DE4039577A1 - Offset and response compensation of line or matrix detectors - Google Patents

Offset and response compensation of line or matrix detectors

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Abstract

The line or mosaic detector used for thermal image processing has a facility for compensation to reduce the effect of the so called Aliasing phensmenon. As two detectors (1,2) are moved between positions (1'-n') differences of voltage (U) are apparent. As one detector (1) moves to the position previously associated with the other (2) an offset voltage difference exists. The process eliminates the difference to harmonise the output.

Description

Die Erfindung betrifft das Abtastverfahren eines elektrooptischen Zeilen- oder Mosaikdetektors für Wärmebildgeräte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to the scanning method of an electro-optical line or mosaic detector for thermal imaging devices according to the preamble of claim 1.

Bei Wärmebildgeräten mit mosaikförmig angeordneten Detektorelementen reicht oft die verfügbare Anzahl der Detektorelemente nicht aus, so daß ein soge­ nannter Mikroscan notwendig wird. Derselbe soll bewirken, daß auch die Zwischenräume zwischen den Detektorelementen abgetastet werden. Aus der EP-A1 01 33 890 ist z. B. der vergleichsweise einfache Fall bekannt, bei dem jedes der Elemente durch eine taumelnde bzw. nutierende Abtastbewegung des Abtastspiegels nacheinander vier Positionen einnimmt, die in etwa den Eck­ punkten einer rechteckförmigen Schleife entsprechen.Thermal imaging devices with mosaic detector elements are sufficient often the available number of detector elements is not sufficient, so that a so-called called microscan becomes necessary. The same is intended to cause the Spaces between the detector elements are scanned. From the EP-A1 01 33 890 is e.g. B. the comparatively simple case is known in which each of the elements by a wobbling or nutating scanning movement of the Scanning mirror takes four positions one after the other, which is roughly the corner points correspond to a rectangular loop.

Bei Wärmebildgeräten mit Zeilendetektoren verwendet man häufig einen Spiegel, um einen sogenannten Parallelscan, auch Parallelabtastung genannt, durchzu­ führen. Um die Zeilenzahl zu erhöhen, führt man hierbei häufig auch noch eine Kippbewegung des Spiegels durch, mit der ein sogenannter Zeilensprung ("Interlace") erreicht wird.Thermal imaging devices with line detectors often use a mirror, to perform a so-called parallel scan, also called parallel scanning to lead. In order to increase the number of lines, you often have to do this a tilting movement of the mirror with which a so-called interlacing ("Interlace") is reached.

Für Fernsehkameras sind sodann im sichtbaren Bereich integrierte Halbleiter­ detektoren bekannt, die z. B. aus 580·700 Detektorelementen bestehen. Die Signalauslesung erfolgt mittels CCDs (charged coupled devices = Ladungs­ koppelelemente). Kennzeichnend für diese Art von Detektorelementen ist, daß jedes von ihnen einem Bildpunkt entspricht. Die Auflösung eines Bildes ist daher von der Zahl der Detektoren abhängig.Integrated semiconductors for television cameras are then in the visible range known detectors, the z. B. consist of 580 x 700 detector elements. The Signals are read out using CCDs (charged coupled devices = charge coupling elements). Characteristic of this type of detector element is that each of them corresponds to a pixel. The resolution of an image is therefore dependent on the number of detectors.

