DE69216401T2 - Farbbildaufzeichnung für niedrige lichtstärken - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Farbbilderzeugung bei schwachem Licht unter Verwendung von Bildverstärkern.
• Optische Bildverstärker, z.B. des Mikrokanalplatten-Typs (microchannel plate type), sind bekannt und für die Verwendung in Nachtsichtgeräten weit verbreitet. Eine Szene wird von einem optischen System auf eine Eingabeoberfläche einer Verstärkerröhre projiziert, und das resultierende verstärkte Bild auf der Ausgabeoberfläche kann z.B. von einem optischen Mikroskopsystem oder einem Fernsehsystem beobachtet werden. Um ein gutes Bild zu erhalten wird die Bildröhre normalerweise mit einer Phosphorschicht (Leuchtstoffschicht) ausgestattet, welche mit einer grünlichen Farbe leuchtet, entsprechend der maximalen Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges.
• Bildverstärker werden von W. Demtröder in Laser Spectroscopy (Springer, korrigierte dritte Auflage 1981) auf den Seiten 211 bis 213, und von Lampton in The Microchannel Image Intensifier (Scientific American 245 1981) auf den Seiten 46-55 beschrieben, zusammen mit ihrer Verwendung für Nachtsichtgeräte in Schwarz/Weiß und zur Bilderzeugung.
• Aufgrund der Sensorkonstruktion im menschlichen Auge, mit Stäbchen für die Nachtsicht, welche keine Farbempfindlichkeit haben, und Zäpfchen für die Tagessicht und Farbsicht, ist allgemein nicht erkannt worden, daß eine natürliche Szene bei Nacht tatsächlich so viel Farbe aufweist wie am Tage, solange das zur Verfügung stehende Licht mehrfarbig ist, was sowohl bei Mondlicht als auch bei Sternenlicht der Fall ist, möglicherweise mit einer unterschiedlichen Spektralverteilung.
• Es ist die allgemeine Aufgabe der Erfindung, diese Einsicht auszunutzen, durch Erhalten eines Nachtsicht/Bilderzeugungs- Systems, welches eine Farbwahrnehmung von schlecht beleuchteten Szenen erlaubt. Neben der offensichtlichen militärischen Anwendung wäre ein solches auch beispielweise für Naturbeobachtungen und für die Fotografie bei Nacht oder in Höhlen günstig, sowie für Jäger oder Wachleute und auf Schiffen bei Nacht.
• Es ist eine weitere Aufgabe, Farbsicht bei Nacht zu erhalten, mit Hilfe einer Vorrichtung, welche nicht zu teuer ist. Obwohl optische Bildverstärker in den letzten Jahren verbessert worden sind, bei sinkenden Preisen, sind sie nach wie vor teuer und erfordern eine elektrische H.T.-Ausrüstung (H.T. equipment), und die Erfindung sieht daher das Erhalten von Farbsicht unter Verwendung nur eines Bildverstärkers vor, welcher in einem Multiplexsystem verwendet wird.
• Daher wird gemäß der Erfindung in einer Vorrichtung zur Erhaltung eines betrachtbaren Farbbildes ein einziger Bildverstärker auf der Eingabeseite vorgesehen, mit einem optischen Bilderzeugungssystem, welches eine Vielzahl von Farbfiltern umfaßt, wobei eine Szene im Farbmultiplex abgebildet wird, und mit einer Vorrichtung auf der Ausgabeseite, zum Kombinieren der gemultiplexten Ausgabevielzahl von einfarbigen Bildern zu einem betrachtbaren Farbbild. Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung ist das Multiplexen ein Zeitmultiplexen, so daß die Vielzahl von Filtern nacheinander verwendet werden. In einer besonders attraktiven Ausführung hiervon wird ein Satz von Filtern in schaltender Weise eingeführt, z.B. auf einer sich drehenden Scheibe in dem Eingabe-Bilderzeugungssystem, und ein entsprechender Satz von Scheiben ist zur Filterung des auf der Ausgabeoberfläche der Abbildungsröhre erzeugten Bildes angeordnet. Für eine okulare Betrachtung (Betrachtung mit dem Auge) wird das Auge in der Lage sein, ein Farbbild aus den aufeinander folgenden, getrennten Bildern unterschiedlicher Farbe zu schaffen, genauso wie eine mehrfarbige, in Sektoren unterteilte Scheibe bei der Rotation einfarbig erscheinen wird, beispielsweise weiß wenn die Mischung stimmt. In dieser Ausführung muß der Phosphor (Leuchtstoff) ein ausreichend breites Farbspektrum haben, wobei er vorzugsweise weiß aussieht. Beim Fehlen der Ausgabefilterung ist das Ausgabebild einfarbig (monochrom), da die Verstärkerröhre im Grunde einfarbig ist.
