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Dokumentenidentifikation DE69618887T2 19.09.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0766113
Titel Asphärische Elemente für Infrarot-Abbildungssystem
Anmelder Raytheon Co., El Segundo, Calif., US
Erfinder Smith, Richard R., Los Angeles, California 90045, US
Vertreter Kuhnen & Wacker Patentanwaltsgesellschaft mbH, 85354 Freising
DE-Aktenzeichen 69618887
Vertragsstaaten BE, CH, DE, ES, FR, GB, IT, LI, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 30.09.1996
EP-Aktenzeichen 963071311
EP-Offenlegungsdatum 02.04.1997
EP date of grant 30.01.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.09.2002
IPC-Hauptklasse G02B 13/14
IPC-Nebenklasse G02B 13/18   H04N 3/09   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein thermische Abbildungssysteme und insbesondere eine asphärische Linsenanordnung in einer Bilderzeugungseinrichtung mit einem Infrarot-Abbildungssystem, welche die Anzahl von Bauteilen und den Raumbedarf zur Verwirklichung der Bilderzeugungseinrichtung vermindert.

2. Diskussion des Standes der Technik

Thermische Abbildungssysteme nach dem Stande der Technik sind aus der US-A- 4,912,321 und der WO-A-91/19377 bekannt.

Die US-A-4,912,321 offenbart ein Strahlungsabtastungssystem, das die Lage und die Funktion von optischen Blenden über das gesamte System hinweg steuert. Eine erste Relaislinse ist so angeordnet, daß sie ein erstes Bild eines Strahlungssdetektors erzeugt; und eine zweite Relaislinse ist in einem vorbestimmten Abstand von der ersten Relaislinse angeordnet und so gelegen, daß sie ein zweites Bild des Strahlungsdetektors erzeugt und eine Blende auf ein Zeilenabtastgerät überträgt. Die zu detektierende Strahlung liegt im thermischen Infrarotbereich.

Die WO-A-91/19377 offenbart eine thermische Bilderzeugungseinrichtung, welche eine Linsenanordnung der Art aufweist, wie sie nachfolgend in Fig. 7 angegeben ist, wobei mehr als zwei Linsen benötigt werden. Die Linsenanordnung nach diesem Dokument des Standes der Technik erfordert eine Art eines Farbkorrekturmechanismus zur Verminderung der chromatischen Aberration für ihre spektrale Bandbreite von 8 bis 12 um.

Abtastende thermische Abbildungssysteme werden in einer Vielfalt von Anwendungsfällen verwendet, welche Überwachungssysteme und Zielerfassungssysteme sowie Zielerkennungssysteme umfassen. Solche Systeme enthalten typischerweise eine Teleskoplinsenanordnung, welche mit einem Abtaster gekoppelt ist. Die Abtastmittel tasten die Energie einer Szenerie über eine Bilderzeugungslinsenanordnung auf einer Detektorgruppe ab, welche eine Mehrzahl von photoelektrisch empfindlichen Detektorelementen enthält, die senkrecht zu der Abtastrichtung angeordnet sind. Jedes dieser Detektorelemente liefert ein elektrisches Signal proportional zu dem Strom von Infrarotlicht, das auf das betreffende Detektorelement trifft. Die von den Detektorelementen erzeugten elektrischen Signale werden nachfolgend durch eine Sensorelektronik des Systems verarbeitet, um ein Bild zu erzeugen, das auf einem Ausgangsgerät des Systems dargestellt wird. Zur Verbesserung der Empfindlichkeit enthalten einige dieser Systeme Detektoren parallel zu der Abtastrichtung. Die Ausgänge dieser Detektoren sind zeitlich relativ zueinander verzögert, so daß im Idealfall das abgetastete Bild gleichzeitig an allen parallel angeordneten Detektoren gleichzeitig abgegeben wird. Die verzögerten Ausgänge werden dann aufsummiert (integriert). Dieses Verfahren wird als Zeitverzögerungs- und Integrationsverfahren (TDI) bezeichnet.

In den oben erwähnten thermischen Abbildungssystemen muß die Bilderzeugungseinrichtung die thermische Energie von der detektierten Szenerie scharf auf die Detektoranordnung fokussieren, um eine Klarheit des Videosignalausgangs am Ausgangsgerät des Systems sicherzustellen. Bei herkömmlichen Bilderzeugungssystemen sind mehrfache Linsen vorgesehen, um die Fokussierung der detektierten Energie der Szenerie auf die Detektoranordnung zu bewirken. Während solche Bilderzeugungseinrichtungen mit mehrfachen Linsen eine angemessene Fokussierung der Energie der detektierten Szene auf die Detektoranordnung vornehmen, ergeben sich Vorteile aus weiteren Verbesserungen gegenüber dem Stande der Technik aus den folgenden Gründen.

