DE2535394A1

DE2535394A1 - Verfahren zum abtasten thermografischer bilder und vorrichtung zur durchfuerhung des verfahrens

Info

Publication number: DE2535394A1
Application number: DE19752535394
Authority: DE
Inventors: Jens Duehrkoop; Guenter Dr Ing Pusch
Original assignee: Industrie Automation GmbH and Co
Current assignee: Industrie Automation GmbH and Co
Priority date: 1975-08-08
Filing date: 1975-08-08
Publication date: 1977-02-24
Also published as: FR2320568A1; NL7608756A; GB1564407A; SE428976B; BE844938A; DE2535394B2; FR2320568B1; US4180306A; SE7608688L; IT1067999B; CH607072A5

Description

Industrie automation GmbH & Go. Heidelberg

Verfahren zum Abtasten thermografischer Bilder

und
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zum Abtasten thermografieeher Bilder und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bereits eine Reihe von Verfahren zum Abtasten thermograf ischer Bilder bekannt. Das wohl am häufigsten benutzte Verfahren besteht darin, daß das Bild zellenförmig, z.B. horizontal, mit Hilfe eines Schwenkspiegels oder eines umlaufenden Polygonal-Prismas abgetastet wird, während der Übergang von einer Zeile zur nächsten durch die Kippbewegung eines in den Strahlengang eingeschalteten Umlenkspiegels bewirkt wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß zwischen je zwei Zeilen ein Zwischenraum frei bleibt, welcher nicht abgetastet wird.Ja jede Zeile für sich abgetastet werden muß, erfordert überdies das Abtasten eines ganzen Bildes eine nicht unbeträchtliche Zeit.

Es ist weiterhin bekannt, mehrere Detektoren übereinander anzuordnen und damit mehrere Zeilen mit einer Bewegung des Abtastgeräts gleichzeitig abzutasten. Das erfordert naturgemäß einen zusätzlichen technischen Aufwand, ferner läßt sich nicht vermeiden, daß zwischen je einer Gruppe von zus?^rni??en abgetasteten Zeilen und der nächsten Gruppe ein gröiSerer Abstand entsteht als zwischen den Zeilen einer Gruppe

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Bei einem anderen bekannten Verfahren wird der Abtaststrahl ebenfalls in einer Geraden bewegt, während gleichzeitig das gesamte optische System, einschließlich Abtast-Prisma und Antriebsmotor für dieses, in drehende Bewegung versetzt wird. Bei diesem Gerät erfolgt die Abtastung in spiraligen Bahnen, wobei die Abstände zweier benachbarter Spirallinien umso kleiner sind, je geringer die Geschwindigkeit der Zeilenabtastbewegung gegenüber der Rotationsgeschwindigkeit des Gesamtapparates ist. Der Aufbau dieser Geräte ist sehr kompliziert und daher störanfällig. Außerdem sind die Apparate so schwer, daß sie nur fest eingebaut, z.B. auf Schiffen benutzt werden können.

Aufgabe der Erfindung war es, sin Veriahren zu entwickeln, welches es ermöglicht, von einem anvisierten Objekt auf einfache Y/eise ein genaues thermografisches Bild au erhalten. Das dazu erforderliche Gerät sollte möglichst wenig störanfällig und nicht schwer sein.

Nach der Erfindung wird bei einem Verfahren zum Abtasten thermografischer Bilder, wobei eine Schwing- oder Dreh-Bewegung zum Abtasten in einer Richtung, z.B. in der horizontalen Richtung, dient, die Abtast-Bewegung in der dazu senkrechten Richtung durch Änderung der Lage der Schwingoder Dreh-Achse bewirkt.

Die beiden Abtast-Bewegungen erfolgen hier vollkommen unabhängig von einander. Die Frequenzen der beiden Abtast-Bewegungen können in beliebiger Form aufeinander abgestimmt werdende nachdem ob ein gröberes oder ein feineres Raster gewünscht wird. Die Richtungen der beiden Abtast-Bewegungen müssen nicht unbedingt senkrecht zu einander stehen. Ss ist durchaus denkbar, daß sie einen spitzen oder einen stumpfen Winkel miteinander einschließen. Jedoch ist ein Rechter V/inkel der beiden Richtungen der günstigste.

