DE69106636T2 - Abbildungssystem. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf einen Bildgeber, der Fokalebenenfelder (FPAs) verwendet, insbesondere das Bildgeben in den Infrarot- (IR-) Wellenbändern, die derartige Geräte verwenden.
• IR-Abbildesysteme werden jetzt in vielen Gebieten wichtiger, insbesondere Militär-, Sicherheits- und Anwendungen des Suchens und Bergens. Frühe IR-Bildgeber verwendeten eine kleine Anzahl von Detektorelementen, über welche ein IR-Bild der Szene über ein System von Spiegeln und Polygonen abgetastet wurde. Jüngere Entwicklungen umfassen Bildgeber, die auf zweidimensionalen Feldern von Detektorelementen beruhen, sogenannte starrende Felder, welche kein Abtasten erfordern, um ein nützliches Bild der Szene zu erzeugen. Die Verweilzeit, die für jedes Detektorelement in derartigen Systemen verfügbar ist, wird gegenüber früheren Abtastersystemen beträchtlich erhöht, was zur Folge hat, daß eine signifikant verbesserte Systemleistungsfähigkeit von vergleichbaren Detektormaterialien erreichbar ist. Der IR-Systemdesigner kann wählen, ob dieser Anstieg bezüglich der Leistung ausgenutzt oder ein Detektormaterial mit geringerer Leistungsfähigkeit verwendet wird, um eine ähnliche Empfindlichkeit wie in den früheren Abtastersystemen zu erreichen. Hohe Systemleistung wird durch Bildgeber basierend auf Feldern von Cadmiumquecksilbertellurid, die auf Flüssigstickstoff-Temperaturen gekühlt werden, typisiert, während herkömmliche Leistungsniveaus durch Bildgeber basierend auf Schottky-Barriere-Feldern und pyroelektrischen Keramiken erreicht werden. Diese letzteren Systeme bieten signifikante Vorteile im Ausdruck der Kosten und/oder der logistischen Unterstützungsanforderungen (wie Kühlmittelversorgungen) gegenüber den Hochleistungssystemen.
• Unglücklicherweise müssen verschiedene Nachteile von FPA-Bildgebern überwunden werden, um Leistungsfähigkeit vergleichbar mit herkömmlichen abgetasteten Bildgebern zu schaffen. Augenblickliche FPAs sind nur in begrenzten Pixel-Anzahlen, typischerweise 128x128 oder 256x256 Elementen verfügbar, was ungenügend ist, um es mit der räumlichen Auflösung der besten abgetasteten Bildgebersystemen aufzunehmen. Schließlich wird die Entwicklung geeigneter Herstellungstechnologien dieses Problem überwinden, was größere Pixeldichten zur Folge hat.
• Zur vorliegenden Zeit jedoch erfordern die starrenden Fokalebenenfeld-Bildgeber von dem Bild, auf der Fokalebene mikroabgetastet oder gezittert zu werden, damit die volle räumliche Auflösung von dem System erhalten werden kann. Das Bild muß aus der Verschachtelung verschiedener derartiger mikroabgetasteter Teilbilder gebildet werden, um ein Kompositvollbild aus Daten vor der Anzeige zu erzeugen. Dieses allgemeine Konzept für ein 2x2 Mikroabtastsystem ist in Fig. 1 gezeigt. Das Bild wird durch vier Positionen A bis D, 2 in jeder Achse, bewegt und durch das FPA bei jeder Position abgefragt. Das volle Vollbild der Daten E, das die geeignet verschachtelten Mikroabtastfelder umfaßt, wird dann dem Beobachter mit der vollen Auflösung des Systems angezeigt. Obwohl Fig. 1 einen 2x2-Mikroabtast-Ansatz zeigt, sind andere Beziehungen möglich, wie als 2x1 in einer Diagonalachse, 2x3 und 3x3. Die optimale Anzahl der Teilbilder, die verwendet wird, um das zusammengesetzte Vollbild zu erzeugen, hängt von verschiedenen Faktoren einschließlich der Detektorelementgröße und der Detektorelementgestalt, des Abstandes der Elemente und den relativen Modulationstransferfunktionen (MTFs) der anderen Komponenten wie der Optiken in dem System ab.
