DE3927583A1

DE3927583A1 - Infrarotkamera zur Durchführung eines die Beobachtung im Bildmodus und im Panoramamodus kombinierenden Verfahrens

Info

Publication number: DE3927583A1
Application number: DE3927583A
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Fouilloy; Pierre Marche
Original assignee: Thomson TRT Defense
Current assignee: Thomson TRT Defense
Priority date: 1988-08-26
Filing date: 1989-08-22
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2009-08-23
Also published as: DE3927583C2; FR2736235B1; FR2736235A1; GB2466232B; GB8917280D0; SE8902836D0; GB2466232A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kombination des sogenannten Bildmodus und des sogenannten Panoramamodus bei einer Infrarotkamera, die u. a. ein horizontal angeord netes lineares Detektorenmosaik, ein Objektiv, das im Un endlichen ein Bild des Mosaiks erzeugt, einen ersten, um 45° gegen die optische Achse des Objektivs geneigten und beidseits dieses Winkels um eine zu dem linearen Mosaik parallele Achse schwingen den Planspiegel zur Vertikalab tastung der Landschaft im sogenannten Bildmodus umfaßt, wobei das horizontale Bild des linearen Detektorenmosaiks nachfolgend in eine vertikale Richtung gebracht und die Schwingbewegung des ersten Planspiegels beendet wird, und die gesamte Anordnung dieser Elemente sich um eine in ver tikaler Richtung verlaufende optische Achse gleichförmig dreht, um die Landschaft im sogenannten Panoramamodus abzu tasten.

Bei Infrarotkameras, die nach dem sogenannten Bildbeobach tungsmodus arbeiten, können verschiedene Arten der Abtas tung verwendet werden:

- die Parallelabtastung mit vertikalem Detektor
- die Parallelabtastung mit horizontalem Detektor
- die serielle und die seriell-parallele Abtastung.

Kameras mit paralleler Abtastung und vertikalem Detektor haben ein lineares Mosaik von Detektoren, die parallel zum vertikalen Bildrand angeordnet sind und eine opto mechanische Abtastvorrichtung, die das Bild des Detektors in horizontaler Richtung über die Szene verschiebt.

Diese Kameras benötigen eine (elektronische oder optische) Speichervorrichtung, um das Bild auf einem Bildschirm wiedergeben zu können, denn das Bild wird von links nach rechts(oder von rechts nach links) abgetastet, hingegen von oben nach unten wieder aufgebaut.

Kameras mit paralleler Abtastung und horizontalem Detek tor haben ein lineares Mosaik von Detektoren, die parallel zum horizontalen Bildrand angeordnet sind und eine opto mechanische Abtastvorrichtung, die das Bild des Detektors in vertikaler Richtung über die Szene verschiebt.

Diese Kameras erfordern keine Zwischenspeicherung, da das Bild in der gleichen Richtung abgetastet wird, in der es wieder aufgebaut wird. Darüber hinaus sind die Anzahl der Detektoren des Mosaiks und die Zeilenzahl der Fernsehnorm voneinander unabhängig.

Kameras mit serieller oder seriell-paralleler Abtastung haben ein kleines Mosaik und eine optomechanische Vor richtung, die dessen Bild derart über die Szene verschiebt, daß von oben nach unten gleichmäßig angeordnete Bildzeilen entstehen.

Diese Kameras erfordern im allgemeinen einen kleinen Speicher, um das Bild auf einem üblichen Fernsehbild schirm wiedergeben zu können.

Kameras, die nach dem sogenannten Panoramamodus der Be obachtung (worunter nicht nur eine Rundsichtbeobachtung sondern auch eine Sektorbeobachtung zu verstehen ist) arbeiten, haben im allgemeinen ein lineares Mosaik von Detektoren, die rechtwinklig zur Richtung der opto mechanischen Abtastung angeordnet sind. Diese erfolgt im allgemeinen horizontal (azimutal)und verschiebt das Bild der Detektoren entsprechend einem vollständigen Um lauf (einer Umdrehung) oder einem Teil oder Sektor hier von.

