DE69730443T2

DE69730443T2 - Dynamische korrekturvorrichtung für optische abtastung

Info

Publication number: DE69730443T2
Application number: DE69730443T
Authority: DE
Inventors: Hubert Caron; Zvika Afik; Uri Agam
Original assignee: Thales Optronique Canada Inc
Current assignee: Thales Optronique Canada Inc
Priority date: 1996-09-24
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2017-09-20
Also published as: EP0940028B1; IL129095A; US6069357A; WO1998014001A1; IL129095A0; EP0940028A1; DE69730443D1; CA2266559A1; CA2266559C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Abtastsystem, bei dem in Abbildungssystemen ein Mikroabtaster mit den elektromechanischen Abtastern in Kaskade geschaltet ist, um ihre Leistung zu steigern und innewohnende Mängel bei den abgetasteten und/oder den dargestellten Bildern zu korrigieren.
Bei bestimmten Arten von Abbildungssystemen wird die Landschaft durch einen elektromechanischen Abtaster analysiert oder abgetastet. In ihrer einfachsten Ausführung überstreicht der Abtaster das Sichtfeld waagerecht und senkrecht (Rasterabtastung) und wird die Landschaft in Form von Einzelpixeln analysiert. Die von dem Pixel, das analysiert wird, stammende Photonenstrahlung wird auf einen Pixelgrößendetektor gerichtet. Das sich ergebende Signal wird dann elektronisch verarbeitet und zu einer Pixelgrößenlichtquelle (im Allgemeinen eine Leuchtdiode) geführt, die durch den Beobachter durch den gleichen Abtaster gesehen wird, wodurch eine vollständige Abbildung der Landschaft wiederaufgebaut wird. Wenn ein waagerechter Zweirichtungs-Abtaster verwendet wird, um die festgestellte Abbildung abzutasten und die Anzeige zu überstreichen, erzeugt die durch die Elektronik eingebrachte unvermeidbare Verzögerung zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsphotonensignal eine Verschiebung zwischen aufeinanderfolgend angezeigten Zeilen. Dies ist auf den Umstand zurückzuführen, daß ein gegebenes Pixel, das von links nach rechts analysiert wird, dem Beobachter als zur Linken dieser theoretisch korrekten Position dargestellt wird, während ein auf der nächsten (von rechts nach links abgetasteten) Zeile dargestelltes Pixel zur Rechten seiner korrekten Position verschoben sein wird. Zum Beispiel wird eine senkrechte gerade Linie in der Landschaft als eine Säule von versetzt angeordneten Pixeln dargestellt werden. Diese Erscheinung kann als Bildzeilenreißen bezeichnet werden (siehe 1). Bei einem Abtaster mit variabler Geschwindigkeit wie etwa Resonanzabtastern oder Sinusabtastern wird das Ausmaß der Verschiebung zwischen Zeilen mit der augenblicklichen Abtastgeschwindigkeit und daher mit dem Abtastwinkel schwanken. Es ist äußerst wünschenswert, derartige Probleme bei Abbildungssystemen mit waagerechten Zweirichtungs-Abtastern und Abtastern mit variabler Geschwindigkeit zu korrigieren.
Die US-Patentschrift Nr. 4,763,001 offenbart eine Abbildungsvorrichtung, die Folgendes beinhaltet: einen Abtastungsspiegel, wobei die Abbildung Zeile für Zeile über eine Reihe von Detektoren bewegt wird, und ein optisches Ablenkelement zur Korrektur des Phasenfehlers, der sich aus dem Vorwärtsdurchgang und dem Rückwärtsdurchgang des Abtastungsspiegels bei der Zeilenabtastung ergibt. Der optische Ablenker kann zwei definierte Stellungen annehmen, um die Photonenstrahlung bei der Zeilenabtastung (d. h., dem waagerechten Überstreichen) abzulenken.
Zweiachsen-Abtastungsmechanismen, die in einer Achse (gewöhnlich waagerecht) Zweirichtungs-Abtaster und in der anderen (senkrechten) einen Konstantgeschwindigkeitsabtaster verwenden, zeigen jedoch eine variable Abtastdichte über das Sichtfeld hinweg.