Zum einen muß jedes Bauelement in einer Bilderzeugungseinrichtung mit bestimmten engen Toleranzen gefertigt werden und dann in die Bilderzeugungseinrichtung unter Beachtung anderer enger Toleranzen bezüglich Variablen wie Zentrierung und Neigung eingefügt werden. Das Weglassen von Bauteilen vermindert dann in starkem Maße die Kompliziertheit bei der Fertigung der Bilderzeugungseinrichtung. Zusätzlich wird auch das Gewicht des Systems herabgesetzt.

Zum zweiten erfordern Bilderzeugungseinrichtungen mit vielen Linsen einen großen Teil des Raumes des Systems, um die Linsenelemente und den Mechanismus vor für ihre Halterung an bestimmtem Ort unterzubringen. Da gegenwärtige thermische Abbildungssysteme bezüglich ihrer Parameter eine fortwährende Verminderung des Raumbedarfs bedingen, wäre es wünschenswert, den Raumbedarf der Abbildungslinsenanordnung zu minimieren. Drittens vergrößern sich die Kosten der Bilderzeugungseinrichtung in Proportion zu der Anzahl von Linsen, die in dem System gebraucht werden. Materialien der oben erwähnten Linsen sind jeweils sehr kostspielig. Zusätzlich sind Linsen, die aus dem im allgemeinen verwendeten brüchigen Materialien, beispielsweise AmTirl, gefertigt sind, in hohem Maße bruchanfällig und müssen, wenn sie brechen, ersetzt werden, was den Kostenaufwand des Systems weiter vermehrt.

Es besteht Bedarf an einer Bilderzeugungseinrichtung mit einem thermischen Abbildungssystem zur Fokussierung der detektierten Energie einer Szenerie auf eine Detektoranordnung des Systems, wobei die Bilderzeugungseinrichtung mit einer minimalen Anzahl von Bauteilen verwirklicht wird, wodurch die Kosten und die Komplexität des Systems herabgesetzt werden, während gleichzeitig die notwendige optimale Leistungsfähigkeit in ihren Charakteristiken aufrecht erhalten bleibt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung wird eine Bilderzeugungseinrichtung geschaffen, wie sie in dem anliegenden Anspruch 1 gekennzeichnet ist, wobei diese Einrichtung zur Verwendung in einem thermischen Abbildungssystem zur Fokussierung von Energie von einer Szenerie auf eine Detektoranordnung verwendet wird. Während herkömmliche Bilderzeugungseinrichtungen typischerweise mit nicht weniger als fünf sphärischen Linsen ausgestattet werden, wird die Bilderzeugungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit zwei asphärischen Linsen verwirklicht, durch die Systemkosten und die Komplexität dieses Systems minimal gemacht werden.

Insbesondere wird durch die vorliegende Erfindung eine Bilderzeugungseinrichtung zur Fokussierung von Energie einer ein Zielobjekt enthaltenden Szenerie auf eine Detektoranordnung in einer thermischen Abbildungseinheit geschaffen. Die Bilderzeugungseinrichtung enthält Eingangsmittel zum Durchlassen der Energie der Zielobjekt-Szenerie. Die Bilderzeugungseinrichtung enthält auch sowohl eine erste asphärische Linse zur Erzeugung eines Zwischenfokusbereiches der Energie der das Zielobjekt enthaltenden Szenerie, sowie eine zweite asphärische Linse zum Empfang der Energie des Zwischenfokusbereiches der Szenerie und zum Fokussieren der Energie der Szenerie des Zwischenfokusbereiches auf die Detektoranordnung. Die Bilderzeugungseinrichtung enthält weiterhin eine Blende oder Feldbegrenzung, die an dem Zwischenfokusbereich angeordnet ist, um Narzissuseffekte zu minimieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlich aus der Lektüre der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in welchen:

Fig. 1 ein leichtes Panzerfahrzeug LAV-25 zeigt, in welchem die vorliegende Erfindung eingebaut sein kann;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines thermischen Abbildungssystems ist, in welchem die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwirklicht ist;

Fig. 3 eine teilweise Explosionsdarstellung des thermischen Abbildungssystems gemäß Fig. 2 wiedergibt;

Fig. 4 die Anordnung der Detektorelementgruppe verdeutlicht, welche teilweise in Fig. 3 gezeigt ist;

Fig. 5 ein Blockschaltbild des thermischen Abbildungssystems von Fig. 2 zeigt;