Vom Aufbau sind folglich Kameras für die Panoramaüber wachung den Kameras mit Parallelabtastung und vertikalem Detektor ähnlich. In beiden Fällen erfolgt die Abtastung horizontal und der Detektor ist vertikal: Man braucht al so nur eine Kamera mit vertikalem Detektor bei stillge setzter Abtastung in eine Drehbewegung um eine vertikale Achse zu versetzen, um das Bild des Mosaiks den Horizont überstreichen zu lassen.

Dessen ungeachtet haben Kameras mit paralleler Abtastung und horizontalem Detektor und diejenigen mit serieller oder seriell-paralleler Abtastung Vorteile, derenthalben sie häufig Kameras mit paralleler Abtastung und vertikalem Detektor vorzuziehen sind. Es sind dies: Unabhängigkeit der Zeilenzahl von der Zahl der Detektoren, kein großer Speicher, kleineres Volumen der Elektronik.

Das einleitend angegebene Verfahren ermöglicht es, aus einer Kamera mit paralleler Abtastung und horizontalem Detektor oder einer Kamera mit seriell-paralleler Abtastung auch eine Vorrichtung zur Panoramaüberwachung zu machen, wobei diese beiden Funktionen, also der Bildmodus und der Panoramamodus, abwechselnd genutzt werden können.

Bei den bekannten Verfahren dieser Gattung erfolgt die Um wandlung des in einer horizontalen Richtung erhaltenen Bil des (Bildmodus) in ein entsprechend einer vertikalen Rich tung angeordnetes Bild (Panoramamodus) gewöhnlich mit Hilfe eines Bilddrehelementes, bei dem es sich um ein klassisches optisches Element wie etwa ein Pechan- oder ein Rantch prisma handeln kann.

Derartige Bilddrehelemente benötigen viel Platz und sind teuer. Sie sind darüber hinaus schwierig zu zentrieren und ihre Verwendung im Infrarotgebiet erfordert die Herstellung aus stark absorbierenden Werkstoffen (Germanium). Zwar kön nen die Abmessungen sehr klein gehalten werden, indem man diese Elemente in die Bildebene der Pupille des optischen Systems bringt, jedoch erhöht diese Anordnung die Komplexi tät des Systems.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, mittels dessen das Bild um 90° ohne Einfügung eines zusätzlichen Drehelementes gedreht werden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der einleitend angegebenen Gattung dadurch gelöst, daß die Än derung der Richtung des linearen Bildes der Detektoren durch eine einfache Veränderung der Stellung eines geeig neten Elementes der Kamera erhalten wird.

Bei einer ersten Ausführungsform wird die optische Achse des vertikal angeordneten Objektivs zur Überwachung im Bildmodus durch den ersten Spiegel in eine horizontale Richtung umgelenkt. Die vorstehend erwähnte Stellungsver änderung besteht darin, das lineare Diodenmosaik um 90° in der horizontalen Ebene zu drehen. Die optischen Achsen der Überwachung im Panoramamodus und der Überwachung im Bild modus fallen dann zusammen. Wenn folglich im Panoramamodus ein Ziel entdeckt wird, muß das Gerät eine vollständige Umdrehung ausführen, um das Ziel von neuem im Bildmodus be obachten zu können, es sei denn, die Bewegungsrichtung wird umgekehrt.

Bei einer zweiten Ausführungsform wird die optische Achse des horizontal angeordneten Objektivs durch den ersten Spiegel in vertikale Richtung geklappt. Die Vorrichtung umfaßt desweiteren, ausgerichtet auf die vertikale op tische Achse, ein afokales System, gefolgt von einem zweiten Planspiegel, der um 45° geneigt ist und die optische Achse von neuem in eine horizontale Richtung parallel zur optischen Achse des Objektivs umlenkt, um im Bildmodus beobachten zu können. Die besagte Stellungs veränderung besteht darin, den zweiten Spiegel um 90° um die vertikale optische Achse zu drehen, derart, daß die optischen Achsen des Bild- und des Panoramamodus in der selben Horizontalebene aufeinander rechtwinklig stehen. Wenn also im Panoramamodus ein Ziel ermittelt wird, braucht die Vorrichtung nur eine viertel Umdrehung aus zuführen, um das Ziel nunmehr im Bildmodus betrachten zu können.

