DE69412301T2 - Optisches Abtastgerät - Google Patents

Optisches Abtastgerät

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    • H04N25/48Increasing resolution by shifting the sensor relative to the scene
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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04N23/00Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/60Control of cameras or camera modules
    • H04N23/698Control of cameras or camera modules for achieving an enlarged field of view, e.g. panoramic image capture
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    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
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  • Signal Processing (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Abtastgerät mit einer Abtastrichtung Z, umfassend
  • eine lineare Detektoranordnung, versehen mit einer Vielheit an Detektorelementen,
  • einer Bilddarstellungsvorrichtung für Fokussierung eines Lichtbündels auf der linearen Detektoranordnung, Rotationsmittel für das gemeinsame Rotieren der linearen Detektoranordnung und Bilddarstellungsvorrichtung rund um eine Achse, die nicht parallel zur Abtastrichtung läuft.
  • Ein solches Gerät ist allgemein bekannt und wird insbesondere in Infrarotsensoren angewendet.
  • Das Gerät gemäß der Erfindung bezweckt, auf eine relativ einfache, aber dennoch erfinderische Weise einen verbesserten Rauschabstand auf der Basis der bestehenden Mittel zu realisieren. Dies ist beispielsweise möglich, indem die Abtastgeschwindigkeit herabgesetzt wird. Dies ist jedoch in den meisten Fällen unerwünscht. Weitere Möglichkeiten in dieser Hinsicht beziehen sich auf die Anwendung einer größeren Anzahl Elemente je Detektoranordnung, was jedoch beträchtliche Kosten mit sich bringt.
  • Das Gerät gemäß der Erfindung ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung mit zweiten Rotationsmitteln für das Rotieren der Detektoranordnung aus einer ersten, sich auf eine erste Betriebsmode beziehende Position in eine zweite, sich auf eine zweite Betriebsmode beziehende Position rund um eine Achse versehen ist, welche Achse zumindest im wesentlichen mit der Abtastrichtung Z ausgerichtet ist.
  • Der Vorteil dieser Vorrichtung ist, daß der Rauschabstand, bei unveränderter Abtastgeschwindigkeit und ohne Durchführung irgendwelcher Modifizierungen am Detektor und am optischen System, verbessert werden kann.
  • In der japanischen Patentveröffentlichung Nummer JP-57035468 wird ein Registriergerät für ein Faksimile offenbart, wobei ein mit einer Anordnung von Detektorelementen versehener Schreibkopf rotierbar rund um eine senkrecht zur Abtastrichtung stehende Achse angebracht wurde. In diesem Registriergerät dreht sich die Anordnung rund um einen unter einem Neigungswinkel stehenden Zapfen. Dieser Schreibkopf eignet sich jedoch nicht für die Anwendung indem optischen Abtastgerät gemäß der Erfindung, da sich der Zapfen an einem äußersten Ende des Schreibkopfes befindet. Beim Drehen dieses Schreibkopfes würde sich die Abtastrichtung Z ebenfalls ändern, was nicht Zweck der Sache ist.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform des Gerätes ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Prozessor für das Verstärken und Zeitmultiplexen der je Detektorelement der linearen Detektoranordnung abgegebenen elektrischen Signale vorgesehen ist, welcher Prozessor je Detektorelement einstellbare Verzögerungsmittel für den Ausgleich von relativen Zeitverzögerungen der je Detektorelement der linearen Detektoranordnung abgegebenen elektrischen Signale umfaßt, wenn sich das Abtastgerät in der zweiten Betriebsmode befindet.
  • Dies hat den beachtlichen Vorteil, daß Bildverzerrungen nicht auftreten, und daß von derselben Signalverarbeitung Gebrauch gemacht werden kann, wie von der Signalverarbeitung in der senkrechten Position.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Gerätes, wobei die Anordnung N Elemente umfaßt, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor mit einem Summierungsnetzwerk mit N mit den Verzögerungsmitteln verbundenen Eingängen versehen ist, welches Summierungsnetzwerk für das Erzeugen von M Ausgangssignalen eingerichtet ist, wobei M < N, wenn sich das Abtastgerät in der zweiten Betriebsmode befindet.
  • Dies bringt eine Verbesserung des Rauschabstands mit sich und folglich eine größere Empfindlichkeit.
