DE3853684T2

DE3853684T2 - Bildanordnung mit millimeter-wellen.

Info

Publication number: DE3853684T2
Application number: DE3853684T
Authority: DE
Inventors: Naresh Deo; Paul Goldsmith; G Huguenin; David Walker
Original assignee: Millitech Corp
Current assignee: Millitech Corp
Priority date: 1987-11-06
Filing date: 1988-11-04
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2008-11-05
Also published as: EP0386152A1; EP0386152B1; JPH03501055A; CA1325258C; JP2788519B2; US4910523A; EP0386152A4; DE3853684D1; ATE121848T1; WO1989004496A1

Description

Anwendungsbereich der Erfindung

Diese Erfindung betrifft Gerät und Verfahren zur Erfassung von von Objekten in einem Sichtfeld reflektierter oder emittierter Millimeterwellen- Strahlung sowie zur Erzeugung von darauf ansprechenden Signalen und Bildern.

Hintergrund der Erfindung

Die Erzeugung von Bilder und anderen nützlichen Signalen, die auf erfaßte, von Objekten in einem Sichtfeld reflektierte oder emittierte Millimeterwellen (Strahlung mit Wellenlängen im ungefähren Bereich von 1 cm bis 1 mm, d.h. mit einer Frequenz zwichen ca. 30 und 300 GHz) ansprechen, wird in vielen Anwendungen gewünscht. Der Grund hierfür ist vor allem, weil Millimeterwellen nicht komplett durch Luftfeuchtigkeit abgeschwächt werden wie dies z.B. bei sichtbarer Strahlung sowie Infrarot-Strahlung der Fall ist. Die Tatsache, beispielsweise, daß sichtbares Licht durch Nebel sehr gründlich abgeschwächt wird, hält Luftfahrzeuge derzeit davon ab, bei Nebel zu landen und zu starten, was für die Reisenden sehr lästig ist. Millimeterwellen durchdringen ebenso andere widrige Umweltverhältnisse wie z.B. Rauch, Chemiegaswolken, Staubwolken und dergleichen, wo die Partikel eine Größe von weniger als einen Millimeter aufweisen.
Ein weiterer Vorteil von Millimterwellen, insbesondere in bezug auf Mikrowellen, ist der, daß viele der Bauteile, vor allem Antennen, sehr viel kleiner ausgeführt werden können wegen der kürzeren Wellenlänge der Strahlung. Dementsprechend wäre es wünschenswert, Millimeterwellen in verschiedenen Anwendungen zu nutzen, wo kleinere Antennen benötigt werden, z.B. in Luftfahrzeug-Anwendungen oder anderen Fahrzeug-, Schiffs - oder Raumfahrtanwendungen. Millimeterwellen sind außerdem ausreichend kurz, um Bilder erzeugen zu können, was im allgemeinen bei Verwendung von Mikrowellen oder Funkwellen nicht möglich.
Er gibt verschiedene Gründe, warum praktische Millimeterwellen- Bilderzeugungssysteme derzeit noch nicht erhältlich sind. Ein Grund ist der, daß man dachte, die Erzeugung eines Bildes mit Hilfe eines Millimeterwellen- Sensors entweder eine mechanische oder eine elektronische Abtastung des Sensors in bezug auf das Sichtfeld erfordern würde Mechanische Abtastvorrichtungen, in denen ein Sensor physikalisch durch einen ein Sichtfeld definierenden Bereich von Seitenwinkeln, Höhenwinkeln oder beidem bewegt wird, sind komplex und unterliegen Störungen. Auch die elektronische Abtastung ist komplex und erfordert bei Millimeterwellen-Frequenzen den Einsatz von elektronischen Phasenverschiebungs- oder Schaltungsverfahren, deren Implementation relativ kompliziert ist.
Genauer gesagt implizieren die zur Zeit angebotenen elektronischen Abtastsysteme in der Aperturebene Felder von Strahlungsquellen, die Strahlung emittieren, die sich in der Phase von einem Emitter zum anderen ändert. Solche "phasengesteuerten" System sind beschrieben in Introduction to Radar Systems, Skolnik (1980), insbesondere in Kapitel 8, S. 278-342. Ganz allgemein gesprochen, das von jeder der Quellen ausgegebene Signal geht in eine jeweils andere Richtung nach draußen; ein einziges Detektorelement erfaßt Strahlung, die von irgend welchen Objekten in dem sichtfeld reflektiert wird, und die Phase der erfaßten Strahlung wird zur Bestimmung des Seitenwinkels und Höhenwinkels der reflektierenden Gegenstände herangezogen.
Solche phasengesteuerten System sind von ihrer Art her komplex; die Komplexität würde durch die in Millimeterwellen-Systemen inhärenten hohen Frequenzen nur verstärkt.
Ein herkömmliches Verfahren zur Reduzierung der Frequenz eines Empfangssignals auf ein niedrigere Frequenz aus Gründen der bequemeren Signalverarbeitung besteht darin, das Empfangssignal mit dem Signal eines lokalen Oszillators von im allgemeinen gleicher Frequenz zu mischen. Wie man weiß, führt dieses "Mischen" zu Summen- und Differenzsignalen. Skolnik erörtert beispielsweise auf Seite 82, daß eine Diode oder eein anderes nichtlineares Element in einem Radarsystem eingesetzt werden kann, um ein Echosignal mit einem Teil des Transmittersignals zu überlagern, was ein Differenzsignal oder "Interferenzsignal" hervorbringt. Das Differenzsignal wird in der Frequenz reduziert, so daß eine Verarbeitung mittels eher konventionellen elektronischen Schaltungen und Verfahren möglich ist. Normalerweise jedoch muß ein Millimeterwellen-Signal eines lokalen Oszillators mit dem Empfangssignal unter Einsatz von Wellenleiter- oder Übertragungsleitungstechnik kombiniert werden; wenn auch nicht unmöglich, so hat diese Anforderung Millimeterwellen-Empfänger auf ein einzelnes Bilderzeugungselement beschränkt, was daher entweder mechanisch oder elektronisch wie oben beschrieben abgetastet werden muß, um ein Videobild eines abzubildenden Gegenstandes zu erzeugen. Wie bereits erwähnt, bringt jedes der beiden Abtastverfahren für ein Bilderzeugungssystem eine enorme Komplexität mit sich. Desweiteren wäre es attraktiv, ein System zu anzubieten, in dem Millimeterwellen-Energie von einem Emitter auf ein Sichtfeld abgegeben wird, um dieses zu beleuchten. Es ist derzeit schwierig, einen ausreichend starken Oszillator zu bauen, um ein entsprechend starkes Empfangssignal zu liefern, da heutige Halbleiter-Millimeterwellen-Quellen wie Gunn-Dioden-Oszillatoren und dergleichen in ihrer Millimeterwellen- Leistungsabgabe beschränkt sind.
Referenzunterlagen sind bekannt, die andeuten, daß Antennenfeldelemente der Brennpunktebene, die auf Millimeterwellen-Strahlung anprechen, hergestellt werden können. Siehe Gillespie u.a., "Array Detectors for Millimeter Line Astronomy", Astron. Astrophys. 73, S. 14-18 (1979). Diese Unterlage zeigt ein Feld von zusammengeschalteten Elementen zur Erfassung von Millimterwellen-Strahlung, in das ein lokales Oszillatorsignal von einem zentralen Speisebereich eines Primärspiegels eins Cassegrain-Teleskops eingespeist wird. Wie von Gillespie u.a. bestätigt, würde dies zu ernsten Schwierigkeiten mit der Gleichförmigkeit des lokalen Oszillatorsignals über dem Felde führen.
Andere Referenzunterlagen stellen Systeme vor, die multiple Aufnehmer in einem Brennpunktebenen-Feld beinhalten, die getrennt auf das abschließende Bild abgebildet werden. Siehe z.B. Yngvesson u.a., "Millimeter Wave Imaging System With An Endfire Receptor Array", 10th International Conference on Infrared and Millimeter Waves (1085). Andere Referenzen vergleichbaren Inhalts sind ebenso bekannt. Diese Unterlage schlägt ein 5 x 5, 25-Elemente umfassendes Brennpunktebenen-Feld vor, in dem jedes Element eine Diode umfaßt, die über in Abständen angeordneten Antennenelementen zur Gleichrichtung von empfangener Millimeterwellen-Energie und zur Überlagerungssignalerfassung zusammengeschaltet sind. Yngvesson u.a. zeigt Schlitze, die sich quer zu den Schlitzen zwischen den mit Zwischenraum angeordneten Antennenelementen eines jeden Elements des Feldes für Tiefpaß- Filterungszwecke erstrecken. Die Unterlage von Yngvesson u.a. lehrt jedoch nur Cassegrain und andere Reflektorteleskop-Auslegungen, in denen das lokale Oszillatorsignal durch eine Apertur in dem Reflektor "eingepreßt" wird. Solche Anordungen würden dieselben Schwierigkeiten in bezug auf die Gleichförmigkeit der Beleuchtung implizieren wie in der Unterlage von Gillespie u.a. (Ref. siehe oben). Darüber hinaus sind die Cassegrain-Teleskop-Anordnungen für viele gewünschten Anwendungen der Millimeterwellen-Detektionstechnologie nicht optimal; sie sind sperrig, kompliziert in der Herstellung und reagieren empfindlich auf inkorrekte körperliche Handhabung. Für dieses Fachgebiet besteht daher eindeutig Bedarf an einer kompakteren, robusteren und weniger komplexen Auslegung.
US-Patent Nr. 4.164.740 stellt ein System vor, das ein kohärentes oder stabiles lokales Oszillatorsignal und einen Sensor einsetzt, der eine Vielzahl von einzelnen Photoelementen beinhaltet. Dieses System erfordert es, daß die Photoelemente sequentiell abgestatet werden, und es besteht daher keine Notwendigkeit, gleichzeitig ein Feldelement mit einem lokalen Oszillatorsignal mit im wesentlichen gleichbleibender Amplitude zu beleuchten. Die US-Patente Nr. 3.746 454 und 4.611.912 beschreiben Bilderzeugungssysteme, die mit optimalen Frequenzen arbeiten, wobei letzteres eine Gruppe von Bilddetektoren einzetzt. Keines dieser beiden optischen Systeme eignet sich zum Aufbau von Millimeterwellen-Bilderzeugungssystemen, die Felder von Detektoren einzetzen, die Gleichförmkeit des lokalen Oszillatorsignals über dem Feld erfordern.
Entsprechend einem erstem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Millimeterwellen-Bilderzeugungsgerät vorgestellt, das ein abbildendes Feld von Millimeterwellen-Aufnahmern, die entlang eienr Sichtlinie bezogen auf ein Sichtfeld ausgerichtet sind, eine Einrichtung zur Fokussierung von von Objekten in dem Sichtfeld emittierter oder reflektierter Millimeterwellen- Strahlung auf das abbildende Feld sowie eine Einrichtung zur Beleuchtung der Aufnahemer eins jeden abbildenden Feldes mit einem Millimeterwellen-Signal eines lokalen Oszillators umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Aufnahmer des abbildenden Feldes das Millimeterwellen-Signal eines lokalen Oszillators mit der gebündelten Strahlung von einem speziellen Ausschnitt des Sichtfeldes erfaßt und mischt und ein Ausgangssignal liefert, das besagtem Ausschnitt des Sichtfeldes entspricht, wobei dieses Gerät dadurch gekennzeichnet ist, daß die Beleuchtungseinrichtung ein Feld von lokalen- Millimeterwellen-Signalquellen eines lokalen Oszillators umfaßt, das für eine Beleuchtung mit einer im wesentlichen gleichbleibenden Amplitude über dem abbildenden Feld sorgt.
Entsprechend einem zweiten Aspekt dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Abbildes eines Sichtfeldes vorgestellt, die nachgenannten Verfahrensschritte umfassend: Fokussieren der von Objekten in dem Sichtfeld reflektierter oder emittierter Strahlung auf ein abbildendes Feld von abbildenden Elementen, die gegenüber Millimeterwellen-Strahlung empfindlich sind, wodurch eine Sichtlinie definiert wird, die sich zwischen dem Sichtfeld un dem Feld ersteckt, und gleichzeitiges Beleuchten der abbildenden Elemente des abbildenden Feldes mit einem Millimeterwellen- Signal eins lokalen Oszillators; einzelnes Mischen des gebündelten Strahlung mit dem Millimeterwellen-Signal eines lokalen Oszillators in den Elementen des abbildenden Feldes; Erfassen der aus dem Schritt des Mischens resultierenden Signale; und Nutzen der erfaßten Signale zum Aufbau einens Bildes, in dem einzelne Bildelemente des Abbildes dem Signal entsprechen, das von den einzelnen abbildenden Elementen des abbildenden Feldes erfaßt worden sind; gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Erzeugens des Millimeterwellen-signals eins lokalen Oszillators durch eine Gruppe von Quellen für das Millimeterwellen-signal eines lokalen Oszillators, so daß die Beleuchtung des Feldes im wesentlichen eine gleichbleibende Amplitude aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

