DE2517406B1 - Vorrichtung zur Bilderzeugung mit einer Detektoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bilderzeugung mit einer aus einer Anzahl von Detektorelementen bestehenden Detektoranordnung, eine Einrichtung zum optischen Abtasten eines Blickfeldes nach einem zweidimensionalen Muster und Projizieren der empfangenen Strahlung auf die Detektoranordnung und einer zur Abtasteinrichtung synchronisierten Einrichtung zur bildlichen Wiedergabe der für die Intensität der ihnen zugeführten Strahlungsenergie charakteristischen Ausgangssignale der Detektoranordnung.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DT-PS 22 24 275 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung findet eine Summierung der aus dem gleichen Abschnitt des Blickfeldes stammenden Ausgangssignale der einzelnen Detektorelemente statt, und es werden die summierten Signale der Einrichtung zur bildlichen Wiedergabe zugeführt. Zu diesem Zweck werden die Ausgangssignale der Detektorelemente als Funktion der Abtastgeschwindigkeit und der Relativstellung der Detektorelemente in der Anordnung verzögert, und es werden die derart verzögerten Signale summiert. Für eine einwandfreie Funktion dieser bekannten Vorrichtung ist ein erhebliche elektronischer Aufwand erforderlich. Da die Verzögerungszeiten nicht ohne weiteres variiert werden können, ist eine einwandfreie Funktion der bekannten Vorrichtung nur dann gegeben, wenn die Abtastgeschwindigkeit mit hoher Genauigkeit eingehalten werden kann, damit sie den Verzögerungszeiten entspricht und tatsächlich einander entsprechende Bildelemente summiert werden.

Es ist ferner aus der US-PS 36 26 091 eine Vorrichtung zur Bilderzeugung bekannt, die von einer Detektoranordnung und einer Anordnung von Leuchtdioden (LED) Gebrauch macht, die mit einer gemeinsamen Abtasteinrichtung zusammenarbeiten. Diese bekannte Vorrichtung, die mit einer Parallelabtastung arbeitet, ist für manche Anwendungen geeignet. Wenn jedoch die Anforderungen an eine solche Vorrichtung gesteigert werden, beispielsweise hinsichtlich der Entfernung, der Auflösung und des Blickfeldes, gibt es manche Probleme, die darauf zurückzuführen sind, daß bei dieser Vorrichtung die verschiedenen Detektorelemente ausschließlich zugeordnete Abschnitte des Blickfeldes erfassen und daß eine relativ große Anzahl an Detektorelementen erforderlich ist, um das Blickfeld nach einem verschachtelten Muster kleiner Ordnung abzutasten. Beispielsweise sind bei dieser Vorrichtung

das Signal-Rausch-Verhältnis, das Blickfeld und die Anordnung der Detektorelemente so miteinander verkoppelt, daß bei der Konstruktion einer solchen Vorrichtung der vorhandene Spielraum sehr eingeengt ist. Da weiterhin für jeden Detektor ein getrennter Verarbeitungskanal erforderlich ist und viele Detektoren benötigt werden, kann die wünschenswerte Anwendung einer hochentwickelten Signalverarbeitungstechnik sehr kostspielig werden, weil sie in vielen Kanälen angewendet werden muß. Solche Signalverarbeitungstechniken können beispielsweise zur Unterdrückung von Lichtflecken, Wiederherstellung es Gleichspannungspegels und Apertureinstellung dienen. Da weiterhin eine wesentliche Voraussetzung für eine gute Erkennbarkeit des Bildes eine Gleichförmigkeit des Übertragungsverhaltens ist, muß das Übertragungsverhalten der verschiedenen Kanäle fortlaufend abgeglichen werden. Weiterhin muß die Anzahl von Kanälen mit »totem Ende« auf einem Minimum gehalten werden. Die Beschränkung auf eine tolerierbare Anzahl von toten Kanälen bildet ein erhebliches Problem hinsichtlich der Ausbeute bei der Detektorherstellung sowie bei der Wartungsfreundlichkeit des Systems. Ein weiterer Nachteil von Systemen mit Parallelabtastung besteht darin, daß eine wirksame Detektorkühlung schwierig ist, weil ein großes Blickfeld eine große Detektoranordnung erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß es ohne Einrichtungen zur Signalverzögerung auskommt und das auch nicht die Nachteile aufweist, die bei einem System mit Parallelabtastung angetroffen werden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Muster der optischen Abtastung während jedes Abtastzyklus eine Anzahl miteinander verschachtelter Abtastungen des Blickfeldes umfaßt, daß die Detektorelemente eine solche geometrische Verteilung aufweisen, daß jedes Detektorelement während jedes Abtastzyklus von jedem Punkt des Blickfeldes Strahlungsenergie empfängt, und daß die Einrichtung zur Bildlichen Wiedergabe eine Anordnung von Leuchtelementen, welche die gleiche geometrische Verteilung aufweisen wie die Detektorelemente und in Abhängigkeit von den ihnen zugeführten Ausgangssignalen des entsprechenden Detektorelementes sichtbares Licht mit einer der Intensität der empfangenen Strahlung entsprechenden Intensität erzeugen, und bilderzeugende Mittel umfaßt, die das von den Leuchtelementen emittierte Licht empfangen und gemäß einem zweidimensionalen Muster aussenden, das zu dem Muster der optischen Abtastung synchron ist. Bei diesem System bildet das von den bilderzeugenden Mitteln während eines Abtastzyklus ausgesandte Licht eine Anzahl aufgenommener Bilder, von denen jedes für die Verteilung der empfangenen Strahlungsenergie im Blickfeld charakteristisch ist und deren Anzahl der Anzahl der Paare von Detektor- und Leuchtelementen entspricht.

