DE3700243A1 - Verfahren zur elektronischen erzeugung einer thermischen abbildung sowie einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektronischen Er­ zeugung einer thermischen Abbildung eines Objektes auf einem Monitor, wobei man mittels eines Infrarotobjektives ein Tem­ peraturbild des Objektes auf einer auf zeitliche Tempertur­ änderungen ansprechende Signalelektrode einer Kameraröhre ab­ bildet, und in der letzteren ein Elektronenstrahl die nach dem pyroelektrischen Effekt wirkende Signalelektrode zeilen­ und bild- bzw. halbbildweise abtastet.

Es ist bekannt, eine thermische Abbildung elektronisch mit­ tels auf dem pyroelektrischen Effekt beruhenden Kameraröhren zu erzeugen. Derartige Anlagen weisen gegenüber FLIR- (For­ ward Looking InfraRed) -Anlagen den Vorteil auf, keine ge­ kühlten Detektorelemente und keine oder nur eine einfache Mechanik zu benötigen.

Da der pyroelektrische Effekt nur auf Temperaturänderungen anspricht, muss zur Erzeugung einer Modulation der Wärme­ strahlung ein Wärmeflussmodulator benutzt werden. Dafür wird bisher ein zahnradscheibenähnlicher Modulator unmittelbar vor der Signalelektrode benutzt. Um einen ruhigen Bildein­ druck zu erzeugen, ist es auch bekannt, die Zahnradscheibe mit der Vertikalablenkung zu synchronisieren. Dabei wird die Umdrehungsgeschwindigkeit der Zahnradscheibe vorteilhaft so gewählt, dass die Zahnflanke sich zudem mindestens angenä­ hert im Gleichschritt mit der Vertikalablenkung des Elektro­ nenstrahls bewegt.

Derartige Anlagen erzeugen einen ungleichmässigen Bildein­ druck und einen erheblichen, zum Teil feststehenden Störhin­ tergrund. Es ist deswegen schon vorgeschlagen worden, das Bildsignal, das bei öffnendem und das Bildsignal, das bei schliessendem Modulator entsteht, zu Speichern, und die so entstehenden, entgegengesetzt polarisierten Bildsignale zu addieren und erst das so entstehende Differenzsignal dem Monitor zuzuführen. Man kann so ein sehr gutes Bild erzeu­ gen, muss aber dafür sorgen, dass die Bildmodulation nicht nur synchron, sondern auch parallel mit der elektronischen Bildabtastung läuft. Dies bedeutet in der Praxis eine sehr grosse Zahnradscheibe als Wärmeflussmodulator. Da die Tempe­ raturauflösung einer derartigen Anlage für viele Fälle zu wünschen übrig lässt, ist es auch bekannt, die Zeit für die Vertikalabtastung von 20 auf 40 Millisekunden zu erhöhen. Ein derartiges Bildsignal ist dann aber nicht mehr TV-kompa­ tibel.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens sowie einer Einrichtung, welche die vorgenannten Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genann­ ten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass man den vom Objekt zur Signalelektrode der Kameraröhre verlaufenden Wärmefluss mittels eines Wärmeflussmodulators, der während der Bild- bzw. Halbbildabtastungen zweimal zusammenhängende Modulatorbereiche überstreicht, derart periodisch steuert, dass während eines ersten einer Bild- bzw. Halbbildabtastung entsprechenden Zeitintervalles der Wärmefluss des Objektes auf der Signalelektrode zur Wirkung kommt, und man die Sig­ nalinformation dieser Abtastung in einem ersten Bild- bzw. Halbbildspeicher speichert, dass das während eines anschlies­ senden zweiten, einer Bild- bzw. Halbbildabtastung entspre­ chenden Zeitintervalles erhaltene Abtastsignal nicht weiter verwendet wird, dass man während eines anschliessenden drit­ ten, einer Bild- bzw. Halbbildabtastung entsprechenden zeit­ intervalles während dem nur der Wärmefluss des Modulators auf der Signalelektrode zur Wirkung kommt, die Signalinfor­ mation dieser Abtastung in einem zweiten Bild- bzw. Halbbild­ speicher speichert, dass das während eines anschliessenden vierten, einer Bild- bzw. Halbbildabtastung entsprechenden Zeitintervalles erhaltene Abtastsignal nicht weiter verwen­ det wird, und dass man weiter die Differenz der beiden ge­ speicherten Signalfolgen bildet und zur Abbildung auf einem Monitor verwendet.

Da die üblicherweise interessierenden Bildobjekte zumeist eine gegenüber dem Wärmeflussmodulator erheblich höhere Temperatur aufweisen, ist es zur Vermeidung von Temperatur­ verschiebung der Signalelektrode vorteilhaft, wenn die Zeit während welcher ausschliesslich der Wärmefluss des Objektes auf der Signalelektrode zur Wirkung gebracht wird, kleiner, vorzugsweise mindestens zweimal kleiner ist als die Zeit, während welcher nur der Wärmefluss des Modulators auf der Signalelektrode zur Wirkung gebracht wird.