  • Das Gerät wird nun im nachfolgenden anhand der beigefügten Figuren näher beschreiben, von denen
  • Fig. 1 eine Seitenansicht des Geräts gemäß der Erfindung darstellt;
  • Fig. 2 eine Vorderansicht des Geräts gemäß der Erfindung darstellt;
  • Fig. 3A eine Anordnung in einer senkrecht zur Abtastrichtung stehenden Position darstellt;
  • Fig. 3B eine Anordnung in einer nicht senkrecht zur Abtastrichtung stehenden Position darstellt;
  • Fig. 4 je Detektorelement einstellbare Verzögerungsmittel darstellt;
  • Fig. 5 eine versetzte, nicht länger senkrecht zur Abtastrichtung stehende Position darstellt.
  • Fig. 1 stellt eine Seitenansicht einer Ausführungsform des optischen Abtastgeräts dar, welches Gerät ein Kameragehäuse 1, eine optische Darstellungsvorrichtung in Form einer Linse 2 für das Fokussieren eines Lichtbündels 3 aus der Abtastrichtung Z mit Information des darzustellenden Bildes und für die anschließende Darstellung des Bildes auf einer in dieser Ausführungsform linearen, mit optisch empfindlichen Elementen versehenen Detektoranordnung 4, umfaßt. Das Lichtbündel 3 tritt in die Linse ein, und zwar unter einem Öffnungswinkel
  • &alpha;&sub1; = 2 atan (L/2f),
  • wobei
  • L = die Länge der Detektoranordnung und
  • f = Brennweite ist.
  • Bei der in dieser Ausführungsform verwendeten Anordnung handelt es sich um eine lineare Detektoranordnung; andere Formen, wie zum Beispiel Streifenleiteranordnungen, sind jedoch auch möglich.
  • Anstatt einer Linse ist ebenfalls die Anwendung eines Linsensystems möglich.
  • In der hier beschriebenen Ausführungsform dreht sich das Abtastgerät um eine Achse N. Das Abtastgerät wird gewöhnlich eine gleichförmige Suchbewegung mit einer zumindest im wesentlichen konstanten Winkelgeschwindigkeit &omega; ausführen. In der hier beschriebenen Ausführungsform steht die Abtastrichtung Z senkrecht zur Rotationsachse N, in anderen Ausführungsformen können Z und N einen Winkel bilden.
  • Für die Montage auf einem Fahrzeug oder einem Schiff ist es möglich, das Abtastgerät auf einer stabilisierten Plattform zu installieren und zwar so, daß sich die Kamera zumindest im wesentlichen in einer im voraus bestimmten, gewöhnlich horizontalen Ebene weiterdreht oder einen zumindest im wesentlichen konstanten Winkel zu dieser Ebene bildet. In einer ersten Betriebsmode wird das Bild, der Abtastbewegung zufolge, zumindest im wesentlichen senkrecht hinsichtlich der Anordnung verschoben.
  • Fig. 2 stellt eine Vorderansicht einer Ausführungsform des Geräts gemäß der Erfindung dar. Die Anordnung wurde in der ersten Betriebsmode I gezeichnet, wobei diese nahezu senkrecht zur Abtastrichtung R steht, in welcher Richtung, der Abtastung zufolge, Bilder aus der Umgebung, insofern dieselben sich innerhalb des Bündels mit dem Öffnungswinkel &alpha;&sub1; befinden, von der Detektoranordnung abgetastet werden. Die Anordnung wurde außerdem in einer zweiten Betriebsmode II gezeichnet, wobei diese um einen Winkel &phi; gegenüber der Position der Detektoranordnung in der Betriebsmode I verdreht wurde. Die Rotationsachse 5 für das Verdrehen der Anordnung ist dabei zumindest im wesentlichen mit der Abtastrichtung ausgerichtet. Somit steht die Anordnung nicht länger senkrecht zur Abtastrichtung R, schließt damit jedoch einen Winkel &phi; zur Abtastrichtung R ein. Folglich empfängt die Detektoranordnung nur Bilder, sofern sie sich innerhalb eines Bündels mit einem Öffnungswinkel &alpha;&sub2; < &alpha;&sub1; befinden. Dabei wird &alpha;&sub2; von einer projektierten Länge P = L cos&phi; bestimmt, wobei L der gesamten Detektorlänge entspricht. Für den neuen Öffnungswinkel gilt somit
  • &alpha;&sub2; = 2 atan (L cos&phi;/2f)
  • Folglich wird der Öffnungswinkel hierdurch verkleint, ohne Reduzierung der Anzahl an benutzten Detektorelementen. Die Anwendung dieses Prinzips basiert auf der Forderung, innerhalb eines kleineren Gebietes Beobachtungen auf der Basis eines günstigeren Rauschabstands durchzuführen.