Zur Rekonstruktion des Bildes kann vorteilhaft die gleiche Abtasteinrichtung Anwendung finden, die auch zur Abtastung des Bildfeldes benutzt wird. Auf diese Weise wird mit Sicherheit eine einwandfreie Synchronisation der Bildabtastung und Bildwiedergabe erzielt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet eine neuartige, afokale und anastigmatische Abtasteinrichtung Anwendung. Diese Abtasteinrichtung umfaßt für die Azimutabtastung eine Trommel, die um eine Achse drehbar gelagert ist, und zwei Elevationsspiegel, die um eine Achse schwenkbar gelagert sind, die zu der Achse der Trommel senkrecht steht. Die Elevationsspiegel stehen einander entgegengesetzten Flächen der Trommel gegenüber, so daß ein Elevationsspiegel mit der Trommel zur Abtastung des Blickfeldes und der andere Elevationsspiegel mit der Trommel zur Rekonstruktion des abgetasteten Bildes zusammenwirkt. Die Abtastung des Blickfeldes kann vorzugsweise im Infrarotbereich stattfinden, während die Rekonstruktion des Bildes dann für die Intensität der empfangenen Wärmestrahlung charakteristisch ist. Die Elevationsspiegel sind an entgegengesetzten Enden eines gemeinsamen Joches befestigt, so daß sie gegenphasig bewegt werden. Die Befestigung der Elevationsspiegel an einem gemeinsamen Joch führt zu einem verbesserten Antrieb und einer Vereinfachung des gesamten optischmechanischen Systems.

Demgemäß wird durch die Erfindung eine verbesserte und kostengünstig herstellbare Vorrichtung zur Bilderzeugung geschaffen, die insbesondere dazu geeignet ist, für die Intensität von Wärmestrahlung charakteristische, sichtbare Bilder zu erzeugen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist von hoher Zuverlässigkeit und vielseitig anwendbar. Ein besonderer Vorteil ist, daß Auflösungsbetrachtungen weitgehend unabhängig von der Bemessung des Blickfeldes und der Wahl der Abtastgeschwindigkeit ist. Es besteht keine Notwendigkeit, das Übertragungsverhalten von Signalverarbeitungskanälen abzugleichen, und es kann die Detektoranordnung allein hinsichtlich des Gesamt-Empfangsverhaltens ausgewählt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das von der gesamten Detektoranordnung in jedem Augenblick erfaßte Blickfeld relativ klein, so daß eine wirksame Wärmeabschirmung möglich ist und die Anforderungen an die Kühlvorrichtung vermindert werden können. Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch die Anzahl getrennter Signalverarbeitungskanäle relativ klein, so daß bei Bedarf hochentwickelte Verarbeitungsschaltungen angewendet werden können, ohne daß die Kosten vernünftige Grenzen überschreiten.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigt

F i g. 1 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bilderzeugung,

F i g. 2 ein funktionelles Blockschaltbild der Vorrichtung nach F i g. 1,

F i g. 3 eine schematische Darstellung der Detektor- und Leuchtdiodenanordnungen der Vorrichtung nach Fig.l,

F i g. 4 eine Darstellung des bei der Vorrichtung nach F i g. 1 verwendeten Abtastmusters,

F i g. 5 eine schematische Draufsicht auf einen Teil der Abtasteinrichtung der Vorrichtung nach F i g. 1,

F i g. 6 eine schematische Seitenansicht der Anordnung nach F i g. 5,

F i g. 7 eine mehr detaillierte Seitenansicht von Teilen der Abtasteinrichtung der Vorrichtung nach F i'g. 1 zur Veranschaulichung von deren Antrieb,

F i g. 8 einen Schnitt längs der Linie 8-8 durch die Anordnung nach F i g. 7,

F i g. 9 eine schematische Darstellung der optischen

Einrichtungen der Vorrichtung nach F i g. 1 und

Fig. 10 das Blockschaltbild eines in Detektorelement mit einer Leuchtdiode verbindenden Verarbeitungskanals.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung empfängt ein Objektivglied 30 Wärmeenergie oder IR-Strahlung und überträgt sie über ein Fokussierglied 32 und ein Richtprisma 34 auf ein Schaltglied 36 zur Blickfeldveränderung. Das Schaltglied 36 ist mit ausgezogenen Linien in einer von seinen beiden möglichen Stellungen dargestellt. Die andere Stellung ist durch gestrichelte Linien angedeutet. Zwischen diesen beiden Stellungen ist das Schaltglied 36 verschwenkbar. In der einen Stellung des Schaltgliedes, und zwar in der gestrichelt angedeuteten, hat das zum Empfang der Strahlung dienende Fernrohr ein enges Blickfeld, während in der anderen Stellung, die das Schaltglied in F i g. 1 einnimmt, das Fernrohr ein großes Blickfeld hat. In beiden Stellungen überträgt das Schaltglied 36 die empfangene Strahlung auf ein IR-Zwischenglied 38 und dann auf eine zur Azimutabtastung dienende Trommel 40 einer Abtasteinrichtung 42.