Die vorliegende Erfindung korrigiert dieses Problem, indem sie einen Mikroabtaster in das Eingangsphotonensignal und, falls nötig, in das Anzeigephotonensignal stellt, um das optische Signal mit dem Winkelzuwachs abzulenken, der die Bewegung des senkrechten Abtasters aufhebt, während jede Zeile überstrichen wird.
Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung wird die Korrektur durch Bewegen eines optischen Elements (zum Beispiel eines Kippspiegels) im Anzeigelichtpfad erreicht. Dieses Element wird durch einen schnell ansprechenden Aktuator (typischerweise piezoelektrisch) mit einer Winkelverschiebung angeordnet, die dem angezeigten Si gnal die notwendige Verschiebung bereitstellt, um die durch die Verzögerung der Elektronik eingebrachte Verschiebung exakt auszugleichen. Der Kippspiegel und sein Aktuator oder seine Steuerung bilden den Mikroabtaster. Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Infrarot-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1.
1 ist eine Veranschaulichung einer Abbildung, die Unregelmäßigkeiten aufweist, welche durch Abtastnichtlinearitäten und/oder Elektronikverzögerungen verursacht werden, und einer durch die vorliegende Erfindung korrigierten Abbildung;
2 ist eine schematische Veranschaulichung eines Infrarot-Abbildungssystems, das die vorliegende Erfindung benutzt, und beinhaltet Bezugsbuchstaben und -zeichen für die verschiedenen Teile des Abtasters;
3A bis C veranschaulichen das Problem der variablen Abtastdichte und der Zeilenablaufsteuerung über das Sichtfeld bei einem Abbildungssystem mit einem Zweirichtungs-Abtaster;
4A bis C veranschaulichen die senkrechten Überstreichungswellenformen bei einem Abbildungssystem mit einem Zweirichtungs-Abtaster, das die vorliegende Erfindung benutzt; und
5A bis C veranschaulichen Wellenformen bei einem Abbildungssystem mit einem Abtaster mit variabler Geschwindigkeit.
2 ist eine Blockdiagrammbeschreibung eines Abbildungssystems, das sowohl für die Bilderlangung als auch für die Anzeige einen elektromechanischen Abtaster verwendet und einen Mikroabtaster enthält. Es sollte sich klar verstehen, daß die hierin offenbarte Erfindung auch in Abbildungssystemen benutzt werden kann, die eine Anzeige aufweisen, welche vom elektromechanischen Abtaster unabhängig, aber damit synchronisiert ist. In 2 verläuft der ankommende Fluß der Infrarotstrahlungs(IR)energie (Photonen) durch einen Strahlteiler 10 und wird durch den Abtasterspiegel 12 abgetastet, welcher durch die Motoren und Aktuatoren des Abtasters 14 bewegt wird. Die Abtasterelektronik 16 steuert den Betrieb des Abtasters 14 und stellt Stellungsrückkopplungsinformationen und Synchronisationssignale bereit.
Das "abgetastete" Ausgangssignal des Abtasters 14 verläuft durch den Kombinator 20 und wird dann fokussiert und durch die Feststellanordnung 22 festgestellt (in ein elektronisches Signal umgewandelt). Es sollte sich klar verstehen, daß der Strahlteiler 10 und der Kombinator 20 entweder für sichtbares Licht reflektierend und für Infrarotstrahlung durchlässig oder umgekehrt sein können. Die Gestaltung des Strahlteilers 10 und des Kombinators 20 hängt von Überlegungen hinsichtlich der Konfektionierung und der Leistung ab. Außerdem kann die Entscheidung für jeden Bestandteil (Strahlteiler 10 und Kombinator 20) von der Wahl für den anderen unabhängig sein.
