DE2362936A1

DE2362936A1 - Abtastanordnung

Info

Publication number: DE2362936A1
Application number: DE2362936A
Authority: DE
Inventors: Ralph Barry Johnson
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1973-01-02
Filing date: 1973-12-18
Publication date: 1974-07-11
Also published as: CA997860A; US3813552A; JPS4999046A; FR2212731A1; GB1446456A

Description

Unser Zeichen; T 1467

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
13500 North Central Expressway
Dallas, Texas, V.St.A.

Abtastanordnung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine optische Abtastanordnung und insbesondere auf eine solche optische Abtastanordnung,die mit einer Bilddrehvorrichtung zur Erzielung der Abtastwirkung für einen Infrarotdetektor ausgestattet ist.

Bisher bekannte, mit Infrarotstrahlung arbeitende optische Abtaster waren teuer in der Herstellung, und sie erforderten eine teuere Wartung, damit gewährleistet wurde, daß die Anordnungen mit einem vernünftigen Maß an Zuverlässigkeit arbeiteten. Vielen dieser bekannten Anordnungen mangelte es auch daran, die Möglichkeiten der verfügbaren Infrarotdetektoren voll auszunutzen. Viele dieser Nachteile waren direkt auf die Notwendigkeit zurückzuführen, im optischen Teil dieser Anordnungen rotierende Spiegel zur Erzielung der Abtastung zu verwenden.

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Bei typischen bekannten, mit Infrarotstrahlung arbeitenden Abtastsystemen wurden ein oder mehrere Drehspiegel verwendet, die zur Ablenkung der Infrarotstrahlung·zwischen dem Linsensystem und dem Detektorfeld angeordnet sind, damit das Gesichtsfeld des Detektors zum Abtasten der zu betrachtenden Szene verschoben wird. Ein ähnlicher, zwischen dem Emitterfeld und den Projektionslinsen angebrachter Spiegel lenkte das Ausgangssignal des Emitterfeldes ab,-damit ein Bild der abgetasteten Bereiche erzeugt wurde. Diese Spiegel brachten eine Vielzahl von Schwierigkeiten mit sich.

Ein diesen Anordnungen eigenes Problem bestand darin, daß die Spiegel zwischen dem Linsensystem und die Detektor- und Emitterfelder angeordnet werden mußten. Die Anwesenheit dieser Spiegel setzte dem Entwurf des Linsensystems enge Grenzen, da zwischen dem Feld und 'der ersten Linse des ihm zugeordneten Linsensystems stets ein beträchtlicher Abstand bestand. Zusätzliche Schwierigkeiten ergaben sich aus der Tatsache, daß der Drehspiegel, der zusammen mit dem Detektorfeld verwendet wurde, stets mit dem beim Emitterfeld verwendeten Drehspiegel ausgerichtet sein mußte.

Ein Gerät, das so konstruiert ist, daß das Spiegelabtastsystem nicht mehr benötigt v/ird, ist in der Patentanmeldung P 22 61 466.0 beschrieben. Bei der in dieser Patentanmeldung beschriebenen Anordnung ist das Detektorfeld an einem Ende an einer rotierenden Halterung befestigt, und das Emitterfeld ist am anderen Ende dieser Halterung angebracht. Alle zum Verbinden des Detektorfeldes mit dem Emitterfeld notwendigen elektronischen Schaltungen sind rund um die Außenfläche der rotierenden Halterung angebracht. Die Halterung enthält auch ein Kühlsystem für das Detektorfeld sowie eine Kälteabschirmung zum Schutz des Detektorfeldes vor einer unerwünschten Infrarotstrahlung.

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Die Halterung ist an jedem Ende mit Hilfe von Lagern gestützt, und sie wird von einem Antriebsmotor um ihre Längsachse gedreht. Die Drehung der Halterung dreht sowohl die Emitter- und Detektorfelder als auch die gesamte ihnen zugeordnete Elektronik.

Ein Linsensystem fokussiert die von der zu betrachtenden Szene ausgehende Infrarotstrahlung auf das Detektorfeld. Die das Feld bildenden Detektoren sind in einer im wesentlichen geraden, um die Drehachse zentrierten Linie angebracht. Eine Drehung der Halterung und des daran angebrachten Detektorfeldes hat zur Folge, daß das Detektorfeld den innerhalb des Gesichtsfeldes des Linsensystems liegenden Bereich abtastet. Bei der bekannten Anordnung wird zwar kein Spiegelabtastsystem mehr verwendet, doch dreht sich die gesamte Rotationsanordnung einschließlich des Kühlers, der Schaltungsplatte, des Dewar-Gefäßes, des Emitterkopfes und der Stromversorgungen mit Drehzahlen bis zu 1800 Umdrehungen pro Minute, was schwierige dynamische Auswuchtprobleme mit sich bringt. Versuche zum Ersetzen des Linsensystems durch andere Bilddrehvorrichtungen wie das Doppelschwalbenschwanzprisma, das Harting-Schwalbenschwanzprisma oder das Pechan-Prisma schlugen fehl, da diese Vorrichtungen große Weglängen in Medien aufweisen, die Infrarotenergie absorbieren. So hat beispielsweise ein Pechan-Prisma aus Germanium mit einer Apertur von 5 cm eine Weglänge von fast 25 cm, die die Infrarotenergie durchlaufen muß;dies hat die -Absorption eines großen Teils der Infrarotenergie zur Folge. Die Absorption der Infrarotenergie durch die oben erwähnten Prismen reduziert das Erfassungsvermögen der optischen Abtaster beträchtlich.

