DE3625523A1 - Schachtelungsverfahren fuer den detektor einer thermischen kamera mit horizontaler abtastung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schachtelungsverfahren für den Detektor einer thermischen Kamera, der mindestens eine Spalte aus vertikal angeordneten Detektorelementen umfaßt und das Bild horizontal abtastet, wobei ein vollständiges Bild durch die Abtastung von zwei aufein­ anderfolgenden Rastern erhalten wird und die Stellung(en) der Spalte(n) zur Abtastung des zweiten Rasters in vertikaler Richtung verschoben wird um eine Ineinander­ schachtelung der zwei Raster zu erzielen.

Die Vertikalverschiebung der Spalte(n) aus Detektor­ elementen wird gewöhnlich durch optomechanische Mittel erzeugt. Möglich sind:

• - eine Bewegung der Detektorspalte oder der Detektorspalten selbst,
• - eine Querverschiebung einer Linse, die an der Erzeugung eines Bildes des Gesichtsfeldes auf den Detektoren beteiligt ist,
• - eine Bewegung der Drehachse des Spiegels für die Horizontalabtastung um eine zu der ersteren Achse rechtwinkelige Achse.

Diese Bewegung, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rastern stattfinden, müssen folglich rasch erfolgen und mit der Horizontalabtastung in geeigneter Weise synchronisiert sein. Das zu verschiebende optische Element muß mit großer Genauigkeit in seine beiden Endstellungen positioniert werden, ungeachtet etwaiger äußerer Erschütterungen (Schwingungen und Stöße).

Zur Durchführung dieser Vertikalabtastung werden mechanische Vorrichtungen und optische Systeme benötigt, die teuer sind und viel Raum beanspruchen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Abtastmittel durch ein elektronisches System zur Schachtelung der Zeilen zu ersetzen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spalte(n) n Elemente umfassen und n größer als die Zahl der innerhalb eines Rasters zu beschreibenden Zeilen ist, und daß die Schachtelung durch Änderung der Verbindungen der Detektorelemente mittels eines geeigneten elektronischen Schaltsystems zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rastern zur unterschiedlichen Nutzung ihrer Signale erhalten wird, wobei jede Spalte aus Detektorelementen mit einer Ladungsübertragungs­ schaltung oder einem Multiplexer verbunden ist und die Umverteilung der Signale am Ausgang der Multi­ plexierschaltungen vorgenommen wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einigen Ausführungsbeispielen in Verbindung mit einer Zeichnung erläutert, die folgende Figuren umfaßt:

Fig. 1 zeigt schematisch einen Detektor mit einer einzigen Spalte;

Fig. 2 veranschaulicht schematisch die Ver­ wendung eines von zwei Detektorelementen der Spalte zur Erzeugung einer Schachte­ lung der Raster;

Fig. 3 zeigt eine andere Nutzungsmöglichkeit von jeweils zwei Detektorelementen der Spalte zur Erzeugung der Schachtelung der Raster;

Fig. 4 gibt schematisch einen Detektor mit zwei Spalten wieder;

Fig. 5, 6 und 7 veranschaulichen eine erste, eine zweite und eine dritte Art der Zusammenfassung der Detektorelemente der zwei Spalten zur Erzeugung der Schachtelung der Raster;

Fig. 8 gibt schematisch einen Detektor mit vier Spalten wieder.

Fig. 1 veranschaulicht einen Detektor D mit einer einzigen Spalte A, die n aneinandergrenzende Detektor­ elemente umfaßt, wobei n größer als die Zahl der Zeilen eines Rasters ist. Diese Detektorelemente sind mit einer Ladungsübertragungs- oder CCD-Schaltung oder mit einem Multiplexer M verbunden. Den Multiplexierschaltungen ist eine Sortier- oder Gruppierschaltung Q für die den Rastern entsprechenden Signale nachgeschaltet. Erfindungsgemäß ist es möglich, die Zeilen von zwei aufeinanderfolgenden Rastern ineinander zu schachteln, in dem man von einem Raster zum nächsten die Verbindungen der Detektorelemente untereinander ändert.