Damit eine Kamera ohne irgend einen mechanisch beweglichen Teil ausgebildet werden kann, ist es zweckmässig, wenn der Wärmeflussmodulator innerhalb des abbildenden Objektivs angeordnet ist.

Eine speziell kleine Anordnung kann erreicht werden, wenn der Wärmeflussmodulator als rotierender Wärmeflussunterbre­ cher ausgebildet ist, wobei die Rotations­ achse senkrecht zur optischen Achse verläuft, und der Quer­ chnitt des Wärmeflussunterbrechers in einer die Rotations­ achse beinhaltenden Ebene betrachtet ein mindestens annä­ hernd U-förmiges Profil aufweist, dessen Seitenschenkel einen Schnitt durch je eine Unterbrecherfläche darstellen.

Zweckmässige Weiterausgestaltungen der erfindungsgemässen Einrichtung sind Gegenstand der Ansprüche 5 bis 8.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welche da­ durch gekennzeichnet ist, dass der Wärmefluss-Modulator aus Flüssigkristallelementen besteht. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Wärmeflussmodulator mit der bild- bzw. halbbild­ weisen Abtastung synchronisiert ist.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung bei­ spielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens;

Fig. 2 die Wirkung des Wärmeflussmodulators der in Fig.1 dargestellten Einrichtung auf den Wärmefluss;

Fig. 3 die Wirkungsweise des Wärmeflussmodulators der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung auf die Signalelek­ trodentemperatur,;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine beispielsweise Anord­ nung eines Wärmeflussmodulators; und

Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie V-V in Fig. 4.

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur thermischen Abbildung eines Objektes 1 auf einem Monitor 2.

Dazu wird eine Abbildung des Objektes 1 mittels eines Ob­ jektives 3, das im Wellenlängenbereich zwischen 8 und 14 µm arbeitet, auf der Signalelektrode 4 einer Kameraröhre 5 ab­ gebildet.

Der Wärmefluss jedes Bildelementes des Objektes 1 auf das entsprechende Bildelement der Abbildung auf der Signalelek­ trode 4 wird durch eine rotierende Sektorscheibe 6 perio­ disch unterbrochen und freigegeben.

Da die Signalelektrode 4 aus pyroelektrisch empfindlichem Material besteht, und auf der dem Objekt 1 zugewandten Seite mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist, kann die pyroelektrisch entstehende Ladung mittels einer Elektro­ nenstrahlabtastung 7 in einen Signalstrom, der im Verstärker 8 in ein Bildsignal umgewandelt wird, transformiert werden.

Da die Signalelektrode 4 hochisolierend ist, muss sie zur Wiedergabe sowohl wärmerer als auch kälterer Objektteile mit einer Grundladung versehen werden. Zu ihrer Erzeugung wird die Kathode 9 des Elektronenstrahlsystems während des Zeilen­ rücklaufs auf negative Werte abgesenkt. Die Elektronen der dann entstehenden Elektronenstrahlen weisen eine so hohe Ge­ schwindigkeit auf, dass Sekundärelektronen entstehen, und eine Sockelspannung U _o des Bildsignals U(t) erzeugt wird.

Der Wärmeflussmodulator 6 wird mittels des Motors 10 und der Schaltung 11 und dem Positionssensor 12 phasenstarr mit der Vertikalablenkung V synchronisiert.

Da der Wärmeflussmodulator 6 eine Umdrehung während der Zeit von vier Vertikalabtastungen ausführt, entsteht an der Stel­ le 13 ein Bildsignal U(t).

Das Bildignal U(t) wird mittels des Schalters 14 ebenfalls synchron mit der Vertikalablenkung abwechselnd während der Abtastintervalle P 1 und P 3 in die Speicher 15 und 16 einge­ lesen. Die beiden letzteren geben die eingeschriebenen Bild­ signale U(P 1) und U(P 2) direkt und dreimal wiederholt an die Differenzschaltung 17 ab, die ihrerseits das Differenzsignal U(P 1) - U(P 2), das die Sockelspannung U _o nicht mehr enthält, an den Monitor 2 zur Bildwiedergabe abgibt.

Dieses Differenzsignal U(P 1) - U(P 2) weist eine gegenüber den Einzelsignalen U(P 1) und U(P 2) vergrösserte Amplitude auf. Selbst eine Verminderung würde aber mehr als kompen­ siert durch die sehr viel stärker wirkende Eliminierung der Sockelspannung und des stehenden Bildrauschens.

Fig. 2 zeigt punktiert die Wirkung eines bisher üblichen Wär­ meflussmodulators und ausgezogen die Wirkung des erfindungs­ gemäss verwendeten Modulators auf den Wärmefluss der die Signalelektrode 4 in Fig. 1 erreicht.

Während der bisherige Wärmeflussmodulator einen in der Zeit symmetrischen Wärmefluss erzeugt, bewirkt der erfindungsge­ mäss wirkende Modulator 6 eine nur kurzzeitige Einwirkung des Wärmeflusses des Objektes 1, und ein Verhältnis dazu viel längere Einwirkung des vom Modulator 6 ausgehenden Wär­ meflusses.