In einer ersten Verkörperung dieser Erfindung wird Energie von einer lokalen Oszillatorquelle bestehend aus einer Vielzahl von Millimeterwellen- Energie emittierenden Gunn-Dioden oder anderen Oszillatoren auf ein Polarisationsgitter oder eine frequenz-selektive Sende-/Reflexionsfläche in der Sichtlinie zwischen einem aus zahlreichen Elementen aufgebauten Misch-/Detektor-Feld und dem Sichtfeld gelenkt. Die Sichtlinie muß nicht kollinear sein. Von Objekten im Sichtfeld emittierte oder reflektierte Millimeterwellen- Strahlung passiert eine Linse, ein optionales Hochpaß-Filter sowie die Sende-/Reflexionsfäche und wird von jedem der Misch-/Detektorelemente des Feldes mit dem lokalen Oszillatorsignal kombiniert. Auf dies Weise sind keine Wellenleiter- oder andere komplizierte Übertragungleitungstechnologien erforderlich, um das lokalen Oszillatorsignal und das Signal von dem Sichtfeld zu kombinieren. Die Mischelemente können jeweils eine Schottky-Diode oder ein anderes nichtlineares Bauelement beinhalten, das direkt durch planare Leiter gebildet wird, die die Antennenelemente eines jeden Misch-/Detektorelements des Feldes enthalten. Nach dem Mischen in den nichtlinearen Bauelementen kann das Differenzsignal - jetzt mit einer Zwischenfrequenz - auf herkömmliche Weise verarbeitet werden, d.h. z.B. verstärkt oder genutzt werden, um ein sichtbares Abbild des Sichtfeldes zu liefern.
In einer zweiten bevorzugten Verkörperung dieser Erfindung wird das Oszillatorsignal auch genutzt, um das Sichtfeld mit Millimeterwellen-Strahlung zu beleuchten. In diesem Falle wird von der Quelle abgegebene linear polarisierte Millimeterwellen-Energie durch ein Polarisationsgitter in einen größeren und und einen kleineren Anteil aufgeteilt. Der größere Anteil wird von dem Gitter durch die Linse und ein vorzugsweise Viertelwellenlängenplättchen in Richtung Sichtfled reflektiert und ergibt so einen Beleuchtungsstrahl, der auf Objekte in dem Sichtfeld fällt. Der verbleibende Anteil des Oszillatorsignals passiert das Polarisationsgitter und wird von einem Drehreflektor mit richtiger Polarisation zurück auf das Polarisationsgitter geworfen, so daß es in Richtung Misch-/Detektor-Feld reflektiert und zu einem lokalen Oszillatorsignal wird. Wenn der Beleuchtungsstrahl von den Objekten in dem Sichtfeld reflektiert wird, dann durchwandert er erneut die Linse, das Viertelwellenlängenplättchen und das Polarisationsgitter und fällt auf das Feld aus Misch-/Detektorelementen, wo es mit dem lokalen Oszillatorsignal kombiniert wird. Die Differenzfrequenzsignale von jedem Element des Feldes können zum Aufbau eines Bildes genutzt werden.
Die Ausgangssignale des Feldes können auch für Zwecke genutzt werden, die nicht direkt den Aufbau eines Bildes implizieren. So kann beispielsweise eine Amplitudenänderung in dem Ausgangssignal von einzelnen Sensoren zu verschiedenen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten genutzt werden, um sich bewegende Objekte in dem Sichtfeld zu erfassen, während auf gleiche Weise erfaßte Bewegung in bezug auf jedes der Misch-/Detektorelemente des Feldes genutzt werden kann, um die Bewegung des Bauelements als ganzes zu messen. So läßt sich der Millimeterwellen-Sensor der Erfindung in vielen verschiedenen Bewegungen erfassenden Anwendungen einzetzen, wie. z.B. zur Kollisionsverhütung, Navigation und dergleichen. Andere Formen der Signalverarbeitung und andere Verwendungen der von dem Bauelement dieser Erfindung gelieferten Ausgangssignale fallen ebenso in den Anwendungsbereich dieser Erfindung.