Fig. 2 veranschaulicht die Verwendung von einem von zwei Detektorelementen der Spalte A für jedes Raster T ₁ und T ₂ mittels Schaltern K ₁ und K ₂, die es ermög­ lichen, während des Rasters T ₁ die Signale der unge­ radzahligen Detektorelemente und während des Rasters T ₂ diejenigen der geradzahligen Detektorelemente den Verstärkern zuzuführen.

Hierzu ist zu bemerken, daß man bei Benutzung von quadratischen Detektorelementen mit der Anordnung der Fig. 2 in den zwei Richtungen nicht dieselbe geometri­ sche Auflösung erzielt. In der Horizontalrichtung ist die geometrische Auflösung nämlich im wesentlichen durch die Seitenlänge c des Detektorelementes begrenzt. Die räumliche Grenzfrequenz, oberhalb derer das Signal nicht mehr nutzbar ist, ist folglich f _c =1/c. Des wei­ teren führt die zeilenweise Analyse auch zu einer Abtastung oder Rasterung in der Vertikalrichtung. Bekanntlich ermöglicht eine Abtastung mit der Frequenz f _e (oder mit einer Schrittweite p=1/f _e ) theoretisch die Wiedergabe der Frequenzen die kleiner als f _e /2 sind. Um in der Vertikalrichtung die gleiche Grenzfrequenz wie in der Horizontalrichtung zu erzielen, muß daher die folgende Bedingung erfüllt sein:

f _e /2 = f _c oder p = c/2

Die Schrittweite der Abtastung für den Zeilenabstand muß mithin halb so groß wie die Seitenlänge des als quadratisch angenommenen Detektorelementes sein.

Diese Bedingung ist im Fall der Fig. 3 verwirklicht, die eine Verbindungsweise zwischen den Detektorelementen der Spalte A veranschaulicht, wonach abwechselnd für das Raster T ₁ ein geradzahliges Element und das unmittel­ bar darunter befindlich ungeradzahlige Element und für das Raster T ₂ ein geradzahliges Element und das unmittelbar darüber angeordnete ungeradzahlige Element einander zugeordnet werden. Unter diesen Umständen ist die Abtastschrittweise in einem vollständigen Bild gleich der Hälfte der Seitenlänge der äquivalenten Detektoren, die einer Gruppe von zwei Detektorelementen entsprechen.

Man kann die Detektorelemente nicht nur auf eine vertikale Spalte sondern auf mehrere, horizontal durch eine Entfernung d voneinander getrennte Spalten ver­ teilen. Wenn die Abtastgeschwindigkeit in der Detektor­ ebene v _b ist, entsprechen die verschiedenen Spalten den gleichen Gesichtsfeld- oder Landschaftspunkten zu Zeitpunkten, die durch ein Zeitintervall τ=d/v _b voneinander getrennt sind.

Führt man nun eine Verzögerung τ zwischen den ent­ sprechenden Signalen aufeinanderfolgender Spalten ein, so scheinen alle Detektorelemente in der gleichen Spalte angeordnet zu sein, jedoch addieren sich ihre Signale und tragen zur Verbesserung des Gesamtrausch­ abstandes (Verhältnis von Signal zu Rauschen) bei.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der zwei durch ein Intervall d voneinander getrennte Spalten A und B vertikal um einen Betrag c/2 gegeneinander verschoben sind (c ist die Seitenlänge eines Detektorelementes). Jede der zwei Spalten A und B umfaßt n übereinander angeordnete, aneinandergrenzende Detektorelemente und ist mit beispielsweise einer Ladungsübertragungsschal­ tung M bzw. N verbunden. Die Detektorelemente der Spalte B liefern Signale, die denjenigen der Spalte A um den Betrag τ=d/v _b voreilen. Sie werden folglich um den gleichen Betrag verzögert, so daß sie derselben Verti­ kalen der Landschaft oder des Gesichtsfeldes entsprechen.

Die den Detektorelementen der Spalten A und B entspre­ chenden Signale werden nachfolgend in der Schaltung Q im Verlaufe zweier aufeinanderfolgender Raster in unterschiedlicher Weise umgruppiert oder umverteilt.