In diesem Fall können die Überwachungen im Panoramamodus und im Bildmodus in derselben Richtung gleichsinnig oder gegensinnig mit Hilfe eines geeignet angeordneten Spiegel systems erfolgen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beispielhaft aufzufassenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die drei Abtastprinzipien, die bei Infrarot kameras im Bildmodus benutzt werden,

Fig. 2 ein Prinzipschema der Systeme zur Überwachung im Panoramamodus,

Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen bekannter Kameras, die die Beobachtung oder Überwachung sowohl im Bildmodus als auch im Panoramamodus ermöglichen.

Fig. 5 und 6 eine erste und eine zweite, jeweils schematisch vereinfacht dargestellte Ausführungsform von Vor richtungen zur Durchführung der Erfindung.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung liegen die Überwachungsmoden in zueinander rechtwinkligen Richtungen. Für diesen Fall zeigen die Fig. 7 bis 10 verschiedene schematische Anordnungen von Spiegeln, die es ermöglichen, die Richtung und den Sinn der Beobachtung in den beiden Moden nach einer der folgenden Arten durchzuführen:

Fig. 7 Gleiche Richtung und gleichsinnig,

Fig. 8 Gleiche Richtung und gegensinnig,

Fig. 9 und 10 beliebige Richtungen.

In Fig. 1a ist ein aus einem linearen Mosaik von Elementar detektoren bestehender Detektor Dv angeordnet,und eine nicht dargestellte optomechanische Vorrichtung verschiebt das Bild des Detektors in horizontale Richtung h, um die Zeilenabtastung zu verwirklichen.

In Fig. 1b ist ein Detektor d. h. gleichen Typs horizontal angeordnet und sein Bild wird in gleicher Weise in vertika ler Richtung v verschoben, um die Bild- oder Rasterabtas tung durchzuführen.

In Fig. 1c ist ein Detektor Dhv angedeutet, der aus drei Zeilen und drei Spalten von Elementardetektoren besteht. Eine aufwendigere, nicht dargestellte optomechanische Vor richtung verschiebt das Bild dieses Detektors nacheinander entsprechend den Pfeilen h und v um die Zeilenabtastung und die Rasterabtastung zu verwirklichen.

Fig. 2 zeigt das Prinzipschema einer Vorrichtung zur Pa noramaüberwachung.

Eine Optik L erzeugt ein Bild D′v eines linearen Mosaiks von Detektoren Dv. Das Mosaik ist parallel zu einer ver tikalen Achse vv′ angeordnet. Die Einheit aus Detektor und Optik dreht sich um die Achse vv′ mit konstanter Win kelgeschwindigkeit, so daß das Bild D′v während einer voll ständigen Umdrehung oder eines Ausschnittes oder Sektors einer vollständigen Umdrehung den Horizont entsprechend der Kontur C überstreicht.

Nachfolgend werden zwei Vorrichtungen beschrieben, die es ermöglichen, ausgehend von einer Beobachtung im Bildmodus (Kamera mit vertikaler Abtastung nach Fig. 1b oder mit seriell-paralleler Abtastung nach Fig. 1c) auch in bekann ter Weise die Überwachung im Panoramamodus zu verwirk lichen, wobei diese beiden Arten der Überwachung alternativ möglich sind.