Fig. 6 und 6A Blockschaltbilder der Elektronik des Systems des thermischen Abbildungssystems nach der vorliegenden Erfindung sind;

Fig. 7 eine Aufsicht auf eine Bilderzeugungseinrichtung nach dem Stande der Technik wiedergibt;

Fig. 8 eine Aufsicht auf die Linsen zeigt, die in einer Bilderzeugungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden;

Fig. 9 eine Aufsicht auf eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Bilderzeugungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 10A und 10B Aufsichten auf die Linsen einer Bilderzeugungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung wiedergeben, wie sie in einem thermischen Abbildungssystem bei engem Blickfeld und bei weitem Blickfeld verwirklicht werden; und

Fig. 11 die Situationserkennung des thermischen Abbildungssystems sowohl bei engem Blickfeld als auch bei weitem Blickfeld illustriert.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sei nur beispielsweise gegeben und ist in keiner Weise im Sinne einer Beschränkung der Erfindung oder ihrer Anwendung oder Verwendbarkeiten zu verstehen.

Es sei nun auf die Zeichnungen Bezug genommen. Fig. 1 zeigt ein leichtes gepanzertes Fahrzeug 10 LAV-25, in welchem die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingebaut ist. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, wird die vorliegende Erfindung als Teil einer thermischen Abbildungseinheit 12 verwirklicht, welche Energie verarbeitet, die von einer detektierten Zielobjektszenerie 14 durch eine System-Teleskopanordnung 16 reflektiert wird, welche mit einem äußerlich angebrachten Hauptspiegel 18 gekoppelt ist.

Vorzugsweise ist die thermische Abbildungseinheit 12 eine thermische Abbildungs-Sensoreinheit "Hughes Infrared Equipment" (HIRE). Die HIRE-Einheit ist ein modulares Feuerleitsystem, Sichtgerät und thermisches Abbildungssystem hoher Leistung und geringen Gewichtes, welches dazu in der Lage ist, hervorragende Sichtmöglichkeit bei totaler Dunkelheit, Rauch, Staub und anderen Arten von ungünstigen Bedingungen zu bieten. Das HIRE-System kann bei einer großen Vielfalt von Fällen eingesetzt werden, einschließlich einer Vielfalt von Panzerfahrzeugen, beispielsweise LAV-25, Piranha, Desert Warrior und LAV-105. Die thermische Abbildungseinheit 10 bietet eigenständige thermische Abbildungsmöglichkeit, kann jedoch auch so ausgebildet sein, daß sie mit TOW-Raketen-Feuerleitsystemen verwendet wird. Die Einheit enthält verschiedene im Handel erhältliche Hauptkomponenten, wodurch die Logistikanforderungen vermindert werden, was durch die Üblichkeit solcher Dinge wie Reparaturmöglichkeiten, Lagerhaltung, Trainingsprogramme und Ersatzteile geschieht. Der EFL-Kompensator nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht es der thermischen Abbildungs-Sensor-Einheit, eine wesentliche Verbesserung der Abbildungsqualität der Abbildungseinheit und der Entfernungsleistung gegenüber herkömmlichen thermischen Abbildungssystemen zu erreichen, wie nun beschrieben sei.

Es sei auf die Fig. 1 bis 5 Bezug genommen. Die Teleskopanordnung 16, über welche die Funktionen der Zielobjektaufsuchung und Zielobjektbetrachtung durchgeführt werden, ist in einer geschützten Umgebung innerhalb des Fahrzeugs 10 angeordnet. Vorzugsweise kann die Teleskopanordnung 16 wahlweise entweder auf ein enges Blickfeld oder auf ein weites Blickfeld nach Wunsch durch Betätigung von Schaltern an der Geschützführer-Steuertafel 20 und der Kommandeur-Steuertafel 22 geschaltet werden. Der Hauptspiegel 18 ist so ausgebildet, daß er eine erfaßte Szenerie auf die Teleskopanordnung 16 überträgt. Nach der Verarbeitung des Signales der thermischen Energie der das Zielobjekt enthaltenden Szenerie durch die thermische Abbildungseinheit wird, wie unten beschrieben wird, die Szenerie mittels einer Geschützführer-Anzeigeeinrichtung 19 betrachtet, die mit einer Anzeigesteuertafel 20 gekoppelt wird, und wird mittels einer Kommandeur-Anzeigeeinrichtung 21 betrachtet, die mit einer Kommandeur-Anzeigesteuertafel 22 gekoppelt ist.

