-
Technisches
Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft eine passive bildauflösende Detektoranordnung mit
einem Matrixdetektor, auf welchen durch abbildende optische Mittel
ein Bild einer Objektszene erzeugt wird und der aus einer zweidimensionalen
Anordnung von Detektorelementen besteht, wobei jedes Detektorelement
zur Erhöhung
der Auflösung
zyklisch nacheinander eine Mehrzahl von Bildelementen erfaßt.
-
Zugrundeliegender
Stand der Technik
-
Solche
bildauflösenden
Detektoranordnungen werden z.B. für die Zielsuchlenkung von Lenkflugkörpern oder
für endphasengelenkte
Munition eingesetzt. Dabei spricht der Matrixdetektor auf infrarote
Strahlung an, die von einem Ziel in einer Objektszene ausgeht. Der
Matrixdetektor liefert ein Raster von Bildelementen (Pixeln). Diese
Bildelemente werden einer Bildverarbeitung unterworfen, um ein Ziel zu
erkennen und zu identifizieren und die Zielablage im Gesichtsfeld
der Detektoranordnung zu bestimmen. Zur Verminderung des Rauschens
auf einen tragbaren Wert muß der
Detektor durch einen Kühler auf
eine sehr niedrige Temperatur gekühlt werden.
-
Es
ist wünschenswert,
mit dem Matrixdetektor ein möglichst
großes
Gesichtsfeld zu erfassen, um auch Ziele mit größerer Zielablage erfassen zu können. Andererseits
ist ein möglichst
hohes geometrisches Auflösungsvermögen erforderlich.
Es soll auch bei größeren Entfernungen
zum Ziel noch eine ausreichende Auflösung der Zielstrukturen möglich sein.
Dadurch soll die Identifizierung des Ziels erleichtert und die Falschalarmrate,
d.h. die Wahrscheinlichkeit einer falschen Klassifikation des Ziels, vermindert
werden.
-
Optische
Systeme können
in den hier benutzten Infrarot-Wellenlängenbereichen
von 3 bis 5 μm
und 8 bis 12 μm
beugungsbegrenzt ausgelegt werden. Die optischen Systeme liefern
daher eine hoch-aufgelöste
Bildinformation. Es bietet aber Schwierigkeiten, einen Matrixdetektor
aufzubauen, der diese hoch-aufgelöste Bildinformation möglichst verlustarm
an das Bildverarbeitungs-System weiterzuleiten vermag. Dabei wird
die Leistungsfähigkeit des
Systems durch die Modulations-Transferfunktion der
Detektorelemente des Matrixdetektors bestimmt. Die Modulations-Transferfunktion
gibt die Fähigkeit der
Detektorelemente des Matrixdetektors wieder, Strukturinformation
unverfälscht
abtasten zu können.
-
Im
Idealfall müßten sehr
große
Detektor-Arrays mit z.B. 1024 × 1024
Detektorelementen verwendet werden, um die volle Leistung des abbildenden
optischen Systems ausnutzen zu können.
Solche Detektoren sind jedoch nicht verfügbar.
-
Durch
die
EP-B-0 133 890 ist
ein elektrooptisches Detektorsystem zur Erzeugung elektronischer Bildinformation
mit einem ladungsgekoppelten Matrixdetektor bekannt, der aus einer
Anordnung von Zeilen und Spalten quadratischer Detektorelemente besteht.
Zwischenräume
zwischen den Detektorelementen haben eine Breite, die im wesentlichen
der Seitenlänge
der Detektorelemente entspricht. Durch einen Taumelspiegel, der
nacheinander in vier Stellungen fortschaltbar ist und über den
der Abbildungsstrahlengang geleitet wird, wird ein Bild einer Objektszene
schrittweise längs
einer quadratischen Bahn relativ zu dem Matrixdetektor bewegt. Dadurch
erfaßt jedes
Detektorelement zyklisch nacheinander vier aneinandergrenzende Bereiche
des Bildes der Objektszene. Die Bildinformationen werden dann in
einem Rechner zu einem durchgehenden "Bild" zusammengesetzt.
Durch diesen Bildversatz wird die Auflösung des Matrixdetektors verbessert,
welche durch den Abstand zwischen den Detektorelementen begrenzt
ist. Bei einer solchen Ausbildung der Detektoranordnung könnte ein
Bildsensor von effektiv 1024 × 1024
Detektorelementen mit nur 256 × 256
Detektorelementen realisiert werden. Das läge im Bereich des technisch
Möglichen.
-
Ein
solcher Matrixdetektor würde
aber bei einer Seitenlänge
von 20 μm,
der Grenze des technisch Durchführbaren,
noch einen Detektorchip von mindestens 30 mm Durchmesser ergeben.