Kurzbeschreibung der Abbildungen

Die hier beschriebene Erfindung läßt sich am besten verstehen unter Hinzuziehung der sie begleitenden Abbildungen, die folgendes zeigen:
die Abbildung 1 zeigt ein Blockdiagramm eines der Misch-/Detektorelemente des abbildenden Feldes des Sensors gemäß dieser Erfindung, und zwar in einer ersten Verkörperung derselben;
die Abbbildung 2 zeigt eine mit Abbildung 1 vergleichbare Ansicht der Misch-/Detektorelemente des abbildenden Feldes in einer zweiten Verkörperung dieser Erfindung;
die Abbildung 3 zeigt eine Gesamtansicht der optischen Anordung des Bilderzeugungsgeräts dieser Erfindung in der ersten Verkörperung derselben;
die Abbildung 4 zeigt eine mit abbildung 3 vergleichbare Ansicht, jedoch in der zweiten Verkörperung dieser Erfindung;
die Abbildung 5 zeigt eine Detailansicht des in der zweiten Verkörperung dieser Erfindung eingesetzten Drehreflektors;
die Abbildung 6 zeigt eine Perspektivansicht von dem der zum Aufbau des Bildes zu nutzenden einfallenden Millimeterwellen-Strahlung ausgesetzten Ende des in der Bildebene angeordneten Misch-/Detektor-Feldes;
die Abbildung 7 zeigt eine schematische Darstellung der vorstehenden Abschnitte der mit dem Misch-/Detektor-Feld dieser Erfindung verbundenen Schaltung;
die Abbildung 8 zeigt eine Querschnittsansicht einer in jedem der einzelnen Misch-/Detektorelemente des abbildenden Feldes eingesetzten Schottky-Mischdiode;
die Abbildung 9 zeigt eine Gesamtansicht eiens Teils des in der Aperturebene angeordneten Quellenfeldes, das zur Lieferung des Millimeterwellen-Signals vorgesehen ist; und
die Abbildung 10 zeigt eine Querschnittsansicht eines der Elemente des Quellenfeldes entlang der Linie 10-10 in Abbildung 9.