Es sind mehrere Arten der Umverteilung möglich. Ein Beispiel zeigt Fig. 5. Hierbei werden die zu Zweier­ gruppen zusammengefaßten Elementen in folgender Weise benutzt:

1A + 1B, 2A + 2B, . . . nA + nB für das Raster T₁;
2A + 1B, 3A + 2B, . . . nA + (n - 1)B für das Raster T₂.

Im Fall der Standardfernsehnorm zu 625 Zeilen, von denen 575 sichtbargemacht werden, würde jede Spalte beispiels­ weise 288 Detektorelemente umfassen. Die vorstehende Gruppierung und Umverteilung würde abwechselnd 288 und 287 Zeilen ergeben, so daß man die insgesamt 575 Zeilen eines Bildes erhält.

Fig. 6 veranschaulicht eine Zusammenfassung zu Dreier­ gruppen, bei der für das Raster T ₁ die Summe eines geradzahligen Elementes und des unmittelbar darunter befindlichen ungeradzahligen Elementes von A sowie desselben ungeradzahligen Elementes von B gebildet wird und für das Raster T ₂ die Summe des gleichen gerad­ zahligen Elementes und des unmittelbar darüber ange­ ordneten ungeradzahligen Elementes von A sowie desselben geradzahligen Elementes von B. Man bildet folglich abwechselnd Gruppierungen der Form:

(2k - 1 + 2k) _A + (2k - 1) _b und
(2k + 2k + 1) _A + 2k _B

Eine andere Art der Gruppierung, die mit der vorhergehen­ den vergleichbar und in derselben Weise gebildet wird, unterscheidet sich dadurch, daß die nicht benutzten Elemente der Spalte B (dies sind abwechselnd die geradzahligen und die ungeradzahligen Elemente) ein Signal liefern, das nachfolgend von dem Signal sub­ trahiert wird, das die drei Hauptelemente liefern, so daß eine Kontrastverstärkung in vertikaler Richtung erhalten wird. Fig. 7 zeigt die Art der Verbindungen, die dann für jede Zeile benutzt werden. Die Zeichen + und -, die oberhalb jeder Verbindung angebracht sind, geben an, ob das Signal addiert oder subtrahiert wird.

Es sind zahlreiche weitere Verbindungsarten denkbar, die einer mehr oder minder hohen Anzahl von zusammen­ gefaßten oder einander zugeordneten Detektorelementen und unterschiedlichen Zeilenzahlen je Bild entsprechen.

Fig. 8 veranschaulicht eine Anordnung, bei der vier Spalten A, B, C und D verwendet werden, die im Abstand d voneinander angeordnet und in Vertikalrichtung um den Betrag c/2 verschoben sind. Diese Spalten von Detektorelementen sind beispielsweise mit vier Ladungs­ übertragungsschaltungen M, N, O und P verbunden. Die Verzögerungsschaltungen τ, 2τ, 3τ stellen wie bei der mit zwei Spalten beschriebenen Ausführungsform sicher, daß die verschiedenen Spalten der gleichen Vertikale in der Landschaft entsprechen.

Wie im Fall der Fig. 4 sind die gleichen oder andere Umverteilungsarten denkbar, die in der Schaltung Q durchgeführt werden, unter der Voraussetzung, daß eine hinreichende Gesamtzahl von Detektorelementen zur Ver­ fügung steht, beispielsweise 1024 Elemente in 2 Spalten zu 512 Elementen (Fig. 4) oder in 4 Spalten zu 256 Elementen (Fig. 8).

Abschließend wird unterstrichen, daß das hier vorge­ schlagene Verfahren zur Schachtelung von zwei Rastern in gleicher Weise auf Schachtelungen höherer Ordnung, d.h. für das Ineinanderschachteln von drei und mehr Rastern angewendet werden kann.