Die Kühlung
eines solchen Detektorchips auf typischerweise 80 bis 100 K in einem
Suchkopf eines Flugkörpers läßt sich
mit vorhandener Kühltechnik
nur sehr aufwendig realisieren. Außerdem müßte der Matrixdetektor aus
einzelnen Detektorelementen hergestellt werden. Das ist unwirtschaftlich
und teuer.
-
Es
sind "mikromechanische
Spiegelarrays" bekannt.
Solche mikromechanischen Spiegelarrays bestehen aus einer Vielzahl
von aneinandergrenzenden Spiegelelementen. Die Spiegelelemente sind
typischerweise 20 × 20 μm groß. Die Spiegelelement können durch
eine binäre
Ansteuerung jeweils in eine von zwei Positionen gebracht werden.
Diese Spiegelarrays sind mittels Silizium-Chip-Technologie hergestellt.
Eine Ausführungsform
ist unter der Bezeichnung "Digital
Micromirror Device (DMD)" von
der Firma Texas Instruments erhältlich.
-
Die
EP 0 549 877 A2 betrifft
die Abtastung des Gesichtsfeldes mittels einzigen, eines nicht-bildauflösenden Detektors.
Diese Druckschrift geht aus von einer Anordnung, bei welcher diese
Abtastung durch einen umlaufenden Spiegel, der in jedem Zeitpunkt
einen Teil eines Bildes auf diesen einen Detektor wirft. Diese Spiegel
haben große
Abmessungen, großes
Gewicht, sind anfällig
gegen Vibrationen und erfordern Antriebsleistung. Sie müssen einen
Motor oder eine Spule zum Antrieb haben.
-
Die
EP 0 549 877 A1 will
diesen umlaufenden Spiegel vermeiden. Deshalb erfolgt die Abtastung
des Gesichtsfeldes, und zwar des gesamten Gesichtsfeldes, durch
ein Spiegelraster. Durch die Ansteuerung dieses Spiegelrasters werden
zyklisch nacheinander die verschiedenen Bereiche des Gesichtsfeldes
auf den einen Detektor abgebildet. Die Phase, in welcher dabei das
Ziel erkannt wird, liefert die Zielablage.
-
Offenbarung
der Erfindung
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer bildauflösenden Detektoranordnung
der eingangs genannten Art, insbesondere einem Infrarot-Suchkopf
für Lenkflugkörper, mit
technisch realisierbaren Mitteln ein großes Gesichtsfeld bei hoher geometrischer
Auflösung
zu erzielen.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
daß
- (a) ein mikromechanisches Spiegelarray mit
einer zweidimensionalen Anordnung von Spiegelelementen vorgesehen
ist, wobei jedes Spiegelelement durch binäre Steuersignale in eine erste oder
eine zweite Schaltstellung schwenkbar ist,
- (b) die abbildenden optischen Mittel ein erstes abbildendes
optisches System enthalten, durch welches die Objektszene mit hoher
Auflösung
auf dem mikromechanischen Spiegelarray abgebildet wird,
- (c) die abbildenden optischen Mittel weiterhin einzweites optisches
System enthalten, durch welches das mikromechanische Spiegelarray
derart auf dem Matrixdetektor abgebildet wird, daß auf jedes
seiner Detektorelemente jeweils eine Sub-Matrix gebildet aus einer
Mehrzahl von Spiegelelementen des mikromechanischen Spiegelarrays
abgebildet wird,
- (d) die Spiegelelemente in der ersten Schaltstellung die Abbildungsstrahlen
an dem Matrixdetektor vorbeileiten und in einer zweiten Schaltstellung die
Abbildungsstrahlen auf das jeweils zugeordnete Detektorelement des
Matrixdetektors leiten und
- (e) das mikromechanische Spiegelarray derart ansteuerbar ist,
daß in
zyklischer Folge vorgegebene Spiegel der Sub-Matrizen in der zweiten Schaltstellung
sind und die übrigen
Spiegel der Sub-Matrix in der ersten Schaltstellung sind.
-
Die
Abbildung der Objektszene auf dem Matrixdetektor erfolgt somit über eine
Zwischenabbildung auf einem mikromechanischen Spiegelarray. Solche
Spiegelarrays können
mit z.B. 1024 × 1024 oder
2048 × 2048
Spiegelelementen aufgebaut sein, Das Spiegelarray kann größere Abmessungen
haben als der Matrixdetektor. Es braucht nicht gekühlt zu werden.