Beschreibung der bevorzugten Verkörperungen

Die Abbildung 1 zeigt ein Blockdiagramm der einzelnen in jedem der Misch-/Detektorelemente (8) verwendeten signalverarbeitenden Bauteile in einer ersten Verkörperung dieser Erfindung, während die Abbildung 2 ein verleichbares Blockdiagramm von identischen Misch-/Detektorelementen (8) in einer zweiten Verkörperung dieser Erfindung zeigt, in der die Signale, die die Elemente erreichen, anders abgeleitet werden. Gemeinsame Elemente sind in den Abbildungen jeweils mit gleichen Bezugsnummern versehen.
In Abbildung 1 empfängt eine Antenne (10) ein von einem Objekt in dem Sichtfeld reflektiertes oder emmittiertes Millimeterwellen-Signal (12) sowie ein von einem lokalen Oszillaor (26) ausgegebenes lokales Oszillatorsignal (14). Diese beiden Signale werden in einer Mischstufe (16) kombiniert. Das Differenzsignal mit der Frequenz fsig-fLO wird einem Bild- oder Funkfrequenzverstärker (18) zugeführt. Das verstärkte Differenzsignal wird zusammen mit einer Reihe gleicher Signale (20) von anderen identischen Elementen (8) des Feldes an eine Bildgenerierungsschaltung oder eine andere signalverarbeitende Schaltung (22) zum Zecke der Generierung eines Bildes bzw. zu anderen Zwecken weitergeleitet.
Genauer gesagt, mehrere der in Abbildung 1 gezeigten Misch-/Detektorelemente (8) sind in einem Detektorfeld angeordnet. DerAusgang eines jeden Elements (8) ist ein Signal, dessen Frequenz auf die Differenz zwischen der Frequenz des Empfangssignals (12) und der Frequenz des lokalen Oszillatorsignals (14) anspricht und dessen Amplitude sich annähernd proportional zur Amplitude von Signal (12) verhält. Das vn jedem Element (8) ausgegebene Signal entspricht einem Ausschnitt des Sichtfeldes; wenn ein Bild aufgebaut wird, kann jedes Element (8) einem bestimmten Bildelement (im folgenden "Pixel" genannt) des Bildes zugeordnet werden. Dementsprechend gilt, daß weil ein viele Elemente umfassendes Feld eingesetzt wird, eine mechanische oder elektronische Abtastung zur Generierung eines kompletten Abbildes nicht erforderlich ist. Ein gewöhnliches rasterabgetastetes Videobild kann beispielsweise einfach durch sukzessives Abfragen der einzelnen abbildenden Elemente (8) entlang aufeinanderfolgender Reihen des aus Elementen bestehenden Feldes generiert werden.
Die Abbildung 2 zeigt eine der Ansicht in Abbildung 1 entsprechende Ansicht der zweiten Verkörperung dieser Erfindung, in der von dem das lokale Oszillatorsignal liefernden Oszillator (26) abgegebene Energie zusätzlich zur Beleuchtung des Sichtfeldes genutzt wird. Die Misch/-Detektorelemente (8) enthalten wieder jeweils eine Antenne (10), die ein lokales Oszillatorsignal (14) sowie ein Signal (12) vom Sichtfeld empfängt. Die Mischstufe (16) kombiniert das lokale Oszillatorsignal (14) und das Empfangssignal (12) miteinander. Das Differenzsignal mit der Frequenz fsig-fLO wird einem Bild- oder Funkfrequenzverstärker (18) zugeführt; dessen Ausgangssignal zusammen mit entsprechenden Signalen (20) von einer Anzahl identischer Elemente (8) kann wiederum an eine Bildgenerierungsschaltung oder eine andere signalverarbeitende Schaltung (22) übermittelt werden, um es z.B. zur Generierung eines Bildes zu nutzen.
In der Verkörperung nach Abbildung 2 jedoch wird der größte Anteil der vom Oszillator (26) abgegebenen Energie (34) als ein Beleuchtungsstrahl (24) auf das Sichtfeld ausgesendet. Um es genauer zu sagen, das von der Quelle (26) generierte Millimeterwellen-Energiesignal (34) wird linear polarisiert, so daß es von einem Polarisationsgitter (28) in einen größeren und einen kleineren Anteil (24 bzw. 30) aufgeteilt werden kann. Der größere anteil (24) wird nach Reflexion von dem Polarisationsgitter (28) als Beleuchtungsstrahl genutzt. Der kleinere Anteil (30), auf den annähernd 10% der von dem Oszillator insgesamt abgegebenen Signalenergie entfallen können, passiert das Polarisationsgitter (28) und wird von einem Reflektor (32), der die Poalrisation des Signals um 90º dreht, zurück auf das Gitter (28) geworfen, das es in Richtung des aus Misch-/Detektorelementen (8) bestehenden Feldes reflektiert. Der kleinere Anteil (30) wird somit zu einem lokalen Oszillaorsignal (14), das anschließend mit dem reflektierten Signal (12) von dem Sichtfeld kombiniert wird. Normalerweise wird das übertragene Beleuchtungssignal mit einer Frequenz zeitabhängig abgetastet; wenn das reflektierte Signal eingeht, weist das lokalen Oszillatorsignal eine geringfügig andere Frequenz auf, so daß das Differenzsignal ungleich Null ist.
Wie bereits festgestellt, wird die von dem Oszillator (26) abgegebene Millimeterwellen-Energie (34) in der zweiten Verkörperung dieser Erfindung (und typischerweise auch in dessen ersten Verkörperung, je nach Auslegung des emittierenden Feldes) linear polarisiert. Dies gestattet die bequeme Aufteilung des Signals in einen größeren und einen kleineren Anteil (24 bzw. 30) durch ein polarisations-empfindliches Bauteil wie z.B. das Polarisationsgitter (28). Der Reflektor (32), auf den anschließend der kleinere Anteil (30) des Strahls fällt, kann ein "Drehreflektor" sein, der seine Polarisation um 90º ändert, so daß bei einem erneuten Auftreffen von Anteil (30) auf das Polarisationsgitter (28) dieser von dem Gitter reflektiert wird, wie an Punkt (36) angegeben. Wie bereits festgestellt, fällt der kleinere Anteil (30) anschließend als lokales Oszillatorsignal (14) auf Element (8) und mit dem reflektierten Signal (12) von dem Sichtfeld gemischt.
In der Verkörperung nach Abbildung 2 läßt sich dementsprechend erkennen, daß die Energie (34) von Oszillator (26) sowohl als ein Beleuchtungsstrahl (24) zur Beleuchtung des Objekts als auch als lokales Oszillatorsignal (14) genutzt wird, das mit dem von dem Sichtfeld (12) reflektierten Signal (12) gemischt wird.
Die Abbildung 3 zeigt eine mögliche optische Anordnung der in Verbindung mit Abbildung 1 erörterten ersten Verkörperung dieser Erfindung. In einer Ausführung dieser Verkörperung der Erfindung liefert die lokale Oszillatorquelle (26) einen linerar polarisiertes Millimeterwellen-Energiestrahl (14), der von einem Polarisationsgitter (28) reflektiert wird. Das Polarisationsgitter (28) wird ebenso wie die Quelle (26) später noch eingehend erörtert. In dieser Ausführung der betrachteten Verkörperung wird die lokale Oszillatorenergie (14) von Gitter (28) direkt in Richtung eines Feldes (36) aus Misch- /Detektorelementen (8) reflektiert, dessen Aufbau im folgenden erläutert wird. Einfallende, von einem Objekt in dem Sichtfeld entweder reflektierte oder emittierte Strahlung (38) passiert eine Linse (40), vorzugsweise durch ein Hochpaß-Filter (42), und wird mit der reflektierten lokalen Oszillatorsignalenergie (14) in dem Feld (36) kombiniert. Die gezeigte Sichtlinie verläuft direkt von dem Sichtfeld bis hin zu dem Feld (36), dies muß jedoch nicht so zein. Wie oben bereits erläutert, führt das Mischen der lokalen Oszillatorenergie (14) mit dem Signal (38) von dem Sichtfeld in den Misch-/Detektorelementen (8) der Matrix (36) zu einem Summen- und einem Differenzsignal. Das Differenzsignal wird dann zur Bilderzeugung oder für eine andere Art der Signalverarbeitung genutzt, wie allgemein an Punkt (22) angedeutet.