Mit Hilfe der Erfindung soll eine Abtastanordnung geschaffen werden, die die oben angegebenen Nachteile nicht aufweist. Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende, mit Infrarotenergie arbeitende Abtastanordnung soll die Abtastung mit Hilfe

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eines rotierenden Linsensystem bewirken. Ferner soll bei der erfindungsgemäßen Abtastanordnung von einer Bilddrehvorrichtung Gebrauch gemacht werden. Bei der mit Hilfe der Erfindung zu schaffenden Abtastanordnung soll das Linsensystem an jedem zweckmäßigen Abstand von den Detektor- und Emitterfeldern angebracht werden können.

Mit Hilfe der Erfindung wird eine Bilddrehvorrichtung geschaffen, die in einer Ausführungsform zum Linsensystem einer vorhandenen, mit Infrarotstrahlung arbeitenden Abtastanordnung hinzugefügt werden kann; in einer anderen Ausführungsform kann die Bilddrehvorrichtung in das Linsensystem einbezogen werden.

In der ersten Ausführungsform dreht die Bilddrehvorrichtung das Bild einer Szene vor dem Linsensystem, und das Linsensystem fokussiert das Infrarotstrahlungsmuster der Szene auf das Detektorfeld. In der zweiten Ausführungsform ist die Bilddrehvorrichtung in das Linsensystem eingefügt, und die Bilddrehvorrichtung und das Linsensystem rotieren, damit das interessierende Bild gedreht wird, während das davon ausgehende Infrarotstrahlungsmuster auf das Detektorfeld fokussiert wird.

Das Detektorfeld ist an einem Ende einer Halterung angebracht, und das Emitterfeld ist am anderen Ende der gleichen Halterung befestigt. Alle zum Verbinden des Detektorfeldes mit dem Emitterfeld notwendigen elektronischen Schaltungen sind am Außenumfang der Halterung befestigt. Die Halterung enthält auch ein Kühlsystem für das Detektorfeld sowie eine Kälteabschirmung zum Schutz des Detektorfeldes gegen unerwünschte Infrarotstrahlung.

Auf das Emitterfeld ist eine Fernsehkamera fokussiert. V/enn das das Bild drehende Linsensystem gedreht wird, gibt das Emitterfeld die davon abgetastete _nSzene wieder.

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Das Emitterfeld besteht aus einer Anzahl von Elementen, deren Zahl gleich der Zahl der Elemente des Detektorfeldes ist; dis Elemente des Emitterfeldes und des Detektorfeldes sind in gleicher Weise angeordnet. Über die elektronische Schaltung wird das Ausgangssignal jedes Elements des Detektorfeldes zu einem entsprechend angebrachten Element des Emitterfeldes gekoppelt. Die Schaltung ist so eingestellt, daß das Ausgangssignal jedes Emitterelements in einer vorbestimmten Beziehung zur Größe der Infrarotstrahlung steht, die auf das ihm zugeordnete Detektorfeld trifft. Das Ausgangssignal der Fernsehkamera ist eine herkömmliche Wiedergabe, bei der die Intensität jedes Abschnitts in einer vorbestimmten Beziehung der vom entsprechenden Abschnitt der Szene ausgehenden Infrarotstrahlung steht, die vom Detektorfeld abgetastet wird.

In der Anordnung ist auch eine Bezugstemperaturquelle enthalten. Die Temperatur der Bezugsquelle ist so geregelt, daß sie auf einen der Durchschnittstemperatur abgetasteten Szene entsprechenden Wert gehalten wird. Das Gesichtsfeld des Detektors wird periodisch von der abgetasteten Szene zur Bezugstemperaturquelle umgeschaltet. Das mittlere Ausgangssignal des Detektorfeldes während der Zeit, in der das Detektorfeld auf die Bezugsquelle gerichtet ist, wird mit dem mittleren Ausgangssignal des Detektorfeldes verglichen, das beim Abtasten der Szene auftritt, so daß Signale erzeugt werden, die die Bezugstemperaturquelle so einstellen, daß ihre Temperatur der Durchschnittstemperatur der betrachteten Szene entspricht. Die Ausgangssignale des Detektorfeldes während der Zeit, in der die Bezugstemperaturquelle betrachtet wird, wird als Bezugssignal zum Wiedergewinnen des Gleichstromwerts der das Emitterfeld ansteuernden Signale verwendet.

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Das Detektorfeld ist in einer Kammer angebracht, die zur Aufrechterhaltung eines Vakuums einen Getter enthält. Wegen dieses Merkmals erübrigt sich die Verwendung einer mechanischen Vakuumpumpe, die bei bisher bekannten Anordnungen angewendet wurde.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht der Abtastanordnung, bei der das Gehäuse entfernt ist,

Figur 2 eine Schnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtastanordnung,

Figur 3 eine auseinandergezogene Ansicht des Dewar-Gefäßes, in dem das Detektorfeld angebracht ist, sowie der Bilddrehvorrichtung für das Linsensystem,

Figur 4 eine schematische Ansicht einer Bilddrehvorrichtung mit zylindrischen Elementen sowie des Linsensystems, wobei die zylindrischen Elemente mit ihren zylindrischen Achsen vertikal bezüglich des Bildes dargestellt sind,

Figur 5 eine schematische Ansicht der Bilddrehvorrichtung mit zylindrischen Elementen sowie des Linsensystems, wobei die zylindrischen Elemente mit ihren Zylinderachsen horizontal bezüglich des Bildes dargestellt sind,

Figur 6 eine zum Teil geschnittene Ansicht des Emitterkopfs ,

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Figur 7 eine Draufsicht auf ein für das Detektorfeld oder das Emitterfeld geeignetes Feld,

Figur 7A eine vergrößerte Ansicht einer Gruppe von . Dioden, wie sie entweder das Detektorfeld oder das Emitterfeld bilden,

Figur 8 eine perspektivische Ansicht des Zerhackerspiegels und der Bezugstemperaturquelle, und

Figur 9A und 9B Funktionsblockschaltbilder der Abtastanordnung.