Auf dem Spiegelarray sind Sub-Matrizen von z.B. 4 × 4 oder
8 × 8
Spiegelelementen definiert, die jeweils einem Detektorelement des
Matrixdetektors zugeordnet sind. Das Spiegelarray ist auf den Matrixdetektor
abgebildet, wobei jede Sub-Matrix auf ein zugeordnetes Detektorelement
abgebildet ist. von den Sub-Matrizen
ist jeweils ein Spiegelelement in die zweite Schaltstellung gekippt
und leitet die empfangene Strahlung auf das zugeordnete Detektorelement
des Matrixdetektors. Die übrigen
Spiegelelemente sind in der ersten Schaltstellung, so daß sie die
darauffallende Strahlung an dem Matrixdetektor vorbeileiten. Die
Sub-Matrix wird nun zyklisch so angesteuert, daß nacheinander jedes der Spiegelelemente
einmal in die zweite Schaltstellung gekippt wird und die von ihm
empfangene Strahlung auf das Detektorelement leitet, während die übrigen Spiegelelemente
in der ersten Schaltstellung sind. Es kann dann ein relativ kleiner
Matrixdetektor mit einer reduzierten Anzahl von Detektorelementen
verwendet werden, der praktisch herstellbar ist und mit verfügbaren Kühlern gekühlt werden
kann. Im Rechner wird dann aus den nacheinander erhaltenen Bilddaten
ein "Bild" mit erhöhter Auflösung.
-
Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert.
-
1 ist eine schematische
Darstellung eines Suchkopfes für
einen Lenkflugkörper
mit einer bildauflösenden
Detektoranordnung.
-
2 veranschaulicht schematisch
das Zusammenwirken einer Sub-Matrix des mikromechanischen Spiegelarrays
mit einem Detektorelement des Matrixdetektors.
-
3 ist eine schematische
Darstellung und veranschaulicht das Zusammensetzen der nacheinander über die
Spiegelelemente einer Sub-Matrix des Spiegelarrays mittels eines
einzigen Detektorelements erhaltenen Bilddaten zu einem "Bild" hoher Auflösung im
Rechner.
-
In 1 ist mit 10 ein
für Infrarotstrahlung durchlässiger Dom
an der Spitze eines Flugkörpers 12 bezeichnet.
Durch den Dom 10 dringt Infrarotstrahlung von einer im
Unendlichen liegenden Objektszene. Diese Infrarotstrahlung ist durch
Strahlen 14 dargestellt. Hinter dem Dom ist ein erstes
abbildendes optisches System 16 angeordnet. Das optische
System 16 erzeugt eine Zwischenabbildung der Objektszene
mit hoher Auflösung
auf einem mikromechanischen Spiegelarray 18. Mit 20 und 22 sind Randstrahlen
der Abbildungsstrahlenbündel
bezeichnet. Im Strahlengang des abbildenden optischen Systems 16 ist
ein teildurchlässiger
Spiegel 24 angeordnet. Der teildurchlässige Spiegel 24 ist
unter 45° gegen
die optische Achse des abbildenden optischen Systems geneigt. Die
von dem Spiegelarray spiegelnd reflektierte infrarote Strahlung
wird an dem teildurchlässigen
Spiegel 24 als divergente Strahlenbündel mit Randstrahlen 26 bzw. 28 teilweise
reflektiert. Der Strahlengang wird durch den teildurchlässigen Spiegel 24 um
90° umgelenkt.
Ein zweites abbildendes optisches System 30 bildet das
mikromechanische Spiegelarray 18 auf einem Matrixdetektor 32 ab.
Das zweite abbildende optische System 30 erzeugt damit
auch ein Bild der Objektszene, soweit die Spiegelelemente das einfallende
Licht spiegelnd in bezug auf die Ebene des Spiegelarrays reflektieren.