In einer zweiten Ausführung der ersten Verkörperung dieser Erfindung kann die polarisations-selektive Sende//Reflexionsfläche, die von Gitter (28) bereitgestellt wird, durch eine frequenz-selektive Sende-/Reflexionsfläche ersetzt werden, wie z.B. ein dichroitisches Reflektor/Hochpaß-Filter (im folgenden "DR/HP-Filter" genannt). D.h., Signal (38) vom Sichtfeld mit der Frequenz fsig wird aufgrund der frequenz-selektiven Art des DR/HP-Filters durch das DR/HP-Filter hindurch gelassen, während das lokale Oszillatorsignal (34) mit der Frequenz fLO< fsig von den Komponenten des DR/HP- Filters reflektiert wird, die von dem Erwerber dieser Anmeldung kommerzeill angeboten werden.
Ein DR/HP-Filter ist einem Polarisationsgitter in der ersten Verkörperung dieser Erfindung potentiell vorzuziehen, das das DR/HP-Filter für eine effektivere Reflexion des lokalen Oszillatorsignals (34) sorgt und so den Einsatz einer leistungsschwächeren Oszillatorquelle (26) in einem gegebenen System gestattet. Die Verwendung eines DR/HP-Filters anstelle eines Polarisationsgitters (28) läßt auch das Hochpaß-Filter (42) entbehrlich werden. Desweiteren gilt, daß bei Einsatz eines DR/HP-Filters das lokale Oszillatorsignal nicht mehr linear polarisiert werden muß, wenngleich dies eine preiswerte Konsequenz der für Oszillator (26) gewählten Auslegung ist.
Die zweite Verkörperung dieser Erfindung, dargestellt in Abbildung 4, ist gleicht allgemein der in Abbildung 3 gezeigten ersten Ausführung der ersten Verkörperung; gemeinsame Elemente sind mit gleichen Referenznummern bezeichnet. Entsprechend gilt, daß einfallende, von einem Objekt im Sichtfeld reflektierte Strahlung (38) die Linse (40), das Filter (42), ein Viertelwellenlängenplättchen (46), das im folgenden noch näher beschrieben wird, sowie das Polarisationsgitter (28) passiert und danach mit einem von der Millimeterwellen-Strahlungsquelle (26) emittierten lokalen Oszillatorsignal kombiniert wird. In diesem Fall jedoch wird die von Quelle (26) emittierte Strahlung (34) durch das Polarisationsgitter (28) in einen größeren Anteil und einen kleineren Anteil (24 bzw. 30) aufgeteilt. Der größere Anteil (24), der wünschenswerterweise ca. 90 % der Millimeterwellen-Energie beinhaltet, wandert nach außen, wie an Punkt (48) angegeben, um das Sichtfeld mit Millimeterwellen-Strahlung zu beleuchten. Der verbleibende kleinere Anteil (30) der von der Quelle (26) emittierten Strahlung (34) fält auf einen Drehreflektor (50). Dieses Bauelement, das in Verbindung mit Abbildung 5 beschrieben wird, verfügt über die Eigenschaft, die Polarisation der linear polarisierten einfallenden Energie um 90º zu drehen. Entsprechend wird der kleinere Anteil (30) der Strahlung, wenn er von dem Drehreflektor (50) auf das Polarisationsgitter (28) reflektiert wird, weiter in Richtung Misch-/Detektor-Feld (36) reflektiert, um zu einem lokalen Oszillatorsignal (14) zu werden, das mit dem eintreffenden Beleuchtungsstrahl (38) nach Reflexion von irgend welchen Objekten in dem Sichtfeld kombiniert wird.
In dieser Verkörperung der Erfindung wird die von Oszillator (26) gelieferte Energie (34) sowohl zur Beleuchtung des Sichtfeldes als auch als ein lokales Oszillatorsignal (14) genutzt. Die Aufteilung der von der Quelle (26) ausgestrahlten Millimeterwellen-Energie (34) erfolgt durch das Polarisationsgitter (28) entsprechend seinen Polarisierungseigenschaften, wie im folgenden noch erörtert wird. Das Polarisationsgitter (28) wird günstigerweise auch verwendet, um den kleineren Anteil (30) der Energie (34) als ein lokales Oszillatorsignal (14) auf as Feld (36) umzulenken, um es mit der reflektierten Energie (38) zu mischen.
Betrachten wir nun die einzelnen Elemente des in den Abbildungen 3 und 4 gezeigten Systems. Eine allgemeine Beschreibung der Linse (40) findet sich in Goldsmith u.a., "Gaussian Optics Lens Antennas", Microwave Journal, Juli 1984. Das Filter (42) wird allgemein beschrieben in Goldsmith, "Designing Quasi Optical Systems", in The Microwave System Designers Handbook, 5. Ausgabe (1987). Das Filter (42) kann eine Metalplatte umfassen, in das ein Lochraster eingebohrt ist, um ein Hochpaß-Filter für die interessierenden Millimeterwellen-Frequenzen vorzusehen.
Das Polarisationsgitter (28) kann eine Reihe von parallelen Leitern umfassen, die voneinander durch ein Dielektrikum getrennt sind. In einer besonders bevorzugten Verkörperung können die leitfähigen Elemente in einem Abstand zueinander angeordnete, parallele Drähte sein, z.B. aus vergoldetem Wolfram, zwischen denen sich Luft befindet. Eine kostengünstigere Alternative besteht darin, flache leitfähige Streifen durch Photolithographie auf ein dielektrisches Substrat, z.B. Mylar , aufzubringen. Der Abstand zwischen den elektrischen Leitern (44) ist annähernd gleich oder kleiner als die Wellenlänge der von der Quelle (26) emittierten Millimeterwellen-Strahlung dividiert durch 5. Dieses Gitter (28) läßt den Anteil des linear polarisierten elektrischen Feldes hindurch, der senkrecht zur Richtung der elektrischen leiter verläuft, und reflektiert den Anteil, der parallel zur deren Richtung verläuft. Wenn die elektrischen Leiter im Winkel zur Polarisationsrichtung der Strahlung verlaufen, dann geht ein entsprechender Anteil hindurch während der verbleibende Teil reflektiert wird.
Für den Fachmann auf diesem Gebiet wird klar sein, daß ein DR/HP- Filter nicht als Ersatz für das Polarisationsgitter (28) in der zweiten Verkörperung dieser Erfindung eingesetzt werden kann, weil in diesem Falle das Gitter sowohl als Reflektor als auch als Transmitter von Energie mit einer einzigen Frequenz eingesetzt wird. Es wird also ein polarisations-selektives Gitter (28) zusammen mit einer Quelle für linear-polarisierte Energie eingesetzt.
In der zweiten Verkörperung dieser Erfindung wird, wie angegeben, typischerweise ein Viertelwellenlängenplättchen (46) zwischen das Polarisationsgitter (28) und die Linse (40) geschaltet. Das Viertelwellenlängenplättchen (46) ist ein bekanntes Bauelement, das eine linear polarisierte einfallende Welle wie z.B. die, die von der Quelle (26) emittiert wird, in eine zirkular polarisierte Welle umformt. Eine solche zirkular polarisierte Welle kann wünschenswertere Reflexionseigenschaften von einem abzubildenden Objekt als die linear polarisierte Welle haben; z.B. kann eine linear polarisierte Welle asymmetrisch reflektiert werden in Abhängigkeit von der jeweiligen Ausrichtung des Objekts, wohingegen eine zirkular polarisierte Welle gleichbleibendere Reflexionseigenschaften aufweist. Nach Reflexion der zirkular polarisierten Welle durch das Objekt wird das Viertelwellenlängenplättchen (46) die Welle wieder in eine linear polarisierte Welle umformen, so daß sie ohne wesentliche Abschwächung das Polarisationsgitter (28) passieren wird. Das Viertelwellenlängenplättchen kann aus kristallinem Saphir gefertigt oder maschinell durch Einarbeiten der entsprechenden Rillen in ein dielektrisches Material wie z.B. Rexolite hergestellt werden.
Wie in Abbildung 4 schematisch und in Abbildung 5 detaillierter dargestellt, umfaßt der Drehreflektor (50) eine Reihe von im allgemeinen konkaven oder schalenförmigen in einem Feld angeordneten Elementen. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Elemente in diesem Feld der Anzahl der Elemente in dem Feld der Millimeterwellen-Emitter, das die Quelle 26 bildet. Die Form der konkaven Elemente von Feld (50 ) ist dergestalt, daß die divergierenden Strahlen, die von den Elementen der Quelle (26) emittiert werden, nach Reflexion von dem Polarisationsgitter (28) scharf gebündelt auf eine entsprechende Fläche auf der Oberfläche des aus Misch-/Detektorelementen bestehenden Feldes (36) gelenkt werden.
