randgebieten gröbere Detektoren mit besserem Signal/ Rausch-Verhältnis angebracht sind. Diese Variante ist für die Detektor- und LED-Elemente in F i g. 3 gezeigt Die Verstärker-Elektronik zwischen Detektoren und den Leucntelementen kann einen automatischen Helligkeitsausgleich für die höhere LED-Geschwindigkeit in den Randgebieten erhalten. Der für die Stromversorgung vorgesehene Schleifringkörper 7 auf dem Patronenkörper ist robust ausgeführt und konstruktiv so gestaltet, daß er wegen der zu erwartenden Abnutzung relativ schnell ein- und ausgebaut werden kann. Wird, wie vorgeschlagen, als Detektorzeile ein

lineares IR-CCD mit parallelem Ausleseregister verwendet, so kann der Elektronikaufwand beträchtlich gegenüber den herkömmlichen Geräten mit den vielen parallelen Vor- und Hauptverstärkern vermindert werden.

Anstelle jeweils einzelner Verstärkerkanäle zwischen den Detektor- und den zugehörigen Leuchtelementen kann ?uch eine Parallel/Seriell-Wandlung der Detektorsignafe mit einem einzigen Verstärkerkanal und eine anschließende Seriell/Parallel-Wandlung zur Ansteue-

rung der Leuchtelemente vorgesehen sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Tragbares Wärmebildgerät zur Direktbetrachtung einer Szene, bei dem zwischen Objektiv und dem Okular ein Bildwandlerteil eingefügt ist, der das vom Objektiv erzeugte Wärmebild der Szene mit Hilfe von in einer Zeile angeordneten, mit einer Kühleinrichtung versehenen Detektorelementen abtastet und über ebenfalls in einer Zelle liegende, den Detektorelementen unmittelbar zugeordnete Leuchtelemente in der Betrachtungsebene des Okulars als sichtbares Bild wiedergibt, und bei dem eine Elektronik zur Verstärkung der Detektorsignale vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Detektorzeile (4) beginnende und der Leuchtelementenzeile (5) endende Bildwandlerteil als geschlossene, etwa zylindrische Patrone (1) ausgebildet ist, die mit einer Frequenz zwischen et^'s 20 und 25 Hz um die für Objektiv (2) und Okular ö) gemeinsame optische Achse des Gerätes rotiert, daß zwischen den mit einer thermo-elektrischen Kühleinrichtung versehenen Detektorelementen und den zugehörigen Leuchtelementen eine Parallel/Seriell-Wandlung der Detektorsignale, ein einziger Verstärkerkanal und eine anschließende Seriell/Parallel-Wandlung zur Leuchtelementenansteuerung vorgesehen ist, und daß in die Patrone (1) eine Kontaktbahn (6) zur Übertragung der elektrischen Energie zur Versorgung der elektronischen Bauelemente innerhalb der Patrone (1) und ein Liiiter (7) zur Abfuhr der von ihnen erzeugten Wärme integriert sinci.

2. Wärmebildgerät narh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektot · eile (4) aus einem IR-CCD mit parallelem Ausleseregister zur Parallel/ Seriell-Wandlung der Detektorsignale besteht.

3. Wärmebildgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den Elementen in der Detektor- und in der Leuchtelementenzeile (4,5) den Abmessungen der Elemente in radialer Richtung selbst entsprechen, und daß der Drehpunkt der zirkulären Abtastung so in der Mitte von Detektor- und Leuchtelementenzeile (4, 5) angeordnet ist, daß ein zirkuläres 2:1-Interlace entsteht

4. Wärmebildgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren und die jeweils korrespondierenden Leuchtelemente mit zunehmendem Abstand vom Drehpunkt in azimuthaler Richtung größer ausgebildet sind.

5. Wärmebildgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kühlung der Detektorelemente durch den Einsatz von Peltier-Elementen.

6. Wärmebildgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rotation der Bildwandlerpatrone (1) ein Zahnriemenantrieb dient.

7. Wärmebildgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rotation die Bildwandlerpatrone (1) selbst als Kurzschlußläufer ausgebildet ist.

8. Wärmebildgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lüfter (6) ein Radiallüfter vorgesehen ist.

9. Wärmebildgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Versorgung der elektronischen Bauteile des Gerätes eine externe Stromquelle vorgesehen ist.

10. Wärmebildgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein binokulares Okular für die Betrachtungsebene vorgesehen ist

11. Wärmebildgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (2) als Spiegelobjektiv ausgebildet ist