Im Gegensatz hierzu verwendet man bei konventionellen Wärmebildgeräten wenige Detektorelemente, maximal etwa 100, die mittels mechanisch-optischer Ver­ fahren über das Bildfeld geführt werden, so daß ein solcher Mosaikdetektor Signale von vielen Bildpunkten liefert. Die Erhöhung der Detektorzahlen auf Werte, die bei CCDs im Sichtbaren verwendet werden, stößt im Infraroten allerdings auf Kosten- und technologische Probleme. Speziell bei dem Detektormaterial HgCdTe (= Quecksilbercadmiumtellurid) sind diesbezüglich Mosaike von höchtens etwa 128·128 bis maximal 256·256 Detektorelementen vertretbar. Ein anderes Problem stellen die Detektorzwischenräume dar. Häufig fallen die­ selben aus technologischen Gründen vergleichsweise groß aus, so daß viel Strahlung auch in diesen unempfindlichen Bereich fällt. Dadurch wird nicht nur die Empfindlichkeit der Anordnung reduziert, sondern es geht zusätzlich Information verloren, was zu einer Verfälschung des Bildes beiträgt. Dieses Phänomen ist unter der Bezeichnung "Aliasing" (= Verfremdung) bekannt. Schließlich stören hier auch - viel stärker als im sichtbaren Bereich - unter­ schiedliche Dunkelströme bzw. -spannungen oder -ladungen sowie unterschied­ liche Responsivitäten (= Empfindlichkeiten) der Detektorelemente. Diesen Inhomogenitäten begegnet man beim augenblicklichen Stand der Technik durch eine aufwendige sogenannte Zweipunktkorrektur, bei der alle Detektorelemente nacheinander der Strahlung von zwei Referenzelementen unterschiedlicher Tem­ peratur ausgesetzt werden.In contrast, few are used in conventional thermal imaging devices Detector elements, a maximum of about 100, which by means of mechanical-optical Ver  drive over the image field, so that such a mosaic detector Delivers signals from many pixels. The increase in the number of detectors Values that are used with CCDs in the visible come across in the infrared, however on cost and technological problems. Especially with the detector material In this regard, HgCdTe (= mercury cadmium telluride) are of the highest quality about 128 * 128 up to a maximum of 256 * 256 detector elements acceptable. A another problem is represented by the detector interspaces same for technological reasons comparatively large, so that much Radiation also falls within this insensitive range. This will not only reduces the sensitivity of the arrangement, but it works additionally Information lost, which contributes to falsification of the picture. This The phenomenon is known as "aliasing". After all, here too - much more so than in the visible range different dark currents or voltages or charges as well as difference responsivities (= sensitivities) of the detector elements. This one One encounters inhomogeneities in the current state of the art a complex so-called two-point correction in which all detector elements successively the radiation from two reference elements of different tem exposed to temperature.

Die Aufgabe der Erfindung wird in der Schaffung einer wenig aufwendigen Mög­ lichkeit zur Beseitigung bzw. Reduzierung unterschiedlicher elektrischer Dunkelgrößen sowie der Homogenisierung unterschiedlicher Responsivitäten bei dem gattungsgemäßen Verfahren gesehen; auch kann diese Aufgabe mit der Be­ seitigung bzw. Reduzierung des Aliasing-Phänomens verknüpft werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruchs gelöst. Mit einer vergleichsweise einfachen Vernetzung läßt sich sowohl eine konventionelle als auch eine szenenbezogene Offsetkorrektur unter Beseitigung von Dunkelströmen, -spannungen und -ladungen sowie von Responsivitäten durch­ führen.The object of the invention is to create a less complex poss possibility to eliminate or reduce different electrical Dark sizes and the homogenization of different responsivities seen the generic method; this task can also be done with the Be the aliasing phenomenon. These The object is achieved by the characterizing features of the claim solved. With a comparatively simple networking, both conventional as well as scene-related offset correction with elimination of dark currents, voltages and charges as well as of responsivities to lead.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous embodiments result from the subclaims.

Im folgenden werden an Hand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Figuren dieselben Bezugszahlen aufweisen. Es zeigtExemplary embodiments of the invention are described below with the aid of a drawing explained, the corresponding in the individual figures Figures have the same reference numbers. It shows

Fig. 1 die Schemaskizze eines aus wenigen Detektorelementen bestehenden Mosaiks und desssen Mikroscan zur Be­ seitigung von "Aliasing" (Fig. 1a) sowie der Vernetzung (Fig. 1b), Fig. 1 shows the schematic sketch of a consisting of a few detector elements mosaic and desssen microscan to Be OTING of "aliasing" (Fig. 1a) and the cross-linking (Fig. 1b),