Wie schematisch in Abbildung 5 dargestelt, umfaßt der Drehreflektor (50) ein dielektrisches Substrat (56), das auf seiner Rückseite mit einer leitfähigen Schicht (58) überzogen ist und auf seiner Vorderseite mit einer Reihe von Streifen (60) aus leitfähigem Material, die in 45º zur Polarisationsrichtung der einfallenden Welle ausgerichtet sind, bedeckt ist. Die Elektrische Stärke des Dielektrikums beträgt eine Viertelwellenlänge, so daß die effektive Weglänge der Welle durch das Dielektrikum eine Halbwellenlänge ist. Dementsprechend wird eine Komponente (59) der einfallenden, direkt von den Streifen (60) reflektierten Energie 180º phasenversetzt zu der einfallenden Energie sein. Dies entspricht einer Drehung der Polarisationsrichtung des einfallenden Strahls um 90º. Der auf den Drehreflektor (50) einfallende Strahl (der, man erinnere sich, das Gitter (28) passiert hat) ist effektiv um 90º besogen auf das Polarisationsgitter (28) gedreht. Wenn der gedrehte Strahl erneut auf das Gitter (28) trifft, wird er also auf das Feld (36) reflektiert. Die konkaven Elemente des Drehreflektors (50) sing vorzugsweise quadratisch und in einem Mosaik angeordnet, in dem wie bereits erwähnt jedes Element jeweils einem Emitter der Quelle (26) entspricht.
Die Abbildung 6 zeigt eine Perspektivansicht eines Teils des Empfänger- Feldes (36), während die Abbildung 7 eine Aufsicht eines Substrats (70) zeigt, auf dem elektrische Leiter (68), die die einzelnen Misch-/Detektorelemente (66) von Feld (36) darstellen, angebracht sind. Das Feld (36) umfßt eine Vielzahl von im wesentlichen identischen Misch-/Detektorelementen, wie an Punkt (66) gezeigt. Jedes Element (66) umfaßt zwei leitfähige Antennenelemente (68), die direkt auf einem nicht-leitfähigen dielektrischen Substrat wie z.B. Kapton angeordnet sein können, das wiederum von Aluminium-Paneelen (70) getragen wird, die durch einen Präzisions-Abstandshalter (72) voneinander getrennt sind. Der Umriß einer bevorzugten Verkörperung der Antennenelemente (68) ist in Abbildung 7 zu sehen. Die leitfähigen Antennenelemente (68) umfassen, wie gezeigt, parallele Abschnitte (73), die eine Strecke in die Matrix hineinreichen (wobei die einfallende Strahlung in der gezeigten Ansicht vom Ende her empfangen wird), gebogene Abschnitte (74), die sich einander entlang einer exponential gebogenen Kontur annnähern, sowie weitere Abschnitte, die voneinander durch einen Schlitz (76) getrennt sind und sich um eine andere Strecke ausdehnen. Eine solche Antenne wird in der Fachwelt "Längsricht- /Wanderwellenschlitzantenne" bezeichnet, wie ursprünglich von P.J. Gibson beschrieben in "The Vivaldi Aerial", Proc. of the European Mic. Conf., Brighton, UK (1979), S. 101-105.
In einer bevorzugten Verkörperung weist Schlitz (76) zzwei weitere Schlitze (78) auf, die sich an beiden Seiten jeweils im rechten Winkel dazu erstrecken. Diese Schlitze (78) beinhalten eine Funkfrequenzdrossel, die das nach dem Mischen des lokalen Oszillatorsignals mit erfaßten Signalen gebildete "Summensignal" reflektiert und das "Differenzsignal" durchläßt. Jede Antenne ist mit einem nicht-linearen Schaltungselement (80) gepaart, z.B. einer Diode, die für die Mischfunktion Sorge trägt. Die Dioden (80) sind vorzugsweise körperlich zwischen den beiden leitfähigen Elementen (68) eines jeden Elements angeordnet, d.h. direkt gegenüber des Schlitzes (76). In einer bevorzugten Verkörperung, auf die im folgenden noch näher eingegangen wird, ist die Diode (80) direkt auf dem Substrat (70) angeordnet ohne gesonderte Verbindungsleitungen.
Nach dem Mischen des lokalen Oszillatorsignals mit dem Signal von dem Sichtfeld durch die Dioden (80) und dem Filtern durch die aus den Schlitzen (78) bestehenden RF-Drosseln ist das verbleibende Differenzfrequenzsignal ein relativ "reines" Zwischenfrequenzsignal, das durch herkömmliche Operationsverstärker (82), die mti jedem Element (66) des Feldes (36) verbunden sind, verstärkt werden kann. Die Ausgangssignale der Verstärker (82) können direkt an die bildgenerierende Schaltung oder sonstige signalverarbeitende Schaltung (22) übermittelt werden, wie oben angegeben.
In einer besondere Verkörperung der Vorrichtung dieser Erfindung kann der Detektor (36) als ein Feld aus 100 × 100 Elementen (66) ausgebildet sein, was 10.000 identischen Misch-/Detektorelementen in dem Gesamtfeld (36) entspricht. Dies reicht aus, um eine einigermaßen vernünftige Ausflösung zu erzielen, um beispielsweise ein Abbild von einem Sichtfeld zu erzeugen.
Die Abbildung 8 zeigt einen Querschnitt durch eine Der Mischstufen- Dioden (80), die vorzugsweise direkt auf dem Substrat (70) angeordnet werden, auf dem die Leiter (68) angeordnet sind, die die einzelnen Antennenelemente (66) bilden. In dieser Verkörperung umfaßt die Diode (80) Anschlußflächen (84 und 85), die aus Gold bestehen können und die sich durch die Durchführungen (86) in einem "semiisolierenden" (SI-)GaAs-Substrat (88) erstecken. Die goldenen Anschlußflächen (84 und 85) kontaktieren weitere goldene Elektroden (90 und 92), die auf der Rückseite des Substrats (88) angeordnet sind. Die Elektroden (90 und 92) überdecken die eingentliche Diodenstruktur. Die Diodenstruktur umfaßt eine erste Schicht (94) aus n&spplus;-GaAs, die das halbisolierende GaAs-Substrat (88) kontaktiert. Darüber befindet sich eine n- GaAs-Schicht (96). Oberhalb von dieser Schicht (96) ist eine Schicht (98) aus Schottky-Metall vorgesehen, wobei es sich in einer bevorzugten Verkörperung um Ti/Pt/Au handeln kann. Die Schicht aus Schottky-Metall (98) ist in direktem Kontakt mit der Elektrode (92) und somit in Kontakt mit Anschlußfläche (84). Die n&spplus;-GaAs-Schicht (94) ist mit der anderen Elektrode (90) und somit über eine Widerstandsschicht (93) aus AuGe/Ni mit der anderen Anschlußfläche (85) in Kontakt. Und schließlich sind die Zwischenräume (100 und 102) zwischen den verschiedenen Schichten mit einem isolierenden/passivierenden SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4;-Material ausgefüllt. In einer besonders bevorzugten Verkörperung können die Zwischenräume auch einen Luftzwischenraum zwischen der Elektrode (92) und den GaAs-Schichten (93 und 94) einschließen, d.h. um das Schottky-Metall (98) herum, mit oder ohne SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4;. Dies hat die günstige Wirkung, daß die Störkapazität der Mischdiode (80) reduziert wird.
Letztendlich, vorbehaltlich weiterer Entwicklungen auf dem Gebiet der Halbleiter-Werkstoffe und -Fertigungsverfahren, wird es vielleicht möglich sein, die Funktion der Verstärker (82) auf die der Misch-/Detektordioden (80) abzustimmen. Dies würde die Entwicklung von Verstärkern erfordern, die in der Lage wären, mit Millimeterwellen-Frequenzen zu arbeiten. Die Vision ist die, daß solche Bauelemente die Misch- und Verstärkungsfunktionen innerhalb eines einzigen Halbleiterelement ausführen können. Dies wäre sehr wünschenswert da sich dadurch das Signal/Rausch-Verhältnis eines jeden Misch-/Detektorelements (66) wahrscheinlich erheblich erhöhen würde. Die zu dieser Anmeldung gehörenden Ansprüche sind so zu verstehen, daß sie derartige verbesserten Bauelemente, wenn sie verfügbar werden bzw. sind, mit einschließen.
