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Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Abtastgerät
mit einer Abtastrichtung Z, umfassend
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eine lineare Detektoranordnung, versehen mit einer Vielheit
an Detektorelementen,
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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.
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Ein solches Gerät ist allgemein bekannt und wird
insbesondere in Infrarotsensoren angewendet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dies bringt eine Verbesserung des Rauschabstands mit sich
und folglich eine größere Empfindlichkeit.
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Das Gerät wird nun im nachfolgenden anhand der beigefügten
Figuren näher beschreiben, von denen
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Fig. 1 eine Seitenansicht des Geräts gemäß der Erfindung
darstellt;
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Fig. 2 eine Vorderansicht des Geräts gemäß der Erfindung
darstellt;
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Fig. 3A eine Anordnung in einer senkrecht zur
Abtastrichtung stehenden Position darstellt;
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Fig. 3B eine Anordnung in einer nicht senkrecht zur
Abtastrichtung stehenden Position darstellt;
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Fig. 4 je Detektorelement einstellbare Verzögerungsmittel
darstellt;
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Fig. 5 eine versetzte, nicht länger senkrecht zur
Abtastrichtung stehende Position darstellt.
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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
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α&sub1; = 2 atan (L/2f),
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wobei
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L = die Länge der Detektoranordnung und
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f = Brennweite ist.
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Bei der in dieser Ausführungsform verwendeten Anordnung
handelt es sich um eine lineare Detektoranordnung; andere
Formen, wie zum Beispiel Streifenleiteranordnungen, sind
jedoch auch möglich.
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Anstatt einer Linse ist ebenfalls die Anwendung eines
Linsensystems möglich.
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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 ω ausführen.
In der hier beschriebenen Ausführungsform steht die
Abtastrichtung Z senkrecht zur Rotationsachse N, in anderen
Ausführungsformen können Z und N einen Winkel bilden.
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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.
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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
α&sub1; befinden, von der Detektoranordnung abgetastet werden.
Die Anordnung wurde außerdem in einer zweiten Betriebsmode
II gezeichnet, wobei diese um einen Winkel φ 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 φ zur Abtastrichtung R ein. Folglich
empfängt die Detektoranordnung nur Bilder, sofern sie sich
innerhalb eines Bündels mit einem Öffnungswinkel α&sub2; < α&sub1;
befinden. Dabei wird α&sub2; von einer projektierten Länge
P = L cosφ bestimmt, wobei L der gesamten Detektorlänge
entspricht. Für den neuen Öffnungswinkel gilt somit
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α&sub2; = 2 atan (L cosφ/2f)
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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.
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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 α&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.
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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 φ, 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.
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Aufgrund des Schiefstands der Anordnung wird in der
Abtastrichtung ein Band mit der Höhe L · cosφ, abgetastet.
Dieses Band stimmt mit einem kleineren Öffnungswinkel α&sub2;
überein. Folglich wird mit derselben Anzahl an
Detektorelementen ein kleinerer Öffnungswinkel abgetastet, was
einen günstigeren Rauschabstand zur Folge hat.
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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 ΔΨi, wie in Fig. 3B angegeben. Bei einer
Winkelgeschwindigkeit ω stimmt die entsprechende
Zeitdifferenz, mit der das Element Ei die Bildinformation in der
Ebene V früher wahrnimmt, überein mit:
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ΔTi = ΔΨi/ω
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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 ΔTi 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 ΔΨi pro
Detektorelement von dem Schiefstand φ und der
Winkelgeschwindigkeit ω abhängig ist, müssen die
Verzögerungsleitungen je Detektorelement einstellbar sein. Ein
zusätzlicher Vorteil hiervon ist, daß Bildverzerrung
vorgebeugt wird.
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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 φ der Anordnung, für bestimmte
Werte von φ 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 φ, wie in
der Figur angegeben, werden die jeweiligen neuen Signale
pro Elementenpaar dann, wie folgt:
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Fi(t) = Ei(t - ΔTi) + Ei+3 (t - ΔTi+3).
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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.
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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.
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Zum Schluß sei angemerkt, daß bei der Anwendung einer
einfachen linearen Anordnung Clusterbildung ebenfalls
möglich ist.