In Fig. 1 sind in einer perspektivischen Ansicht die Grundbestandteile der Abtastanordnung dargestellt, die in der bevorzugten Ausführung im Infrarotbereich arbeitet. In dieser Anordnung ist ein optisches, zylindrisches Linsensystem 10 enthalten, das insgesamt oder teilweise drehbar vor einem ortsfesten Linsensystem 11'für ein Feld, aus Infrarotdetektoren 12 (Fig. 3) angebracht ist. Die Detektoren 12 sind auf einem Kühlfinger 14 eines Dewar-Gefäßes 16 befestigt. Der Kühlfinger 14 wird mit Hilfe eines in einem Sterling-Zyklus arbeitenden Kühlapparats 18 auf einer Temperatur von etwa 50⁰K gehalten. Rund um den Kühlapparat 18 ist ein Wärmeaustauscher 20 angebracht. In der fertigen Anordnung wird eine Luftströmung durch den Wärmeaustauscher 20 erzeugt, damit Wärme vom Kühlapparat 18 abgeführt wird. Um den Umfang des Wärmeaustauschers 20 ist ein Befestigungsteil 22 angebracht. Die Innenfläche des Befestigungsteils 22 ist kreisförmig, während die Außenfläche 24 eben ist. An jeder der ebenen Flächen 24 und rund um den Halsabschnitt des Dewar-Gefäßes 16 sind Schaltungsplatten 26 angebracht. Zur Vereinfachung der Darstellung ist nur eine Reihe von Schaltungsplatten 26 dargestellt.

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Längs jeder ebenen Fläche 24 ist eine Hauptplatte 28 angebracht, an der mehrere Verbindungsteile 30 befestigt sind. Die.zweite Hälfte des Verbindungsteils 30 ist an den Schaltungsplatten 26 befestigt, so daß diese Schaltungsplatten in die Hauptplatte 28 gesteckt werden können. Auch am oberen Teil jeder Schaltungsplatte 26 kann ein Verbindungsteil 32 befestigt sein. Diese Verbindungsteile enthalten nur ausgewählte Schaltungsplatten. Die Verwendung dieser Verbindungsteile 32 wird anschließend noch erläutert. An einem Ende der Hauptplatte 28 ist ein Ausgangskabel 34 befestigt, das mit einem Feld aus lichtemittierenden Dioden 36 verbunden ist. Dieses Feld aus lichtemittierenden Dioden 36 enthält für jedes Element des Feldes aus Infrarotdetektoren 12 eine Diode. Die Einzelheiten des Feldes aus lichtemittierenden Dioden 36 werden unten noch genauer erläutert.

Die längs des Halsabschnitts des Dewar-Gefäßes 16 angebrachten Hauptplatten 38 sind mit dem Feld aus Infrarotdetektoren 12 über ein Kabel 40 verbunden. Für jede Reihe der Schaltungsplatten ist ein eigenes Kabel 40 vorgesehen. Die längs des Halsabschnitts 42 des Dewar-Gefäßes 16 angebrachten Schaltungsplatten 26 sind über ein Kabel mit den um den Wärmeaustauscher 20 angebrachten Schaltungsplatten verbunden. Das Kabel 44 ist mit den oberen Teilen der Schaltungsplatten 26 über ein an den oberen Teilen ausgewählter Schaltungsplatten 26 befestigtes Verbindungsteil 32 verbunden. Die genaue Funktion der Schaltungsplatten 26 wird später noch beschrieben. Weitere ähnliche Schaltungsplatten und die Stromversorgung zum Speisen der Elektronik sind um die anderen ebenen Flächen' 24 des Befestigungsteils 22 verteilt.

Das Feld aus Infrarotdetektoren 12 (Fig. 3) wird durch Inbetriebnahme des Kühlapparats 18 (Fig. 1) gekühlt. Das optische, zylindrische Linsensystem 10 ist so angebracht, daß seine Mittelachse längs der Achse 46 liegt, damit es zum Abtasten eines Infrarotstrahlung

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aussendenden Ziels und zum Fokussieren der Infrarotenergie auf das Feld aus Infrarotdetektoren 12 vor dem Linsensystem 11 rotiert. Die auf den Schaltungsplatten 26 angebrachte elektronische Schaltung ist £;o eingestellt, daß das Ausgangssignal jedes Elements des Feldes aus lichtemittierenden Dioden 36 in einer vorbestimmten Beziehung zu der Infrarotstrahlung steht, die auf das ihm entsprechende Element in dem Feld aus Infrarotdetektoren 12 fällt. Auf diese Weise kann die zu betrachtende Szene durch Drehen des Linsensystems um die Achse 46 abgetastet werden, während· bei bekannten Anordnungen entweder das Detektorsystem gedreht wurde oder Abtastspiegel zwischen dem Linsensystem und dem Detektorfeld und auch zwischen dem Emitterfeld 36 und dem Bildschirm oder einer (nicht dargestellten) Fernsehkamera erforderlich waren, auf die das Ausgangssignal des Emitterfeldes zur Wiedergabe der Szene projiziert wurde.

In Fig. 2 ist die Abtastanordnung in einem Schnitt längs der Drehachse 46 dargestellt'; es ist zu erkennen, daß das Dewar-Gefäß 16 mit einem Ende des im Sterling-Zyklus arbeitenden Kühlapparats 18 verbunden ist. Über das Befestigungsteil 22 ist ein Emitterkopf 48 mit dem Kühlapparat 18 verbunden. Die Schaltungsplatten 26 sind rund um den Kühlapparat 18 angebracht und am Befestigungsteil 22 befestigt. In dieser Figur sind typische Schaltungsplatten in der Seitenansicht zu erkennen. Eine der Stromversorgungseinheiten 50 ist in dieser Ansicht ebenfalls symbolisch dargestellt.