Fig. 2 eine Kombination der in Fig. 1a und Fig. 1b aufge­ zeigten Mikroscan-Möglichkeiten, Fig. 2 is a combination of the in Fig. 1a and Fig. 1b indicated micro scan options,

Fig. 3 die unkompensierten Ausgangsspannungen der Detektoren 1 und 2 speziell in Position 2′ von Fig. 1, Fig. 3 shows the uncompensated output voltages of the detectors 1 and 2 in particular in position 2 'of FIG. 1,

Fig. 4 die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Zeilendetektor und Fig. 4 shows the application of the method according to the invention in a line detector and

Fig. 5 die Ausgangssignale des Detektoren 1 und 2 für die Zeile 2′′ von Fig. 4. Fig. 5, the output signals of the detectors 1 and 2 for the line 2 '' of Fig. 4.

In Fig. 1a sei zur Erläuterung des Prinzips ein Ausschnitt von vier Detektor­ elementen 1 bis 4 aus einem Mosaikdetektor angenommen. Durch einen konven­ tionellen Zwei-mal-zwei-Mikroscan nimmt hier das Detektorelement 1 mittels optomechanischer oder auch anderer Maßnahmen nacheinander die Positionen bis 4′ ein, wobei die Reihenfolge des Abtastens für die grundsätzliche Dis­ kussion unerheblich ist. Hierbei wird das Aliasing-Problem angegangen, indem die Positionen 2′ bis 4′ in Zwischenräume zwischen die einzelnen Detektor­ elemente fallen.In Fig. 1a, a section of four detector elements 1 to 4 from a mosaic detector is assumed to explain the principle. Through a conventional two-by-two microscan, the detector element 1 takes the positions to 4 ' one after the other by means of optomechanical or other measures, the sequence of scanning being irrelevant for the basic discussion. Here, the aliasing problem is addressed by the positions 2 'to 4 ' fall into the spaces between the individual detector elements.

Im Fall der Fig. 1b wird eine Vernetzung durchgeführt, indem der Detektor 1 neben seiner Ruhestellung 1′ nacheinander auch die Positionen 2′ bis 4′ ein­ nimmt, die den Ruhestellungen der Detektoren 2 bis 4 entsprechen.In the case of Fig. 1b, networking is carried out by the detector 1 in addition to its rest position 1 'one after the other, the positions 2 ' to 4 ', which correspond to the rest positions of the detectors 2 to 4 .

Fig. 2, die einen größeren Ausschnitt des Mosaiks gemäß Fig. 1 zeigt, demon­ striert das Prinzip nach Fig. 1a und Fig. 1b, das heißt den konventionellen Mikroscan und die Vernetzung. Hier nimmt der Detektor 1 nacheinander z. B. die Positionen 1′, a, 2′, b, c, d, 4′, e, 5′ ein, wobei die mit den Buchstaben a bis e bezeichneten Positionen einen konventionellen Mikroscan zum Auffüllen der Zwischenräume bezeichnen, wohingegen die Positionen 1′, 2′, 4′ und 5′ der Vernetzung dienen. Fig. 2, which shows a larger section of the mosaic shown in FIG. 1, demon strated the principle according to FIG. 1a and FIG. 1b, that is, the conventional micro-scan and cross-linking. Here the detector 1 takes z. B. the positions 1 ', a, 2 ', b, c, d, 4 ', e, 5 ' a, the positions designated by the letters a to e denote a conventional microscan for filling the gaps, whereas the positions 1 ', 2 ', 4 'and 5 ' serve the networking.