Wie in Fig. 3 dargestellt wird Energie von der detektierten Szenerie über die thermische Abbildungseinheit 12 auf eine Polygonspiegel-Abtasteinrichtung 23 übertragen, die durch einen Abtastmotor 24 in Umdrehung versetzt wird. Die Abtasteinrichtung enthält acht Facetten 23a-23h, welche jeweils unter einem Winkel angestellt sind, um eine Verschiebung der Energie der abgetasteten Szenerie auf der Detektoranordnung um einen bestimmten Betrag zu bewirken. Die Anstellung und die Verlagerung, die durch jede Facette bewirkt werden, sind in der nachfolgenden Tabelle festgehalten:

Tabelle I

Wenn sich die Abtasteinrichtung dreht, dann reflektieren ihre Spiegel die Energie der Szenerie unter fortschreitend veränderlichen Winkeln durch eine Bilderzeugungsanordnung, welche allgemein mit 25 bezeichnet ist. Die Bilderzeugungsanordnung enthält Abbildungslinsen, beispielsweise die Linse 25a, welche die Szenerie auf eine Detektorgruppe 26 abbildet, die in einer Detektoranordnung 27 untergebracht ist. Die Detektoranordnung 25 enthält auch einen Temperaturfühler 25b für die Bilderzeugungsoptiken zur Überwachung von deren Temperatur. Die Detektoranordnung 27 befindet sich innerhalb eines Dewargefäßes 28 und wird durch einen Kühler 28a auf Kryogentemperaturen gekühlt. Eine Kälteabschirmung 29, die sich innerhalb des Dewargefäßes 28 befindet, begrenzt die thermische Energie, welche durch den Detektor gesehen bzw. aufgenommen werden kann, so daß die Detektorelemente nur den Energieeingang von der Szenerie über die Optik der Teleskopanordnung aufnehmen und nicht andere periphere Eingangsenergien zu dem System detektieren, beispielsweise Energie von den warmen Seiten des Gehäuses. Die Kälteabschirmung vermindert dadurch die Eingangsstörungen und verbessert dadurch die Gesamt-Systembildqualität.

Wie teilweise in Fig. 3 und vollständiger in Fig. 4 gezeigt ist, besteht die Detektorgruppe 26 nach der vorliegenden Erfindung aus zwei gestaffelten 120 · 4 Untergruppen 26a, 26b von Detektorelementen, wobei jedes Element gegenüber Licht im Infrarot-Spektrumsbereich empfindlich ist und einen Detektorelement-Ausgang aufweist. Die Abtasteinrichtung bewirkt die Tastung des Bildes der Szenerie über die Detektorgruppe hin in Richtung des in Fig. 4 eingezeichneten Pfeiles A. Der Ausgang jedes Detektorelementes wird in eine integrierte Ableseschaltung (ROIC) 27a (siehe Fig. 5) eingegeben, die mit der Detektoranordnung gekoppelt ist und von den vier parallelen Detektorelementen in jeder Detektorelemenreihe die Ausgänge abtastet, die Zeitverzögerung vorsieht und die Integration (TDI) durchführt, und die 240 resultierenden TDI-Detektorkanäle in vier Videoausgangskanäle 31, 32, muliplexverteilt, wobei die Ausgangskanäle 31 die Ausgangssignale von der ersten Detektor-Untergruppe 26a von 120 · 4 Detektoren führen, und die Ausgangskanäle 32 die Ausgangssignale von der zweiten Detektor-Untergruppe 26b führen. Die ROIC- Schaltung enthält einen TDI-Taktgeber 27b, welcher bestimmt, wann die Detektorausgänge an der TDI-Schaltung getastet werden, ferner einen Multiplexer 27c, und einen Detektor-Taktgeber 27d höherer Frequenz für den ROIC-Multiplexer, der vorzugsweise eine minimale Tastungsperiode von 60 : 1 hat.

In der bevorzugten Ausführungsform werden die vier multiplexverteilten Ausgangskanäle der Detektoranordnung in einen Kanal hinein durch die Signalverarbeitungselektronik multiplexverteilt, was mit der hohen Taktgeschwindigkeit (HCLK) geschieht, welche vorzugsweise eine minimale Tastungsperiode von 240 : 1 hat, was in Zuordnung zu der Systemelektronik steht, die unten unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben wird. Ein EFL-Kompensator verändert die Tastungsrate des Detektortaktgebers 27d zur Steuerung der Tastungsrate des TDI- Taktgebers 27b.