• Ein Bildgeber, der eine verbesserte Mikroabtasttechnik verwendet, wird in Fig. 2 offenbart.
• Der Bildgeber 1 umfaßt eine Linse 2, ein zweidimensionales Sensorfeld 3 und einen durch einen Motor 5 angetriebenen Zerhacker 4. Der Zerhacker ist in Fig. 3 in Draufsicht gezeigt und umfaßt eine Vielzahl von nicht transmissiven Bereichen 5 und transmissiven Bereichen 6, die refraktives Material umfassen, das so gewinkelt ist, um Strahlung in die durch die Pfeile 7 angedeuteten Richtungen zu brechen.
• Wenn der Motor 5 von Figur 2 durch Batterie 8 erregt wird, dreht sich der Zerhacker 4 und jede Zeile des Sensorfeldes 3 wird durch den elektronischen Schaltkreis 9 ausgelesen, wenn die führende Kante 10 jedes nicht transmissiven Bereichs 5 über ihn tritt.
• Einfallende Strahlung auf dem Bildgeber wird in einer unterschiedliche Richtung durch jeden sukzessiven Transmissionsbereich 6 des Zerhackers 4 gebrochen, um dadurch die Mikroabtastung zu implementieren. Sukzessive Vollbilder werden digital in einem Vollbildspeicher innerhalb des elektronischen Schaltkreises 9 vor der Anzeige auf der Kathodenstrahlröhre 11 verschachtelt. Dies hat verschiedene Nachteile des Gesamtsystems zur Folge.
• 1. Das System kann elektronisch ziemlich komplex sein und erfordert Vollbildspeicherung.
• 2. Die Systemkomplexizität hat unvermeidbare Systemkosten zur Folge.
• 3. Indem die Daten in einem Vollbildspeicher vor der nachfolgenden Anzeige in einem einzelnen Vollbild verschachtelt werden, wird die zeitliche Kontinuität des Abbildungsverfahrens zerstört, was einen Verlust der Nutzen der Mikroabtastung zur Folge hat, wenn das Bild sich bewegt. Dies ist besonders so, wenn der Bildgeber geschwenkt wird, was zur Folge hat, daß multiple Bilder, die jedes der Position des Bildes auf dem Detektor in jedem der Mikroabtastteilbilder entsprechen, erzeugt werden. Da diese im wesentlichen aufgrund der Bildgeberbewegung unkorreliert sind, wäre extensive Datenmanipulation erforderlich, um das Problem zu überwinden.
• 4. Im allgemeinen verwenden derartige Systeme eine Kathodenstrahlröhre (CRT) für die Anzeige von Information an den Benutzer. Derartige Anzeigen leiden, obwohl sie weit verbreitet verwendet werden, an beträchlichen Nachteilen. Insbesondere werden die CRTs hergestellt, wobei Vakuumglastechnologie verwendet wird, und als solche sind sie besonders zerbrechlich, falls nicht Schritte unternommen werden, um die Röhre robust zu machen. Auch für die empfindlichen Elektroden und die Phosphorschirmüberzüge ist es wahrscheinlich, Beschädigung durch Vibration und Schock zu erleiden. Obwohl robust gemachte CRTs verfügbar sind, sind sie teuer und voluminöser als ihre herkömmlichen Äquivalente. Zusätzlich liegt der Leistungsverbrauch der CRTs üblicherweise im Überschuß von einem Watt und kann sich auf mehrere Watt für die größeren und/oder robuster hergestellten Röhren belaufen, wobei die Anforderungen der Ansteuerungselektroniken nicht umfaßt werden. Ein weiteres Problem, das mit CRT-Anzeigen verbunden ist, ist, daß die elektronischen Ansteuerungsschaltkreise selten mit den gleichen Abtastsequenzen wie der Detektor arbeiten, was die Anforderung nach zusätzlicher Vollbildabspeicherung und Datenresequenzierung (gegebenenfalls nur bei unterschiedlicher zeitlicher Abstimmung) zwischen den Detektions- und Anzeigeprozessen zur Folge hat.
• Ein Bildgeber, der den Bedarf nach einer Kathodenstrahlröhre, um ein Bild anzuzeigen, überwindet, ist in Figur 4 offenbart.