Besonders einfach wird die praktiscne Verwirklichung der Erfindung, wenn die horizontale Abtastung durch ein umlaufendes

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ORIGINAL INSPECTED

Polygonal-Prisma, die vertikale Abtastung durch eine Kipp-Bewegung der Achse des Prismas bewirkt wird. Durch die Dreh-Bewegung des Polygonal-Prismas entstehen keinerlei zusätzliche Kräfte, welche die Kipp-Bewegung der Achse des Prismas beeinflussen könnten. Da ferner ein umlaufendes Aggregat sehr leicht gehalten 7/erden kann, sind die beim Kippen der Achse zu bewegenden Kassen klein, was sich auf die l:ö gliche Frequenz-Höhe der Kipp-Bewegungen, auf die Lagerung der zu kippenden ■Teile und auf die auszuübenden Antriebskräfte günstig auswirkt .

Die .erzeugung aer Kipp-Bevvegung kann auf verschiedene Weise erfolgen. So könnte die Schwenkbewegung durch mechanische Übersetzung, z.3. eine Archimedische Spirale als Exzenter gesteuert werden. Besser und einfacher wird das Verfahren, wenn die Achse des Polygonal-Prismas aus ihrer normalen Null-Stellung durch eine Zusatz-Kraft, z.B. durch elektro-magnetische Kräfte, ausgelenkt und durch Federkraft wieder in die Lull-3teilung zurückgeführt wird.

In-diesem lall läßt sich eine hohe Frequenz der Kipp-Bewegungen erzielen. Je größer man die Frequenz der Kipp-Bev/egungen im "Verhältnis zu dor Bildabtast-Prequenz wählt, umso feiner wird das Raster und umso genauer das Bild. Um ein einigermaßen brauchbares Bild zu erhalten, sollte die Frequenz der Kipp-Bewegungen mindestens gleich der Bildabtast-Frequenz gewählt werden.

Jas normale Zeit-./eg-Diagramm einer Schwingungs-Bewegung wird durch eine Sinus-Linie wiedergegeben. Das gilt auch für eine frei schwingende Kipp-Bewegung. Hierbei entstehen an den Wende-Punkten der Schwingungs-Bewegung Tot-Zeiten, welche den Abstand zweier benachbarter Abtast-Linien vergrößern. Dieser Hachteil kann nach einem weiteren Gedanken der Erfindung dadurch beseitigt werden, daß die Kipp-Bewegung der Achse des Polygonal-Prifc-rras mit Hilfe von Prellböcken kurz vor Erreichen der Wende-Punkte gestoppt wird. Auf diese Weise kann ein annähernd dreieckföriTiiger Verlauf der Zeit-Y7eg-Kurve erreicht werden.

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Ein schwingendes System erfordert die niedrigste Antriebskraft, wenn es im Takt seiner Eigenschwingungen bewegt wird. Um dies zu erreichen, wird nach einem weiteren Sedanken der Erfindung die Treiberspannung zur Erzeugung der elektromagnetischen Kräfte aus der Kipp-Bewegung des Prismas selbst abgeleitet.

Es ist manchmal erforderlich, die Bildabtast-Frequenz zu ändern, um den Abtast-Vorgang bestimmten Gegebenheiten anzupassen. Mach der Erfindung wird diese Anpassung der Bildabtast -Frequenz auf elektromagnetischem Weg bewirkt.