Fig. 3 zeigt in schematischer Form die gesamte optische Vorrichtung in dem System O, X, Y, Z, wobei DZ die Ver tikalrichtung ist. Diese Vorrichtung umfaßt:

- ein lineares Mosaik von Detektoren D, die parallel zur Achse OY angeordnet sind oder das Bild einer durch ein optomechanisches Zeilenabtastsystem gegebenen Zeile,
- ein Objektiv L₁, das ein Bild der Zeile D im Unendlichen entwirft,
- einen Vertikalablenkspiegel M₁, der um die Achse OY schwingt, d. h. um eine zur Achse der Zeile D parallele Achse. Die Bewegungen dieses Spiegels verschieben das Bild der Zeile D rechtwinklig zu seiner Horizontalrich tung und die Vorrichtung arbeitet dann im Bildmodus.
- ein Bilddrehelement R, das vor dem Spiegel M₁ in der Richtung OX angeordnet ist. Dieses Bilddrehelement er möglicht es, das Bild der Zeile um die Achse OX zu drehen.
- eine nicht dargestellte Vorrichtung versetzt die Anord nung D, L₁ und M₁ dann, wenn das Gerät im Panoramamodus arbeitet, in eine Drehbewegung konstanter Winkelgeschwin digkeit ω um die Vertikalachse OZ. Das Bilddrehelement R bringt dann das Bild der Zeile in seine vertikale Stellung, die Bewegungen des Spiegels M₁ sind unter brochen und die Drehbewegung der Gesamtheit der er wähnten Elemente um die vertikale Achse erzeugt das vertikale Bild der Panoramazeile über die Landschaft.

Dank des Bilddrehelementes R können die Anordnungen aus der Zeile D, dem Objektiv L₁ und dem Abtastspiegel M₁ eine beliebige Stellung in der Ebene OYZ einnehmen.

Dieses Bilddrehelement ist ein klassisches optisches Element (Pechan- oder Rantch-Prisma), dessen Abmessungen dadurch sehr klein gemacht werden können, daß das Element in ein optisches System eingesetzt wird, wie es in Fig. 4 dargestellt ist.

Die Elemente D, L₁ und M₁ bleiben wie zuvor in dem Koor dinatensystem OXYZ angeordnet, das Bilddrehelement R ist hingegen auf seine kleinstmöglichen Abmessungen reduziert, wenn es in der Bildebene der Pupille des aus den Linsen gruppen G₁ und G₂ bestehenden Systems angeordnet ist, das sich vor dem Element R befindet. Diese zwei Linsengruppen stellen ein afokales System dar, dessen Austrittspupille sich in dem Element R befindet. Hinter diesem Element erzeugt eine weitere Linsengruppe G₃ das Bild der Pupille neuerlich auf dem Ablenkspiegel M₁, um auch dessen Abmes sungen zu minimieren.

Das afokale System G₁ und G₂ kann mehrere mögliche Ver größerungen bieten, so daß unterschiedliche Gesichts felder für den Panoramamodus und den Bildmodus zur Ver fügung stehen.

Sofern das Gerät kein Bilddrehelement R umfaßt, muß die Bilddrehung mit anderen Mitteln bewerkstelligt werden, wie sie hier durch die Erfindung vorgeschlagen werden.

Ein erstes solches Mittel ist in Fig. 5 wiedergegeben. In Fig. 5a liefert dieselbe Anordnung von Elementen (horizontaler linearer Detektor D_A, Objektiv L₁ und Ab tastspiegel M₁), wie zuvor angeordnet in dem Achsensystem OXYZ, ein horizontales Bild D′_A der Zeile D_A.

Wenn man mittels einer nicht dargestellten mechanischen Vorrichtung die Detektorzeile D_A um 90° um OZ dreht, so daß die Detektorzeile bei D_B in Fig. 5b zu liegen kommt, nimmt, sobald man vom Bildmodus zum Panoramamodus über geht, das Bild D′_B in der Szene eine vertikale Lage ein. Die optischen Achsen der genannten Überwachungsmoden fal len zusammen.