Die von einer Fläche der Trommel 40 reflektierte Wärmestrahlung wird einem Elevationsspiegel 44 zugeführt und von diesem auf eine Detektorlinse 46 reflektiert, welche die Strahlung auf eine Detektoranordnung 48 fokussiert, die sich in einem Dewar 50 befindet. Das Dewar 50 wird mit Hilfe eines Kryostaten 52 gekühlt, der aus einer Flasche 54 über ein Kühlventil 56 mit einem gasförmigen Kühlmittel versorgt wird.

Die Ausgangssignale aller Detektorelemente der Detektoranordnung 48 werden in einer elektrischen Einheit 58 parallel verarbeitet und dienen einzeln zur Steuerung jeweils einer Leuchtdiode (LED) einer LED-Anordnung 60. Der von der LED-Anordnung 60 erzeugte Lichtstrahl wird mittels einer Linse 62 parallelisiert und dann von einem Elevationsspiegel 64 auf eine benachbarte Fläche der Trommel 40 reflektiert. Nach der Reflexion von dieser Fläche gelangt das Licht in eine für sichtbares Licht eingerichtete Optik, welche mehrere Glieder 66. 67 und 68 umfaßt, die das Licht einem Betrachter oder einem Bildwandelsystem, wie beispielsweise einer nicht dargestellten Vidicon-Einheit zuführen. Das mittlere Glied 67 der Optik kann mit einer geeigneten, beispielsweise durch Ätzen erzeugten Strichmarke versehen sein.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 ist in F i g. 2 nach Art eines funktionalen Blockschaltgebildes dargestellt. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, umfaßt die Abtasteinrichtung 42 einen Raumabtastteil 41 und einen Bildrekonstruktionsteil 43. Der Raumabtastteil 41 tastete ein Blickfeld nach einem zweidimensionalen Muster derart ab, daß eine vorbestimmte Anzahl miteinander verschachtelter Abtastungen während jedes Abtastzyklus entsteht. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind es vier verschachtelte Teilbilder pro Abtastzyklus. Die empfangene Wärmeenergie wird einer Detektoranordnung 48 zugeführt, die aus einer Anzahl IR-Detektorelementen besteht. Die Ausgangssignale jedes Detektorelementes werden von einem zugeordneten Vorverstärker- und Hauptverstärkerkanal verarbeitet und dann als Steuersignal einer zugeordneten Leuchtdiode der LED-Anordnung 60 zugeführt, so daß es das von dieser Leuchtdiode emittierte, sichtbare Licht moduliert.

Die einzelnen Elemente der Detektoranordnung 48 bilden eine vorbestimmte geometrische Gestalt, die für das behandelte Ausführungsbeispiel in F i g. 3 dargestellt ist. Diese Gestalt ist so ausgewählt, daß jedes Detektorelement während jedes Abtastzyklus von jedem Punkt des abgetasteten Blickfeldes Wärmestrahlung oder IR-Energie empfängt. Jede der Leuchtdioden der LED-Anordnung 60 hat die gleiche Lage in bezug auf die Anordnung wie das zugeordnete Detektorelement in bezug auf die Detektoranordnung 48.

Der von der LED-Anordnung 60 erzeugte Lichtstrahl wird über den Bildkonstruktionsteil 43 der Abtasteinrichtung 42 ausgesendet und dann über die DarStellungsoptik 65 einem Beobachter oder einer nicht dargestellten Bildwandlereinheit zugeführt. Wie später an Hand der F i g. 7 bis 9 beschrieben werden wird, sind der Raumabtastteil 41 und der Bildrekonstruktionsteil 43 der Abtasteinrichtung 42 so ausgebildet, daß die Abtastmuster für die Raumabtastung und die Bildrekonstruktion synchronisiert und anastigmatisch sind. Demgemäß bildet das von dem Bildkonstruktionsteil 43 ausgesandte Licht eine Anzahl aufgezeichneter Bilder, von denen jedes einzelne für die Verteilung der Wärmeenergie in dem abgetasteten Blickfeld charakteristisch ist. Die Anzahl dieser Bilder entspricht der Anzahl der von je einem Detektorelement und einer Leuchtdiode gebildeten Paar.

Wie bereits erwähnt, zeigt F i g. 3 eine bevorzugte Ausführungsform einer Detektoranordnung 48 und einer LED-Anordnung 60. Wie ersichtlich, umfaßt die Detektoranordnung 48 sechs Gruppen aus je drei Detektorelementen. Die Detektorelemente, die eine Gruppe bilden, sind im wesentlichen in Richtung der Azimutabtastung angeordnet, während die verschiedenen Gruppen in der dazu senkrechten Richtung der Elevationsabtastung gegeneinander versetzt sind. Die in F i g. 3 dargestellte Anordnung führt zu einer 50%igen Überlappung. Beispielsweise wird das untere Drittel der Detektorelemente 1 bis 3 bei der Abtastung von dem gleichen Abschnitt des Blickfeldes überstrichen wie das obere Drittel der Detektorelemente 4 bis 6.