Auch für die Wiedergabe der aufgenommenen Bilder kann das erfindungsgemäße Verfahren nutzbar gemacht werden. Durch eine Kombinaation der beiden Verfahren läßt sich dabei eine genaue Synchronisation der Abtast-Bewegungeijferzielen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf verschiedene Weise praktisch verwirklicht werden. Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung wird bei einem, in einem Gehäuse angeordneten, optischen System mit einem rotierenden Polygonal-Prisma als Abtastvorrichtung das Polygonal-Prisma mit Antriebsmotor in einer mit seitlichen Öffnungen für den Durchgang der Strahlen versehenen Halterung gelagert. Die Halterung selbst wird um eine senkrecht zur Dreh-Achse des Prismas laufende und diese schneidende Achse schwenkbar im Gehäuse aufgehängt und mit einem Antrieb ausgerüstet, welcher ein seitliches Ausschwingen der Halterung um die Schwenkachse bewirkt.

Diese Bauart ermöglicht es, zwei unabhängig von einander und senkrecht zu einander verlaufende Abtast-Bewegungen mit einander zu kombinieren und dadurch ein nahezu lückenloses Bild des beobachteten Objekts aufzunehmen. Die Drehbewegung des Polygonal-Prismas erzeugt eine an einer Seite des Bildes beginnende und zellenförmig zur anderen Seite durchlaufende Abtast-Bewegung, die sich bei jeder neuen Seite in gleicher Weise wiederholt, während durch die Kipp-Bewegung der Halterung eine senkrecht

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zur Zeilen-Abtastung verlaufende, auf- und. abgehende Schwingung hervorgerufen wird.

Die Vorrichtung läßt sich verbessern, wenn die das Polygonalprisma enthaltende Halterung in Dreh-Federn gelagert wird, welche die Halterung nach der Ausschwenk-Bewegung in ihre Null-Lage zurückführen. Durch diese Konstruktion wird ein Drehpendel-System geschaffen, das mit hoher Geschwindigkeit um eine Mittellage schwingen kann.

Da die Zeilenabtast-Bewegung und die schwingende Bewegung der Halterung vollkommen unabhängig von einander erfolgen, kann man das Verhältnis der Zeilenabtast-Frequenz zur Schwingungs-Frequenz der Halterung beliebig wählen. Besonders günstige Verhältnisse ergeben, sich, wenn das aus der Halterung mit Polygonal-Prisma und Antriebsmotor für dieses einerseits und den beiden Dreh-Federn andererseits bestehende Schwingungs-System für eine Resonanzfrequenz ausgelegt wird, die größer oder gleich der halben Bildabtast-Frequenz ist.

Bei normalen Schwingungen eines frei schwingenden Systems verläuft die Zeit-Weg-Kurve in einer Sinus-Linie. Dadurch entstehen anj(A.nfang und am Ende jeder Schwingung Tot-Zeiten, in denen praktisch keine Schwingungs-Bewegung stattfindet. Bei der durch die Schwingungen der Halterung hervorgerufenen, vertikalen Abtastung hat das den Nachteil, daß zwischen je zwei halben Schwingungen, z.B. zwischen Hin- und Rückgang, ein toter Streifen liegt, der vom Abtaststrahl nicht getroffen wird. Um diesen Mangel zu beseitigen, werden kurz vor den Enden des natürlichen Schwingungsweges der Halterung federnde Prellböcke angeordnet, welche die Kipp-BewegtLögen der schwingenden Massen so abstoppen, daß eine annähernd lineare Weg-Zeit-Funktion erzeugt wird. Die Weg-Zeit-Kurven zeigen dann nicht mehr die Form einer Sinus-linie, sondern in spitzem Winkel aneinander stoßende Geraden, die abwechselnd von unten nach oben und von oben nach unten laufen und dadurch das Bild aneinander stoßender Dreiecke vermitteln. Abstand und Federkraft der Prellböcke werden hierbei zweokmäßiger Weise so eingestellt, daß eine optimale lineare und formatmäßige

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Bildabtastung erfolgt. Die günstigste Einstellung kann hierbei durch Ausprobieren ermittelt werden. Als federnde Körper kommen in erster linie Stahlfedern in Frage. Es können indessen auch andere elastische Stoffe, z.B, Gummi, als federnde Glieder benutzt werden.