• Der Bildgeber von Figur 4 umfaßt eine Linse 20, die Strahlung auf ein Detektorfeld 21 fokussiert. Im Betrieb wird Strahlung, die auf das Sensorfeld 21 einfällt, durch einen Zerhacker 22 unterbrochen, welcher in größerem Detail in Figur 5 gezeigt ist. Der Zerhakker wird durch einen Motor 23 angetrieben, der durch eine Batterie 24 erregt wird, und wird mit einem elektronischen Schaltkreis 25 synchronisiert, welcher jedes Vollbild des Sensorfeldes 21 sequentiell Zeile um Zeile ausliest, wenn jede führende Kante 26 von jeder Zerhakkerschneide 27 darüber tritt. Der elektronische Schaltkreis 25 erregt ein lineares Feld von LEDs 28 derart, daß sie in Abhängigkeit von der Strahlung beleuchtet werden, die von jedem entsprechenden Element der Zeile empfangen wird, die aus dem Sensorfeld 21 ausgelesen wird. Eine reflektive Oberfläche 29 eines Polygons 30, das durch den Motor 23 angetrieben wird, tastet Strahlung aus dem Feld der LEDs derart ab, daß, aufgrund der natürlichen Persistenz des Sehens, ein Bild durch einen Betätiger gesehen wird, das scheinbar ein zweidimensionales Feld von LEDs umfaßt, die das durch das Sensorfeld 21 empfangene Bild darstellen.
• Die vorliegende Erfindung trat aus der Erkenntnis hervor, daß die Prinzipien der zwei Erfindungen, die oben beschrieben wurden, verwendet werden könnten, um einen verbesserten Bildgeber zu schaffen.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Bildgeber geschaffen mit: einer Linse zum Fokussieren empfangener Strahlung auf ein zweidimensionales Feld von Sensorelementen; einem mechanischen Mittel zum Verschieben eines auf das Feld der Sensorelemente einfallenden Bildes relativ zu dem Feld, um das Mikroabtasten zu bewirken; einem Feld optischer Elemente, welches einen Ausgang in Abhängigkeit von Strahlung, die auf das Sensorfeld einfällt, erzeugen; und einem Mittel zum variablen Ablenken von Strahlung aus den optischen Elementen in Synchronismus mit dem Mittel zum Bewirken des Mikroabtastens. Vorzugsweise wird die Strahlung aus den optischen Elementen in entgegengesetzter Richtung gelenkt und zwar in Proportion zu der Verschiebung des Bildes auf den Sensorelementen.
• Indem die Erfindung verwendet wird, kann jedes Teilbild, das durch das Mikroabtasten erzeugt wird, direkt auf dem Gesichtsfeld des Beobachters in Echtzeit ohne die Anforderung komplexer Verschachtelungselektroniken verschoben werden, um das zusammengesetzte Vollbild zu erzeugen. Die Persistenz des Sehens des menschlichen Auges und die Fähigkeit des Auges/Gehirns, Ziele in dem Gesichtsfeld aufzuspüren und ihnen zu folgen, hat die automatische Verschachtelung des wahrgenommenen Bildes zur Folge. Daher wird die zeitliche Konsistenz der Daten über die gesamte bildgebende Kette aufrechterhalten, was so die Bewahrung der Nutzen des Mikroabtastens sicherstellt, selbst wenn das Bild wie beim Schwenken der Kamera bewegt wird.
• Vorteilhafterweise umfaßt das auf variable Weise ablenkende Mittel ein Polygon mit reflektierenden Facetten, die dazu angeordnet sind, um eine zentrale Achse derart zu rotieren, daß sequentielle optische Ausgänge aus den optischen Elementen durch das Polygon abgetastet werden.
• Es ist daher nur nötig, eine Ausgangsanzeige einer einzelnen Zeile vorzusehen und das mit vielen Facetten versehene Polygon zu verwenden, um diese Anzeige über das Auge des Benutzers abzutasten, wobei die natürliche Persistenz des Sehens verwendet wird, um ein zweidimensionales Bild aus dem eindimensionalen Feld zu erzeugen.