• Bei dem Zeitmultiplexaspekt ist es auch möglich, die verschiedenen Bilder getrennt über eine Fernsehkameraröhre zu betrachten, und das Kombinieren nachfolgend durchzuführen. In diesem Fall muß der Phosphor (Leuchtstoff) kein Breitbandspektrum aufweisen.
• Gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung ist das Multiplexen ein Raummultiplexen, wobei auf der Eingabeoberfläche der Verstärkerröhre eine Vielzahl von farbgefilterten Bilder gleichzeitig vorgesehen ist, sozusagen nebeneinander. Ein solches System muß eine Vielzahl von Strahlengängen haben, jeder mit seinem eigenen Farbfilter. In bevorzugten Ausführungen werden jene Strahlengänge mittels eines Strahlaufspaltsystems erhalten, da ein System mit getrennten Öffnungen eine Parallaxe erzeugen würde. Systeme mit dichroitischen Spiegeln kommen in Betracht, aber gegenwärtig wird ein System bevorzugt, in welchem ein Spiegel in eine Vielzahl von Stücken unterteilt ist, welche hinsichtlich ihrer Winkel so angeordnet sind, daß sie getrennte Bilder auf der Eingabeoberfläche des Bildverstärkers erzeugen. Die Ausgabebilder können von einer Fernsehkameraröhre abgetastet werden, was beim Kombinieren eine Vielzahl von Möglichkeiten eröffnet, einschließlich der Bildanalyse, der Falschfarben- Bilderzeugung, usw. Das Kombinieren kann auch mittels eines umgekehrten Strahlaufspalters durchgeführt werden, was ein kombiniertes Bild für die okulare Betrachtung (Betrachtung mit dem Auge) schafft.
• In einer bevorzugten Ausführung des Raummultiplexens ist der Strahlaufspalter selbst bilderzeugend, da er ein spiegeloptisches System des Cassegrain-Typs oder eines ähnlichen Typs ist, bei welchem ein Spiegel, beispielsweise der Hauptspiegel, in Sektoren unterteilt ist, welche hinsichtlich der Winkel so angeordnet sind, daß sie eine Vielzahl von Bildern ergeben. Um das Feld zu vergrößern, können korrigierte Systeme verwendet werden, sogenannte aplanatische Spiegelsysteme, wobei eine der bekanntesten Lösungen die Hinzufügung einer Schmidt-Korrektorplatte (Schmidt corrector plate) ist. Ein Vorteil von Spiegelsystemen ist der intrinsische Achromatismus.
• Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren weiter beschrieben.
• Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm für eine verwendete Vorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung.
• Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung.
• Figur 3 zeigt eine erste Ausführung der Erfindung.
• Figur 4 zeigt einen Teil einer zweiten Ausführung der Erfindung.
• Figur 5 zeigt eine vollständigere Ansicht einer zweiten Ausführung.
• In Figur 1 wird eine schematisch gezeigte Szene 1 durch eine schwache Lichtquelle 2 (Neumond) erleuchtet. Ein Instrument umfaßt eine ersten Abschnitt 3, in welchem ein Realbild auf der Eingangsoberfläche eines Bildverstärkers erzeugt wird, wobei eine Farbtrennung im Multiplex vorliegt. Der Kasten 4 symbolisiert die Betrachtung der Ausgabeoberfläche des Bildverstärkers, einschließlich einem Demultiplexen zur Wiedergewinnung eines Farbbilds. Das wiedergewonnene Farbbild ist ein Betrachter 5, welcher ein menschliches Auge oder eine Fernsehvorrichtung sein kann.
• In Figur 2 sind die Funktionen weiter aufgeteilt. Der Kasten 6 symbolisiert ein bilderzeugendes optisches System mit einer Multiplexiervorrichtung zur Trennung von mindestens zwei Wellenlängen, vorzugsweise von drei. Der Kasten 7 ist ein Bildverstärker. Der Kasten 8 ist ein optisches System mit einem Demultiplexer, wohingegen 9 ein Beobachter ist, sei es ein menschlicher oder einer anderer Art.