Als Antriebsmittel bedient man sich am besten einer am Gehäuse fest angebrachten Spule, welche zusammen mit einem an der Halterung angebrachten Dauermagneten die Auslenkung der Halterung aus ihrer Null-Lage bewirkt. Um das schwingende System in Resonnanz-Sohwingungen zu versetzen, wird nach einem weiteren Gedanken der Erfindung die Halterung mit zwei Dauermagneten versehen, denen je eine am Gehäuse befestigte Spule gegenüber liegt. Der erste Dauermagnet erzeugt in der gegenüber liegenden Spule einen Induktions-Strom. Dieser Induktions-Strom wird nach Verstärkung der anderen Spule zugeführt,welche den zweiten Dauermagneten genau im Takt des schwingenden Systems antreibt. Auf diese Weise wird eine genaue Synchronisierung der Antriebskräfte mit sten Eigenschwingungen des Systems erreicht.

Soll das Gerät nicht nur zur Aufnahme sondern auch zur Wiedergabe Thermografie eher Bilder dienen, so kann man das in den Strahlengang des Wiedergabeteils eingeschaltete Polygonal-Prisma auf die Welle des Aufnahme-Polygonal-Prismas setzen und durch denselben Antriebsmotor antreiben lassen. Durch diese Anordnung wird der Gesamt-Aufbau des Geräts wesentlich vereinfacht und gleichzeitig eine vollkommene Synchronisation des Wiedergabeteils mit dem Aufnahmeteil erreicht.

In den Abbildungen ist ein Ausführungs-Beispiel der dargestellt. Es zeigen:

Fig,1 den Strahlengang des Aufnahmeteils j Fig.2 den Strahlengang des Wiedergabeteils; Mg.3 eine Seitenansicht,teilweise geschnitten,der Abtast-Yorrichtung}

Fig.4- den unteren Teil der Abtast-Vorrichtung,um 90° gegenüber der Stellung nach Pig.3 gedreht,mit Andeutung der elektrischen Schaltung.

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Bei der Darstellung der beiden Strahlengänge ist angenommen, daß die Dreh-Achse des Polygonal-Prismas senkrecht zur Bild-Ebene -verläuft, die Bild-Ebene somit waagerecht liegt.

Die vom Objektiv 1 aufgenommenen Strahlen gelangen unter Zwischenschaltung einer Feldlinse 2 zu einem rotierenden Polygonal-Prisma 3. Die Lage der Feldlinse zwischen Polygonal -Prisma und Objektiv ist so bemessen und ihre form so berechnet, daß die im Polygonal-Prisma gebrochenen Strahlen bei jeder Stellung des Polygons bei ihrem Austritt in einem Punkt des Polygon-Umkreises zusammenlaufen. Dadurch wird erreicht, daß praktisch keine Streuungen beim Übergang von einer Polygonfläche zur nächsten auftreten. Die aus dem Polygonal-Prisma austretenden, divergenten Strahlen werden . anschließend von einer Transformations-Optik/aufgenommen und in ein konvergentes Strahlenbündel umgewandelt, dessen Spitze in einem Detektor 6 liegt. Zum Schutz gegen das Eindringen von Störstrahlen in den Detektor ist hinter die Transformations-Optik eine Blende 5 geschaltet.

Beim Wiedergabeteil werden die von Luminiszenz-Dioden 11,21 abgegebenen Strahlen in einem Strahlteiler 9 zu einem Bündel vereinigt, das über eine Transformationslinse 14 einem Polygonal-Prisma 13 zugeleitet wird. In diesem Pail ist die Transformationslinse so bemessen, daß sie die vom Strahlteiler 9 kommenden Strahlen zu einem Punkt zusammenführt, welcher am Eintritt der Strahlen in das Polygonal-Prisma auf dem Umkreis des Polygons liegt. Die aus dem Polygonal-Prisma austretenden Strahlen werden von einer Linse 8 aufgenommen, zur Drehung des Bildes einem Schmidt-Prisma 7 zugeführt und gelangen über eine zweite Linse 18 in eine Feldlinse 12, welche sie einem Okular 10 zuleitet.

