SE532353C2 - Anordning för avbildning inom IR-området - Google Patents

Description

25 30 532 353 Införande av flera svartkroppsstrålare i en avbildningsanordning och som måste kylas och/eller värmas till lämpliga temperaturer innebär en komplex och dyr lösning som lätt blir tung och Otymplig. I vissa av dagens avbildningsanordningar har man därför valt att enbart använda sig av en för avbildningsanordningen intern strålare utan kylning för att åstadkomma en NUC-kalibrering för generering av en ny offsetberäkriing och offsetmapp.

Ett problem vid avbildningsanordningar, såsom IR-system och IR-kameror, med en strålare utan kylning är att övertemperaturer uppstår främst på grund av värme från kylmaskin och elektronik. Uppvärmningen kan uppgå till mer än 15 °C. Detta innebär att avbildningsanordningen måste hantera IR-infonnation som kan vara l5°C högre än maximal arbetstemperatur specificerad för avbildningsanordningen. Med låga maxvärden, t ex 60°C, för scentemperaturer blir värden för brusekvivalent temperaturskillnad, NETD (noice equivalent temperature difference), och därmed värden för minimalt upplöslig temperaturskillnad, MRTD (minimum resolvable temperature difference), lidande då responsen måste sänkas för att garantera att strålarens temperatur skall kunna hanteras för beräkning av en ny offsetmapp. Med exempelvis en maximal arbetstemperatur på 70°C och en övertemperatur på grund av intern uppvärmning på l5°C tvingas avbildningsanordningen att ställas in för en scentemperatur på 85°C, vilket innebär en stor försämring av NETD och MRTD. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en avbildningsanordning med strålare som inte kräver separat kylning av strålaren, som klarar att hantera övertemperaturer förorsakade av värme från kylmaskin, elektronik eller andra värmealstrande källor.

Uppfmningsändamålet uppnås genom en avbildningsanordning kännetecknad av att innefattade strålare är utformade att spegla strålning från den kylda enheten till detektormatrisens yta. Genom att införa strålare med denna utformning ges möjlighet att skapa gainmappar och offsetmappar som är kallare än avbildningsanordningens temperatur då kyla från den kylda detektormatrisen blandas med avbildningsanordningens temperatur för att sänka den i strålaren reflekterade upplevda temperaturen. Det behövs således ingen separat reglering av ingående strålares 10 l5 20 25 30 532 353 temperaturer utan de kan anordnas att följa avbildningsanordningens temperatur men på en lämplig lägre temperatumivå.

Generellt baseras uppfinningen på principen att med en emissivitet lägre än 1 påverkas den reflekterade temperaturen från en yta av omkringliggande objekts temperaturer.

Den reflekterade upplevda temperaturen går därrned att påverka både upp och ner beroende på den temperatur själva ytan har och temperaturerna på mot ytan inkommande strålning. I kallt klimat kan offsetmap tas upp med en temperatur som avviker mindre från scentemperaturen och därigenom erhålls bättre värden för spatial NETD. Nya tillfälliga gainmappar kan därvid beräknas under användning av två strålare.

Enligt ett fördelaktigt utförande innefattar anordningen en strålare utformad att spegla strålning från den kylda enheten till detektorrnatrisens yta. Med en enda strålare kan avbildningsanordningen göras kompakt med minimalt antal ingående komponenter samtidigt som nya offsetmappar kan designas under drift under undvikande av övertemperatursproblematiken.

Enligt ett mer kompetent utförande innefattar avbildningsanordningen minst två strålare utformade att spegla strålning från den kylda enheten till detektonnatrisens yta. Utförandet medger att offset- och gainmappar kan designas under drift i frånvaro av separat kylning av strålama och under undvikande av övertemperatursproblematiken.

