DE69319907T2 - Vorrichtung zur aufnahme eines infrarotbildes - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
• Bisher wurden IR-Kameras mit optischen Abtastsystemen konstruiert, die mit sich drehenden und/oder oszillierenden, das heißt hin- und her schwingenden Abtastkomponenten versehen waren. Diese Systeme tasten einen Gegenstand bzw. ein Objekt ab und lenken den Lichtbündelpfad auf einige wenige Detektoren, die auf Infrarotlicht ansprechen, wobei diese Detektoren ein sich änderndes Videosignal erzeugen, das auf einem TV-artigen Bildschirm aufgezeichnet bzw. wiedergegeben werden kann. In jüngerer Zeit wurde jedoch eine neue Technologie eingeführt, bei der die Bildabtastung mit Hilfe einer Brennebenen-Anordnung von Detektoren durchgeführt wird, die in einer Bildebene angeordnet sind, statt sich bewegender Komponenten zu verwenden. Gemäß dieser neuen Technologie erzeugt jedes Pixel selbst ein individuelles Detektorelement. Obwohl diese Technologie anfangs teuer war, hat sie jetzt begonnen, ein annehmbares Preisniveau zu erreichen. Obwohl diese Technik nicht vollständig neu ist, da eine Reihe von FPA-Systemen verfügbar ist, so sind es doch hauptsächlich unterschiedliche Detektormaterialien, die diese Systeme voneinander unterscheiden. Beispielsweise können die Detektorelemente pyroelektrische, Schottky PtSi-, InSb-, MCT-, PbSe-, GaAs-Elemente usw. sein. Diese Art von Technologie wird insbesondere in militärischen Systemen verwendet, wie dies in "JR Focal Plane Arrays Application and System Design" von M. M. Sirieix in SPIE, Band 865, 19-20 November 1987, Cannes, Frankreich beschrieben wird.
• Was IR-Kameras für den zivilen Gebrauch, insbesondere die Kameras, die von der Anmelderin, der AGEMA INFRARED SYSTEMS AB, vertrieben werden, zumindest von der Mehrzahl der militärischen Systeme unterscheidet, ist, daß die militärischen Systeme lediglich ein Bild der Temperaturverteilung der abgetasteten Objekte zeigen, während IR-Kameras für den zivilen Gebrauch auch die Temperatur an allen Pixeln oder Bildelementen messen.
• Folglich bestehen bei einer IR-Kamera, die für eine zivile Verwendung gedacht ist, höhere Anforderungen an die absolute Temperaturgenauigkeit als bei den militärischen Systemen. Somit umfaßt eine solche IR-Kamera Temperatur-Bezugselemente, die für die Erzeugung eines jeden Bildes wenigstens einmal automatisch in den Lichtbündelpfad des Detektors oder der Detektorelemente bewegt werden, und die IR-Kamera eicht sich selbst entsprechend diesen Bezugselementen.
• Die bisher auf dem Markt vorgestellten FPA-Systeme umfassen keine wirklichen Temperatur-Referenzelemente und können daher die Temperatur nicht besonders gut messen. Andererseits umfassen die FPA-Systeme häufig eine Scheibe mit gleichförmiger Temperatur, die häufig zu gegebenen Zeitpunkten automatisch in den Lichtbün delpfad gebracht werden kann, um es so zu ermöglichen, alle Detektorelemente derart zu eichen, daß sie das gleiche Ausgangssignal abgeben, wenn sie Objektpunkte sehen, welche die gleiche Temperatur besitzen. Es gibt auch Varianten der FPA-Systeme, bei denen es möglich ist, mit der gesamten Kamera auf eine externe, heiße Scheibe zu blicken, um es auf diese Weise zu ermöglichen, die Verstärkung von jedem individuellen Detektorelement, d. h. jedem Pixel zu eichen.
• Die Zielrichtung der oben beschriebenen Temperatureinstellanordnungen der FPA-Systeme ist es lediglich, sicherzustellen, daß das bestmögliche Bild bzw. die bestmögliche Abbildung erzielt wird, was dann erfüllt ist, wenn alle Detektorelemente ein gleich großes Ausgangssignal für ein gleich großes Strahlungssignal abgeben. Diese Zielrichtung hat jedoch nichts mit einer Messung der Temperatur zu tun.