Das Ausgangssignal der Feststellanordnung 22 wird in einem Videokanal oder Kanälen (als Verarbeitungselektronik 27 gezeigt) verstärkt und verarbeitet und treibt das Leuchtdiodenmodul 24, um eine zeitmodulierte sichtbare Nachbildung des ankommenden Infrarotstrahlungssignals zu erzeugen. Der durch das Leuchtdiodenmodul 24 erzeugte Photonenfluß wird durch den Kombinator 20 in den optischen Pfad des Infrarotstrahlungssignals kombiniert (parallel und in zueinander entgegengesetzter Richtung). Er wird dann durch den Abtasterspiegel 12 abgelenkt, der somit die zeitliche Modulation des sichtbaren Photonenflusses zu einer dynamischen räumlich modulierten sichtbaren Abbildung wiederaufbaut, die durch den Strahlteiler 10 in die Anzeigeeinheit 26 reflektiert wird.
Die meisten Infrarotstrahlungs-Abbildungssysteme benötigen einige zusätzliche optische Elemente (in 2 nicht gezeigt), gewöhnlich ein Infrarotstrahlungs-Afokalsystem und ein sichtbares Afokalsystem.
Zweiachsen-Abtastmechanismen, die in einer Achse (gewöhnlich waagerecht) Zweirichtungs-Abtaster und in der anderen (senkrechten) einen Konstantgeschwindigkeitsabtaster verwenden, zeigen eine variable Abtastdichte über das Sichtfeld hinweg. Diese Erscheinung ist auf den Umstand zurückzuführen, daß die abgetasteten Zeilen nicht gerade und gleich beabstandet sind, wie sie es sein sollten, um gleichmäßige Abtastleistungen und/oder eine gleichmäßige Helligkeit der Anzeige über das gesamte Sichtfeld des Abbildungssystems hinweg bereitzustellen, wie in 3A und B gezeigt ist. 3B veranschaulicht, daß die Mittelzone des Sichtfelds eine im Allgemeinen gleichmäßige Abtastdichte aufweist, während die Ränder des Sichtfelds eine deutlich ungleichmäßige Abtastdichte aufweisen. Zusätzlich werden die Zeilen der unterschiedlichen Felder bei Systemen, bei denen eine Zeilensprungabtastung verwendet wird, einander an bestimmten Stellen kreuzen, was zu unterschiedlichen Zeilenabfolgen über das waagerechte Sichtfeld hinweg führt. Wie in 3C für ein Doppelzeilensprungsystem erkennbar gehören in der Zone, die zwischen den Punkten A und B enthalten ist, alle ungeraden Zeilen zu Feld 1 und die geraden zu Feld 2, doch ist dies in anderen Bereichen des Sichtfelds nicht mehr zutreffend. Diese Erscheinung ist für ein Abbildungssystem, bei dem die Erlangungs- und die Anzeigefunktion mit dem gleichen elektromechanischen Abtaster durchgeführt wird, ohne Bedeutung, weist jedoch in Systemen, bei denen ein vom Abtaster unabhängiger, aber damit synchronisierter Anzeigemonitor verwendet wird, nachteilige Wirkungen auf. Bei derartigen Systemen wird die Zeilenabfolge für den Abtaster und den Anzeigemonitor nicht die gleiche sein, was zu Zeilenumkehrungen in bestimmten Zonen des Sichtfelds führt.
Die vorliegende Erfindung korrigiert diese Probleme, indem sie einen Mikroabtaster 30 (einen Mikropositioniervorrichtungsspiegel 32 und eine Mikropositioniervorrichtung 34, Mikropositioniervorrichtungssteuerung 36), der oben in 2 offenbart ist, in das Eingangsphotonensignal und, falls nötig, in das Anzeigephotonensignal stellt, um das (die) optische(n) Signal(e) mit dem exakten Winkelzuwachs abzulenken, der die Bewegung des senkrechten Abtasters aufhebt, während jede Zeile überstrichen wird. Wie in 4A bis C erkennbar ist, ist das sich ergebende senkrechte Überstreichen im Gegensatz zur linearen Sägezahnwellenform eine Treppe und sind die überstrichenen Zeilen wie in 3A gerade und parallel.