Enligt ett föreslaget utförande av avbildningsanordningen är åtminstone en av innefattade strålare utformad med en emissivitet mindre än l och företrädesvis med en emissivitet inom intervallet 0,5 och 0,8. Den reflekterade temperaturen från en sådan strålare under påverkan från avbildningsanordningens övriga objekts temperaturer kan därvid sänkas till en lägre nivå på ett väl kontrollerat sätt. För långvågig IR-strålning erhålls en temperatursänkning på cirka 10 grader för emissiviteten 0,8 och en ternperatursänkning på cirka 30 grader för ernissiviteten 0,5. För IR-strålning inom mellanvågsområdet fås lägre temperatursänkning. 10 15 20 25 30 532 353 Enligt en vidareutveckling är innefattade strålare utformade med en mot detektormatrisen konkav yta. Genom denna utformning kan strålaren placeras framför den kylda enheten utan mellanliggande optik. Uppfinningen kan därvid kännetecknas av att en innefattad strålare med mot detektormatrisen konkav yta speglande till detektorrnatrisens yta är anordnad framför den kylda enheten utan mellanliggande optiskt korrigerande element.

Enligt ett altemativt utförande kännetecknas anordníngen av att en innefattad strålare speglande till detektormatrisens yta är anordnad framför den kylda enheten med mellanliggande optiskt korrigerande element. Genom att införa optiska element mellan strålaren och den kylda enheten kan strålaren utformas och anpassas till avbildningsanordnin gen under stor frihet i samverkan med de optiska elementens fysiska form och optiska egenskaper.

De optisk korrigerande elementen föreslås i ett lämpligt utförande utgöras av en eller flera linser.

Enligt ännu en vidareutveckling är åtminstone en av innefattade strålare utformad väsentligen som en sfárisk inneryta. Den sfáriska ytan har i sammanhanget visat sig särskilt lämpad för att blanda strålarens temperatur med detektonnatrisens kylda reglerade temperatur för att sänka den reflekterade upplevda temperaturen. Med fördel dimensioneras sfárens radie så att detektorrnatñsen ser sig själv.

I det fall att avbildningsanordningen innefattar flera strålare kan dessa till exempel vara anordnade på ett roterbart hjul. Enligt ett därvid föreslaget utförande är avbildningsanordningen kännetecknad av att innefattade strålare är anordnade på ett roterbart hjul, vilket roterbara hjul är anordnat att genom rotation av hjulet föra in utvald strålare i position framför detektorrnatrisen.

Uppñnningen kommer nedan att beskrivas ytterligare medelst utföringsexempel under hänvisning till bifogade icke skalenliga ritningar där: Figur 1 schematiskt visar ett exempel på en avbildningskarnera i form av en IR- 10 15 20 25 30 532 353 kamera med strålare enligt uppfinningens principer med och utan mellanliggande optiskt korrigerande element.

Figur 2 mer i detalj visar en första placering av en strålare enligt uppñnningens principer i samverkan med en kyld detektormatris utan mellanliggande optiskt korrigerande element.

Figur 3 mer i detalj visar en alternativ placering av en strålare enligt uppñnningens principer i samverkan med en kyld detektorrnatris med mellanliggande optiskt korrigerande element.

Figur 4a-4c i diagramform illustrerar effekten av införande av gainmap och offsetmap tillämpad på avbildningskamerans detektorer i dess detektormatris.

Figur 5 schematiskt visar ett exempel på ett arrangemang med strålare som är införbara framför detektormatrisen.

Den i figur 1 visade IR-kameran l innefattar en ingångsöppning 2 med ett linsarrangemang 4. Framför ingångsöppningen antyds med streckade linjer en svartkroppsstrålare 5. På utgångssidan av linsarrangemanget 4 är en strålare 6 anordnad i ett utrymme mellan linsarrangemanget 4 och en detektorrnatris 7. En optisk axel 26 är medelst en streckprickad linje visad gående genom centrum av linsarrangemanget 4 och strålaren 6 fram till detektorinatrisen 7. Strålaren 6 är utformad med en konkav yta 15 vänd mot detektormatrisen 7. Utöver strålaren 6' finns en strålare 6” anordnad i linsarrangemanget 4 och här utformad med en konvex yta vänd mot detektormatrisen 7. Strålamas 6 och 6' funktion beskrivs mer ingående nedan under hänvisning till figurerna 2 och 3.