Die Abbildung 9 zeigt eine Teil-Rückansicht des Emitterfeldes (26), das das Signal aussendet, das in beiden Verkörperungen dieser Erfindung mit dem Empfangssignal gemischt wird und das in der zweiten Verkörperung dieser Erfindung außerdem das Beleuchtungssignal liefert. Wie angegeben ist das Feld (26) aus im wesentlichen identisch Elementen (112) aufgebaut. Typischerweise wird das Emitterfeld (26) 625 identische Einzelemente (112) in einer 25×25-Anordnung umfassen. Jedes der Einzelemente (112) des Feldes (26), dessen Aufbau nachfolgend in Verbindung mit Abbildung 10 erörtert wird, umfaßt eine Indiumphosphid-(InP)Gunn-diode oder einen anderen mit einem Hornstrahler gekoppelten Oszillator. Vorzugsweise wird das Feld (26) aus mehreren Untergruppen (110) zusammengesetzt sein, die in der Fertigung und Bestückung zweckmäßigerweise in Integralbauweise gefertigt werden.
Die Abbildung 10 entspricht einem Schnitt entlang der Linie 10-10 aus Abbildung 9 und zeigt eine Detailansicht von einem der Elemente (112) in dem Quellenfeld (26). Jedes Element umfaßt einen linearen Oszillator-Hohlraum (114) einschließlich eines integralen Hornstrahler-Ausgangsabschnitts. Das aktive Element ist ein Gunn-Diodenelement (116) mit einem im allgemeinen herkömmlichen Aufbau. Der Hohlraum "verständigt sich" ("comprimises") mit einem Radialscheibenresonator (118), der entlang einer koaxialen Hochfrequenzdrosselstruktur angeordnet ist, die für Gleichstromvormagnetisierung für das Gunn-Diodenelement (116) sorgt. Ein fixierter Kurzschlußschieber (117) ist vorgesehen, um die Leistung des Basisoszillators zu optimieren. Diese Art von Element wird in diesem Fachbereich "Hohlraumresonator" bezeichnet, der von der Gunn-Diode angesteuert wird.
Wie aus Abbildung 10 ersichtlich, wird das Diodenelement (116) von einem Gewindeglied (120) in die Resonatorstruktur (119) hineingepreßt. Die Mittenfrequenz des Gunn-Diodenoszillators bestimmt sich aus dem Durchmesser der Resonatorschiebe (118); geringfügige Frequenzkorrekturen können durch mechanische Abstimmung über Stab (124) vorgenommen werden. Die Vormagnetisierungsspannung der InP-Gunn-Diode läßt sich verändern, um sie mit einer Betriebsfrequenz zu betrieben, die ca. 300 MHz bei 95 GHz schwankt. Bei Bedarf kann eine weitere Abstimmung erfolgen durch Einfügen eines dielektrischen Materials wie z.B. Saphir in der Nähe der Resonatorschiebe (118). Typische Dauerstrich-Strahlungsleistungspegel für das Gerät (bei Verwendung wie in der zweiten Verkörperung dieser Erfindung) sind 199 mw/Sender bei 95 GHz.
Die Auswahl einer Betriebswellenlänge und -frequenz für die Geräte gemäß der einen wie der anderen Verkörperung dieser Erfindung impliziert verschiedene Abstriche in der Auslegung. Die charakteristische atmosphärische Absorption schreibt den Betrieb in einem der Wellenlängenbereiche von 1,2 mm, 2 mm oder 3 mm vor. Die Aperturgröße reduziert sich für kürzere Wellenlängen, was die Miniaturisierung von antennenbestandteilen fördert, jedoch nimmt die Mischstufenleistung bei den mit kürzeren Wellenlängen einhergehenden höheren Frequenzen ab. Derzeit wird als optimale Frequenz die Frequenz von 94 GHz (3 mm Wellenlänge) oder 140 GHz (2 mm) angesehen, was sich jedoch mit der Verfügbarkeit besserer Bauteile (hauptsächlich Mischstufen) ändern könnte. Bei diesen Frequenzen stellt atmosphärische Abschwächung einschließlich der durch Wasserdampf bedingten Abschwächung nur für Bilderzeugungssysteme mit sehr großer Reichweite ein Problem dar.
Man wird anerkennen, daß hier ein Millimeterwellen-Bilderzeugungssystem beschrieben worden ist, das ein Feld aus Misch-/Detektorelementen umfaßt, die jeweils darauf abgestimmt sind, ein Zwischenfrequenz-Ausgangssignal zu liefern, das einem lokalen Oszillatorsignal gemischt mit von einem Teil des Sichtfeldes reflektierter Strahlung entspricht. Das Feld aus Misch- /Detektorelementen entsprechend dieser Erfindung ist, wie man anerkennen wird, ein "starrendes" Feld ("staring array"), d.h. eines, das keine mechanische oder elektronische Abtastung erfordert, um ein komplettes Sichtfeld abzubilden. Das Ausgangssignal eines jeden der Misch-/Detektorelemente des Feldes (36) entpsricht zu jedem Zeitpunkt einem spezielen Bildelement, oder "Pixel", des Bildes. So wäre es beispielsweise möglich, Ausgabeelemente (z.B. LEDs) individuell mit den einzelnen Misch-/Detektorelementen in dem Feld zu verbinden, um ein Bild direkt zu liefern, d.h. ohne jedwedes Abtasten der Elemente zur Erzeugung eines Videobildes oder dergleichen.
Wenn jedoch der Wunsch bestünde, das von dem Feld aus Misch-/Detektorelementen generierte Bld aus einen herkömmlichen Videobildschirm oder dergleichen wiederzugeben, dann wäre es im allgemeinen notwendig, die einzelnen Elemente einer Reihe des Feldes nacheinander abzufragen und dadurch eine erste Zeile des Videobildes zu generieren, anschließend die einzelnen Elemente der nächsten Reihe des Feldes nacheinander abzufragen und dadurch die zweite Zeile des Videobildes zu generieren, usw., um auf diese Weise schließlich ein zusammengesetztes Rasterbild zu erzeugen. Derartige Bildgenerierungsverfahren gehören zum Stand der Technik.
Jedes Verfahren aus einem breiten Spektrum an Bildverarbeitungs- und Bildverbesserungs- und -analyseverfahren läßt sich mit den Bildgenerierungsverfahren gemäß dieser Erfindung kombinieren, wie z.B. Konvolution, Falschfärbung und Identifierung einzelner Objekte in dem Bild sowohl durch Vergleich mit bekannten Formen als auch auf andere Weise. Die Tatsache, daß das Bildsignal pixelweise von dem starrenden Feld dieser Erfindung geliefert wird, macht es besonders attraktiv für viele Verarbeitungsverfahren, insbesondere solche, die Fourier-Transformation implizieren. Derartige Lehren sind als in dem Umfang dieser Erfindung enthalten zu erachten, soweit nicht durch die nachfolgenden Ansprüche ausgeschlossen.
Wenn hier also auch verschiedene bevorzugte Verkörperungen dieser Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, so sind diese nur als Beispiele anzusehen und nicht als Grenzen des Anwendungsbereiches dieser Erfindung, der nur durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Ein Gerät zur Abbildung von Millimeterwellen, bestehend aus einem Bilderzeugungssystem (36) aus Millimeterwellen-Aufnehmern (8), ausgerichtet entlang einer Sichtlinie bezogen auf ein Sehfeld, einer Einrichtung zur Fokussierung (40) von von Objekten im Sehfeld emittierter oder reflektierter Millimeterwellenstrahlung auf das Bilderzeugungssystem (36) sowie einer Einrichtung zur Beleuchtung der Aufnehmer (8) des Bilderzeugungssystems (36) mit einem Millimeterwellen-Überlagerungsoszillatorsignal (14), wobei jedes der Aufnehmer (8) des Bilderzeugungssystems das Millimeterwellen-Überlagerungsoszillatorsignal (14) erfaßt und mit der gebündelten Strahlung (38) aus einem Teil des Sehfeldes mischt und ein Ausgangssignal entsprechend dem besagten Teil des Sehfelds liefert, wobei das Gerät dadurch gekennzeichnet ist, daß die Beleuchtungseinrichtung eine Anordnung (26) von Millimeterwellen- Überlagerungsoszillatorsignalquellen zur Lieferung der Beleuchtung mit einer im wesentlichen gleichbleibenden Amplitude über dem Bilderzeugungssystem (36) umfaßt.