• Vorzugsweise werden das mechanische Mittel zum Verschieben eines Bildes und das Mittel zum Ablenken von Strahlung aus dem optisch erzeugenden Mittel mechanisch gekoppelt, um dadurch die Synchronisation vorzusehen, wobei ein einzelner Antriebsmechanismus verwendet wird.
• Vorteilhafterweise sind die Facetten des Polygons profiliert, um eine Verschiebung der sequentiellen Bilder, die durch das Abtasten des optischen Feldes erzeugt werden, herzustellen, wobei die Verschiebung in der entgegengesetzten Richtung zu der Verschiebung aufgrund des Mikroabtastens vor dem Einfall auf das Sensorfeld verursacht ist. Dies erlaubt, daß die Kompensierung auf das Versetzen durch die Mikroabtastung durchgeführt wird, was einen Entwurf von niedriger Technologie schafft, welcher ohne weiteres und billig herzustellen ist, und relativ niedrige Toleranzen für ein optisches System aufweist. Überdies ist, weil es keinen Bedarf nach einer Kathodenstrahlröhre gibt, der Leistungsverbrauch des gesamten Mikroabtastanzeigessystems minimal, was es in idealer Weise geeignet für Anwendungen mit niedriger Leistung macht.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun nur beispielsweise mit Bezug auf die Figuren 3 und 6 der Zeichnungen beschrieben werden, wobei Figur 6 schematisch einen Bildgeber veranschaulicht, der den Zerhacker 4 von Figur 3 verwendet.
• Der Bildgeber 30 von Figur 6 umfaßt eine Linse 31, ein Feld pyroelektrischer erfassender Elemente 32, einen Zerhacker 33, der durch einen Motor 34 getrieben wird, einen elektrischen Schaltkreis 35, ein Feld von LEDs 36, ein Polygon 37, ein Okkular 38 und eine Batterie 39. Der Zerhacker, der in Figur 3 gezeigt ist, umfaßt eine Vielzahl von nicht transmissiven Bereichen 5 und transmissiven Bereichen 6 mit brechendem Material, wobei jeder Bereich in die Richtung der Pfeile 7 bricht.
• Im Betrieb wird Strahlung durch die Linse 31 auf das pyroelektrische Feld der erfassenden Elemente 32 fokussiert. Diese Strahlung wird durch den Zerhacker 4 unterbrochen, welcher durch den Motor 34 gedreht wird. Der Motor ist mit dem elektrischen Ausleseschaltkreis 35 derart synchronisiert, daß jede Zeile des Bildgeberfeldes 32 ausgelesen wird, wenn die Zerhackerkante 10 des Zerhackers 4 diese Zeile verdunkelt. Der Schaltkreis 35 erregt das Feld der LEDs 36 derart, daß sie in Abhängigkeit von der Strahlung, die von jedem entsprechenden Element der Zeile, die ausgelesen wird, beleuchtet werden. Der Motor 34 dreht das Polygon 37, welches Strahlung aus der LED 36 in ein Sichtfeld eines Beobachters reflektiert. Die Rotation des Polygons veranlaßt, daß sukzessive Zeilenauslesungen durch die LED angezeigt werden, um in benachbarten Positionen zu erscheinen, so daß ein Beobachter, der durch das Okkular 38 sieht, aufgrund der Persistenz seines Sehens ein vollständiges Vollbild beobachtet.
• Das nächste Vollbild wird Zeile um Zeile aus dem Feld der erfassenden Elemente 32 ausgelesen. Dies ist in einer unterschiedlichen Richtung durch das brechende Material 6 des Zerhackers 4 gebrochen worden. Dieses Vollbild wird auf die gleiche Weise wie das vorhergehende Vollbild ausgelesen und abgetastet, aber aufgrund der sukzessiven Facetten des Polygons 37, die in verschiedenen Richtungen geschnitten sind, werden sukzessive reflektive Bilder um einen gleichen und entgegengesetzten Betrag zu jenem, um welchen sie aufgrund der Brechung des Zerhackers 4 verschoben sind, verschoben. Daher erzeugt das Auge des Beobachters aufgrund der Persistenz des Sehens nicht nur zweidimensionale Bilder, sondern verschachtelt sukzessive Bilder, um dadurch ein zusammengesetztes mikroabgetastetes Bild zu erzeugen.