Eine Fernsehkamera 52 ist über Prismen 54, 56 und 58 auf das Feld aus lichtemittierenden Dioden (das in dieser Figur nicht dargestellt ist) fokussiert, damit ein Fernsehbild der von dem Feld aus Infrarotdetektoren abgetasteten Szene erzeugt wird. Die Fernsehkamera 52 ist im v/esentlichen parallel zur Achse 46 angebracht. Das

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Bild wird vom Prisma 54 um 90° abgelenkt, über ein rotierendes Prisma 56 übertragen und schließlich vom Prisma um weitere 90° abgelenkt, so daß das Bild auf die Fernsehkamera 52 trifft. Das Prisma 56 ist so aufgebaut, daß das Bild der'Szene, wie es die Fernsehkamera sieht, durch Drehen dieses Prismas gedreht werden kann. Dies ergibt eine zweckmäßige Anordnung zum Ordnen der wiedergegebenen Szene und zum Ausrichten des Fernsehbildes auf das von dem Feld aus Infrarotdetektoren 12 gesehene Bild. Das Prisma 56 ist in einem Gehäuse 200 untergebracht. Das Gehäuse 200 ist in Lagern 204 und 206 gelagert, die am Abtastgehäuse 107 befestigt sind. In dem

Gehäuse 200 ist ein Ringzahnrad 208 angebracht. Das Ringzahnrad 208 des Gehäuses 200 ist über eine Gliederkette 212 mit einem Zahnrad 210 verbunden. Das Zahnrad 210 wird von der Antriebswelle eines Motors 108 zum Drehen des Prismas 56 angetrieben.

Ein Gebläse 60 wird dazu verwendet, einen Luftstrom durch den Wärmeaustauscher 20 zu erzeugen, damit vom Kühlapparat 18 und vom Außenrand des Drehabschnitts Wärme abgeführt wird, so daß die gedruckten Schaltungsplatten 26 und die Stromversorgungseinheiten 50 gekühlt v/erden.

Fig. 3 zeigt auseinandergezogen und teilweise geschnitten Einzelheiten des Dewar-Gefäßes» Das Dewar-Gefäß enthält einen unteren Vakuummantel 62. Dieser Mantel ist ein wenig trichterförmig mit einem flachen unteren Lippenabschnitt ausgeführt, und er besitzt einen Halsabschnitt, der zum Kühlapparat 18 ragt und dort befestigt ist. Der Vakuummantel 62 könnte auch zylindrisch geformt sein, wobei die genaue Form eine Sache der Zweckmäßigkeit is;. Der Kühlfinger 14 erstreckt sich durch den Halsabschnitt des Vakuummantels 62, und das Feld aus Infrarotdetektoren 12 ist auf ihm befestigt. Ein Substrat 64 isoliert das Feld aus Infrarotdetektoren 12 elektrisch vom Kühlfinger 14. Unmittelbar über dem Vakuummantel 62 befindet sich ein unterer Dichtungsring 68. Der Dichtungsring 68 ist sowohl am unteren Ende als auch am oberen Ende mit

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Lippenabschnitten versehen. Der untere Lippenabschnitt ist mit dem Lippenabschnitt des Vakuummantels 62 hartverlötet oder auf andere Weise verbunden. Unmittelbar über dem unteren Dichtungsring 68 befindet sich ein Durchführungssubstrat 70. Dieses Substrat besteht aus einem elektrischen Isolator wie Keramik, und es ist mit einer Reihe von Anschlußklemmen 72 versehen, die längs seines Umfängs angebracht sind. Die Zahl der Anschlußklemmen 72, die längs des Umfangs des DurchführungsSubstrats 70 angebracht sind, wird von der Zahl der Elemente des Feldes aus Infrarotdetektoren 12 bestimmt. Eine zweite Reihe von Anschlußklemmen 74 ist längs des Innenumfangs des Durchführungssubstrats 70 befestigt, wobei die Anschlußklemmen 72 und 74 miteinander verbunden sind. Die die äußeren und inneren Anschlußklemmen 72 bzw. 74 miteinander verbindenden Leiter sind mit einer dünnen Schicht aus isolierendem Material wie Keramik überzogen, und der obere Dichtungsring 76 kann dadurch mit dem Durchführungssubstrat 70 verbunden sein, daß eine beispielsweise aus Gold bestehende dünne Schicht auf dem DurchfUhrungssubstrat 70 gebildet ist und daß der obere Dichtungsring 76 mit der Goldschicht hartverlötet ist. Der untere Dichtungsring 68 ist in gleicher Weise mit der anderen Seite des.DurchführungsSubstrats 70 verbunden.

Ein Linsenhalterungsring 78 ist dadurch am Kühlfinger 14 befestigt, daß er so angebracht ist, daß kleine stiftartige Teile 80 des Kühlfingers 14 durch Öffnungen im Linsenhalterung 78 ragen, der dann mit Hilfe von Aufdrückmuttern 82 befestigt wird. Im Linsenhaltering 78 ist eine Linse angebracht, die in dem Ring mit irgendeiner geeigneten Vorrichtung befestigt ist. Auf der Oberseite des Linsenhalterings 78 befindet sich eine Kälteabschirmung 68, in der zur Begrenzung des Gesichtsfeldes des Feldes aus Infrarotdetektoren 12 auf einen gewünschten Winkel eine längliche Öffnung angebracht ist. Unmittelbar unterhalb der Kälteabschirmung 86 befindet sich eine Kälteabschirm-

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Prallplatte 88. Die Kälteabschirmung 86 und die Prallplatte 88 stehen in einem guten thermischen Kontakt mit dem Kühlfinger 14. Die Prallplatte 88 wirkt als Abschirmung, die eine unerwünschte Infrarotstrahlung daran hindert, auf das Feld aus Infrarotdetektoren 12 zu treffen. Auch in der Prallplatte 88 ist eine längliche Öffnung angebracht, damit das Gesichtsfeld des Feldes aus Infrarotdetektoren 12 auf einen gewünschten Winkel begrenzt wird.