Gegenwärtig gebaute Detektorgruppen haben typischerweise 60 bis 120 Detektorelemente, wobei jedes eine zugehörige Ausgangsdrahtleitung hat. Somit zeigt die Detektorgruppe nach der vorliegenden Erfindung eine höhere Auflösung aufgrund der zusätzlichen Detektorelemente. Weiter verwendet die Detektorgruppe nach der vorliegenden Erfindung multiplexbeaufschlagte Detektorgruppen-Ausgangsleitungen, wodurch die Ausgangsdrahtleitungen der Detektorelemente minimal gemacht werden und somit die Fläche minimal gemacht wird, die von der Gruppe benötigt wird und der Zusammenbau und die Reparatur erleichtert werden.

Nunmehr sei Fig. 5 betrachtet. Der Betrieb der Bauteile des Bilderzeugungssystems wird allgemein durch die Elektronik 34 des Systems gesteuert. Die Systemelektronik 34 wird auf drei Schaltungskarten vorgesehen, die mit einer System-Hauptschaltungsplatte 35 gekoppelt sind. Die Schaltungskarten enthalten eine analoge Video-Verarbeitungskarte (AVPC) 36, eine Szenerie- Histogrammprozessorkarte (SHPC) 38 und eine Speicherausgangs-Symbolikkarte (MOSC) 40. Die zugehörigen Funktionen jeder dieser Karten werden weiter unten genauer beschrieben. Außerdem ist mit der Haupt-Schaltungsplatte 35 eine Leistungsquellenkarte 42 gekoppelt, welche einen Leistungseingang von dem Fahrzeug aufnimmt, in welchem das System installiert ist, und welche Leistungen an die verschiedenen Systemkomponenten mit Spannungspegeln liefert, die von den einzelnen Systemkomponenten benötigt werden.

Es sei nun im einzelnen auf Fig. 6 Bezug genommen. Hier ist ein Gesamt- Blockdiagramm dargestellt, das die Bauteile zeigt, die auf den drei Karten 36, 38 und 40 angeordnet sind. Zunächst sei die analoge Video-Verarbeitungskarte AVPC 36 betrachtet. Die Kanalausgänge 31 und 32 werden in ein S/HMUX-Gerät 52 eingegeben, das einen zugehörigen Systemmultiplexertaktgeber HCLK hoher Geschwindigkeit 53 aufweist. Vorzugsweise werden sämtliche 960 Detektorelemente (240 Pixel) während der Takt-Tastungsperiode getaktet. Das S/HMUX-Gerät 52 ist vorzugsweise eine kundenangepaßte integrierte Schaltung der Firma HUGHES, Teil Nummer 6364060PGA-DEV, das so konstruiert ist, daß es die multiplexverarbeiteten Detektorelementausgänge tastet und weiter multiplexverarbeitet. Diese multiplexverarbeiteten Signale werden mit einer einstellbaren Tastungsrate getastet. Für die weitere Signalverarbeitung werden jedoch die Signale durch einen I-V-Umsetzer 54 in Spannungssignale umgeformt. Sind diese Signale einmal umgeformt, so werden sie durch einen Analog-/Digital-Umformer 56 digitalisiert.

Nachdem die Detektorelement-Ausgangssignale in Digitalsignale umgesetzt worden sind, werden sie in einen Signalausgleicher 60 eingegeben. Der Signalausgleicher 60 addiert einen entsprechenden Verstärkungs- und Pegelwert, der in einem Speicher 62 gespeichert ist, für jedes der 240 Detektor-Pixelelemente, um jedwede Verstärkungs- und Pixeldifferenzen von jedem der Detektor-Pixelsignale zu korrigieren, so daß der multiplexverarbeitete digitale Signalausgang bei 63 gleichförmig ist, wodurch die Bildqualität erhöht wird.

Es sei weiterhin auf die AVPC-Schaltungskarte 36 Bezug genommen. Die digitalisierten Eingangssignale (für den Signalausgleicher 60) haben 12 Bits. Der Signalausgleicher erhöht jedoch nachfolgend bei der Korrektur der Signal- Verstärkungsdifferenzen und -Pegeldifferenzen den digitalen Signalausgang auf 19 signifikante Bits. Da das Signal nur 15 Bit verwendbarer Daten enthält, stellt ein Sättigungsdetektor 64 alle Daten oberhalb des 15-Bit-Bereiches auf einen Sättigungspegel von 1, und alle Daten unterhalb des 15-Bit-Bereiches auf 0. Aus diesem Grunde werden nur die nutzbaren Daten innerhalb des 15-Bit-Bereiches zu der auf der Szenerie basierenden Histogrammverarbeitungskarte SHPC 38 ausgegeben. Die AVPC- Karte enthält auch eine Zeitgeber-/Steuerverarbeitungseinheit 68 mit den Taktgebern 53 und der Leitungszeitgabe zum Takten der multiplexverarbeiteten Signale von dem S/HMUX-Gerät während einer Tastungsperiode. Vorzugsweise hat die Leitungszeitgabe HCLK eine Taktrate von 240 TDI-Kanälen je Tastungsperiode plus 16 Takte Totzeit.