Fig. 3 zeigt die unkompensierten Ausgangsspannungen der Detektoren 1 und 2 speziell in der Position 2′ von Fig. 1, deren Geometrie zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vernetzung herangezogen sei. Da die Dunkelströme der Detek­ toren 1 und 2 im Regelfall ungleich sind, werden auch die Ausgangsspannungen der Detektoren 1 und 2 ungleich sein. Da diese Detektoren aber in der Posi­ tion 2′ die gleiche Strahlung erhalten, kann durch eine elektrische Kompen­ sation ("Offsetkompensation") die Ausgangsspannung angeglichen werden. Dies setzt voraus, daß die Abtastung so schnell erfolgt, daß sich die Szenenstrah­ lung nicht merklich verändert hat, wenn Detektor 1 die Position 2′ einnimmt. Fig. 3 shows the uncompensated output voltages of the detectors 1 and 2 specifically in the position 2 'of Fig. 1, the geometry of which is used to explain the operation of the network. Since the dark currents of detectors 1 and 2 are usually unequal, the output voltages of detectors 1 and 2 will also be unequal. However, since these detectors receive the same radiation in position 2 ', the output voltage can be adjusted by an electrical compensation ("offset compensation"). This assumes that the scanning takes place so quickly that the scene radiation has not changed noticeably when detector 1 is in position 2 '.

Zweckmäßigerweise ermittelt man die Kompensationsspannung durch Mittelwert­ bildung (laufendes Mittel) aus vielen Messungen. Dadurch wird gewährleistet, daß die Kompensation bei plötzlichen Änderungen, z. B. dem Aufleuchten eines Punktobjektes, nicht das Nutzsignal wegkompensiert. Außerdem gewährleistet man damit, daß sich das Rauschen des Systems nicht merklich erhöht.The compensation voltage is expediently determined by means of an average education (running average) from many measurements. This ensures that the compensation for sudden changes, e.g. B. lighting up a Point object, not compensated for the useful signal. Also guaranteed that the noise of the system does not increase noticeably.

Fig. 4 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Zeilen­ detektor. Hierbei tastet der Detektor 1 die Zeile 1′′, der Detektor 2 die Zeile 2′′ usw. ab. Bei dem konventionellen und deshalb zeichnerisch nicht dargestellten Zeilensprungverfahren tastet Detektor 1 auch den Zwischenraum zwischen 1′′ und 2′′ ab. Die erfindungsgemäße Vernetzung erfolgt nun derge­ stalt, daß Detektor 1 auch die Zeile 2′′ abtastet. Fig. 4 shows the application of the method according to the invention in a line detector. Here, the detector 1 scans the line 1 '', the detector 2 the line 2 '' and so on. In the conventional interlacing method, which is therefore not shown in the drawing, detector 1 also scans the space between 1 '' and 2 '' . The networking according to the invention now takes place such that detector 1 also scans line 2 ''.

Fig. 5 schließlich zeigt beispielhaft die Ausgangssignale der Detektoren 1 und 2 für die Zeile 2′′. Wegen unterschiedlicher Dunkelströme sind die Mittel­ werte der Detektorspannungen 1 und 2 unterschiedlich, können aber ent­ sprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren kompensiert werden, da die gleiche Szenenstrahlung vorliegt. Fig. 5 finally shows an example of the output signals of the detectors 1 and 2 for the line 2 ''. Because of different dark currents, the mean values of the detector voltages 1 and 2 are different, but can be compensated accordingly according to the inventive method, since the same scene radiation is present.

Wegen der unterschiedlichen Responsivitäten werden auch die Abweichungen vom Mittelwert unterschiedlich sein. Durch Ermittlung der Schwankung um besagten Mittelwert, z. B. der Messung des Effektivwertes der Wechselstromkomponente (RMS-Wert), lassen sich auch diese Ungleichheiten kompensieren.Because of the different responsivities, the deviations from Mean may be different. By determining the fluctuation around said Mean, e.g. B. the measurement of the RMS value of the AC component (RMS value), these inequalities can also be compensated for.

Letztere Maßnahme (der Responsivitätskorrektur) kann prinzipiell auf zwei­ dimensionale Detektormosaike dadurch übertragen werden, daß jeweils zwei Detektoren mindestens drei identische Positionen einnehmen.The latter measure (the responsiveness correction) can be divided into two dimensional detector mosaics are transmitted by the fact that two Detectors occupy at least three identical positions.