Abtaster mit variabler Geschwindigkeit (wie etwa Resonanzabtaster oder Sinusabtaster) können unerwünschte Wirkungen wie etwa eine veränderliche Empfindlichkeit und/oder Helligkeit in unterschiedlichen Bereichen des Sichtfelds in Abbildungssysteme einbringen. Zusätzlich wird die variable Abtastgeschwindigkeit bei Systemen, die Zeitverzögerungs- und Integrationstechniken (TDI) verwenden, um die Signale mehrerer Detektoren zu kombinieren, die Verwendung von frequenzmodulierten TDI-Taktgebern und möglicherweise Videoverstärkern mit variabler Bandbreite auferlegen, um das angeschlossene Rauschen mit festem Muster zu vermindern. Dieses Problem kann durch Verwenden des Mikroabtasters 30 zur Linearisierung des Abtasters mit variabler Geschwindigkeit gelöst werden (5C). Dieser Kaskadenabtaster lenkt das Photonensignal um ein Ausmaß ab, das der Abweichung von einer idealen Ablenkung mit konstanter Rate gleich ist. Diese Korrektur kann auf einen Teil des Sichtfelds (FOV) angewandt werden, falls der Bereich des Abtasters keine vollständige FOV-Korrektur gestattet. Typische Abtastwellenformen in einem Abbildungssystem mit einem Abtaster mit variabler Geschwindigkeit sind in 5A bis C gezeigt.

Claims

Infrarot-Abbildungsvorrichtung, beinhaltend einen Zweiachsen-Abtastungsmechanismus (12, 14) zum waagerechten und senkrechten Überstreichen des Sichtfelds einer Landschaft, eine Feststellanordnung (22) zum Feststellen eines optischen Eingangssignals, das durch den Abtaster an der Feststellanordnung gerichtet wurde, wobei die Vorrichtung ferner einen Mikroabtaster (30) beinhaltet, der Abtastnichtlinearitäten und/oder elektronische Verzögerungen ausgleicht und eine Mikropositioniervorrichtung (34), ein durch die Mikropositioniervorrichtung betriebenes optisches Element (32) und ein Mittel (36) zum Benutzen von Stellungsrückkopplungssignalen des Abtasters, um den Betrieb der Mikropositioniervorrichtung zu steuern, umfaßt, wobei der Mechanismus in einer waagerechten Achse einen Zweirichtungs-Abtaster und in der anderen, senkrechten Achse einen Konstantgeschwindigkeitsabtaster verwendet, das optische Element betrieben wird, um das optische Eingangssignal mit dem Winkelzuwachs abzulenken, der die Bewegung des senkrechten Abtasters aufhebt, während jede Zeile überstrichen wird, und das senkrechte Überstreichen, das sich aus der Ablenkung durch den Mikroabtaster ergibt, eine Treppenform aufweist.
Infrarot-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine Quelle (24) für sichtbares Licht aufweist, die betrieblich durch die Abtastanordnung (22) angetrieben wird, um ein optisches Anzeigesignal zu erzeugen, das vom Beobachter durch den Abtaster (14, 16) zu sehen ist, und wobei das optische Element des Mikroabtasters (30) auch betrieben wird, um das Anzeigephotonensignal abzulenken.
Infrarot-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Vorrichtung einen Kombinator (20) beinhaltet, um das optische Anzeigesignal in den Pfad eines optischen Infrarot-Eingangssignals zu kombinieren.
Infrarot-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das optische Anzeigesignal parallel ist und in der Richtung dem Pfad des optischen Infrarot-Eingangssignals entgegengesetzt ist.
Infrarot-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei das optische Anzeigesignal durch einen Spiegel (12) des Abtasters (12, 14) abgelenkt wird und dann von einem Strahlteiler (10) zu einer Anzeigeeinheit (26) verläuft.
Infrarot-Abbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Quelle für sichtbares Licht ein Leuchtdiodenmodul ist.
Infrarot-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abtastmechanismus eine Zeilensprungabtastung verwendet und die Vorrichtung einen Anzeigemonitor beinhaltet, der vom Abtaster (14, 16) unabhängig, aber damit synchronisiert ist, wobei das optische Element betrieben wird, um das optische Eingangssignal um eine variable Winkelverschiebungsfunktion des Abtastwinkels abzulenken, um eine unrichtige Zeilenablaufsteuerung zu korrigieren.