Detektoimatrisen 7 är kyld till en fix temperatur medelst ett kylaggregat 8, förslagsvis en så kallad Stirlingkylare. Kylaggregatet är kopplat till en kyld enhet med kylskärrn 16 och inrymmande den kylda detektorrnatrisen 7. Den fixa temperaturen är normalt låg och temperaturer runt minus 200°C är vanliga. 10 15 20 25 30 532 353 För att driva detektormatrisens detektorer är drivkretsar 9 anordnade. I detektor- matrisen genererad signal, exempelvis i forrn av en konventionell videosignal, processas i ett signalbearbetningsblock 10. Vidare finns ett block ll för memorering bland annat av offsetmappar och gainmappar. Via videodrivkretsar 12 levereras en bildsignal i analog eller digital fonn som kan tillföras en intern eller extem display 13.

I figur 2 visas närmare hur den konkava strålaren 6 är anordnad framför detektormatrisen 7. Strålarens 6 konkava yta 15 har här sfárisk form. Framför detektormatrisen 7 finns en kylskärm 16 med en avgränsande öppning 17 mot strålaren 6. I figuren illustreras med två alternativa strålvägar 18, 19 vilket område 21 en perifer detektor 20 i detektorrnatrisen 7 kan täcka in genom den begränsning som den avgränsande öppningen 17 definierar. Motsvarande områden kan identifieras för andra lokaliseringar av detektorer i detektormatrisen 7.

Figur 3 visar en strålare 6” som har konvex yta 15” vänd mot detektorrnatrisen 7.

Enligt det visade utförandet är strålaren 6” anordnad i ett linsarrangemang 4” som här illustreras innefatta en konvex lins 4.1 och en plankonvex lins 4.2. Alternativa strålvägar illustreras på samma sätt som under hänvisning till figur 2 under användande av beteckningarna 18 och 19. Genom att förlägga strålaren 6” med mellanliggande optiskt korrigerande element, såsom den plankonvexa linsen 4.2, kan strålaren 6” utformas med större frihet under samtidig dimensionering av ingående optiskt korrigerande element.

I detektormatrisen 7 ingående detektorer uppträder inte identiskt utan uppvisar variationer i förstärkning och offset. För att hantera detta har redan före leverans skapats gain- och offsetmappar lagrade i block l 1. Detta kan något förenklat tillgå så att minst två svartkroppstrålare 5 med förhållandevis stor skillnad i temperatur placeras framför ingångsöppningen 2 en åt gången. För varje detektor i detektonnatrisen 7 detekteras en signal för var och en av svartkroppsstrålarna 5. Med hjälp av de individuella signalvärdena för en detektor skapas en linjär linje 14.1-l4.n över aktuellt temperaturintervall.

I figur 4a visas ett exempel på sådana linjer 14.1-14.5 skapade för fem detektorer, där varje detektor även kan antas svara mot en pixel. Diagrammet i figur 4a visar för 10 15 20 25 30 532 353 individuella detektorer detekterad signal som funktion av inkommande flöde, varvid det inkommande flödet antas variera väsentligen linjärt med rådande temperatur. I en gainmapp i block ll lagras nu förstärkningsvariationen fór de individuella detektorerna för att sedan under IR-kamerans ordinarie driñ korrigera för förstärkningsvariationeina.

Figur 4b illustrerar gainmappens inverkan på detektorsignalema innebärande att de linjära linjema nu blivit parallella. Gainmappen ser alltså till att alla pixel reagerar lika på alla insignaler men på olika nivåer.

På motsvarande sätt tas en offsetmapp upp och som tillämpad på detektorsignalema visade i figur 4b resulterar i att detektoremas detektorsignaler parallellförflyttas så att de linjära linjema 14.1-14.5 sammanfaller. Genom offsetrnappens försorg åstadkoms även att alla pixlar får samma nivå vid en viss insignal.