-
Die
Signale des Matrixdetektors 32 werden einem Bildverarbeitungs-Rechner 34 zugeführt. Der Bildverarbeitungs-Rechner schachtelt
die nacheinander erscheinenden Bilddaten des Matrixdetektors 32 ineinander
und setzt sie so zu einem elektronischen "Bild" hoher
Auflösung
zusammen. Das so erhaltene Bild der Objektszene wird in üblicher
Weise zur Zielidentifizierung und zur Erzeugung von Zielablagedaten
verarbeitet. Das ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung
und daher hier nicht im einzelnen beschrieben. Mit 36 ist
ein Steuerrechner für
das mikromechanische Spiegelarray 18 bezeichnet. Dieser Steuerrechner 36 bestimmt,
welche Spiegelelemente des Spiegelarrays 36 sich in dem
ersten Schaltzustand befinden und welche Spiegelelemente sich in dem
zweiten Schaltzustand befinden. Wenn eine möglichst hohe Auflösung erforderlich
ist, steuert der Steuerrechner 36 die Spiegelelemente so
an, daß in jeder
Sub-Matrix des Spiegelarrays 18 die einzelnen Spiegelelement
nacheinander in zyklischer Folge in den zweiten Schaltzustand gebracht
werden, während
jeweils alle anderen Spiegelelemente der Sub-Matrix im ersten Schaltzustand
verbleiben. In diesem zweiten Schaltzustand liegt das Spiegelelement
in der Ebene des Spiegelarrays 18 und reflektiert darauffallende
Strahlen in den in 1 dargestellten
Strahlengang 26, 28. Die in dem zweiten Schaltzustand
befindlichen Spiegelelemente reflektieren darauffallende Strahlen
so, daß die
reflektierten Strahlen nicht auf den Matrixdetektor 32 gelangen.
Der Steuerrechner 36 liefert an den Bildverarbeitungs-Rechner 34 die
Information, welche Spiegelelemente sich jeweils in der ersten Schaltstellung befinden.
Danach kann der Bildverarbeitungs-Rechner 34 das elektronische "Bild" der Objektszene
zusammensetzen. Diese Information über die in der ersten Schaltstellung
befindlichen Spiegelelemente ist in 1 durch
die Verbindung 38 dargestellt.
-
Aus
der Bildverarbeitung kann sich die Notwendigkeit ergeben, von dieser
normalen Arbeitsweise abzuweichen. Es kann z.B. notwendig sein,
unter Verzicht auf Auflösung
die Intensität
des von den Detektorelementen gelieferten Signals zu erhöhen. In diesem
Fall können
durch den Steuerrechner 36 statt eines Spiegelelements
jeweils mehrere, z.B. vier aneinander angrenzende Spiegelelemente
des Spiegelarrays gleichzeitig in die erste Schaltstellung gebracht
werden. Ein Befehl hierzu wird von dem Bildverarbeitungs-Rechner 34 über eine
Verbindung 40 auf den Steuerrechner 36 gegeben.
Das System ist also in seiner Auflösung an den jeweiligen Anwendungsfall
schnell adaptierbar.
-
Der
Steuerrechner 36 steuert eine Treiber-Elektronik 42.
Das ist durch die Verbindung 44 dargestellt. Die Treiber-Elektronik 42 liefert
die Ansteuersignale zum Ansteuern des mikromechanischen Spiegelarrays.
Das ist durch eine Verbindung 46 dargestellt.
-
2 stellt schematisch die
Beziehung zwischen einer Sub-Matrix 48 des
mikromechanischen Spiegelarrays 18 und einem zugeordneten
Detektorelement 50 des Matrixdetektors 32 dar.
Das gesamte Spiegelarray 18 ist auf den gesamten Matrixdetektor 32 abgebildet,
wie durch die Randstrahlen 52 angedeutet ist. Die Sub-Matrix 48 des
mikromechanischen Spiegelarrays 18 ist auf das Detektorelement 50 abgebildet,
derart, daß das
Bild der gesamten Sub-Matrix 48 die Fläche des Detektorelements 50 ausfüllt. Das
ist durch die Randstrahlen 54 angedeutet. Die Sub-Matrix 48 besteht
in dem in 2 dargestellten
Beispiel aus 4 × 4
Spiegelelementen 56. Jedes der sechzehn Spiegelelemente 56 der
Sub-Matrix 48 reflektiert, wenn es sich in dem zweiten
Schaltzustand befindet, einfallende Strahlen so, daß sie von
dem zweiten abbildenden optischen System auf das Detektorelement 50 geleitet
werden. Im ersten Schaltzustand reflektieren die Spiegelelemente 56 die
einfallenden Strahlen aus dem Strahlengang heraus.
-
Der
Steuerrechner kann z.B. so arbeiten, daß er in zyklischer Folge nacheinander
erst die vier Spiegelelemente "11", "12", "13" und "14" der ersten Zeile
in den ersten Schaltzustand bringt, wenn die Spiegelelemente 56 der
Sub-Matrix 48 durch Angabe der Zeile und der Spalte gekennzeichnet
werden. Dann werden nacheinander die Spiegelelemente "21", "22", "23" und "24" der zweiten Zeile
in den zweiten Schaltzustand gebracht usw. bis zum Spiegelelement "44" derletzten Spalte
und letzten Zeile. Dann wiederholt sich dieser Zyklus. Bei dieser
Art der Ansteuerung ergibt sich eine optimale Auflösung. Die Ansteuerung
kann aber z.B. auch so erfolgen, daß in einem ersten Takt gleichzeitig
die Spiegelelemente "11", "12", "21" und "22" in den zweiten Schaltzustand gebracht
werden, in einem zweiten Takt die Spiegelelemente "13", "14", "23" und "24" usw. Dabei liefert der
Matrixdetektor unter Verlust an Auflösung ein höheres Signal, und die Abtastung
erfolgt schneller. Das wird in Abhängigkeit von den Ergebnissen
der Bildverarbeitung durch den Bildverarbeitungs-Rechner 34 kommandiert.
