DE3625524A1 - Thermische kamera - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine thermische Kamera oder Infra­ rotkamera mit einem Analysator und einem davor angeordne­ ten Objektiv oder einem Afokalsystem mit einem oder mehre­ ren Feldern, wobei der Analysator ein optomechanisches Abtastsystem umfaßt, das das Bild des Gesichtsfeldes über ein Detektormosaik verschiebt.

Bei Kameras dieser Gattung analysiert das optomechanische Abtastsystem das Gesichtsfeld in zwei Raumrichtungen, bei­ spielsweise in rechtwinkligen Koordinaten. Der Übergang von einer Richtung auf die andere innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne erfordert komplizierte mechanische Vor­ richtungen um die Verkippungen und zusätzlichen Bewegun­ gen zu erzielen, die darüber hinaus exakt synchronisiert sein müssen. Häufig werden für die verschiedenen Abtast­ richtungen unterschiedliche optische Vorrichtungen ver­ wendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermische Kamera der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, die diesen Nachteil vermeidet und eine weniger aufwendige optomechanische Abtastvorrichtung erfordert.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind dem Detektormosaik Ladungs­ übertragungsschaltungen oder CCD-Schaltungen zugeordnet. Das optomechanische Abtastsystem vereinfacht sich dann er­ heblich.

Im einzelnen ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Mosaik geringer Länge aus mehreren parallelen Zeilen von Detektorelementen besteht, die derart angeordnet sind, daß eine räumliche Abtastung ohne Auflösungsverlust er­ zielt wird, daß die Zeilen Ladungsübertragungsschaltungen zugeordnet sind, um die Analyse des Gesichtsfeldes in Zei­ lenrichtung durch Übertragung von in den Detektorelementen erzeugten Ladungen durchzuführen, daß die optomechanische Abtastung nur in einer räumlichen Richtung, rechtwinklig zur Zeilenrichtung, beispielsweise mittels eines Planspie­ gels durchgeführt wird, der in einer linearen Bewegung mit raschem Rücklauf entsprechend der Abtastung eines Rasters schwingt, und daß die Multiplexierung der Ladun­ gen am Ausgang jeder Ladungsübertragungsschaltung ein serielles Videosignal liefert.

Die Anordnung der Detektorelemente muß eine räumliche Ab­ tastfrequenz ergeben, die mit der Grenzfrequenz der Funktion sin C der Detektoren kompatibel ist. Hierzu wird bei Detek­ torelementen mit vorgegebener Form die räumliche Abtastung ohne Auflösungsverlust dadurch erhalten, daß die Längsver­ schiebung zwischen zwei aufeinander folgenden Zeilen ent­ sprechend dem Nyquist-Theorem festgelegt ist und die Tei­ lung der Elemente innerhalb einer Zeile entsprechend der Zeilenzahl und bei gleicher Anzahl von Elementen je Zeile durch die Länge des Mosaiks vorgegeben wird.

Die Ausführungen dieses Mosaiks mit zwei oder vier Zeilen geringer Länge erleichtert seine Kühlung und die Auswahl homogener Materialstücke.

Die von jeder Ladungsübertragungsschaltung abgegebenen und einer Zeile aus Detektorelementen entsprechenden Signale werden in bezug auf die der folgenden Zeile entsprechenden Signale um das Zeitintervall zwischen diesen Zeilen ver­ zögert, damit diese verschiedenen Signale einer und der gleichen Zeile des Gesichtsfeldes entsprechen.

Die Anordnung von Elementen mit seitlichen Anschlußverbin­ dungen gestattet es, die Ladungsübertragungsschaltungen beidseits des Mosaiks anzuordnen, wodurch die Probleme vermieden werden, die mit der rückseitigen Beleuchtung der Detektoren verknüpft sind. Daher können für die De­ tektoren Materialien wie Cd Hg Te in massiver oder Dünn­ schichtausführung verwendet werden, deren Technologie gut beherrschbar ist.

Dieser Aufbau kann dadurch vervielfacht werden, daß der Detektor in einer zweiten Richtung verlängert wird, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern.

Die vorgeschlagene Anordnung ist so, daß die Geometrie des Detektors unabhängig von irgendeinem für die Sicht­ barmachung der mittels einer thermischen Kamera nach der Erfindung analysierten Bilder verwendeten Fernsehstandard ist. Man kann folglich bei gegebenem Detektor von einer Fernsehnorm (625 Zeilen, 50 Hertz - 875 Zeilen, 60 Hertz - 525 Zeilen, 60 Hertz usw.) durch einfache Änderung der Geräteeinstellungen auf eine andere Norm übergehen.