Ein zweites Mittel zur Drehung des horizontalen Bildes des linearen Detektors in eine vertikale Stellung ohne Rückgriff auf ein Drehelement ist bei der Vorrichtung ver wirklicht, die schematisch in Fig. 6 dargestellt ist und folgendes umfaßt (Fig. 6a):

- Ein lineares Mosaik von Detektoren D (oder das Bild einer durch ein optomechanisches Mittel abgetasteten Zeile)
- ein Objektiv L₁, dessen optische Achse horizontal ver läuft,
- einen Rasterabtastspiegel M₁ mit Zentrum bei O₁, dessen Drehachse parallel zur Achse des Mosaiks oder der Zeile verläuft,
- ein afokales System mit zwei Vergrößerungen und vertika ler optischer Achse O₂Z, bestehend aus den feststehen den Elementen L₂ und L₃ entsprechend einer maximalen Vergrößerung und den beweglichen Elementen L₄ und L₅, die sich zwischen die Elemente L₂ und L₃ (Fig. 6a und
6b) schieben und der Anordnung eine minimale Vergrößerung verleihen,
- einen Spiegel M_2A (Fig. 6a) mit Zentrum bei O₂, der um etwa 45° geneigt ist und die optische Achse O₁O₂

nach O₂X ablenkt, derart, daß sie nahe einer horizonta len Richtung in einer die optische Achse L₁ enthaltenden Ebene im Bildmodus liegt. Das Bild des Detektors in der Landschaft ist folglich horizontal. Derselbe Spiegel M_2A, weiterhin um etwa 45° geneigt, dreht sich um 90° um die Achse O₂Z, derart, daß er nach M_2B kommt (Fig. 6b). Die optische Achse ist dann im Panoramamodus nach O₂Y ge richtet und das Bild des Detektors in der Landschaft ist vertikal.

- Ein Bildmodusfenster H₁ auf der Achse O₂X
- ein Panoramamodusfenster H₂ auf der Achse O₂Y′
- eine nicht dargestellte Vorrichtung zur Drehung um die Achse O₂Z ermöglicht im Bildmodus die Panoramabeobach tung und im Panoramamodus die Rundumüberwachung der Landschaft.

Der Spiegel M₂ ist auch um die zu O₂Z rechtwinklige, in der Spiegelebene enthaltene Achse beweglich, so daß die optische Achse in azimutaler Richtung ausgerichtet wer den kann.

Bei dieser Ausführungsform sind die zwei optischen Achsen im Panoramamodus bzw. im Bildmodus zueinander rechtwinklig, was vorteilhaft sein kann. Im Panoramamodus dreht sich nämlich die Vorrichtung mit einer bestimmten Winkelge schwindigkeit (in der Größenordnung einer Umdrehung je Sekunde). Im Fall der Feststellung eines Ziels kann das Gerät auf den Bildmodus übergehen. Wenn die zwei Achsen zusammenfallen (wie bei der vorhergehenden Ausführungs form), muß die Vorrichtung folglich eine vollständige Um drehung ausführen, bevor sie von neuem in die Richtung des Ziels zeigt, es sei denn, es findet eine Drehrich tungsumkehr statt. Wenn hingegen die zwei Achsen mitein ander 90° einschließen, ist zwischen der Feststellung eines Ziels und der Möglichkeit der Überwachung nur eine Viertelumdrehung notwendig.

Sofern die beiden Beobachtungsachsen zueinander parallel sein sollen (mit einem Winkel von 0° oder von 180°), kön nen die Ausführungsformen nach den Fig. 7 und 8 verwendet werden.

In Fig. 7 bilden die zwei Achsen einen Winkel von 0°. Die eine der zwei Achsen (diejenige des Panoramamodus bei spielsweise) wird mittels eines in einer Vertikalebene liegenden Spiegels M₃ umgelenkt, der um 45° in umgekehr ter Richtung in bezug auf die Achse OY geneigt ist. Die zwei Beobachtungsfenster H₁ und H₂ können zu einem Einzi gen zusammengefaßt werden. Die Fig. 7a bzw. 7b ent sprechen der Überwachung im Bildmodus bzw. im Panorama modus.

In Fig. 8 bilden die zwei Beobachtungsachsen einen Winkel von 180°. Die Achse für den Panoramamodus wird durch den Vertikalspiegel M₃ umgelenkt, der um 45° gleichsinnig in bezug auf die Achse OY geneigt ist. Das Beobachtungs fenster H₂ für den Panoramamodus ist folglich parallel zu dem Beobachtungsfenster H₁. Die Fig. 8a bzw. 8b ent sprechen der Überwachung im Bildmodus bzw. im Panorama modus.