Claims (9)

1. Schachtelungsverfahren für den Detektor einer thermi­ schen oder IR-Kamera, der mindestens eine Spalte aus vertikal angeordneten Detektorelementen umfaßt und das Bild horizontal abtastet, wobei ein vollständiges Bild durch die Abtastung von zwei aufeinanderfolgenden Rastern erhalten wird und die Stellung(en) der Spal­ te(n) zur Abtastung des zweiten Rasters in vertikaler Richtung verschoben wird um eine Ineinanderschachte­ lung der zwei Raster zu erzielen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte(n) (A) n Elemen­ te umfassen und n größer als die Zahl der innerhalb eines Rasters (T ₁, T ₂) zu beschreibenden Zeilen ist, und daß die Schachtelung durch Änderung der Ver­ bindungen der Detektorelemente mittels eines geeigne­ ten elektronischen Schaltsystems zwischen zwei auf­ einanderfolgenden Rastern zur unterschiedlichen Nutzung der Signale der Detektorelemente erhalten wird, wobei jede Spalte (A) aus Detektorelementen mit einer Ladungsübertragungsschaltung oder einer Multiplex­ schaltung (M) verbunden ist und die Umverteilung der Signale am Ausgang der Multiplexierschaltungen vorge­ nommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, für einen Detektor mit einer einzigen Spalte, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ bindung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rastern in der Weise vorgenommen wird, daß abwechselnd die Signale der geradzahligen und der ungeradzahligen Detektorelemente einander zugeordnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, für einen Detektor mit einer einzigen Spalte, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ bindung dadurch erzielt wird, daß abwechselnd jedem Raster einerseits ein geradzahliges Detektorelement und das unmittelbar darunter liegende ungeradzahlige Detektorelement, andererseits das geradzahlige Detektorelement und das unmittelbar darüber liegende ungeradzahlige Detektorelement zugeordnet wird, so daß der Abtastschritt in einem vollständigen Bild somit gleich der halben Seitenlänge von äquivalenten Detektoren ist, die der Anordnung aus zwei Detektor­ elementen entsprechen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, für einen Detektor mit zwei Spalten A und B, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Spalten vertikal um einen Betrag gleich der hal­ ben Seitenlänge eines Detektorelementes verschoben sind, daß die von dem mit der Spalte B verbundenen Multiplexer (oder Ladungsübertragungsschaltung) abgege­ benen Signale in bezug auf die von dem mit der Spal­ te A verbundenen Multiplexer (oder Ladungsübertra­ gungsschaltung) gelieferten Signale um ein Zeitinter­ vall τ verzögert werden, damit diese Signale der­ selben Vertikale der Landschaft (oder des Gesichts­ feldes) entsprechen, und daß die Schaltung zur Umver­ teilung der von den Spalten A und B stammenden, multiplexierten Signale der Verzögerungsschaltung τ nachgeschaltet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Detektorelementen der Spalten A und B entsprechenden Signale in der Weise umverteilt werden, daß abwechselnd zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rastern die Summe der ersten, der zweiten und der n-ten Detektorelemente der Spalten A und B einerseits und die Summe des zweiten Elementes der Spalte A und des ersten Elementes der Spalte B, des dritten Elementes der Spalte A und des zweiten Elementes der Spalte B,... den n-ten Elementes der Spalte A und des (n-1)-ten Elementes der Spalte B andererseits gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Detektorelementes der Spalten A und B entsprechenden Signale in der Weise umverteilt werden, daß abwechselnd zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rastern die Summe aus einem geradzahligen Element und dem unmittelbar darunter angeordneten ungeradzahligen Element der Spalte A und dem gleichen ungeradzahligen Element der Spalte B einerseits sowie die Summe des gleichen geradzahligen Elementes und des unmittelbar darüber befindlichen ungeradzahligen Elementes der Spalte A und des gleichen geradzahligen Elementes der Spalte B andererseits gebildet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die unbenutzten Elemente der Spalte B, das sind abwech­ selnd die geradzahligen und die ungeradzahligen Elemen­ te, ein Signal liefern, das dann von dem von den drei benutzten Elementen gelieferten Signal subtrahiert wird, um einen Kontrasterhöhungseffekt in der Vertika­ len zu erzeugen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehr als zwei Raster ineinander ver­ schachtelt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Detektorelemente aus einem für Infrarotstrahlung in einem bestimmten Spektralband em­ pfindlichen Material bestehen.