Fig. 3 zeigt im zeitlich gleichen Massstab wie in Fig. 2 ge­ strichelt die Wirkung eines bisher verwendeten Modulators und ausgezogen die Wirkung eines erfindungsgemäss arbeiten­ den Modulators 6.

Der bisher verwendete Modulator, der 20°C warm sein möge, bewirkt für einen 40°C warmen Objektpunkt einen Temperatur­ verlauf des entsprechenden Bildpunktes auf der Signalelektro­ de 4 gemäss dem Kurvenverlauf A-B-C-D-E-F.

Der erfindungsgemäss wirkende Modulator 6 hingegen bewirkt einen deutlich stärker modulierten Temperaturverlauf A-G-H-I für einen gleich warmen Objektpunkt.

Da der pyroelektrische Effekt mit der Temperatur zunimmt, wird daher mittels des erfindungsgemässen Verfahrens eine erheblich grössere Empfindlichkeit einer derart arbeitenden Kamera, als dies bisher möglich war, erreicht.

Fig. 4 zeigt eine innerhalb des Objektiv 3′, 3′′, 3′′′ angeord­ nete Ausführungsform eines Modulators 6′.

Der Modulator 6′ ist dabei zur Erhöhung der mechanischen Steifigkeit als doppeltgekrümmte Fläche, vorzugsweise wie aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich, als Ausschnitt eines Kugelmantels ausgebildet, welcher um die Rotationsachse 18 gedreht wird.

Claims (10)

1. Verfahren zur elektronischen Erzeugung einer thermischen Abbildung eines Objektes auf einem Monitor, wobei man mittels eines Infrarotobjektives ein Temperaturbild des Objektes auf einer auf zeitliche Temperaturänderungen an­ sprechende Signalelektrode einer Kameraröhre abbildet, und in der letzteren ein Elektronenstrahl die nach dem pyroelektrischen Effekt wirkende Signalelektrode zeilen- und bild- bzw. halbbildweise abtastet, dadurch gekenn­ zeichnet, dass man den vom Objekt zur Signalelektrode der Kameraröhre verlaufenden Wärmefluss mittels eines Wärmeflussmodulators, der während der Bild- bzw. Halb­ bildabtastungen zwei je zusammenhängende Modularbereiche überstreicht, derart periodisch steuert, dass während eines ersten einer Bild- bzw. Halbbildabtastung entspre­ chenden Zeitintervalles der Wärmefluss des Objektes auf der Signalelektrode zur Wirkung kommt, und man die Sig­ nalinformation dieser Abtastung in einem ersten Bild­ bzw. Halbbildspeicher speichert, dass das während eines anschliessenden zweiten, einer Bild- bzw. Halbbildab­ tastung entsprechenden Zeitintervalles erhaltene Abtast­ signal nicht weiter verwendet wird, dass man während eines anschliessenden dritten, einer Bild- bzw. Halbbild­ abtastung entsprechenden Zeitintervalles während dem nur der Wärmefluss des Modulators auf der Signalelektrode zur Wirkung kommt, die Signalinformation dieser Abta­ stung in einem zweiten Bild- bzw. Halbbildspeicher spei­ chert, dass das während eines anschliessenden vierten, einer Bild- bzw. Halbbildabtastung entsprechenden Zeitin­ tervalles erhaltene Abtastsignal nicht weiter verwendet wird, und dass man weiter die Differenz der beiden ge­ speicherten Signalfolgen bildet und zur Abbildung auf einem Monitor verwendet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit, während welcher ausschliesslich der Wärmefluss des Objektes auf der Signalelektrode zur Wirkung ge­ bracht wird, kleiner, vorzugsweise mindestens zweimal kleiner ist als die Zeit, während welcher nur der Wärme­ fluss des Modulators auf der Signalelektrode zur Wirkung gebracht wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmefluss­ modulator innerhalb des abbildenden Objektivs angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeflussmodulator als rotierender Wärmefluss­ unterbrecher ausgebildet ist, wobei die Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse verläuft, und der Quer­ schnitt des Wärmeflussunterbrechers in einer die Rota­ tionsachse beinhaltenden Ebene betrachtet ein mindestens annähernd U-förmiges Profil aufweist, dessen Seitenschen­ kel einen Schnitt durch je eine Unterbrecherfläche dar­ stellen.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Unterbrecherflächen mindestens annähernd pa­ rallel zueinander und zur Rotationsachse verlaufen.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Unterbrecherflächen längs einer Zylin­ dermantelfläche verlaufen.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Unterbrecherflächen kalottenförmig aus­ gebildet sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeflussmodulator mit der bild- bzw. halbbildweisen Abtastung synchronisiert ist.

9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmefluss- Modulator aus Flüssigkristallelementen besteht.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeflussmodulator mit der bild- bzw. halbbild­ weisen Abtastung synchronisiert ist.