Es ist festzustellen, daß bei der Anordnung nach F i g. 3 die Detektorelemente einer Gruppe in Richtung der Azimutabtastung aufeinander ausgerichtet sind. Infolgedessen ist die Vorrichtung für die Integrationstechnik durch Signalverzögerung geeignet, die in der obenerwähnten DT-PS 22 24 275 behandelt ist. In diesem Fall würden die Ausgangssignale der Detektorelemente einer Gruppe gemäß der Integrationstechnik durch Signalverzögerung verarbeitet. Das resultierende zusammengesetzte Signal könnte entweder einer LED-Anordnung zugeführt werden, in der jeweils eine Leuchtdiode einer Gruppe von Detektorelementen zugeordnet ist, oder es könnte das resultierende zusammengesetzte Signal jeder Gruppe einer Parallel-Serien-Abtastumsetzung unterworfen und einem entfernten Darstellungsgerät zugeführt werden.

Das Abtastmuster für die 18 Detektorelemente der in F i g. 3 dargestellten Detektoranordnung ist in F i g. 4 veranschaulicht. Während jeder Azimut-Abtastzeile wird die Detektoranordnung in Elevationsrichtung, also quer zur Richtung der Azimutabtastung, um die Breite der Detektoranordnung in Elevationsrichtung verschoben. Es versteht sich, daß die Detektoranordnung tatsächlich körperlich stationär gehalten und mittels der Abtasteinrichtung 42 optisch abgetastet wird und daß die oben verwendete Ausdrucksweise bezüglich einer »Verschiebung der Detektoranordnung« nur verwendet wird, um die grundsätzliche Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung zu vereinfachen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Antriebs-

verhältnis zwischen der Trommel für die Azimutabtastung und die Elevationsspiegel so gewählt, daß ein Teilbild 43,75 Abtastungen durch Spiegelflächen der Trommel oder 262,5 Bildzeilen umfaßt, nämlich 43,75 Abtastungen durch Spiegelflächen der Trommel mal 6 Detektorgruppen.

Am Ende eines Teilbildes, also einer vollständigen Verschiebung ein Elevationsrichtung, wird die Anordnung zur Elevationsabtastung so eingestellt, daß das Teilbild Nr. 2 um 1,5 Zeilen gegenüber dem Teilbild 1 nach unten versetzt ist. Dadurch findet eine Verschachtelung mit den Abtastzeilen des vorhergehenden Teilbildes statt.

Bei der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform wird zur Erzeugung eines vollständigen Teilbildes '/30 s benötigt. Dieses Teilbild genügt der Fernsehnorm, denn es entspricht 262,5 Zeilen pro Teilbild und es bilden jeweils zwei Teilbilder 565 verschachtelte Zeilen.

Nach der vollständigen Abtastung des Teilbildes Nr. 2 wird die Anordnung zur Elevationsabtastung so eingestellt, daß die Azimutabtastungen für das Teilbild Nr. 3 von einem Punkt ausgehen, der gegenüber dem Ausgangspunkt des Teilbildes Nr. 2 um 1,5 Zeilen nach unten versetzt ist. In gleicher Weise beginnt das Teilbild Nr. 4 in einem Punkt, der gegenüber den Zeilen des Teilbildes Nr. 3 um 1,5 Zeilen nach unten versetzt ist.

Bei Vollendung des Teilbildes Nr. 4 ist auch ein Abtast-Vollbild oder ein Abtastzyklus vollendet und es wird die gerade beschriebene Folge von vier verschachtelten Teilbildern pro Vollbild fortlaufend wiederholt. Es sei erwähnt, daß der Ausdruck »Vollbild« hier eine Gruppe aufeinanderfolgender Teilbilder, bei diesem Beispiel von 4 Teilbildern, bezeichnet, während denen jedes Detektorelement den gesamten Objektraum des Bildfeldes »sieht«. Es sei erwähnt, daß das dargestellte Ausführungsbeispiel mit vier Teilbildern pro Vollbild sich als guter Kompromiß zwischen der Forderung, daß die Bildzeile ausreichend kurz ist, um zu gewährleisten, daß der Betrachter das von jedem Detektorelement-Leuchtelement-Paar gelieferte Gesamtbild erfaßt, und der Forderung bildet, das gleichzeitig der Leistungsbedarf für den Motor der Abtasteinrichtung und die Bandbreitenforderungen für die Verarbeitungskanäle klein gehalten werden.

Die Überlappung zwischen den verschiedenen Detektorgruppen, wie beispielsweise zwischen den Gruppen mit den Detektorelementen 1 bis 3 und 4 bis 6, ist in F i g. 4 nicht dargestellt. Das gleiche gilt für die Verschiebung der Gruppen in Richtung der Azimutabtastung. Diese beiden Merkmale sind in die Darstellung der F i g. 4 nur deshalb nicht aufgenommen worden, um die Klarheit der Darstellung bezüglich der Erläuterung der Abtastmuster zu erhöhen.

Zu der außerordentlich hohen Leistungsfähigkeit und den guten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung trägt auch die anastigmatische und ohne Bilddrehung erfolgende Arbeitsweise der Abtasteinrichtung sowohl bei der optischen Abtastung des Bildfeldes als auch bei der Bildrekonstruktion bei. Eine geeignete Abtasteinrichtung ist in der DT-OS 24 21 721 behandelt. Die bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel verwendete Abtasteinrichtung 42 ist eine verbesserte Ausführungsform der in der DT-OS 24 21 721 beschriebenen und dargestellten Abtasteinrichtung.