Claims (7)

1. Abtastverfahren für einen elektrooptischen Zeilen- oder Mosaikdetektor für Wärmebildgeräte, der sich aus spalten- und zeilenförmig angeordne­ ten Detektorelementen mit gleichen gegenseitigen Abständen zusammensetzt und bei dem für eine elektrooptische Bildinformation hoher Bildauflösung das Bild mit Bildversatzmitteln nach Art eines sogenannten Mikroscans re­ lativ zu dem Mosaikdetektor bewegt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß zwecks einer optimalen Vernetzung mit Hilfe des Mikroscans jedes Detektorelement (1, 2, 3, 4 bis n) entweder nur die auf seinem Ab­ tastweg aufeinander folgenden Positionen (1′, 2′, 3′, 4′ bis n′) der Detektorelemente in der Umgebung des jeweiligen Detektorelements oder aber diese Positionen jeweils alternierend mit den entsprechenden Zwischen­ räumen (a bis e) einnimmt.1. scanning method for an electro-optical line or mosaic detector for thermal imaging devices, which is composed of column and row-shaped detector elements with the same mutual spacing and in which for an electro-optical image information high image resolution, the image with image shifting means in the manner of a so-called microscanning re relative to that Mosaic detector is moved, characterized in that, for the purpose of optimal networking with the aid of the microscan, each detector element ( 1 , 2 , 3 , 4 to n) either only the consecutive positions on its scanning path ( 1 ′, 2 ′, 3 ′, 4 'to n') of the detector elements in the vicinity of the respective detector element or alternately these positions with the corresponding intermediate spaces (a to e). 2. Verfahren nach Anspruch 1, das gekennzeichnet ist durch seine Verwendung bei einer zeilenförmigen oder nach Art einer (geschlos­ senen) Abtastschleife nutierenden Abtastbewegung.2. The method according to claim 1, which is characterized by its use in a line-shaped or in the manner of a (closed sen) scanning loop nutating scanning movement. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer zeilenförmigen Abtastbewegung die Vernetzung dadurch erfolgt, daß von jedem Detektor (1 bis n) außer seiner eigenen Zeile (1′′ bis n′′) auch noch jeweils die auf ihn folgende Zeile (2′′ bis n′′+1) abgetastet wird (Fig. 4).3. The method according to claim 2, characterized in that with a line-shaped scanning movement, the networking is carried out in that each detector ( 1 to n) in addition to its own line ( 1 '' to n '') and each following line ( 2 '' to n '' + 1) is scanned ( Fig. 4). 4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß so schnell abgetastet wird, daß die Szenenstrahlung von der Position (1′) eines Detektors (1) zu der Position (2′) des nächsten Detektors (2) weitgehend unverändert bleibt und die Ausgangsspannungen der Detektoren elektrisch kompensiert werden.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that it is scanned so quickly that the scene radiation from the position ( 1 ') of a detector ( 1 ) to the position ( 2 ') of the next detector ( 2 ) remains largely unchanged and the output voltages of the detectors are electrically compensated. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspannungen durch eine Mittelung mehrerer Messungen gewonnen wird.5. The method according to claim 4, characterized in that the Compensation voltages obtained by averaging several measurements becomes. 6. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Harmonisierung der Offsetspannungen und der unterschiedlichen Responsivitäten ohne eine Temperaturreferenz durch Auswertung der Szenen­ temperatur (Ermittlung einer mittleren Szenentemperatur) erfolgt. 6. The method according to claim 1 and 3, characterized in that the harmonization of the offset voltages and the different Responsivities without a temperature reference by evaluating the scenes temperature (determination of an average scene temperature).   7. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Harmonisierung der Offsetspannungen und der unterschiedlichen Responsivitäten mit Hilfe einer oder mehrerer Temperaturreferenzen am Rande des Bildfelds erfolgt.7. The method according to claim 1 and 3, characterized in that the harmonization of the offset voltages and the different Responsivities using one or more temperature references on Edge of the image field is done.
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