Unmittelbar über, dem oberen Dichtungsring 76 befindet sich der obere Vakuummantel 90. Der obere Vakuummantel ist mit einer kreisförmigen Öffnung versehen, in der ein Fenster 92 angebracht ist. Das Fenster 92 besteht aus einem Material, das im Infrarotbereich des elektromagnetischen Strahlungsspektrums gute Durchlaß eigens chaf ten auf v/eist. Das Fenster 92 kann beispielsweise aus Itran-2 bestehen. Itran-2 ist ein druckgesinntertes Zinksulfid, das von der Firma Eastman Kodak Company, Rochester, New York, geliefert wird. Der obere Vakuummantel 90 ist mit dem oberen Dichtungsring 76 hartverlötet oder auf andere Weise verbunden.

Um den Außenumfang des oberen Vakuummantels 90 sind mehrere Getter-Vakuumpumpen 94 angebracht. Die Funktion diener Pumpen besteht darin, innerhalb des Dewar-Gefäßes befindliche Moleküle zu absorbieren, damit in dem Gefäß ein Vakuum aufrechterhalten wird. Eine geeignete Vakuumpumpe wird von der Firma Socoeta Apparecchi Elettricie Scientifics hergestellt und vertrieben.

In dem Dewar-Gefäß 16 muß ein Vakuum aufrecht erhalten werden, damit gewährleistet wird, daß der Kühlapparat 18 das Detektorfeld 12 und die anderen Teile der Dewar-Anordnung auf einer genügend niedrigen Temperatur halten kann, damit das Detektorfeld 12 mit einem brauchbaren Wirkungsgrad arbeitet. Die Getter-Vakuumpumpen 94 stellen eine beträchtliche Verbesserung gegenüber früher verwendeten mechanischen Vakuumpumpen dar, da sie keine kornpli-

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zierten Hochvakuumleitungen zum Verbinden des Dewar-Gefäßes 16 mit der Vakuumpumpe erfordern.

Die Flachkabel 40 enden am Außenumfang des Durchführungssubstrats 70, wo sie an die Anschlußklemmen 72 angeschlossen sind. Damit kann das Feld aus Infrarotdetektoren mit den elektronischen Schaltungen auf den Schaltungsplatten 26 verbunden werden. Das Linsensystem 11 enthält drei Linsen 96, 98 und 100, die für einen Betrieb im Infrarotbereich aus drei Germaniumlinsen bestehen können. Das Linsensystem 11 ist in einem Gehäuse 102 befestigt, das mit einem Ende am Stirnabschnitt des oberen Vakuummantels 90 so befestigt ist, daß die Linsen auf die Achse 46 im Strahlungsweg zum Detektorfeld 12 zentriert sind.

¥egen Einzelheiten des rotationszylindrischen Linsensystems 10 wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen. Ein zylindrischer Träger 106 ist starr an der Stirnfläche des Abtastergehäuses 107 befestigt. Falls es bevorzugt wird, kann das zylindrische Gehäuse 106 eine Verlängerung des Abtastergehäuses 107 sein. Zum Drehen eines zylindrischen Gehäuses 110 innerhalb des zylindrischen Trägers 106 auf Lagern 109 und 111 wird ein Elektromotor 108 verwendet. An jedem Ende des Gehäuses 110 ist eine von zwei segmentierten Zylinderlinsen 112 und 113 befestigt. Die segmentierten Zylmnderlinsen 112 und 113 sind in dem Gehäuse 110 afokal angebracht. Am zylindrischen Gehäuse 110 ist ein Ringzahnrad 114 befestigt, und ein kreisförmiges Zahnrad 115 ist am Ende einer Stange befestigt. Eine Gliederkette 117 verbindet die beiden Zahnräder 114 und 115. Die Stange 116 wird von Lagern 118 und 119 gehalten, die an den beiden Enden des Abtastergehäuses 107 angebracht sind. Am anderen Ende der Stange 116 ist ein Kegelzahnrad 120 befestigt, das ein an der Antriebswelle des Motors 108 befestigtes zweites Kegelzahnrad 120 kämmt. Zwischen den zwei Z3>"linderlinsen 112 und 113 wird ein reelles Bild erzeugt, in dem die

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optischen Elemente als Einheit um die Längsachse 46 gedreht werden. Das vom zweiten Element erzeugte Bild (das in diesem Fall im Unendlichen gebildet wird) dreht sich um die Längsachse mit der doppelten Drehzahl des optischen Systems. Wenn das rotationssymmetrische Linsensystem 11 nach dem afokalen zylindrischen Linsensystem 10 angebracht ist, dann wird ein normales Bild der Szene in der Brennebene beobachtet. Dieses Bild dreht sich mit der zweifachen Drehzahl des afokalen Systems. Es wird ein afokales System mit der Verstärkung 1 angenommen, doch ist dies kein Erfordernis der beschriebenen Vorrichtung. Das Ergebnis der Verwendung eines afokalen Systems mit einer von der Einheit abweichenden Vergrößerung besteht darin, daß sich die Vergrößerung in Abhängigkeit von dsr Lage der Bildebene ändert.