• Eine nicht abtastende Anordnung für eine Kamera, die eine pyroelektrische Schicht umfaßt, ist in GB-A-2 24 2741 beschrieben. Ein Temperatur-Referenzelement ist im Strahlenpfad bzw. Strahlengang der Kamera positioniert. Der Bezugskörper ist einer speziellen Stelle auf der pyroelektrischen Detektorschicht zugeordnet. Das vom Temperaturreferenzelement stammende Signal wird verwendet, um die Temperatur des Bezugskörpers solange zu regulieren, bis sie gleich der Temperatur des zu messenden Objektes in der Mitte der betrachteten Szene ist.
• Das Hauptziel der Erfindung ist es, ein FPA-System zu schaffen, das Temperaturmeßeigenschaften besitzt.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, alle Ausgangssignale der Detektorelemente von der Detektortemperatur, dem Langzeitbetrieb, der inneren Temperatur der Kamera (Hintergrundstrahlung), der Temperatur einer in den Lichtbündelpfad zu gegebenen Zeitpunkten eingeführten Scheibe usw. unabhängig zu machen.
• Diese Ziele werden gemäß der Erfindung mit einer Anordnung erreicht, welche die im Anspruch 1 zusammengefaßten Merkmale aufweist. Weitere Eigenschaften und Entwicklungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen definiert.
• Die Erfindung wird im folgenden mehr im Einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:
• Fig. 1 in schematischer Weise eine optische Anordnung mit einem gegebenen Lichtbündelpfad einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,
• Fig. 2 in schematischer Weise eine beispielhafte Ausführungsform einer Temperatur-Referenzanordnung mit der zugehörigen Optik gemäß der Erfindung, und
• Fig. 3 eine dritte beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperatur-Referenzanordnung.
• Das in Fig. 1 gezeigte FPA-System umfaßt eine Objektivanordnung, die aus zwei Linsen 1 und 2 besteht, die ein Zwischenbild bzw. eine Abb. 3 eines zu überprüfenden Objektes erzeugen. Eine optische Verbindungsanordnung, die aus einem System von Linsen 4 bis 7 besteht, erzeugt ein Bild auf einer Anordnung 8 von IR-Detektoreinheiten 9, d. h. auf einer FPA-Einheit. Es sei darauf hingewiesen, daß sowohl die Objektivoptik als auch die Verbindungsoptik lediglich anhand von Beispielen für geeignete Optikanordnungen in einer IR-Kamera dargestellt sind, und daß andere Arten von Optikanordnungen, beispielsweise Spiegeloptikanordnungen anstelle von Linsenoptikanordnungen verwendet werden können. Da dies dem Fachmann bekannt ist und da die tatsächlich verwendete Art von Optikanordnung keine Bedeutung hinsichtlich des Konzeptes der Erfindung besitzt, wird keine andere Art von Optik dargestellt oder beschrieben.
• Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind zwei Temperatur-Referenzelemente 10 und 11 dargestellt, die in das Zwischenbild 3 an der Stelle eingeführt sind, die durch das in gestrichelten Linien wiedergegebene Quadrat 3A bezeichnet ist, das das Format des Zwischenbildes wiedergibt. Diese Temperatur-Referenzelemente sind auf spezielle Felder 12 beziehungsweise 13 auf der IR-Detektoranordnung 8 abgebildet, wie dies in einer Draufsicht 8A gezeigt ist. Man sieht aus der Draufsicht, daß die Felder 12 und 13 mehr als ein Detektorelement in der Anordnung umfassen können, beispielsweise vier Detektorelemente im Fall der wiedergegebenen Ausführungsform. Das Objekt wird durch das Linsensystem 1 bis 7 Punkt für Punkt auf die übrigen IR-Detektorelemente in der Anordnung oder Gruppe abgebildet. Da eine FPA-Einheit gekühlt wird, ist die Einheit in bekannter, herkömmlicher Weise hinter einem Fenster 14 in einem Dewar-Gefäß angeordnet, das flüssigen Stickstoff enthält.