-
3 veranschaulicht das Zusammensetzen
eines elektronischen "Bildes" hoher Auflösung durch
den Bildverarbeitungs-Rechner 34 aus den Signalen des Matrixdetektors 32,
die nacheinander bei dem Zyklus einer Sub-Matrix 48 des
Spiegelarrays 18 erhalten werden.
-
Der
Steuerrechner 36 gibt jeweils Zeile und Spalte desjenigen
Spiegelelements 48 an, das in den zweiten Schaltzustand
gebracht wird. In 3 sind übereinander
die Teilbilder dargestellt, die der Bildverarbeitungs-Rechner 34 aufgrund
der über
die Verbindung 38 erhaltenen Zustandsdaten der Spiegelelemente 56,
d.h. Zeilen und Spalten der jeweils im zweiten Schaltzustand befindlichen
Spiegelelemente 56, und des Signals des Detektorelements 50 erstellt.
-
Der
Steuerrechner 36 gibt als Zeile und Spalte an "11". Das bedeutet, daß das Spiegelelement der
ersten Zeile und der ersten Spalte im zweiten Schaltzustand ist
und einfallende Strahlen in den Strahlengang des abbildenden optischen
Systems reflektiert. Es ist hier angenommen, daß das Detektorelement 50 ein
Signal abgibt. Dieses Signal kann digitalisiert einen Helligkeitswert
darstellen. Der Einfachheit halber ist hier nur die Alternative "Signal" (schwarz) oder "kein Signal" (hell) dargestellt.
In dem ersten vom Rechner erstellten, elektronischen Teilbild 58 mit
4 × 4
Feldern ist das Feld "11" links oben "schwarz". Das wird im Rechner
z.B. durch eine logische "1" dargestellt. Die übrigen Felder
sind hell. Das wird im Bildverarbeitungs-Rechner 34 durch
eine logische "0" dargestellt.
-
Im
nächsten
Taktintervall wird das Spiegelelement "12" in
die zweite Schaltstellung gebracht. Auf das Spiegelelement "12" fällt keine
infrarote Strahlung aus der Objektszene. Es leitet somit auch keine infrarote
Strahlung auf das Detektorelement 50. Das Detektorelement 50 liefert
kein Signal. Das gesamte Teilbild 60 ist hell. Das wird
im Bildverarbeitungs-Rechner 34 durch eine logische "0" in allen Feldern dargestellt.
-
Entsprechend
sehen die Teilbilder aus, die in den folgenden Taktintervallen erhalten
werden und den Spiegelelementen "13", "14", "21" und "22" zugeordnet sind.
-
Wenn
im nächsten
Takt das Spiegelelement "23" in den zweiten Schaltzustand
gebracht wird, dann liefert das Detektorelement wieder ein Signal.
In dem Teilbild 62 ist das Feld in der zweiten Zeile und dritten
Spalte schwarz. Das wird im Bildverarbeitungs-Rechner 34 durch
eine logische "1" dargestellt.
-
Es
ergeben sich dann wieder durchgehend helle Teilbilder bis zur Ansteuerung
des Spiegelelements "32" in der dritten Zeile
und zweiten Spalte. Wenn dieses Spiegelelement in den zweiten Schaltzustand
gebracht wird, dann erhält
das Detektorelement 50 wieder infrarote Strahlung und liefert
ein Signal. In dem zugehörigen
Teilbild ist das Feld "32" schwarz. Das wird
im Bildverarbeitungs-Rechner 34 durch eine logische "1" dargestellt.
-
Es
ist zu beachten, daß jedes
der Teilbilder wieder Teil eines Gesamtmusters ist, das von den verschiedenen
Sub-Matrizen und Detektorelementen geliefert wird. Der Bildverarbeitungs-Rechner 34 überlagert
die aus den Teilbildern zusammengesetzten Gesamtmuster zu einem
elektronischen "Bild" der Objektszene.
Für die
von der Sub-Matrix 48 und dem Detektorelement 50 gelieferten
Teilbilder ergibt sich ein Überlagerungsbild 66.