Eine andere Ausführung ist in den Fig. 4 und 5 schematisch dargestellt, bei der das optische zylindrische Linsensystem 10 und das Linsensystem 11 kombiniert sind. Fig. zeigt den Strahlengang für ein im Unendlichen liegendes axiales Objekt, wenn das optische, zylindrische Linsensystem 10 in das Linsensystem 11 einbezogen ist und wenn die Achsen der Zylinderlinsen 112 und 113 senkrecht zur Zeichnungsdarstellungsebene liegen. Das kombinierte System 122, das jeden gewünschten Aufbau aufweisen kann, enthält gemäß der Darstellung zwei komplexe Linsen 123. und 124, die zwischen die Zylinderlinsen 112 und 113 eingefügt sind. Die komplexen Linsen 123 und 124 und die Zylinderlinsen 112 und 113 sind in einem drehbaren Gehäuse 128 angebracht. Das drehbare Gehäuse 128 ist drehbar an der Stirnfläche des oberen Vakuummantels 94 des Dewar-Gefäßes 16 angebracht (Fig* 3). Die Motor- und Antriebsanordnung gleicht der in Fig. ">. dargestellten Anordnung; sie muß daher hier nicht wieder beschrieben werden. Durch Drehen des kombinierten Systems 118 wird das Bild mit der doppelten Drehzahl des Systems ange-

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trieben. Somit braucht die Drehzahl jedes Systems nur halb so groß sein, wie es zur Erzeugung der gewünschten Abtastwirkung erforderlich ist. In Fig. 5 ist der Strahlengang für ein im Unendlichen liegendes axiales Objekt dargestellt, wenn das System 10 in das Linsensystem 11 eingefügt ist und wenn die Achsen der Zylinderlinsen 112 und 113 in der Zeichenebene liegen.

In Fig. 6 sind Einzelheiten des Emitterkopfs 48 dargestellt. Der Emitterkopf 48 enthält einen Befestigungsring 140. Am Befestigungsring 14O ist ein isolierendes Substrat angebracht. Das Feld aus lichtemittierenden Dioden 36 ist an dem Substrat 142 befestigt, und Anschlußleiter sind von jedem der Emitter zu einzelnen Durchführungen 144 geführt. Am Befestigungsring 140 ist ein Fensterhaltering 146 angebracht. In dem Fensterhaltering 146 ist ein Fenster 148 befestigt, das die Betrachtung des Emitterfeldes gestattet.

Fig. 7 zeigt in einer Draufsicht ein Feld aus Dioden. Diese Grundanordnung des Feldes eignet sich sowohl für das Detektorfeld 12 als auch für das Emitterfeld 36, wobei der Hauptunterschied zwischen den Emitterelementen und den Detektorelementen im Halbleitermaterial und in den zur Bildung der Dioden verwendeten Dotierungsstoffe zu sehen ist. In allen Fällen sollte die Zahl der Dioden im Detektorfeld 12 gleich der Zahl der Dioden im Emitterfeld sein. Im Falle des' Detektorfeldes können die Dioden dadurch hergestellt werden, daß Störstoffe in einen Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Halbleiter diffundiert werden. Im Falle der Emitter können die Dioden durch selektives Dotieren von Galliumarsenid mit Störstoffen erzeugt werden. Allgemein sind die Dioden des Emitterfeldes 36 größer als die Dioden des Detektorfeldes. Dies ist jedoch kein notwendiges Merkmal der hier beschriebenen Anordnung. Es sei bemerkt, daß die Größe der Dioden im Feld aus

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Infrarotdetektoren das Auflösungsvermögen der Abtastanordnung bestimmt und. auch die Gesamtgröße der Anordnung beeinflußt. Daher sollte das Feld soviele Dioden wie möglich enthalten, und jede Diode sollte so klein sein, wie es in der Technik als praktisch möglich angesehen wird.

In Fig. 7A ist eine vergrößerte Teilansicht einer Gruppe von Dioden dargestellt, die das Feld von Fig. 7 bilden. Jede dieser Diodengruppen enthält einen gemeinsamen Anodenanschluß 150 und einen getrennten Kathodenanschluß 152 für jede Diode des Feldes. Die Fläche 154 zwischen dem Kathodenanschluß 152 und dem Anodenanschluß 150 bildet die aktiven Zonen der das Feld bildenden Dioden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 8 wird die Arbeitsv/eise des Lichtzerhackers erläutert. Die Funktion des Lichtzerhackers besteht darin, das Gesichtsfeld des Feldes aus Infrarotdetektoren 12 periodisch so abzulenken, daß dieses Feld Infrarotstrahlung von einer Bezugstemperaturquelle 156 empfängt. Die Bezugstemperaturquelle 156 wird auf einer solchen Temperatur gehalten, daß sie eine Infrarotstrahlung abgibt, die gleich der Infrarotstrahlung ist, die vom Hintergrund der Szene empfangen wird, die vom Feld aus Infrarotdetektoren 12 betrachtet wird.

Der Lichtzerhacker enthält einen Spiegel 158, der über einen Hebel 162 mit einem Zahnrad 160 verbunden ist. Ein nicht angetriebenes Zahnrad 164 verbindet das Zahnrad 160 mit dem rotierenden Teil des rotierenden zylindrischen Linsensystems 104 oder mit dem kombinierten System 118. Dadurch gelangt der Spiegel 158 während jedes Drehzyklus für eine sehr kurze Zeitperiode in eine solche Lage, in der das Gesichtsfeld des Feldes aus Infrarotdetektoren 12 abgelenkt wird, was zur Folge hat, daß das Feld aus Infrarotdetektoren 12 Strahlung von der Bezugstemperaturquelle 156 empfängt. Dadurch

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wird ein während des GleichspannungswMergewinnungszyklus zu verwendendes Bezugssignal erzeugt. Dies wird unten noch genauer erläutert.

Das nicht angetriebene Zahnrad 164 wird dazu verwendet, das Zahnrad 160 mit dem rotierenden optischen,zylindrischen Linsensystem zu koppeln, damit gewährleistet wird, daß sich der Spiegel 158 in der gleichen Richtung wie die Zylinderlinse 112 bewegt. Dies bewirkt eine geringere
Verzerrung der am Ende erzeugten Wiedergabe als die Verzerrung, die auftreten würde, wenn sich der Spiegel 158 unddie Zylinderlinse 112 entgegengesetzt drehen würden.