Bei der Beschreibung der in den F i g. 5 bis 9 näher dargestellten Abtasteinrichtung 42 wird die Abtastung einer Bildzeile in Horizontalrichtung öfter als Azimutabtastung und die vertikale Verschiebung der Abtastung von Bildzeile zu Bildzeile als Elevationsabtastung bezeichnet. Es versteht sich, daß diese relativen Ausdrücke lediglich dazu benutzt werden, um zwei zueinander senkrechte Abtasteinrichtungen zu bezeichnen, 5 ohne daß damit eine Aussage über die absolute Lage der Vorrichtung im Raum gemacht werden soll.

Wie in den F i g. 5 und 6 dargestellt, wird die empfangene IR-Strahlung an der Trommel 40 und am Elevationsspiegel 44 reflektiert und durch die Detektorlinse 46 der Detektoranordnung 48 zugeführt. Das von der LED-Anordnung 60 erzeugte, sichtbare Licht wird durch eine Linse 62 übertragen und dann von dem Elevationsspiegel 64 und der Trommel 40 der Darstellungsoptik zugeführt.

Die mehrere Spiegelflächen aufweisende Trommel 40 ist um eine Azimutachse drehbar gelagert, die bei der gewählten Darstellung sich in senkrechter Richtung erstreckt. Die Trommel 40 umfaßt eine gerade Anzahl Spiegelflächen, die im wesentlichen gleichförmig um die Drehachse der Trommel verteilt und parallel zu dieser Drehachse angeordnet sind. Die Größe, die Form und der geometrische Ort des von den Spiegelflächen reflektierten Strahles im Empfangsweg ist durch die Apertur und durch Blenden des Objektivsystems bestimmt, das normalerweise eine Fernrohr-Vergrößerung aufweist. Der nominelle Drehpunkt des festen Strahles, der von der umlaufenden Spiegelfläche erzeugt wird, wird hier als »Pupille« bezeichnet und liegt normalerweise auf der optischen Mittellinie des Blickfeldes und ist auf jeder Spiegelfläche der Trommel zentriert, wenn die Spiegelfläche zu der optischen Mittellinie des Blickfeldes senkrecht steht. Die Pupille ist derjenige Punkt oder feste Bereich, von dem die Azimutbzw. Elevationsabtastung auszugehen scheint.

Die Elevationsspiegel 44 und 64 sind an entgegengesetzten Enden eines schwenkbar gelagerten Joches 70 befestigt, so daß die reflektierenden Flächen der Elevationsspiegel 44 und 64 in einer parallelen Beziehung einander und entgegengesetzten Seiten der Trommel 40 gegenüberstehen. Die die Elevationsabtastung erzeugende Spiegelanordnung mit dem Joch 70 ist um einen gewissen Winkel um eine Achse schwenkbar, die zu einer Ebene parallel verläuft, die senkrecht auf der Azimutachse steht und die einen kritischen Ort von Zentren bildet. Die Stellung der Schwenkachse für die Spiegelanordnung zur Elevationsabtastung ist kritisch hinsichtlich der Anordnung der Pupille, um einen scheinbar im wesentlichen festen Ausgangspunkt für die eine in der Elevation und im Azimut eine Abtastbewegung ausführenden Strahlen zu erzielen.

Bei der in der obenerwähnten DT-OS 24 21 721 beschriebenen Anordnung werden zwei benachbarte Abschnitte eines einzigen Elevationsspiegels, der an einem um eine Elevationsachse schwenkbaren Arm befestigt ist, dazu benutzt, den allgemeinen Fall einer Elevations-Abtastanordnung zu erläutern. Bei der verbesserten Anordnung nach den F i g. 5 bis 9 sind getrennte Elevationsspiegel 44 und 64 an den entgegengesetzten Enden des Joches 70 befestigt, das von zwei Armen gebildet wird, die im Elevations-Schwenkpunkt zu einem Bauteil miteinander verbunden sind. Die optischen Prinzipien und Konstruktionsgrundsätze, die in der DT-OS 24 21 721 dargelegt sind, sind jedoch in gleicher Weise zur Festlegung der Elevations-Schwenkachse für die hier beschriebene Abtasteinrichtung geeignet, und es sind die optischen Mittellinien, die in der DT-OS 24 21 721 beschrieben sind, in die F i g. 5 und 6 eingezeichnet. Es versteht sich, daß die Schwenkachse für

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das Joch 70 im Schnittpunkt der geometrischen Orte liegen muß, die den beiden Spiegeln 44 und 64 zugeordnet sind.