Umgekehrt kann man bei einer gegebenen Fernsehnorm die Leistungsfähigkeit der Anordnung durch Verbesserung der Detektoren (Detektoren unterschiedlicher Größe, unter­ schiedlicher Zahl, mit unterschiedlicher Schrittweite usw.) ändern. Insbesondere sind Verbesserungen der Technologie der Herstellung der Detektoren, der Herstellung der Ladungs­ übertragungsschaltungen, der Hybridisierung usw. ohne Än­ derungen des Systems nutzbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Gesamtdarstellung der ther­ mischen Kamera nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Detektormosaik in Form eines Streifens mit vier parallelen Zeilen aus Detektorelementen und

Fig. 3 ein anderes Detektormosaik in Form eines Streifens mit zwei parallelen Zeilen aus Detektorelementen.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte thermische Kamera mit vertikaler Abtastung besteht aus:

• - einem Analysator, der ein Detektormosaik D, ein Objektiv O mit großer Öffnung und einen Abtastspiegel M umfaßt;
• - aus einem Afokalsystem mit mehreren Vergrößerun­ gen (nicht dargestellt), das vor dem Analysator angeordnet ist.

Das Detektormosaik D hat die Form eines Streifens aus beispielsweise vier Zeilen (L ₁ . . . L ₄) aus Elementen, die gegeneinander versetzt angeordnet sind und sich in der Brennebene des Objektivs O befinden, das auf das Mosaik das Bild des Gesichtsfeldes abbildet. Die Zeilen L ₁ . . . L ₄ sind jeweils mit Ladungsübertragungsschaltungen Q ₁ . . . Q ₄ verbunden, die beidseits der betreffenden Zeilen angeord­ net und mit den Detektorelementen des Mosaiks verbunden sind.

Die numerische Öffnung des Objektivs liegt bei F/1, mit ei­ nem Eintrittspupillendurchmesser von 28,6 mm.

Die Drehachse des Abtastspiegels M verläuft parallel zur Richtung der Zeilen des Detektors. Das Bild verschiebt sich also rechtwinklig zu den Zeilen mit einer Geschwin­ digkeit v in der Detektorebene. Zwei aufeinander folgen­ de, um ein Intervall t voneinander beabstandete Zeilen überstreichen also den gleichen Teil des Gesichtsfeldes mit einem zeitlichen Abstand von τ=p/v. Durch Verzö­ gerung der Signale einer Zeile in bezug auf die folgende um τ und durch zeilenweises Multiplexieren dieser Signa­ le erhält man am Ausgang S des Detektors ein serielles Videosignal, das einer und der gleichen Zeile des Gesichts­ feldes entspricht.

Der Spiegel M wird mittels eines Motors, z.B. mittels ei­ nes Drehmomentmotors, angetrieben. Seine augenblickliche Stellung wird mittels eines digitalen optischen Wegaufneh­ mers gemessen, wobei eine Laserdiode als Lichtquelle und ein Codierer als Empfänger verwendet werden. Dessen In­ formationen werden mit einem Sollwert verglichen, der von einem Rampengenerator geliefert wird. Hierdurch wird eine sehr hohe Genauigkeit der Spiegelbewegung erreicht.

Der Sollwert-Rampenfunktion (z.B. Sägezahnsignal) kann eine äußere Spannung überlagert werden, die es ermög­ licht, Restschwingungen (Winkelschwingungen) der Platt­ form zu kompensieren (also eine Feinstabilisierung in ver­ tikaler Richtung vorzunehmen).

Der so aufgebaute scanner (Abtastvorrichtung) hat ein vertikales Gesichtsfeld von 16,8° und ein horizontales Gesichtsfeld von 25,8° bei einer linearen Bewegung des Spiegels von 8,4°. Der Wirkungsgrad der Abtastung beträgt 0,81.

Diese Lösung ermöglicht eine einfache Kopplung mit einem 10,6µ - Entfernungsmeßlaser. Sie gestattet es außerdem, auf einfache Weise eine Führungskamera zu verwirklichen.