• In Figur 3 ist eine generelle Ansicht einer ersten Ausführung dieser Erfindung gezeigt, mit einer Zeitmultiplexlösung. Ein Eingangsobjektiv 10 ist eingerichtet, um eine Szene (nicht abgebildet) auf die Eingangsoberfläche des Bildverstärkers 11 zu fokussieren, wobei das Ausgabebild durch ein Okular 16 betrachtet werden kann. Soweit sie bisher beschrieben wurde ist diese Anordnung einem konventionellen Einfarbensystem (Monochromsystem) ähnlich. Gemäß der Erfindung enthält das System auch eine Multiplexiervorrichtung und eine Demultiplexiervorrichtung. Eine Scheibe 12, welche drei Filtersektoren rot (R), blau (B) und grün (G) umfaßt, ist auf der Objektivseite des Bildverstärkers 11 montiert, und auf der anderen Seite ist eine ähnliche Scheibe 13 mit entsprechenden Filtersektoren montiert. Die zwei Scheiben werden von einem Motor 14 und einer gemeinsamen Welle 15 gedreht. Wie abgebildet, haben die Sektoren eine gleiche Größe, aber das Größenverhältnis sollte an die relativen spektralen Wirkungsgrade des Bildverstärkers 11 angepaßt sein, einschließlich sowohl des fotoelektrischen Wirkungsgrads am Eingang und des Phosphorspektrums am Ausgang, wobei letzteres vorzugsweise weißes Licht abgibt. Mit einer geeigneten Motorgeschwindigkeit, in einem Verhältnis zur Geschwindigkeit des Bildverstärkers, wird das Auge 17 ein verstärktes Farbbild einer sich vor dem Objektiv 10 befindlichen Szene sehen.
• Obwohl es in der Figur nicht gezeigt ist, ist es vorteilhaft die Scheiben 12 und 13 in oder in der Nähe von Realbildebenen zu montieren, z.B. jenen des Verstärkers, da dies die Farbtrennung verbessert. Jeder Abschnitt des Bildverstärkers wird dann strenger auf eine definierte Farbe "abgestimmt" sein, praktisch frei von Mischung. Insbesondere bei komplizierteren optischen Systemen als dem in Figur 3 gezeigten, kann eine Auswahl von Zwischenbildern ausgewählt werden.
• Figur 4 zeigt ein Eingabesystem zum Raummultiplexen, mit einer Spiegeloptik. Eingabelicht 18 wird durch eine Filterstufe 19 mit vier unterschiedlichen Filtern λ&sub1;-λ&sub4; geleitet. Die hindurchtretenden Strahlen werden auf einem Parabolspiegel 20 zurückgeworfen und treffen auf einen zweiten Spiegel 21 und erzeugen Bilder auf dem Bildverstärker 22. Dies ist eine Cassegrain-Anordnung. Um das Raummultiplexen zu erhalten, ist der Spiegel 20 in vier Sektoren unterteilt, welche leicht mit Winkeln versehen sind, um vier unterschiedliche Bilder unterschiedlicher Farbe auf der Eingabeoberfläche des Verstärkers zu erzeugen, womit vier unterschiedliche Bilder auf der Ausgabeoberfläche (nicht abgebildet) erzeugt werden. Sie können zur Erzeugung eines zusammengesetzten Bildes verwendet werden, z.B. durch konventionelle Fernsehverfahren. Um ein vorteilhaftes Bild zu erhalten, stehen fortschrittliche Bilderzeugungs-Verarbeitungsverfahren zur Verfügung, einschließlich Falschfarbenverfahren. Dieses Konzept wird in Figur 5 weiter beschrieben, in welcher eine Szene 23 durch ein modifiziertes Cassegrain-Teleskop betrachtet wird, zur Erzeugung von vier Realbildern getrennter Farben auf MCA 25, wobei die verstärkten Bilder auf die CCD 27 abgebildet werden. Die CCD-Signale werden von einem Computer 28 ausgewertet, zur Erzeugung eines Fernsehsignals für den Bildschirm 29. Ein Mustererkennungssystem 30 kann die Bilder auswerten und sie in echten Farben oder Falschfarben über einen Drucker, z.B. einen Tintenstrahldrucker, ausgeben. Wie bei 32 demonstriert, ist es passend, Farbfilter zu verwenden, welche den sichtbaren Bereich ohne Überlappung abdecken, aber in einigen Fällen kann unsichtbare Strahlung wertvoll sein, wobei die Ausgabe notwendigerweise in Falschfarben geschieht.