Matematiskt kan korrektionen för förstärkning och offset uttryckas genom följ ande formel: Pixel__corr(x,y) = Pixe1_uncorr(x,y)*gain(x,y) + offset(x,y) Detta innebär att ett korrigerat pixel, Pixel_corr(x,y), i punkten x,y erhålls genom att multiplicera det okorrigerade pixlet, Pixel_uncorr(x,y), i samma punkt x,y med förstärkningsmappens värde, gain(x,y), i samma punkt x,y och addera offsetmappens värde, offset(x,y), i punkten x,y.

Figur 5 visar schematiskt ett exempel på ett arrangemang 22 med strålare som är införbara framför detektorrnatrisen 7. Enligt det visade arrangemanget är en runt en axel 24 roterbar platta 23 försedd med tre strålare 6.1-6.3. Strålarna har olika reflekterande förmåga och emissivitet. Den roterbara plattan 23 är så anordnad i anslutning till detektormatiisens 7 avgränsande öppning 17 att valbar strålare 6.1-6.3 kan roteras in i den position som strålaren 6 intar i figurerna l och 2 eller som strålaren 6” antar i figuren 3 genom en vridningsrörelse av plattan 23 runt dess axel 24 parallell med avbildningsanordningens optiska axel 26. Utöver de tre strålama 6.1-6.3 finns en öppning 6.4 för att vridas in mittför strålgårigen under normal drift då inget 532 353 kalibrering utförs. En dubbelriktad pil 25 indikerar möjlig vridningsrörelse runt axeln 24.

Uppfinningen är inte begränsad till de i ovanstående såsom exempel beskrivna utfórandena utan kan underkastas modifikationer inom ramen för efterföljande patentkrav.

Claims (12)

10 15 20 25 30 532 353 Patentkrav

1. l. Anordning för avbildning inom lR-området, såsom IR-kamera eller IR- skanner, innefattande en kyld enhet med en kyld matris med detektorer och en kalibreringsanordning fór individuell kalibrering av detektormatrisens detektorer med avseende på förstärkning och/eller offset, vilken kalibreringsanordning innefattar minst en i avbildningsanordningen inrymd eller införbar strålare samt en signalbearbetningsenhet, kännetecknad av att innefattade strålare år utformade att spegla strålning från den kylda enheten till detektormatrisens yta.

2. Anordning enligt patentkravet 1, kännetecknad av att anordningen till antalet innefattar endast en strålare utformad att spegla strålning från den kylda enheten till detektormatrisens yta.

3. Anordning enligt patentkravet 1, kännetecknar! av att anordningen innefattar minst två strålare utformade att spegla strålning från den kylda enheten till detektormatrisens yta.

4. Anordning enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att åtrninstone en av innefattade strålare är utfonnad med en emissivitet mindre än 1.

5. Anordning enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att åtminstone en av innefattade strålare är utformad med en emissivitet inom intervallet 0,5 och 0,8.

6. Anordning enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att innefattade strålare är utformade med en mot detektonnatrisen konkav yta.

7. Anordning enligt patentkravet 6, kännetecknad av att åtminstone en av innefattade strålare år utformad väsentligen som en sfárisk inneryta.

8. Anordning enligt patentkravet 7, kännetecknad av att sfárens radie är dimensionerad så att detektormatrisen ser sig själv. 10 15 532 353 10

9. Anordning enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att en innefattad strålare med mot detektormatrisen konkav yta speglande till detektorrnatrisens yta är anordnad framför den kylda enheten utan mellanliggande optiskt korrigerande element.

10. Anordning enligt något av föregående patentkrav 1-8, kännetecknad av att en innefattad strålare speglande till detektonnatrisens yta är anordnad framför den kylda enheten med mellanliggande optiskt korrigerande element.

11. Anordning enligt patentkravet 10, kännetecknad av att de mellanliggande optiskt korrigerande elementen utgörs av en eller flera linser.

12. Anordning enligt något av föregående patentkrav, kännetecknar! av att innefattade strålare är anordnade på ett roterbart hjul, vilket roterbara hjul är anordnat att genom rotation av hjulet föra in utvald strålare i position framför detektormatrisen.