Die Bezugstemperaturquelle 156 besteht typischerweise aus einer an einem thermoelektrischen Kühlelement befestigten Wärmesenke. Das (im einzelnen nicht dargestellte) Kühlelement ist ein th.ermoelektrisch.es Element, das die
Wärmesenke kühlt, wenn es in einer Richtung von Strom
durchflossen wird, während es die Wärmesenke erwärmt,
wenn die Stromrichtung umgekehrt wird. Dadurch kann die Bezugstemperaturquelle 156 entweder gekühlt oder erwärmt werden, damit sie auf einer der · Durchschnittstemperatur der von der Abtastanordnung betrachteten Szene entsprechenden Temperatur gehalten werden kann.

In den Fig. 9A und 9B ist ein Funktionsblockschaltbild
der gesamten Abtastanordnung dargestellt. Die Infrarotstrahlung von der betrachteten Szene trittüber die symbolisch bei 168 dargestellten zylindrischen optischen
Elemente ein, und sie durchläuft das Linsensystem, das
auch eine automatische ScharfStellungsvorrichtung 170
enthält. Diese automatische ScharfStellungsvorrichtung
170 bewirkt eine Nachfokussierung des Linsensystems
zur Kompensation von Temperaturänderungen. Diese Eigenschaft bewirkt eine beträchtliche Verbesserung der
Leistung der Abtastanordnung in den gesamten Betriebs-

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temperaturbereichen der Umgebung. Bei Anwendung dieser Technik kann eine genaue Fokussierung im Temperaturbereich von -1⁰C bis 54⁰C erzielt werden.

Das Detektorfeld ist symbolisch mit dem Bezugszeichen 172 angegeben. Im Betrieb erhält das Detektorfeld 172 zum Vorspannen jeder der Dioden des Detektorfeldes Vorspannungssignale aus einem Verstärker 174, und es erzeugt in Abhängigkeit von der auf jede der einzelnen Dioden des Feldes fallenden Infrarotstrahlung ein Videosignal. Die Signale werden vom Vorverstärker 174 verstärkt, der von einer Stromversorgungseinheit 175 gespeist wird. Der Kühlapparat 176 wird von einem Kühlungsregler 178 geregelt. Der Kühlapparat 176 enthält sowohl einen Kühlzyklus als auch einen Heizzyklus, so daß die Temperatur des Feldes aus Infrar.otdetektoren 12 entweder erhöht oder erniedrigt v/erden kann, damit die Temperatur relativ konstant gehalten werden kann. Der Kühlfinger und das Feld aus Infrarotdetektoren 172 sind, wie oben erläutert wurde, in einem Vakuum angebracht, damit eine Anordnung entsteht, in der der thermische Widerstand zwischen diesen Elementen und der Umgebung sehr hoch ist. Dadux'ch kann das Feld aus Infrarotdetektoren 172 effektiv gekühlt werden, doch ergibt sich ein Regelungsproblern wegen der zur Temperaturerhöhung erforderlichen Zeit, wenn die Temperatur vom Kühlapparat 176 zu sehr herabgesetzt worden sein sollte. Der Kühlapparat 176 ist zur Beseitigung dieses Problems mit einer Heizeinrichtung ausgestattet. Je nach Bedarf wählt der Kühlungsregler 178 den Kühlzyklus oder den Heizzyklus aus, damit die Temperatur des Feldes aus Infrarotdetektoren 172 relativ konstant auf einem vorgewählten Wert gehalten wird.

Das Videoausgangssignal des Vorverstärkers 174 ist an einen Nachverstärker 180 angekoppelt. Der Nachverstärker 180 enthält alle- Schaltungen, die zur Wiedergewinnung

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des Gleichspannungswerts des Videosignals erforderlich sind, und er enthält einen Impulsdauermodulator zur Erzeugung eines impulsdauermodulierten Videosignals an seinem Ausgang. Der Nachverstärker 180 wird von einem Steuertreiber 180 gesteuert. Der Steuertreiber 182 empfängt Verstärkungs-, Pegel- und Ahhebungssignale vom Steuerpult der Anordnung sowie Gleichspannungswiedergewinnungssignale vom Lichtzerhacker 184.

Die Ausgangssignale der das Infrarotdetektorfeld 172 bildenden Dioden sind veränderliche Gleichspannungen. Der Gleichspannungsmittelwert dieser Signale wird von der Infrarotstrahlung des Hintergrundes der abgetasteten Szene bestimmt. Die veränderlichen Anteile (die Wechselspannungsanteile) treten infolge eines Ziels auf, das mehr oder weniger Infrarotstrahlung als die vom Hintergrund ausgesendete mittlere Strahlung aussendet. Die Wechselspannungsanteile dieser Signale haben relativ niedrige Amplitudenwerte, so daß es nicht möglich ist, sie unter Verwendung direkt gekoppelter Verstärker zu verstärken. Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß jedes dieser Signale in dem wechselspannungsgekoppelten Vorverstärker 174 verstärkt wird und daß der Gleichspannungsanteil des verstärkten Signals wiedergewonnen wird, damit "gewährleistet wird, daß es den richtigen Gleichspannungsmittelwert aufweist.