  • Fig. 3A zeigt separat die Position einer Anordnung in der ersten Betriebsmode. Die Rotation des Abtastgeräts um die Achse N läßt die Anordnung in einer Ebene senkrecht zu der Achse N (Rundsuchebene) drehen, wobei Bildinformation innerhalb des Öffnungswinkels &alpha;&sub1;. die sich hauptsächlich in einer Ebene senkrecht zur Rundsuchebene sowie sich in der Abtastrichtung Z befindet, von den einzelnen Detektor elementen aufgefangen wird, und wobei die Bildinformation je Detektorelement in elektrische, die Intensität repräsentierende Signale umgewandelt wird.
  • In Fig. 3B wurde angegeben wie, in einer zweiten Betriebsmode eine die Längsrichtung der Detektorelemente repräsentierende Achse M zusammen mit der Abtastrichtung Z eine Ebene bestimmt wird, die einen Winkel &phi;, zu der Rotationsachse N einschließt. In der Praxis wird man gewöhnlich dafür sorgen, daß die Achse M zumindest im wesentlichen senkrecht zu der Achse Z steht. Es ist dabei jedoch durchaus nicht notwendig, daß Z senkrecht zu N steht, deutlichkeitshalber wird dies jedoch in der Figur nahegelegt.
  • Aufgrund des Schiefstands der Anordnung wird in der Abtastrichtung ein Band mit der Höhe L · cos&phi;, abgetastet. Dieses Band stimmt mit einem kleineren Öffnungswinkel &alpha;&sub2; überein. Folglich wird mit derselben Anzahl an Detektorelementen ein kleinerer Öffnungswinkel abgetastet, was einen günstigeren Rauschabstand zur Folge hat.
  • Eine Folge des Schiefstands der in der Figur dargestellten Anordnung ist, daß ein niedriger angeordnetes Detektorelement Ei die Bildinformation, die sich hauptsächlich in einer bestimmten, festen Ebene V senkrecht zur Rundsuchebene befindet, eher wahrnimmt als ein höher angeordnetes Detektorelement Ej, i > j. Wenn zum Beispiel das obere Detektorelement E1 als Referenz zur Bestimmung der Ebene V zu einem Zeitpunkt t genommen wird, dann ist der Azimutwinkel, über den sich das Abtastgerät um die Achse N drehen muß, damit sich ein niedrigeres Element Ei in der Ebene V dreht, gleich &Delta;&Psi;i, wie in Fig. 3B angegeben. Bei einer Winkelgeschwindigkeit &omega; stimmt die entsprechende Zeitdifferenz, mit der das Element Ei die Bildinformation in der Ebene V früher wahrnimmt, überein mit:
  • &Delta;Ti = &Delta;&Psi;i/&omega;
  • Damit von derselben Signalverarbeitung Gebrauch gemacht werden kann, die gewöhnlich für die elektrischen Signale der einzelnen Detektorelemente benutzt wird, zum Erhalt eines Gesamtbildes und zum Ausgleich von Meßrauschen, wie im vertikalen Stand angewendet, kann nun jedes einzelne Signal pro Detektorelement Ei in einem Preprozessor um eine Zeitspanne &Delta;Ti verzögert werden, wie in Fig. 4 dargestellt. Hierin ist Block 6 eine Verzögerungsleitung. In der Praxis werden die von den einzelnen Detektorelementen stammenden Signale zeitdiskrete Signale umfassen, so daß für die Verzögerungsleitung zum Beispiel von einem Schieberegister Gebrauch gemacht werden kann. Da der Winkel &Delta;&Psi;i pro Detektorelement von dem Schiefstand &phi; und der Winkelgeschwindigkeit &omega; abhängig ist, müssen die Verzögerungsleitungen je Detektorelement einstellbar sein. Ein zusätzlicher Vorteil hiervon ist, daß Bildverzerrung vorgebeugt wird.