• In diesem Fall, in welchem jedes Temperaturreferenzelement 10,11 auf mehrere IR- Detektorelemente abgebildet wird, wird ein Mittelwert aus den Signalen gebildet, die von den Detektorelementen 12 erhalten werden, die die Temperatur des einen Temperatur-Referenzelementes 10 messen, und ein weiterer Mittelwert wird aus den Signalen gebildet, die von den Detektorelementen 13 erhalten werden, die die Temperatur des Temperatur-Referenzelementes 11 messen. Die Temperatur-Referenzelemente 10 und 11 haben vorzugsweise voneinander verschiedene Temperaturen. Die Mittelwertsignale definieren jeweils einen entsprechenden Referenzpegel für die Ausgangssignale der übrigen IR-Detektorelemente in der IR-Detektoranordnung.
• Eine Anpassung an und eine Signalteilung zwischen den Referenzpegeln für die Signale von den übrigen Detektorelementen in der FPA-Einheit wird in einer Signalverarbeitungseinheit 15 durchgeführt, der die Ausgangssignale der IR-Detektorelemente zugeführt werden. Die Signalverarbeitungseinheit 15 ist vorzugsweise ein Rechner oder Mikroprozessor, z. B. vom Typ 6800. FPA-Einheiten, die für die Verwendung in IR-Abbildungssystemen dienen sollen, werden häufig zusammen mit einer Prozessoreinheit verkauft. Die erfindungsgemäße Anordnung beinhaltet eine Änderung der Programme der zugehörigen Prozessoreinheit.
• Die Signalprozessoreinheit 15 liefert Ausgangssignale an eine Anzeigeeinheit 16, die ein thermisches Bild des Objektes darstellt, wobei Temperaturen oder Temperaturbereiche für verschiedene Teile des Bildes wiedergegeben werden.
• Häufig ist es auch günstig, wenn man in der Lage ist, die Detektorelemente gegeneinander zu eichen. Wenn eine pyroelektrische Detektoranordnung verwendet wird, ist es erforderlich, die pyroelektrischen Detektorelemente zu modulieren. In den meisten Fällen wird dies mit Hilfe eines sogenannten Zerhackers erreicht, der die Form einer Scheibe 17 mit gleichförmiger Temperatur besitzt, die mit Hilfe eines Motors 19 gedreht wird. Eine Einzelpunkteichung wird häufig gegen diesen Zerhacker durchgeführt, so daß ein wechselweise gleiches Signal für alle Detektorelemente erhalten wird. Die Scheibe ist mit wenigstens einer, häufig jedoch mit zwei einander diagonal gegenüberliegenden Öffnungen 18 versehen, die für den Strahlenbündelpfad eines Bildes für eine Detektion durch die FPA-Einheit geeignet beziehungsweise angepaßt sind. Dies ist als solches eine allgemein bekannte Technik in Verbindung mit FPA-Einheiten, doch wird sie auch in der vorliegenden Erfindung verwendet, um die Detektorelemente gegeneinander zu eichen. Ein solcher Zerhacker ist für pyroelektrische Detektoren erforderlich und sollte dann entweder zwischen der Linse 7 und dem Fenster 14, wie in Fig. 1 gezeigt, oder zwischen den Linsen 5 und 6 angeordnet werden. Wenn Detektoren in der Art von Schottky PtSi-, InSb-, MCT-, GaSa-, PbSe-Detektoren u. s. w. verwendet werden, kann ein Zerhacker auch in der Nähe der Linse 1 angeordnet werden, da es nicht unbedingt erforderlich ist, daß die IR-Referenzdetektorelemente von dieser Eichung erfaßt werden. Nur dann, wenn die Detektorelemente aufgrund des Herstellungsprozesses einander sehr ähnlich sind, ist überhaupt keine Eichung erforderlich. In manchen Fällen ist eine Eichung nur in der Anfangsstufe der Herstellung erforderlich.
• Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der jedes der Temperatur-Referenzelemente 20, 21 durch einen entsprechenden konkaven Spiegel 22 und 23 auf eine Bildebene 24 abgebildet wird, die der Bildebene 3 der Ausführungsform in Fig. 1 entspricht, wobei diese Bildebene dann vermittels einer Verbindungsoptik auf eine (nicht dargestellte) FPA-Einheit abgebildet wird. Obwohl die Bildebene 24 in der Figur flach dargestellt ist, versteht sich, daß diese Fläche in Wirklichkeit gekrümmt sein kann. Der Strahlenpfad von den Temperatur-Referenzelementen ist in herkömmlicherweise durch eine optische Anordnung kollimiert, die im vorliegenden Fall lediglich durch eine Blende dargestellt ist, die einen kleinen Apperturwinkel liefert. Die konkaven Spiegel sind jeweils in geeigneter Weise mit einer Zunge 22' und 23' versehen, die eine Spitze besitzt, die tangential zur Bildebene 24 verläuft, so daß zwischen diesen Spiegeln 22 und 23 ein Abtasteffekt zwischen dem Strahlenpfad vom Objekt und den Strahlenpfaden von den Temperatur-Referenzelementen 20, 21 erzielt wird. Dies minimiert das Risiko, daß die Detektoren der FPA-Einheit, die lediglich durch die Strahlung von den Temperatur- Referenzelementen beeinflußt werden sollen, auch durch Strahlung vom Objekt beeinflußt werden, und umgekehrt.
• Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist auch wiedergegebenen, daß die Temperaturen der jeweiligen Temperatur-Referenzelemente 20 und 21 in kontrollierter Weise verändert werden können. Eine Treiberschaltung 25 ist mit dem Temperaturreferenzelement 20 verbunden. Die Temperatur des Referenzelementes 20 wird durch einen Sensor 26 gemessen und das Ausgangssignal des Sensors wird der Treiberschaltung so zugeführt, daß die Temperatur des Referenzelementes 20 auf einen festgelegten Wert eingestellt wird. Ein Steuersignal, das einen gewünschten, festgelegten Temperaturwert A definiert, wird einem Steuereingang der Treiberschaltung 25 in geeigneter Weise von einem Rechner zugeführt, der die Steuerung der in der IR-Kamera enthaltenen Schaltungen durchführt und mit Steuermitteln (nicht dargestellt), die von einer Bedienungsperson betätigt werden, in herkömmlicher Weise zusammenarbeitet. Das Temperaturreferenzelement 21 wird von einer anderen Treiberschaltung 27 angesteuert und besitzt einen Sensor 28 mit den gleichen Funktionen, wie sie oben beschrieben wurden. Die Treiberschaltung 27 erhält ein Steuersignal, das einen anderen gewünschten, festgelegten Temperaturwert B kennzeichnet. Steuerschaltungen dieser Art sind dem Fachmann wohl bekannt und werden daher hier nicht im Einzelnen beschrieben.
• Es sei darauf hingewiesen, daß eines der Temperatur-Referenzelemente ein Kühlelement sein kann, das somit mit Hilfe der Treiberschaltung gekühlt und mit einer Servoregelung auf ein gewünschtes Temperaturniveau gesteuert wird. Es ist auch möglich, die Temperatur-Referenzelemente während eines Abbildungsprozesses zeitlich veränderlich zu steuern, so daß die Temperaturen der Referenzelemente beispielsweise rampenförmig ansteigen oder daß sie eine sich sägezahnartig verändernde Temperatur besitzen. In einem solchen Fall wird tatsächlich nur ein Temperaturreferenzelement benötigt, beispielsweise nur das Referenzelement 20 in Fig. 2. Es versteht sich, daß es auch möglich ist, sowohl ein Kühlelement als auch ein Heizelement mit sich in der Zeit verändernden Temperaturen als Temperatur-Referenzelemente zu verwenden.
• Bei dem in Fig. 3 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel ist dargestellt, daß Blöcke 31 und 32, von denen jeder ein oder mehrere Temperatur-Referenzelemente besitzen kann, vollständig getrennt von einem Linsensystem 33 für den Lichtbündelpfad 34 vom Objekt zu der FPA-Einheit 35 angeordnet werden können, die hinter einem Fenster 30 positioniert ist.
• Weiterhin können im Fall der wiedergegebenen Ausführungsform die IR-Referenzdetektorelemente 36, 37 der FPA-Einheit getrennt von den IR-Detektorelementen 38 für die Abbildung des Objektes angeordnet sein. Es gilt allgemein für alle dargestellten Ausführungsformen, daß die IR-Referenzdetektorelemente entweder als integraler Bestandteil von einer IR-Detektormatrix umfaßt werden oder von der zur Abbildung dienenden IR-Detektormatrix getrennt sein können. Das einzige wesentliche Kriterium ist, daß die IR-Referenzdetektorelemente so positioniert sind, daß sie die gleiche auf ein bestimmtes Temperaturniveau gebrachte Umgebung besitzen.