Claims (19)

1. Ein Bildgeber mit: einer Linse (31) zum Fokussieren empfangener Strahlung auf ein zweidimensionales Feld aus Sensorelementen (32); einem mechanischen Mittel (34, 4) zum Verschieben eines auf das Feld aus Sensorelementen (32) einfallenden Bildes relativ zu dem Feld, um Mikroabtasten zu bewirken; einem Feld optischer Elemente (36), welche eine Ausgabe in Abhängigkeit von Strahlung, die auf das Sensorfeld (32) einfällt, erzeugen; und einem Mittel (37) zum variablen Ablenken von Strahlung aus den optischen Elementen (36) in Synchronisation mit dem Mittel (34, 4) zum Bewirken der Mikroabtastung.

2. Ein Bildgeber nach Anspruch 1, worin die Strahlung aus den optischen Elementen in entgegengesetzter Richtung abgelenkt wird, und zwar in Proportion zu der Verschiebung des Bildes auf den Sensorelementen.

3. Ein Bildgeber nach Anspruch 2, worin die Strahlung variabel abgelenkt wird, um ein Bild zu erzeugen, welches eine Kombination sukzessiver mikroabgetasteter Vollbilder ist.

4. Ein Bildgeber nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin die optischen Elemente in einem eindimensionalen Feld angeordnet sind, welches eine sequentielle optische Ausgabe in Abhängigkeit von der von jedem Subfeld des Sensorfeldes empfangenen Strahlung erzeugt.

5. Ein Bildgeber nach Anspruch 4, worin das variabel ablenkende Mittel ein Polygon mit reflektiven Facetten umfaßt, das dazu angeordnet ist, sich um eine zentrale Achse derart zu drehen, daß die sequentiellen optischen Ausgaben aus den optischen Elementen durch das Polygon abgetastet werden.

6. Ein Bildgeber nach Anspruch 5, worin die Facetten des Polygons profiliert sind, um eine Verschiebung der sequentiellen Bilder, die durch Abtasten des optischen Feldes erzeugt werden, herzustellen, wobei die Verschiebung in der entgegengesetzten Richtung zu der Verschiebung aufgrund des Mikroabtastens vor dem Einfall auf das Sensorfeld liegt.

7. Ein Bildgeber nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin das mechanische Mittel zum Verschieben eines Bildes und das Mittel zum Ablenken von Strahlung aus dem optisch erzeugenden Mittel mechanisch gekoppelt sind.

8. Ein Bildgeber nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin das mechanische Mittel zum Verschieben eines Bildes ein Glied umfaßt, das zumindest einen refraktiven Bereich umfaßt, der für Strahlung, auf welche die Sensorelemente ansprechen, transmissiv ist, und das bewegbar ist, so daß ein refraktiver Bereich des Gliedes wiederholt in den Strahlungsweg zwischen die Linse und das Feld zwischengeschoben wird, wodurch das auf das Feld fokussierte Bild bewegt wird.

9. Ein Bildgeber nach Anspruch 8, worin das Glied zumindest einen Bereich umfaßt, welcher im wesentlichen nicht transmissiv für die Strahlung ist, welcher in den Strahlungsweg zwischensetzbar ist.

10. Ein Bildgeber nach Anspruch 9, worin das Glied eine Vielzahl der refraktiven Bereiche, die alternierend mit einer Vielzahl der nicht transmissiven Bereiche angeordnet sind, umfaßt, so daß im Betrieb die Bewegung des Gliedes verschiedene transmissive Bereiche dazu veranlaßt, nacheinander in den Strahlungsweg gesetzt zu sein, wodurch das auf das Feld fokussierte Bild sequentiell in verschiedenen Richtungen relativ zu dem Feld bewegt wird.

11. Ein Bildgeber nach Anspruch 9 oder 10, worin jeder transmissive und nicht transmissive Bereich nominell im wesentlichen identische Abmessungen aufweist.

12. Ein Bildgeber nach einem der Ansprüche 8 bis 11, worin das Glied im wesentlichen planar und um eine Achse mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit drehbar ist.

13. Ein Bildgeber nach einem der Ansprüche 8 bis 12, worin die aufeinanderfolgenden transmissiven Bereiche mit refraktivem Material Strahlung in entgegengesetzten Richtungen brechen.

14. Ein Bildgeber nach einem der Ansprüche 8 bis 13, worin das refraktive Material Strahlung derart bricht, daß ein auf die Sensorelemente durch die Linse fokussiertes Bild um eine Distanz kleiner als die Distanz zwischen den Mitten benachbarter Sensorelemente gebrochen wird.

15. Ein Bildgeber nach einem vorhergehenden Anspruch zum Abbilden thermischer Strahlung.

16. Ein Bildgeber nach Anspruch 15, worin die Sensorelemente pyroelektrische Elemente sind.

17. Ein Bildgeber nach einem vorhergehenden Anspruch, worin die Strahlung sequentiell in vier orthogonalen Richtungen verschoben wird.

18. Ein Bildgeber nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin das mechanische Mittel zum Verschieben eines Bildes eine Scheibe ist und eine Vielzahl von transmissiven refraktiven Bereichen, die alternierend mit nicht-transmissiven Bereichen um seinen Umfang angeordnet sind, umfaßt, wobei die Grenze zwischen benachbarten Bereichen gekrümmt ist, so daß die Grenze über das Feld mit einer im wesentlichen konstanten linearen Geschwindigkeit tritt.

19. Ein Bildgeber nach Anspruch 18, worin das mechanische Mittel acht transmissive refraktive Bereiche, die zwischen acht nicht transmissive Bereiche zwischengesetzt sind, umfaßt, wobei jeder sukzessive refraktive Bereich Strahlung in einer Richtung bei 90º zu dem vorhergehenden Bereich bricht.