  • Fig. 5 zeigt, wie bei der Anwendung einer linearen Streifenleiteranordnung mit hauptsächlich kreisförmigen Detektorelementen, die Signale der diversen Detektorelemente, nach der Anwendung einer pro Detektorelement geeigneten Zeitverzögerung, über ein Summiernetzwerk oder über ein vorzugsweise lineares Kombiniernetzwerk miteinander kombiniert werden können. Es ist zu sehen, daß, abhängig von dem Schiefstand &phi; der Anordnung, für bestimmte Werte von &phi; jeweils zwei Detektorelemente ein Elementenpaar bilden, die sich nahezu in einer selben Ebene S senkrecht zur Rotationsachse N bewegen. Eine geeignete Methode, zur Verbesserung des Rauschabstands pro Elementenpaar, ist, indem man, nach der Zeitverzögerung des Signals eines Elements, die verschiedenen von dem Elementenpaar stammenden Signale zusammenzählt. Pro Elementenpaar entsteht dann ein neues Signal Fi. Für den Winkel &phi;, wie in der Figur angegeben, werden die jeweiligen neuen Signale pro Elementenpaar dann, wie folgt:
  • Fi(t) = Ei(t - &Delta;Ti) + Ei+3 (t - &Delta;Ti+3).
  • Wie die Figur illustriert, ist es ebenfalls möglich, senkrecht zur Rotationsachse N, Scheiben mit jeweils einer Dicke d zu definieren, und die Signale der Elemente, die sich innerhalb derselben Scheibe bewegen, nach Anwendung einer pro Element geeigneten Zeitverzögerung, vorzugsweise mit Hilfe eines linearen Kombiniernetzwerkes, miteinander zu kombinieren. Die Dicke d wird dann vorzugsweise so gewählt, daß exakt k, k > 1 Elemente sich innerhalb einer Scheibe bewegen. Auf diese Weise findet eine Clusterbildung von k Elementen statt. In Fig. 5 ist k = 4 und fallen die Elemente Ei, Ei+2, Ei+3 und Ei+5 innerhalb einer Scheibe. Die Scheiben können definiert werden, und zwar so, daß separate, nicht überlappende Cluster entstehen.
  • In einer vorzugsweisen Ausführungsform werden die Scheiben definiert, und zwar so, daß aufeinanderfolgende Cluster, abgesehen von einem Element oder einem Elementenpaar, zusammenfallen, mit dem Ergebnis, daß überlappende Cluster entstehen.
  • Zum Schluß sei angemerkt, daß bei der Anwendung einer einfachen linearen Anordnung Clusterbildung ebenfalls möglich ist.

Claims (3)

1. Optisches Abtastgerät mit einer Abtastrichtung (Z), umfassend:
einer linearen Detektoranordnung (4), versehen mit einer Vielheit an Detektorelementen (Ei);
einer Bilddarstellungsvorrichtung (2) für Fokussierung eines Lichtbündels (3) auf der linearen Detektoranordnung (4);
Rotationsmitteln für das gemeinsame Rotieren der linearen Detektoranordnung (4) und Bilddarstellungsvorrichtung (2) rund um eine Achse (N), die nicht parallel zur Abtastrichtung (Z) läuft,
dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung (4) mit zweiten Rotationsmitteln für das Rotieren der Detektoranordnung (4) aus einer ersten, sich auf eine erste Betriebsmode beziehenden Position (I) in eine zweite, sich auf eine zweite Betriebsmode beziehende Position (II) rund um eine Achse (5) versehen ist, welche Achse zumindest im wesentlichen mit der Abtastrichtung (Z) ausgerichtet ist.
2. Optisches Abtastgerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prozessor für das Verstärken und Zeitmultiplexen der je Detektorelement (E1...EN) der linearen Detektoranordnung (4) abgegebenen elektrischen Signalen vorgesehen ist, welcher Prozessor je Detektorelement (E1...EN) einstellbare Verzögerungsmittel (6) für den Ausgleich von relativen Zeitverzögerungen der je Detektorelement der linearen Detektoranordnung abgegebenen elektrischen Signalen umfaßt, wenn sich das Abtastgerät in der zweiten Betriebsmode befindet.
3. Optisches Abtastgerät gemäß Anspruch 2, wobei die Anordnung N Elemente umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor mit einem Summierungsnetzwerk mit N mit den Verzögerungsmitteln (6) verbundenen Eingängen versehen ist, welches Summierungsnetzwerk für das Erzeugen von M Ausgangssignalen eingerichtet ist, wobei M < N, wenn sich das Abtastgerät in der zweiten Betriebsmode befindet.
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