Die Fig. 9 und 10 zeigen Ausführungsformen, bei denen die Beobachtungsachsen miteinander einen beliebigen Win kel einschließen.

In Fig. 9 ist der Vertikalspiegel M₄ gleichsinnig um einen beliebigen spitzen Winkel in bezug auf die Achse OY ge neigt. Die Beobachtung im Panoramamodus erfolgt über das Fenster H₂.

In Fig. 10 ist der Vertikalspiegel M₄ um einen beliebigen Winkel gegensinnig zu der Achse OY geneigt. In diesem Fall erfolgt die Überwachung in beiden Moden über das gleiche Fenster H₁.

Claims

1. Verfahren zur Kombination des sogenannten Bildmodus und des sogenannten Panoramamodus bei einer Infrarot kamera, die u. a. ein horizontal angeordnetes lineares Detektorenmosaik, ein Objektiv, das im Unendlichen ein Bild des Mosaiks erzeugt, einen ersten, um 45° gegen die optische Achse des Objektivs geneigten und beidseits dieses Winkels um eine zu dem linearen Mosaik parallele Achse schwingenden Planspiegel zur Vertikalabtastung der Landschaft im sogenannten Bild modus umfaßt, wobei das horizontale Bild des linearen Detektorenmosaiks nachfolgend in eine vertikale Rich tung gebracht und die Schwingbewegung des ersten Planspiegels beendet wird, und die gesamte Anordnung dieser Elemente sich um eine in vertikaler Richtung verlaufende optische Achse gleichförmig dreht um die Landschaft im sogenannten Panoramamodus abzutasten, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Richtung des linearen Bildes der Detektoren durch eine ein fache Veränderung der Stellung eines geeigneten Ele mentes der Kamera erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die optische Achse des vertikal angeordneten Objektivs im Bildmodus durch den ersten Spiegel in eine horizontale Richtung umgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Stel lungsveränderung darin besteht, das lineare Detektoren mosaik um 90° in der Horizontalebene zu drehen, so daß die optische Achse des Bild- und des Panoramamodus in der horizontalen Richtung zusammenfallen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die optische Achse des horizontal angeordneten Objektivs durch den ersten Spiegel in vertikaler Richtung geklappt wird und die Kamera desweiteren ausgerichtet zu der vertikalen op tischen Achse ein afokales System, gefolgt von einem zweiten, um 45° geneigten Planspiegel, umfaßt, der im Bildmodus die optische Achse von neuem in eine horizontale Richtung parallel zur optischen Achse des Objektivs umlenkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellungsveränderung darin besteht, den zweiten Spiegel um 90° um die vertikale optische Achse derart zu drehen, daß die optischen Achsen des Bild- und des Panoramamodus in der gleichen horizontalen Ebene auf einander senkrecht stehen, wodurch sich die Drehung der Kamera bei Entdeckung eines Zieles im Panorama modus und Beobachtung dessen im Bildmodus auf ein Vier tel einer Umdrehung vermindert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter, vertikal angeordneter Planspiegel um 45° in gegensinniger Richtung (oder in gleichsinniger Rich tung) in bezug auf die zur optischen Achse im Bildmodus rechtwinklige Richtung geneigt ist, um die optische Achse des Panoramamodus um 90° umzulenken, damit die beiden Beobachtungsmoden in gleicher Richtung gleich sinnig (oder gegensinnig) werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter, vertikal angeordneter Planspiegel um einen beliebigen spitzen Winkel in gegensinniger Richtung (oder in gleichsinniger Richtung) in bezug auf die zur optischen Achse im Bildmodus rechtwinklige Richtung ge neigt ist, um die optische Achse des Panoramamodus um einen solchen Winkel umzulenken, daß die beiden Be trachtungsmoden in zwei unterschiedlichen Richtungen gleichsinnig (oder gegensinnig) erfolgen.