Die Gleichspannungswiedergewinnung wird dadurch erreicht, daß das Gesichtsfeld des Abtasters periodisch so abgetastet wird, daß das Detektorfeld 172 Strahlung von einer Bezugstemperaturquelle 186 empfängt. Während dieser Periode wird das Ausgangssignal des Wechselspannungsverstärkers auf einer Bezugsspannung festgeklemmt (wobei Masse ein zweckmäßiger Bezugswert ist). Dies stellt den Gleichspannungsmittelwert des Ausgangssignals jedes der Wechselspannungsverstärker auf Null«

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Die Ausgangssignale aller Dioden des Detektorfeldes 172 werden in der Zeit, in der die Szene abgetastet wird und während der Zeit, während der die Bezugstemperaturquelle abgetastet wird, gemittelt. Die zwei Meßwerte werden verglichen, und die Temperatur der Bezugstemperaturquelle 186 wird unter Verwendung des Bezugstemperaturreglers so eingestellt, daß die zwei Meßwerte gleich sind. Dies verhindert eine Sättigung des Wechselspannungsverstärkers infolge unterschiedlicher Signale, die vom Lichtzerhacker 184 beim Umschalten des Gesichtsfeldes von der betrachteten Szene auf die Bezugstemperaturquelle 186 und umgekehrt erzeugt würden, wenn große Temperaturunterschiede zwischen dem Hintergrund der Szene und der Bezugstemperaturquelle 186 vorlagen.

Das impulsdauermodulierte Videosignal aus dem Nachverstärker 180 wird einer Treiber- und Normierungsschaltung 188 (Fig. 9B) zugeführt. Diese Schaltung erzeugt Ansteuerstromsignale für das Emitterfeld 190. Die Schaltung 188 enthält eine Gleichspannungspegelsteuerung 185 für jedes Element des Emitterfeldes 172 (Fig. 9A), damit das Signal zu jedem Element des Emitterfeldes 172 zur Erzielung eines gleichmäßigen Hintergrundes eingestellt werden kann. Der Vorverstärker 174 enthält auch eine Verstärkungsregelung für jedes Element des Detektorfeldes 172, die es ermöglicht die Amplituden dieser Signale so einzustellen, daß eine Wiedergabe erzeugt wird, in der das Ausgangssignal jedes Elements des Emitterfeldes 190 der Intensität der Infrarotstrahlung proportional ist, die auf das entsprechende Element des Detektorfeldes 172 fällt. Der Steuertreiber 182 empfängt Verstärkungs-, Pegel- und Anhebungssignale vom Steuerpult der Anordnung, wie oben erwähnt wurde. Die Verstärkungs- und Pegelsteuerungen ermöglichen der Bedienungsperson den Hintergrundpegel und den Kontrast der Wiedergabe einzustellen, während die Anhebungssteuerung der Bedienungsperson

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ermöglicht den Wiedergabepegel für Ziele mit niedrigem Pegel gegenüber Zielen mit hohem Pegel so einzustellen, daß entweder Ziele mit hohem oder mit niedrigem Pegel bezüglich der jeweils anderen Ziele auf Wunsch angehoben werden können.

Auf das Emitterfeld 190 ist nach Fig. 9B eine Fernsehkamera 192 fokussiert, die ein BAS-Signal erzeugt. Ein Synchronisierungssignalgenerator 194 empfängt Synchronisierungsimpulse, von einem Spezialmotor 108, und er erzeugt ein Synchronisierungssignal für die Fernsehkamera 192. Der Synchronisierungssignalgenerator 194 empfängt Drehzahllichtsignale von einer (nicht dargestellten) Antriebsmotorschaltung-, damit die Abtastmotor-Synchronisierungsimpulse übersteuert werden können, wenn jene Signale um einen Betrag vom Normalwert abweichen, bei dem die Fernsehkamera nicht mehr richtig synchronisiert werden kann.

Die Bilddrehvorrichtung ist hier zwar für die Verwendung in einer Abtastanordnung beschrieben worden, doch könnte sie auch als eine Vorrichtung zum Auflösen der Drehung für Spiegelabtaster und für das Drehprisma 56 der oben beschriebenen Anordnung sowie auch zur Durchführung einer Bildebenenabtastung angewendet werden. Auch ist die Erfindung hier nur im Zusammenhang mit einem speziellen Ausführungsbeispiel beschrieben worden, doch ist dem Fachmann ohne weiteres klar, daß im Rahmen der Erfindung viele Abwandlungen möglich sind.

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Claims

Patentansprüche

/1. Abtastanordnung zum Abtasten einer zu betrachtenden Szene, gekennzeichnet durch eine Bilddrehvorrichtung, einen, mit der Bilddrehvorrichtung verbundenen Strahlungsenergiedetektor zum Empfangen der Strahlungsenergie des rotierenden Bildes und zur Erzeugung einer elektrischen Darstellung dieser Strahlungsenergie und eine Wiedergabevorrichtung, die in Abhängigkeit von der elektrischen Darstellung eine sichtbare Wiedergabe des Bildes erzeugt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsenergiedetektor ein Feld aus Detektoren für elektromagnetische Strahlung enthält, die in der Bahn des rotierenden Bildes zur Erzeugung einer elektrischen Darstellung des Bildes der Szene angeordnet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiedergabevorrichtung ein Feld aus Emittern enthält, die an das Feld der Detektoren für elektromagnetische Strahlung so angekoppelt sind, daß in Abhängigkeit von der elektrischen Darstellung Ausgangssignale erzeugt werden, die ein Bild der Szene darstellen.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilddrehvorrichtung zwei optische zylindrische Elemente enthält, die afokal angeordnet sind.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Bilddrehvorrichtung und das Feld der Detektoren für elektromagnetische Strahlung ein Linsensystem zum Fokussieren der Strahlung auf die Detektoren angebracht ist.
6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die zwei optischen zylindrischen Elemente der

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Bilddrehvorrichtung ein Linsensystem zum Fokussieren der Strahlung auf die Detektoren angeordnet ist.
7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld der Detektoren mehrere Halbleiterdioden enthält, die in einem vorbestimmten Muster angeordnet sind.
8. Anordnung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß das Feld der Emitter, das an das Feld der Detektoren angekoppelt ist, aus mehreren lichtemittierenden Halbleiterdioden besteht, die in einem vorbestimmten Muster angeordnet sind.
9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsenergiedetektor Strahlung im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums feststellt.

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