Das wichtigste Glied des neuen Geräts ist die Abtastvorrichtung (Mg.3 und 4). Sie ist in dem hieregezeigtentBeispiel für ein kombiniertes Gerät dargestellt, welches sowohl den Strahlengang für die Abtast-Vorrichtung als auch den Strahlen-

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gang für die Wiedergabe-Vorrichtung enthält. Auf einer im " Bild nicht sichtbaren Welle sitzen ein Polygonal-Prisma 3 für den Abtast-Strahlengang und ein Polygonal-Prisma 13 für den Wiedergabe-Strahlengang. Das Polygonal-Prisma 3 kann beispielsweise aus Silizium, das Polygonal-Prisma 13 aus Glas bestehen. Die Prismen sind durch eine Trennplatte 23 und zwei Endplatten 17,,27 in ihrer Lage auf der Antriebswelle fixiert. Am unteren Ende der Antriebswelle sitzt ein Antriebsmotor 22. Die genannten Teile bilden zusammen einen Rotationskörper, der an den Stellen 19 und 29 in einer Halterung 15 gelagert ist. Die Halterung selbst bildet einen Rahmen,dessen offener,innerer Teil für den Durchgang der Strahlen frei gehalten ist. Der freie Raum wird unten und oben begrenzt durch zwei Platten 35,45, welche die Lager 19 bzw. 29 des Rotationskörpers aufnehmen. Diese Platten sind seitlich durch starke Streben miteinander verbunden, von denen nur eine 37 im Bild zu sehen ist. Jede der Streben trägt in der Mitte einen Lagerzapfen 25, der zur Lagerung der Halterung im Gehäuse dient. Die Lager können in üblicher Weise fest in das Gehäuse eingebaut sein. Für den vorliegenden Pail günstiger ist eine Lagerung in Dreh-Federn, welche mit der Halterung und dem in ihr gelagerten Rotationskörper ein schwingendes System bilden. Bei beiden Bauarten kann die Halterung mit dem gesamten Rotationskörper um die Achse der Zapfen 25 schwingende Bewegungen ausführen, wobei als Massen-Ausgleich für den Motor 22 am entgegengesetzten Ende_ Scheiben 24,34 an der Halterung angebracht sind.

An der unteren Wand trägt das Motor-Gehäuse ,das an der Platte 35 befestigt ist, zwei Permanentmagnete 34 und 44. Jedem dieser Magnete gegenüber ist am Gehäuse eine Spule 31 bzw. 41 angeordnet. Da die Halterung immer kleine Schwing-Bewegungen um ihre Horizontal-Achse ausführt, werden in der Spule 31 durch den Magneten 34 Induktions-Ströme erzeugt. Diese Induktions-Ströme werden durch die Leitung 32 der Treiberspule 41 zugeführt. In die Leitung 32 ist ein Verstärker 33 geschaltet,

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der "beim Einschalten des Geräts die in der Spule 31 induzierte Spannung so verstärkt, daß durch die Spule 41 Antriebskräfte auf den Magneten 44 ausgeübt werden. Bei dem beschriebenen System treten die Antriebskräfte stets genau im Takt der Eigenschwingungen der Halterung auf, wodurch die erforderliche Energie-Zufuhr auf ein Mindestmaß begrenzt wird.