2. Das Gerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Millimeterwellen-Überlagerungsoszillatorsignal (14) linear polarisiert wird.

3. Das Gerät gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (26) von Überlagerungsoszillatorsignalquellen das Millimeterwellen- Überlagerungsoszillatorsignal (14) hin zu einer Lenkungseinrichtung (28) in der Sichtlinie lenkt, wobei die Lenkungseinrichtung (28) ein Polarisationsgitter zur Lenkung des Millimeterwellen-Überlagerungsoszillatorsignals auf das Bilderzeugangssystem (36) bei gleichzeitigem Passieren von von dem Sehfeld empfangener gebündelter Strahlung umfaßt.

4. Das Gerät gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polarisationsgitter (28) so angeordnet ist, daß das von der Anordnung von Millimeterwellen-Überlagerungsoszillatorsignalquellen (26) emittierte Signal in einen größeren (24) und einen kleineren (30) Anteil geteilt wird, der größere Anteil (24) hin zu dem Sehfeld als ein Beleuchtungsstrahl gelenkt wird und der kleinere Anteil (30) hin zu dem Bilderzeugungssystem (36) als ein Überlagerungsoszillatorsignal gelenkt wird.

5. Das Gerät gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Einrichtung zur Drehung (50) der Polarisation des Millimeterwellen-Überlagerungsoszillatorsignals umfaßt.

6. Das Gerät gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreheinrichtung (50) ein Drehreflektor ist.

7. Das Gerät gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung von Millimeterwellen-Überlagerungsoszillatorsignalquellen (26) eine Gunn-Dioden-Anordnung ist.

8. Das Gerät gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Aufnehmer (8) des Bilderzeugungssystems (36) eine Längsricht-/Wanderswellenschlitzantenne (66) sowie ein nichtlinerares Schal tungselement (80) umfaßt.

9. Das Gerät gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den nichtlinearen Schaltungselementen (80) um Schottky-Dioden handelt.

10. Das Gerät gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Antennen (66) zwei Schichtleiter (68) umfaßt, die getrennt voneinander auf einem dielektrischen Substrat (70) so angeordnet sind, daß zwischen den im allgemeinen entlang der optischen Achse zwischen dem Sehfeld uund dem Bilderzeugungssystem (36) ausgerichteten Leitern ein Schlitz (76) definiert wird.

11. Das Gerät gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Aufnehmer (8) eine HF-Drossel (78) umfaßt.

12. Das Gerät gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Drossel (78) ein oder mehrere Schlitze in jedem der Schichtleiter (68) beinhaltet, die sich im rechten Winkel zu dem Schlitz zwischen den Schichtleitern (68) erstrecken.

13. Das Gerät gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (80) eines jeden Aufnahmers auf einem planaren Substrat (88) gebildet und das aktive Halbleiterelement (98) der Diode von Leiterelementen (92, 90) kontaktiert wird und daß das aktive Element (98) einer jeden Diode (80) mit den Schichtleitern durch direktes Verbindung der Leiterelemente (92, 90) mit den Schichtelementen (68) verbunden wird.

14. Das Gerät gemäß einem der vorgenannten Ansprüche in Verbindung mit einer auf die Aufnehmer ansprechenden Einrichtung (22) zur Erzeugung eines Abbildes von Objekten in dem Sehfeld, dadurch gekennzeichnet, daß ein solches Abbild aus einer Anzahl von Bildelementen aufgebaut wird, von denen ein jedes einem der Aufnehmer entspricht.

15. Das Gerät gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Millimeterwellen-Strahlungsquelle zur Beleuchtung des Sehfeldes umfaßt.

16. Ein Verfahren zur Erzeugung eines Abbildes eines Sehfeldes, umfassend die Verfahrensschritte des Fokussierens von von Objekten in dem Sehfeld reflektierter oder emittierter Millimeterwellenstrahlung auf ein Bilderzeugungssystem (36) aus auf Millimeterwellen ansprechenden Bilderzeugungselementen (8), wodurch eine Sichtlinie definiert wird, die sich zwischen dem Sehfeld und dem System (36) erstreckt, des gleichzeitigen Beleuchtens der Elemente (8) des Bilderzeugungssystems (36) mit einem Millimeterwellen- Überlagerungsoszillatorsignal (14), des individuellen Mischens (16) der gebündelten Millimeterwellenstrahlung (12) mitdem Millimeterwellen- Überlagerungsoszillatorsignal (14) in den Elementen (8) des Bilderzeugungssystems (36), des Erfassens (16) der aus dem Verfahrensschritt des mischens eines Bildes, wobei die einzelnen Bildelemente des Bildes den jeweiligen von den einzelnen Bilderzeugungselementen des Bilderzeugungssystems erfaßten Signalen entsprechen, gekennzeichnet durch den Schritt des Erzeugens des Millimeterwellen-Überlagerungsoszillatorsignals (14) mit Hilfe einer Anordnung (26) von Millimeterwellen-Überlagerungsoszillatorsignals (14) mit Hilfe einer Anordnung Beleuchtung oberhalb der Anordnung von im wesentlichen gleichbleibender Amplitude ist.

17. Das Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß es den Verfahrensschritt des Lenkens des Millimeterwellen-Überlagerungsoszillatorsignals (34) auf die Anordnung (36) von Bilderzeugungselementen mit Hilfe einer transmissiven/reflektierenden Oberflächeneinrichtung (28) umfaßt, angeordnet in der Sichtlinie zwischen dem Sehfeld und dem Bilderzeugungssystem (36).

18. Das Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß es als weitere Verfahrensschritte das Teilen des Millimeterwellen- Überlagerungsoszillatorsignals in einen größeren (24) und einen kleineren Anteil (30), das Lenken des größeren Anteils (24) des Millimeterwellen- Überlagerungsoszillatorsignals in das Sehfeld als ein Beleuchtungssignal und das Lenken des kleineren Anteils (30) des Millimeterwellen-Überlagerungsoszillatorsignals auf das Bilderzeugungssystem (36) umfaßt.