Diese Rate kann jedoch nach der vorliegenden Erfindung im Bedarfsfall verändert werden, wie weiter unten beschrieben wird. Die AVPC-Karte enthält auch eine Schnittstelle 70, die Komponenten der AVPC-Karte mit einem System- Mikroprozessorbus 72 verbindet.

Nunmehr sei die SHPC-Schaltungskarte 38 betrachtet. Der Signalausgang von dem Sättigungsdetektor 64 wird in eine Aufsuchtabelle 74 eingegeben. Allgemein ist zu sagen, daß der dynamische Ausgangsbereich des Signaldigitalisierungs- und - ausgleichprozesses größer als der maximale dynamische Bereich traditioneller Bildwiedergaben ist. Darüberhinaus gibt es Gebiete des dynamischen Ausgangsbereiches, die minimale oder gar keine Information aufweisen. Aus diesem Grunde wird das Ausgangssignal des Digitalisierungs- und Signalausgleichungsprozesses in die Aufsuchtabelle 74 eingegeben, um die Information in den dynamischen Wiedergabebereich hineinzukomprimieren. Die Aufsuchtabelle bildet ein programmierbares Verfahren zur Aufzeichnung des größeren dynamischen Eingangsbereiches in einen kleineren dynamischen Ausgangsbereich. Die Aufzeichnung kann kontinuierlich entweder auf der Basis eines manuellen Eingangs von einer Bedienungsperson des Systems oder auf der Basis einer automatischen histogrammbasierenden Methode verändert werden. Vor der Aufsuchtabelle wird die Videoinformation in einen Histogrammerzeuger/Akkumulator 80 eingegeben. Der Histogrammerzeuger/Akkumulator 80 führt bestimmte programmierbare Funktionen durch, beispielsweise ein Leitungssummieren, ein Leitungserfassen und das Histrogrammaufzeichnen der digitalen Information. Die Nachsuchtabelle 74 wandelt den 15-Bit-Signalausgang von dem Sättigungsdetektor in ein 8-Bit-Ausgangssignal um. Die Nachsuchtabelle ist vorzugsweise ein 32k · 8-Speicher wahlfreien Zugriffs (RAM), der in der Technik bekannt ist, beispielsweise ein Gerät der Integrated Device Technology, Modell Nummer IDT71256, und kann kontinuierlich verändert werden, entweder auf der Basis eines manuellen Eingangs von einer Bedienungsperson des Systems oder auf der Basis eines automatischen Verstärkungsalgorithmus. Der 15-Bit- Signalausgang von dem Sättigungsdetektor wird auch durch eine Video- Verschiebungseinheit 76 in ein 10-Byte-Signal umgeformt.

Auf der SHPC-Schaltungskarte 38 sind auch die Mikroprozessoren 82 und 84 angeordnet. Wie oben diskutiert laufen viele Funktionen unter Mikroprozessorsteuerung ab. Der Mikroprozessor 84 führt zahlreiche steuerungsbezogenen Operationen durch, welche der Steuertafel bzw. den Steuertafeln zugeordnet sind, steuert die TDI-Taktrate für die EFL-Kompensation und die Histogrammerzeugungs-/Akkumulatorfunktion, und errechnet den Pegelausgleichswert für jedes Pixel, den globalen Pegelsteuerwert und die Werte der Aufsuchtabelle. Der Mikroprozessor 82 führt die mehr systembasierenden verarbeitungsbezogenen Funktionen durch und ist operativ einem RAM-Speicher 86 und einem EEPROM 90 zugeordnet. Sowohl der RAM-Speicher 86 als auch das EEPROM 90 speichern die auf Software basierenden Befehle, welche den elektronisch wirksamen Brennweitenkompensator gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steuern, dessen Funktion weiter unten mehr ins einzelne gehend beschrieben wird.

Es sei nun die MOSC-Schaltungskarte 40 betrachtet. Das 8-Bit-Ausgangssignal von der Aufsuchtabelle 74 wird über Pixelpuffer 92, 94 eingegeben und sowohl zu der Geschützführeranzeige 19 als auch der Kommandeursanzeige 21 ausgegeben, nachdem es über einen Bildsatzspeicher abtastungsumgeformt und mittels eines Digital- /Analogumformers 96 in ein Analogsignal zurückverwandelt worden ist. Für jedes Pixel kann auch Symbolik mittels eines Symbolikprozessors 98 in das Bildsignal eingeschaltet werden, bevor es über den Digital-/Analog-Umformer 96 ausgegeben wird. Solche Symbolikdaten können Zustandsanzeigen, Zielfadenkreuze und instruierenden Text am unteren Ende entweder der Kommandeursanzeige oder der Geschützführer-Anzeige enthalten.