• Der Block 31 emittiert von wenigstens einem (nicht dargestellten) Temperaturreferenzelement ein Strahlenbündel, das von einem schräg gestellten, flachen Spiegel 39 auf die IR-Referenzdetektorelemente 36 abgelenkt und zumindest in ihrer Nähe fokussiert wird. Der Block 31 kann mehrere Temperatur-Referenzelemente umfassen, und eine optische Anordnung im Block 31 kann jedes dieser Referenzelemente auf getrennte Teilgruppen der IR-Referenzdetektorelemente 36A, 36B ... 36N fokussieren. Somit wird für jede dieser Teilgruppen ein getrennter Referenztemperaturpegel erhalten, an den eine Signalverarbeitungseinheit (nicht dargestellt), die der Einheit 15 in Fig. 1 entspricht, die Ausgangssignale der übrigen Detektorelemente anpassen kann. Das gleiche gilt für den Block 32 und die IR-Referenzdetektorelemente 37.
• Das in Fig. 3 speziell dargestellte Merkmal besteht darin, daß die Temperatur-Referenzelemente nicht notwendigerweise in einem Zwischenbild angeordnet werden müssen, sondern statt dessen sehr nahe bei den IR-Referenzdetektorelementen positioniert sein können.
• Es versteht sich, daß viele Abwandlungen innerhalb des Rahmens der Erfindung möglich sind. Die verschiedenen Eigenschaften und Möglichkeiten, die für die verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen dargestellt wurden, können in vielen Fällen auch in anderen als den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden.

Claims (7)

1. Anordnung zum Aufzeichnen des Infrarotbildes eines Gegenstandes, die eine Brennebenen-Anordnung (FPA) von Inrarot-Detektoren und eine Optik umfaßt, die den Gegenstand auf die Brennebenen-Anordnung der Infrarot-Detektoren abbildet,

dadurch gekennzeichnet,

daß wenigstens eine Temperaturreferenz (10, 11; 20, 21) auf die Infrarot- Detektoren-Anordnung abgebildet wird,

daß wenigstens ein Infrarot-Referenzdetektor (12, 13; 36, 37) von den Infrarot-Detektorelementen der Anordnung Referenzzwecken zugeordnet ist, daß jede Temperaturreferenz mit wenigstens einem der Infrarotreferenz- Detektorelemente so koordiniert ist, daß auf jedes der Infrarotreferenz- Detektorelemente Strahlung fällt, die im wesentlichen einzig von einer der Temperaturreferenzen abgeleitet ist,

daß ein Infrarotdetektor-Referenz-Ausgangssignal für jede Temperaturreferenz erzeugt wird und daß jedes Infrarot-Referenz-Ausgangssignal einen individuellen Referenzpegel für die Ausgangssignale der übrigen Infrarot- Detektorelemente in der Infrarot-Detektoranordnung vorgibt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Temperaturreferenzen vorhanden sind und voneinander verschiedene Temperaturen aufweisen, die in einer vorbestimmten Unterteilung angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur einer jeden Temperaturreferenz in veränderbarer Weise gewählt werden kann.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Temperaturreferenz zeitlich entsprechend einem vorgegebenen Muster beispielsweise rampenartig oder sägezahnartig veränderbar ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Infarot-Referenz-Detektorelemente (12, 13) integrierte Detektorelemente sind und zur Gruppe der Abbildungs- Infrarot-Detektorelemente gehören.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-Referenz-Detektorelemente (36, 37) von den übrigen IR-Detektorelementen in der Elementeanordnung getrennt angeordnet sind.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Eicheinheit (17), die eine spezielle Temperatur besitzt und dazu dient, in dem Bündelpfad eingeführt zu werden, der zu allen Infrarot-Detektorelementen in der Infrarot-Detektor-Anordnung führt, um die Anordnung zu eichen, und daß alle Infrarot- Detektorelemente in der Infrarot-Detektor-Anordnung gegeneinander geeicht werden, wenn die Eicheinheit in den Strahlungspfad eingeführt ist, um auf diese Weise zueinander gleiche Ausgangssignale zu erzeugen.