Die dargestellte Vorrichtung erlaubt einen geraden Durchblick für das auf Wärmestrahlung ansprechende Abbildungssystem, was bisher nur durch die Anwendung zusätzlicher Umlenkspiegel, Umkehrprismen u. dgl. möglich war. Diese Eigenschaft ist ohne weiteres bei Betrachtung der F i g. 1 und 9 erkennbar, die zeigen, wie die durch das IR-Objektivglied 30 einfallende Wärmestrahlung an der Trommel 40 auf den Elevationsspiegel 44 und das von der LED-Anordnung 58 erzeugte sichtbare Licht vom Elevationsspiegel 64 auf die entgegensetzte parallele Fläche der Trommel 40 und dann über die Glieder 66, 67 und 68 zu einem Ausgang reflektiert wird. Der Weg des sichtbaren Lichtes ist eine geradlinige, parallele Fortsetzung des Eingangsweges für die IR-Energie. Hierdurch wird eine fernrohrartige Beobachtung oder Betrachtung mit einem Minimum an optischen Hilfsgliedern möglich. Die Ausführungsform nach den F i g. 5 und 9. bei der die beiden Elevationsspiegel an einem in seiner Mitte gelagerten Joch befestigt sind, hat Vorteile gegenüber einer Elevationsspiegelanordnung, bei der ein einziger Spiegel an einem an seinem Ende gelagerten Arm befestigt ist, weil bei Verwendung eines symmetrischen Joches ein besseres dynamisches Verhalten zeigt und zu einer besseren optischmechanischen Anordnung in der gesamten Vorrichtung führt. Beispielsweise hat die gegenphasige Bewegung der Elevationsspiegel, welche durch die Anordnung der Spiegel an dem Joch bedingt ist, nicht nur zur Folge, daß die Notwendigkeit für Hilfsprismen zur Bildumkehr entfällt, sondern es werden durch die Ausnutzung einander gegenüberliegender Quadranten der Trommel 42 Konstruktionsbeschränkungen hinsichtlich des Einfallswinkels aufgehoben, so daß bei vereinfachter mechanischer Anordnung ein größerer Abtastwinkel erreichbar ist.

Die Abtast- und Darstellungsmuster nach F i g. 4 werden durch eine Antriebseinrichtung verwirklicht, die in den F i g. 7 und 8 im einzelnen dargestellt ist. Wie ersichtlich, treibt ein Motor 72, der beispielsweise für eine Drehzahl von 6000 U/min ausgelegt sein kann, die Trommel 40 mittels eines Azimut-Zahnrades 74 und eines Azimut-Ritzels 76 an. Die Elevationsspiegel sind um die Achse 71 mittels eines Elevations-Ritzels 78, eines Elevations-Zahnrades 80 und einer Nockenscheibe 82 schwenkbar. Die Nockenscheibe 82 treibt ein Folgeglied 84 an, das an einem Arm des Joches 70 gelagert ist. Das Folgeglied wird mit der Oberfläche der Nockenscheibe durch eine nicht dargestellte Federanordnung in Berührung gehalten. Wenn das Azimut-Zahnrad 74 35 Zähne und das Azimut-Ritzel 16 Zähne aufweist, wird die Trommel 40 mit einer Drehzahl von 13 125 U/min angetrieben. Hat weiterhin das Elevations-Ritzel 15 Zähne und das Elevations-Zahnrad 80 50 Zähne, so erhält die Nockenscheibe 82 eine Drehzahl von 1800 U/min. Infolgedessen finden pro Teilbild 43,75 Abtastungen durch Spiegelflächen statt, denn es werden an einem Elevationsspiegel 43,75 Flächen der Trommel während der Zeit vorbeigeführt, während der der Abtastspiegel einen Zyklus ausführt. Die vier verschachtelten Teilbilder, die an Hand F i g. 4 behandelt worden sind, beruhen auf dem gebrochenen Verhältnis zwischen den Perioden der Azimut- und Elevationsabtastungen, so daß vier Teilfelder benötigt werden, bevor sich die Azimut- und Elevationsbeziehungen wiederholen.

Im folgenden wird noch der zur elektrischen Signalverarbeitung dienende Teil der beschriebenen Vorrichtung an Hand Fig. 10 näher erläutert, die einen von achtzehn gleichen, parallelen Verarbeitungskanälen veranschaulicht. Das Ausgangssignal eines Detektorelements 86, welches eines der achtzehn Detektorelemente ist, welche die Detektoranordnung 48 nach F i g. 1 bilden, und das von einem HG-CD-TE-Festkörper-Infrarotdetektor sein kann, wird einem Vorverstärker 87 zugeführt. Der Vorverstärker 87 kann ein üblicher Transistorverstärker sein, der eine Differenz-Eingangsstufe und eine Rückkopplung von seinem Ausgang zu seinem Eingang aufweist, um eine Stromverstärkung zu erzielen. Die Funktion des Vorverstärkers besteht darin, die schwachen Signalströme auf einen ausreichend hohen Spannungspegel anzuheben, so daß eine weitere Verstärkung ohne Signalverschlechterung durch zusätzliches Verstärkerrauschen erfolgen kann. Der folgende Verstärker 88 ist dem Vorverstärker insofern gleich, als er einen Differenz-Eingangskreis aufweist, der am positiven Eingang angesteuert wird, und von einer einfachen Wiederstands-Rückkopplung Gebrauch macht, um einen bestimmten Verstärkungsfaktor, beispielsweise 10, einzustellen.

An den Verstärker schließt sich ein Dämpfungsglied 90 an, das aus einem einfachen Wiederstands-Dioden-Teilernetzwerk besteht, so daß das Eingangssignal gemäß dem Wechselstromwiderstand der Diode gedämpft wird, die ihrerseits durch die Größe des ihr zugeführten Gleichstroms gesteuert wird. Das Dämpfungsglied kann beispielsweise einen Dämpfungsbereich von 0 bis 60 db haben.