Die Abmessungen der Detektorelemente sind bestimmend für die Winkelauflösung. Wenn die Elemente quadratisch sind und eine Kantenlänge c haben, so ist die Grenzfrequenz entsprechend dem ersten Nulldurchgang der Funktion sin C gleich 1/c im räumlichen Frequenzgebiet. Wenn die Teilung oder Schrittweite der Elemente gleich kc ist (k ist so ge­ wählt daß 2k ganzzahlig und größer als 1 ist) legt ihre Verteilung längs der Zeile die räumliche Abtastfrequenz fest. Damit die Maximalfrequenz des Spektrums der Abtast­ funktion mit dieser Frequenz 1/c zusammenfällt, muß die Teilung der Detekoren gleich c/2 sein. Diesen Wert erhält man durch Verteilung der an der Abtastung einer Zeile be­ teiligten Detektoren auf 2k waagerechte Spalten, die ge­ geneinander um ein halbes Element verschoben sind. Diese Anordnung ermöglicht es auch, eine große Anzahl von Detek­ toren auf einer sehr kleinen Länge unterzubringen.

Der Bilddetektor der thermischen Kamera mit vertikaler Abtastung ist ein gerader Streifen von 12,8 mm Länge, der zwei verschiedene Ausführungen haben kann:

Eine erste Ausführung mit der Geometrie G ₁, die in Fig. 2 dargestellt ist, umfaßt vier Zeilen (L ₁ . . . L ₄) aus Detektorelementen (k=2). Wenn die Detektorelemente quadratisch sind und eine Kantenlänge von c=25 µm haben, sind die Zeilen gegeneinander in Zeilenrichtung um 12,5 µm verschoben. Die Ausgangsverbindungen dieser Detektor­ elemente liegen beidseits der vier Zeilen und sind mit vier Ladungsübertragungsschaltungen (Q ₁ . . . Q ₄) verbunden. Bei einem Teilungsschritt von Element zu Element innerhalb einer Zeile von 50 µm benötigt man 256 Elemente je Zeile für die gegebene Länge von 12,8 mm, also eine Gesamt­ anzahl von 1024 Detektorelementen. Diese Anordnung ist mit den Technologien kompatibel, nach denen die Elemente vorderseitig beleuchtet werden und die Verbindungen von den Elementen zu den Ladungsübertragungsschaltungen durch beidseits der Detektorelemente angeordnete Leiterbahnen hergestellt werden. Die Detektorelemente bestehen entweder aus massivem Material oder sind nach dem Dünnschichtver­ fahren erzeugt.

Eine zweiter Ausführung der Geometrie G ₂, die mit den gleichen Technologien kompatibel ist, entspricht einer Vergrößerung der Anzahl der Elemente durch Verminderung deren Größe: Die Gesamtzahl der Elemente liegt dann bei 1448 (362 Elemente je Zeile), wobei jedes Element Abmessungen von 17,7 mal 17,7 µm² bei der gleichen Zeilen­ länge (12,8 mm) hat.

Der Detektor mit der Geometrie G ₂ analysiert das Gesichtsfeld in Form von vier Punktsystemen, die horizontal um ein Viertel der Periode einer der Zeilen und vertikal um eine Zeit t, die mit dem Abstand zwischen den Zeilen verknüpft ist, gegeneinander verschoben sind. Damit die vier Punktsysteme auf dieselbe Horizontale fallen, müssen die von der Zeile L ₄ abgegebenen Signale um den gleichen zeitlichen Betrag in der Verzögerungs­ leitung t ₃ verzögert und sodann in dem Multiplexer µ₃ in diejenigen der Zeile L ₃ eingeschoben und nachfolgend in der gleichen Weise weiterverarbeitet werden bis zur Zeile L ₁. Die mit jeder Zeile zu 256 oder 362 Elementen verbundenen Ladungsübertragungsschaltungen übertragen die Signale zu den Verzögerungs- und Multiplexier­ schaltungen. Die Gesamtheit der multiplexierten Signale erscheint dann am Ausgangsanschluß S.

Die dritte Ausführung ist eine Extrapolation der vorher­ gehenden Ausführung auf zwei Dimensionen. Sie besteht aus einer achtfachen Wiederholung der gleichen Anordnung von 1448 Elementen in vier Zeilen, woraus sich eine Gesamtanzahl von 11584 Elementen ergibt. Die ent­ sprechenden Elemente der acht Grundmuster sind über Ladungsübertragungsschaltungen verbunden, die die Verzögerung und die Summierung vornehmen. Dies ermöglicht es, bei gleicher Detektivität die Gesamtempfindlichkeit um den Faktor √ zu verbessern.

Fig. 3 veranschaulicht einen Detektor der Geometrie G ₁, der zwei Zeilen L ₁ und L ₂ aus Detektorelementen umfaßt (k=1). Mit Elementen von 25 mal 25 µm² ist der Teilungs­ schritt zwischen den Elementen der gleichen Zeile etwa gleich 25 µm. Die Elemente grenzen mithin aneinander. Die Zeilen L ₁ und L ₂ sind gegeneinander um 12,5 µm verschoben. Für eine Detektorlänge von 12,8 mm benötigt man je Zeile 512 Elemente, insgesamt also 1024 Elemente.