Vor der Ausgabe zu der Anzeigeeinrichtung wird das digitalisierte Signal abtastungsumgeformt. Im allgemeinen tastet der Abtaster die Szenerie horizontal ab; somit werden die Daten längs vertikaler Spalten multiplexverarbeitet. Standard- Videoanzeigen erfordern es jedoch, daß die Daten längs horizontaler Zeilen ausgegeben werden. Aus diesem Grunde müssen die digitalisierten Daten von dem Vertikalspalten aufweisenden Eingangsformat in ein horizontale Zeilen aufweisendes Ausgangsformat umgesetzt werden. Darüberhinaus sind die digitalisierten Daten wegen des Abstandes zwischen den Detektor-Untergruppen zeitlich relativ zueinander verzögert. Diese Verzögerung muß beseitigt werden. Die Verzögerung ist abhängig von der effektiven Brennweite der Bilderzeugungseinrichtung, und wegen der Digitalisierung der Daten hängt die richtige Beseitigung der Verzögerungen von der richtigen Kompensation der Bild-Brennweitenänderungen ab. Ein Kompensator der effektiven Brennweite oder EFL-Kompensator in der Systemelektronik erfüllt diese beiden Funktionen. Es sei jetzt auf Fig. 7 der Zeichnungen Bezug genommen, welche allgemein bei 100 eine Abbildungslinsenanordnung nach dem Stande der Technik zeigt. Diese Anordnung ist unter Verwendung von fünf sphärischen Linsen verwirklicht, nämlich drei Germaniumlinsen 102, 104, 106 und zwei Linsen 108 und 110 aus AmTirl-Material, einem brüchigen, hart beschichteten Material, welches im allgemeinen in der optischen Industrie verwendet wird. Wie dargestellt wird detektierte Energie von einer das Zielobjekt enthaltenden Szenerie 14 durch den Abtaster 23 abgetastet. Diese abgetastete Energie wird in die Abbildungseinrichtung über eine Blende 112 eingegeben, die an der Kälteschranke 113 zu den Linsen 102 und 108 gebildet ist. Die Abbildungseinrichtung erzeugt einen Zwischenfokusbereich der Energie, wie bei 114 angedeutet ist. Die Energie der das Zielobjekt enthaltenden Szenerie wird dann durch die Linsen 104, 106, 110 auf die Detektoranordnung 26 durch die Detektoranordnungs-Kälteabschirmung 29 fokussiert. Die AmTirl-Linsen 108 und 110 sind vorgesehen, um eine Farbkorrektur des breitbandigeren Energieeinganges durch die Abbildungseinrichtung vorzunehmen. Die Germaniumlinsen 102, 104, 106 sind in der dargestellten Weise vorgesehen, um die detektierte Energie der Szenerie in hochfokussierter Form an die Detektoranordnung zu liefern, wodurch sichergestellt ist, daß ein Videosignalausgang hoher Qualität von der Detektoranordnung mit minimaler zugehöriger Verschleierung erhalten wird.

Nunmehr sei Fig. 8 betrachtet, in der eine Aufsicht auf die Linsen gezeigt ist, die in einer Abbildungseinrichtung oder Bilderzeugungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden und allgemein bei 120 dargestellt sind. Die Bilderzeugungslinsenanordnung 120 besteht im wesentlichen aus zwei asphärischen Germaniumlinsen 122 und 124. Jede dieser Linsen ist vorzugsweise aus mit einer Diamantspitze abgedrehtem Germanium gefertigt und mit einem Antireflektionsbelag beschichtet. Außerdem sind die Linsen voneinander vorzugsweise durch einen Abstand von etwa 9,187 cm (3,617 Zoll) getrennt, wenn sie in der dargestellten Weise linear ausgerichtet sind. Eine oder beide der Linsen kann bzw. können auch ein Gitter enthalten, wie dies beispielsweise bei 125 auf der Linse 124 dargestellt ist, um chromatische Aberrationen zu korrigieren. Die Linsen 122 und 124 zeigen dieselbe hohe Qualität der Fokussierung thermischer Energie wie die Linsen, die in dem System 100 vorgesehen sind. Die Linsenanordnung 120 vermindert jedoch die Gesamtkosten des Systems durch Einsparung der beiden sphärischen AmTirl-Farbkorrekturlinsen 108 und 110, welche teuer und brüchig sind und schwierig herzustellen und einzubauen sind und in hohem Maße bruchempfindlich sind. Durch Vermindern der Anzahl der bilderzeugenden Linsen vermag daher die Linsenanordnung 120 die Gesamtkosten des Systems zu vermindern.