Der Verstärker 92 ist dem Verstärker 38 gleich und wird von zwei identischen nichtlinearen Verstärkern 94 und 95 gefolgt. Diese Verstärker haben für kleine Eingangssignale eine lineare Charakteristik, werden jedoch bei größeren Signalen plötzlich nichtlinear.

Das Ausgangssignal des nichtlinearen Verstärkers 95 wird weiterhin in einer Treiberstufe % verstärkt und dann als Steuersignal einer Leuchtdiode 97 zugeführt, die eines der Leuchtelemente der LED-Anordnung 60 (F i g. 1) bildet und deren Relativstellung innerhalb der LED-Anordnung 60 der Relativstellung des Detektorelements 86 in der Detektoranordnung 48 entspricht.

Die Treiberstufe 96 spricht auch auf ein Gleichstrom-Helligkeitssignal an, das dazu benutzt wird, den LED-Bildstrom zu steuern, und auf ein Austastsignal, das alle Leuchtdioden während der »Totzeit« der Azimutabtastung ausschaltet. Eine solche Austastung ist zwar für die Funktion der Vorrichtung unnötig, führt jedoch zu einer Reduktion des Leistungsbedarfs. Die Austastsignale werden mit Hilfe von kapazitiven Fühlern erzeugt, die nahe der Trommel 40 angeordnet sind. Da der Abstand der von den Fühlern aufgenommenen Signale die Austastperiode bestimmt, ist sie automatisch zur jeweiligen Motorgeschwindigkeit synchronisiert.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann so zusammengefaßt werden, daß eine zweidimensionale Abtasteinrichtung den Objektraum des Blickfeldes abtastet und das abgetastete Bild durch eine Anordnung von Infrarot-Detektorelementen unterteilt wird, die einzelne Verstärkerkanäle speisen. Die verstärkten Ausgangssignale der Detektorelemente werden dann parallel einer geometrisch gleichen Anordnung von Leuchtdioden zugeführt. Das von den Leuchtdioden erzeugte sichtbare Licht wird dann mittels der gleichen Abtasteinrichtung zu einem Bild geformt, so daß in sichtbarem Licht ein Ausgangssignal

entsteht, welches für die relative Verteilung von Wärmeenergie innerhalb des abgetasteten Blickfelds charakteristisch ist. Die 1 :1-Abbildung der Detektorelemente auf die Leuchtdioden in Verbindung mit der Verwendung der gleichen Abtasteinrichtung sowohl zum Abtasten des Infrarot-Objektraums als auch des im sichtbaren Bereich liegenden Bildraums gewährleistet, daß das wiedergegebene Bild kohärent aufgebaut wird, unabhängig von der genauen Gestalt des Detektor- und LED-Anordnungen oder der genauen Einzelheiten der Abtastung. Die Verwendung von Detektor- und LED-Anordnungen mit paarweise zugeordneten Elementen läßt eine erhebliche Freiheit bei der Gestaltung der Anordnungen zu, um solche Kriterien zu berücksichtigen wie Einfachheit der Herstellung, eine günstige optische Abbildung, Abführen der Leitungen usw. Die Erfindung ist keineswegs auf lineare Anordnungen beschränkt, sondern vielmehr bei einer Vielzahl verschiedenartiger Anordnungen anwendbar. Beispielsweise können kreisförmige Anordnungen oder Anordnungen mit einer Anzahl kreisförmiger Gruppen bei manchen Anwendungen erwünscht sein. Beispielsweise haben kreisförmige Gruppen eine nahezu ideale Gestalt für die Leitungsführung, weil dann alle Leitungen von den entsprechenden Detektorelementen radial fortgeführt werden können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch bedeutende Vorteile hinsichtlich der Gleichförmigkeit des Bildes und Toleranzen hinsichtlich eines Kanalausfalls aus. Da jedes Detektorelement jeden Punkt des Blickfelds erfaßt und das Bild aus der Summe der Ausgangssignale aller Detektorelemente gebildet wird, können Unterschiede zwischen den einzelnen Kanälen keine Ungleichförmigkeit des erzeugten Bildes von Zeile zu Zeile oder Bereich zu Bereich zur Folge haben. Wenn beispielsweise die Hälfte der Detektorkanäle ausfiele, würde bei einem erfindungsgemäßen System das Signal-Rausch-Verhältnis nur um den Faktor = 2 vermindert. Im Gegensatz dazu würde bei bekannten Vorrichtungen, bei denen das Blickfeld in ebenso viel Bereiche unterteilt ist, wie Detektoren vorhanden sind, und jeder Detektor nur seinen Bereich abtastet, der Ausfall der Hälfte der Detektorkanäle zur Folge haben, daß nur noch die Hälfte des Blickfeldes erfaßt wird. Tatsächlich hat bei diesen bekannten Vorrichtungen schon das Versagen einiger weniger Verarbeitungskanäle das Entstehen einer Anzahl »toter Zeilen« in der Darstellung zur Folge, die den Betrachter ablenken, und es kann nur ein geringer Bruchteil solcher »toter Zeilen« als tolerierbar betrachtet werden.