Die Arbeitsweise dieses Detektors ist identisch mit der­ :hjenigen des Detektors der Geometrie G ₂, der vorstehend beschrieben wurde.

Die spektrale Empfindlichkeit der in dieser Weise ausge­ legten Detektoren liegt beispielsweise bei Verwendung von CdHgTe zwischen 7,5 µm und 10,5 µm. Die Verwendung in einem anderen Infrarot-Spektralband oder auch über die gesamte Breite des Infrarotspektrums ist entsprechend der Art des Detektormaterials ebenfalls möglich.

Der gesamte Bilddetektor wird in einem Dewargefäß mittels einer Kältemaschine mit einer Nennleistung von 0,5 W oder 1 W auf 80°K gekühlt. Die Auslegung der Brennebene und des Dewargefäßes sollte so erfolgen, daß die erforderliche Kälteleistung möglichst gering ist.

Je nach dem verwendeten Fernsehstandard sind die Integrationszeiten und die Taktfrequenzen unterschiedlich. Beispielhaft werden folgende Werte angegeben:

Die zwei oder vier Ladungsübertragungsschaltungen, die die Ladungen nach außen übertragen, werden durch Taktgeber gleicher Frequenz jedoch unterschiedlicher, vom Benutzer einstellbarer Phasenlage gesteuert.

Die verschiedenen Ladungsübertragungsschaltungen und Speicherschaltungen arbeiten mit denselben Gleichspannun­ gen für die Vorspannung und die Steuerung.

Claims (6)

1. Thermische Kamera mit einem Analysator und einem davor angeordneten Objektiv oder einem Afokal­ system mit einem oder mehreren Feldern, wobei der Analysator ein optomechanisches Abtastsystem umfaßt, das das Bild des Gesichtsfeldes über ein Detektormosaik verschiebt, dadurch gekennzeichnet, daß das Mosaik (D) geringer Länge aus mehreren parallelen Zeilen (L ₁ . . . L ₄) von Detektorelementen besteht, die derart angeordnet sind, daß eine räumliche Abtastung ohne Auflösungsverlust erzielt wird, daß die Zeilen Ladungsübertragungs- oder CCD-Schaltungen zugeordnet sind, um die Analyse des Gesichtsfeldes in Zeilenrichtung durch Über­ tragung von in den Detektorelementen erzeugten Ladungen durchzuführen, daß die optomechanische Abtastung nur in einer räumlichen Richtung, recht­ winklig zur Zeilenrichtung, mittels beispiels­ weise einem Planspiegel (M) durchgeführt wird, der in einer linearen Bewegung mit raschem Rück­ lauf entsprechend der Abtastung eines Rasters schwingt und daß die Multiplexierung der Ladungen am Ausgang jeder Ladungsübertragungsschaltung ein serielles Videosignal liefert.

2. Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von jeder Ladungs­ übertragungsschaltung (Q ₁ . . . Q ₄) gelieferten und einer Detektorelementenzeile entsprechenden Signale in bezug auf die der folgenden Zeile entsprechenden Signale um das Zeitintervall zwischen diesen Zeilen verzögert werden, damit diese unterschiedlichen Signale ein und dergleichen Zeile des Gesichtsfeldes entsprechen.

3. Kamera nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorgegebener Form der Detektorelemente die räumliche Abtastung ohne Auflösungsverlust dadurch erhalten wird, daß die Längsverschiebung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeilen nach dem Nyquisttheorem festgelegt und die Schrittweite oder Teilung von Element zu Element innerhalb einer Zeile in Abhängigkeit von der Anzahl der Zeilen bestimmt wird, wobei jede Zeile die gleiche, von der Länge des Mosaiks (D) bestimmte Anzahl von Elementen umfaßt.

4. Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente aus einem für Infrarotstrahlung in einem gegebenen Spektralband empfindlichen Material bestehen.

5. Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Extrapolation des Detektormosaiks (D) auf zwei Dimensionen durch Überlagerung von n übereinstimmenden Mosaiken erhalten wird, deren seitliche Anschlüsse mit einer Ladungsübertragungsschaltung verbunden sind, die in sich die Funktionen der Verzögerung und der Summierung der übertragenen Ladungen vereinigt.

6. Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Detektor­ elemente unabhängig von der Fernsehnorm ist und daß der Übergang von einer Norm auf eine andere durch Änderungen der Geräteeinstellungen möglich ist.