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Claims

30.7.75

Patent-Ansprüche

Verfahren zum Abtasten thermografischer bilder, wobei eine . Schwing- oder Dreh-Bewegung jeweils zum Abtasten in einer Richtung , z.B. der horizontalen Richtung, dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast-Bewegung in der dazu senkrechten Richtung durch Änderung der Lage der Schwing- oder Dreh-Achse bewirkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontale Abtastung durch ein umlaufendes Polygonal-Prisma, die vertikale Abtastung durch eine Kipp-Bewegung der Achse des Prismas bewirkt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Polygonal-Prismas aus ihre normalen Null-Stellung durch eine Zusatzkraft ausgelenkt und durch Federkraft wieder in die UuIl-Steilung zurückgeführt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Kipp-Bewegungen größer oder gleich der halben Bild-Abtastfrequenz gewählt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kipp-Bewegung der Achse des Polygonal-Prismas mit Hilfe von Prellböcken so gestoppt wird, daß ein annähernd dreieckförmiger zeitlicher Verlauf entsteht.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Kipp-Bewegung durch elektro-magnetische Kräfte erfolgt.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberspannung zur Erzeugung der elektromagnetischen Kräfte aus der Kipp-Bewegung des Prismas abgeleitet wird.

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8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Bild-Abtast-Frequenz auf elektronischem Wege erfolgt.
9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 his 8, bestehend aus einem in einem Gehäuse angeordneten,optischen System,einem in den Strahlenlengang des optischen Systems eingeschalteten,rotierenden Polygonal-Prisma und einem Antriebsmotor für das Polygonal-Prisma, dadurch gekennzeichnet, daß das Polygonal-Prisma mit dem Antriebsmotor in einer mit seitlichen Öffnungen für den Durchgang der Strahlen versehenen Halterung gelagert ist sowie ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung selbst um eine senkrecht zur Drehachse des Prismas laufende und diese schneidende Achse schwenk-bar in dem das optische System aufnehmenden Gehäuse gelagert und mit einem Antrieb ausgerüstet ist, welcher ein seitliches Ausschwingen der Halterung um ihre Schwenkachse bewirkt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurdi gekennzeichnet, daß die Halterung für das Polygonal-Prisma in Dreh-Federn gelagert ist, welche die Halterung nach der Ausschwenk-Bewegung in ihre Null-Lage zurückführen.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeich- ' net, daß das aus der Halterung mit Polygonal-Prisma und Antriebsmotor für dieses einerseits und den beiden Dreh-Federn andererseits bestehende, schwingende System für eine mechanische Resonnanz-Frequenz ausgelegt ist, die größer oder gleich der halben Bild-Abtast-Frequenz ist.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 11, gekennzeichnet durch kurz vor den Enden des natürlichen Schwingungsweges der Halterung angeordnete, federnde Prellböcke, welche die Kipp-Bewegung der schwingenden Massen so abstoppen, daß eine annähernd lineare Weg-Zeit-Funktion erzeugt wird.

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13·; Vorrichtung nach, den Ansprüchen 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Abstand und Federkraft der Prellböcke so eingestellt sind, daß eine optimale lineare und formatmäßige Bildablenkung erfolgt.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 13, gekennzeichnet ;.:.l\: durch mindestens einen an der Halterung angebrachten Dauer-Magneten sowie mindestens eine am Gehäuse fest angebrachte Spule, welche die Ablenkung der Halterung aus ihrer Null-Lage bewirkt,
15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung des aus Polygonal-Prisma und Antriebsmotor bestehenden Dreh-Systems beiderseits der Schwenkachse so erfolgt, daß ein möglichst vollkommener Massen-Ausgleich besteht.
16s.Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf der gleichen Welle auf der das Abtast-Polygonal-Prisma sitzt, ein Wiedergabe-Polygonal-Prisma angeordnet ist, so daß sowohl in waagerechter als auch in lotrechter Abtast-Richtung eine gwangs-synchronisierte Wiedergabe erfolgt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung mit einem Dauermagneten zur Erzeugung eines Induktionsstromes und einem Dauermagneten zur Aufnahme der Antriebskraft versehen ist, denen eine im Gehäuse angebrachte Induktionsspule bzw. eine ebenfalls im Gehäuse angebrachte Treiberspule gegenüber liegen, und daß die Induktionsspule mit der Treiberspule durch eine Schleife verbunden ist, in die ein Verstärker eingeschaltet ist.

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