Die Unempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung für funktionsunfähige Kanäle ist von großer Bedeutung für die Ausbeute und infolgedessen für die Kosten von Detektor- und LED-Anordnungen. Bei dem bekannten System mit Parallelabtastung müssen im wesentlichen alle Detektorelemente gut sein, um brauchbare Bilder zu erzeugen. Gewöhnlich wird für diejenigen Elemente, die dem zentralen Teil des Blickfeldes zugeordnet sind, eine hundertprozentige Betriebsfähigkeit verlangt. Im Gegensatz dazu hat bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Anteil von zehn Prozent gestörter Kanäle keine merkliche Verschlechterung der Betriebseigenschaften zur Folge, weil das einzige bedeutende Maß der Detektoreigenschaften das akkumulierte Empfangsvermögen ist. Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht nur die tatsächliche Anzahl funktionsfähiger Kanäle von untergeordneter Bedeutung, sondern es ist auch die Verteilung der guten Kanäle innerhalb der Gruppe selbst unwesentlich, so daß eine sonst brauchbare Anordnung nicht zurückgewiesen werden muß, weil ein oder zwei tote Kanäle sich im zentralen Bereich der Anordnung befinden. In gleicher Weise sind defekte Leuchtelemente für die Gesamteigenschaften der Vorrichtung nicht kritisch. Nicht funktionierende Kanäle können von vornherein berücksichtigt werden, indem von vornherein eine Anzahl von Kanälen vorgesehen wird, die die zu erwartende Ausbeute an brauchbaren Detektorelementen und Leuchtdioden von vornherein in Rechnung ziehen.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bilderzeugung mit einer aus einer Anzahl von Detektorelementen bestehenden Detektoranordnung, einer Einrichtung zum optischen Abtasten eines Blickfeldes nach einem zweidimensionalen Muster und Projizieren der empfangenen Strahlung auf die Detektoranordnung und einer zur Abtasteinrichtung synchronisierten Einrichtung zur bildlichen Wiedegabe der für die Intensität der ihnen zugeführten Strahlungsenergie charakteristischen Ausgangssignale der Detektoranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster der optischen Abtastung während jedes Abtastzyklus eine Anzahl miteinander verschachtelter Abtastungen des Blickfelds, umfaßt, daß die Detektorelemente eine solche geometrische Verteilung aufweisen, daß jedes Detektorelement während jedes Abtastzyklus von jedem Punkt des Blickfeldes Strahlungsenergie empfängt und daß die Einrichtung zur bildlichen Wiedergabe eine Anordnung von Leuchtelementen, welche die gleiche geometrische Verteilung aufweisen wie die Detektorelemente und in Abhängigkeit von den ihnen zugeführten Ausgangssignalen des entsprechenden Detektorelements sichtbares Licht mit einer der Intensität der empfangenen Strahlung entsprechenden Intensität erzeugen, und bilderzeugende Mittel umfaßt, die das von den Leuchtelementen emittierte Licht empfangen und gemäß einem zweidimensionalen Muster aussenden, das zu dem Muster der optischen Abtastung synchron ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung (48) aus mehreren, jeweils mehrere Detektorelemente umfassenden Gruppen besteht und die Detektorelemente jeder Gruppe in einer ersten Richtung angeordnet sind, die einer der Richtungen der optischen Abtastung entspricht, wogegen die Gruppen in einer zweiten, zur ersten senkrechten Richtung derart angeordnet sine¹, daß beim Abtasten der Gruppen in der ersten Richtung ein Überlappen stattfindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente jeder Gruppe in der ersten Richtung gleichförmig angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (42) zur Erzeugung anastigmatischer und synchronisierter Muster für die optische Abtastung des Blickfeldes und die Rekonstruktion des Bildes eingerichtet ist, die für ein afokales optisches Vergrößerungssystem geeignet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (42) für die Azimutabtastung eine drehbar gelagerte Trommel (40) mit einer geraden Anzahl Spiegelflächen, die gleichmäßig um die Drehachse der Trommel (40) verteilt und parallel zur Drehachse angeordnet sind, und für die Elevationsabtastung eine schwenkbar gelagerte Spiegelanordnung umfaßt, deren Schwenkachse (71) in einer zur Drehachse der Trommel (40) senkrecht stehenden Ebene liegt und die zwei Elevationsspiegel (44 und 64) aufweist, die an den entgegengesetzten Enden eines schwenkbar gelagerten Joches (70) in parallel zur Schwenkachse (71) verlaufenden Ebenen angeordnet sind und einander an

entgegengesetzten Seiten der Trommel (40) gegenüberstehen, derart, daß die durch Drehen der Trommel (40) und Verschwenken der Elevationsspiegel (44,64) erzeugten orthogonalen Abtastungen für jeden der beiden Elevationsspiegel (44 und 64) von einem festen Bereich an der Oberfläche der Trommel (40) auszugehen scheinen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verschwenken des Joches (70) eine angetriebene Nockenscheibe (82) mit einem Folgeglied (84) und zum Drehen der Trommel (40) ein Antrieb vorgesehen sind und die Nockenscheibe (82) mit dem Antrieb für die Trommel (40) so synchronisiert ist, daß während jedes Abtastzyklus die gewünschte Anzahl miteinander verschachtelter Abtastungen des Blickfeldes erzeugt wird.