• Das gezeigte astronomische Teleskop ist einfach, aber bezüglich der Weitwinkel-Bilderzeugung nicht optimal, wie Teleskop- Fachleuten bekannt ist, und es gibt viele bekannte modifizierte Teleskopkonstruktionen zur Herstellung von komareduzierten, aplanatischen Bildern. Ein typisches Beispiel ist die Einfügung einer Schmidt-Korrekturplatte (Schmidt correction plate) . Da solche Aufbauten bekannt sind, ist verständlich, daß der Fachmann bestimmte Lösungen vorschlagen kann, welche daher nicht außerhalb der Erfindung liegen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Erhaltung eines sichtbaren Bildes aus einer schwach beleuchteten Szene, umfassend ein erstes optisches System (10) und einen Bildverstärker (11) zur Abbildung der Szene auf eine Bildverstärker-Eingabefläche, und ein zweites optisches System zur Wahrnehmung eines verstärkten Bildes auf einer Bildverstärker-Ausgabefläche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische System eine Vielzahl von gegenseitig verschiedenen Eingabefarbfiltern (12, 13, 19) umfaßt, daß der Bildverstärker (11, 22) einen einzigen Bildverstärker umfaßt, welcher die Eingabefläche und die Ausgabefläche hat, und daß die Vorrichtung Multiplexervorrichtungen umfaßt, um auf Multiplexweise durch jeden der Filter ein farbgetrenntes Bild auf der Eingabefläche und dessen verstärktes Bild auf der Bildverstärker-Ausgabeoberfläche zu erhalten, und eine Vorrichtung zur Erhaltung eines zusammengesetzten Farbbildes aus der Vielzahl von farbgetrennten, verstärkten Bildern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplexervorrichtungen im Zeitmultiplex arbeiten, wobei das erste optische System die Szene durch die Eingabefilter in getrennten, aufeinanderfolgenden Zeitintervallen eine nach dem anderen abbildet, das zweite optische System eine zweite Vielzahl von Filtern umfaßt, um Filter in jedem der getrennten aufeinanderfolgenden Zeitintervallen einzufügen, welche den jeweiligen verwendeten Eingabefiltern entsprechen, und der Bildverstärker einen Breitwellenlängen-Ausgabeleuchtstoff hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplexervorrichtungen im Raummultiplex arbeiten, wobei das erste optische System einen Strahlaufspalter (20) umfaßt, zur gleichzeitigen Erhaltung einer Vielzahl von beabstandeten Bildern auf der Eingabefläche, welche jeweils durch eines der Eingabefilter gefiltert wurden.

4 Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingabefilter auf einer ersten drehbaren Scheibe (12) montiert sind, die zweite Vielzahl von Filtern auf einer zweiten drehbaren Scheibe (13) montiert sind, und die Scheiben kinematisch montiert angeordnet sind, zur gleichzeitigen Rotation mit gleichen Geschwindigkeiten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben auf einer gemeinsamen Welle (15) montiert sind, welche durch einen Motor (14) gedreht werden kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben neben jeweiligen Realbildebenen der Vorrichtung montiert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlaufspalter einen Konkavspiegel (20) umfaßt, welcher in Abschnitte aufgeteilt ist, welche kleine gegenseitige Winkel bilden, wobei jeder Abschnitt mit einem jeweiligen Eingabefilter zusammenwirkt, um die Vielzahl von Bildern auf der Eingabefläche zu erzeugen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabefläche des Bildverstärkers von einem optischen System (26) auf eine CCD-Vorrichtung (27) abgebildet wird, welche einen mit einem Computer (28) verbundenen Ausgang hat, um die Vielzahl von Bildern zu einem Farbbild (29) zusammenzufügen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabefläche des Bildverstärkers mit einem umgekehrten Strahlaufspalter versehen ist, um die jeweiligen Bilder über Filter zu addieren, um ein Farbbild zu erhalten.