Im Betrieb nimmt eine Irisblende der Linsenanordnung der Abbildungseinrichtung Energie von der das Zielobjekt enthaltenden Szenerie 14 auf, wie sie durch die Abtastungseinrichtung 23 abgetastet wird, wobei die Energie durch die Irisblende 125 tritt, die an einer Kälteschranke 126 ausgebildet ist. Die abgetastete Energie wird dann über die erste asphärische Linse 122 eingegeben, welche einen Zwischenfokusbereich der detektierten Energie der Szenerie bei 128 erzeugt. Nachfolgend wird die Energie der Szenerie weiter durch die asphärische Linse 124 durch die Kälteschranke 29 hindurch auf die Detektoranordung 26 fokussiert.

Es sei an dieser Stelle bedacht, daß die Linsenanordnung 120 der Bilderzeugungseinrichtung so ausgebildet ist, daß sie Energie über eine spektrale Bandbreite von 7,5 bis 10,5 um (Mikron) abbildet. Im Gegensatz zu Bilderzeugungs- Linsenanordnungen nach dem Stande der Technik, welche typischerweise über eine spektrale Bandbreite von 8 bis 12 um (Mikron) ausgelegt sind und daher in irgendeiner Form einen Farbkorrekturmechanismus benötigten, wird die Notwendigkeit sphärischer Linsen, beispielsweise der AmTirl-Linsen 108, 110 von Fig. 7 hier beseitigt.

Man wende sich nun Fig. 9 zu. Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist hier allgemein mit 130 bezeichnet. Die Linsenanordnung 130 enthält zwei asphärische Linsen 132, 133, die in Aufbau und Funktion zu den asphärischen Linsen 122, 124 gemäß Fig. 8 identisch sind. Die Linsen 132, 133 sind zusammen mit Faltspiegeln 134, 135 vorgesehen, um Energie von der detektierten Szenerie 14 auf die Detektoranordnung 26 zu fokussieren. Eine Feldbegrenzung 136 ist an dem Punkt des Zwischenfokusbereiches der Energie angeordnet, um Narzissuseffekte zu eliminieren, die durch Oberflächenreflektion von den Teleskoplinsen verursacht werden.

Im Betrieb läuft also Energie von der detektierten Szenerie durch eine Irisblende 137 durch die erste asphärische Linse 132 und wird an einem ersten Faltspiegel 134 reflektiert, bevor an der Feldbegrenzung 136 der Zwischenfokusbereich erreicht wird. Die Energie läuft dann durch die Feldbegrenzung 136 und wird an dem zweiten Faltspiegel 135 durch die zweite asphärische Linse 133 hindurch reflektiert. Nach Durchlauf durch die zweite asphärische Linse 133 läuft die Energie durch das Fenster 138 des Dewargefäßes und durch die Kälteabschirmung oder Kälteschranke 139, welche vorzugsweise eine F/1,77-Schranke ist, bevor sie auf die Detektoranordnung 26 fokussiert wird.

Es seien nun die Fig. 10 und 11 betrachtet. Die Linsenanordnung 120 einer Bilderzeugungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Zusammenbau mit der Teleskopanordnung 16 und der Abtasteinrichtung 23 des oben beschriebenen thermischen Bilderzeugungssystems 12 gezeigt. In Fig. 10A ist die Teleskopanordnung auf einen Betriebsmodus mit engem Blickfeld geschaltet. Eine Teleskopanordnungsschranke 140 gestattet es nur einer Energie innerhalb eines bestimmten Spektralbandes, das von 7,5 bis 10,5 um (Mikron) reicht, durchzutreten. Die Teleskoplinsenanordnung, welche allgemein bei 142 dargestellt ist, hat einen Durchmesser der Appertur von 8,9 cm (3,5 Zoll) und fokussiert die detektierte Energie der das Zielobjekt enthaltenden Szenerie auf die viele Facetten aufweisende Abtasteinrichtung 23, nachdem die Energie durch das Abtaster-Abdichtfenster 143 getreten ist, welches die Eingangsblende 144 der Abbildungseinrichtung ausbildet. Die Eingangsblende 144 der Abbildungseinrichtung hat auch die Funktion einer Teleskop- Ausgangsblende. Ein Kompensator 145 kompensiert Brennweitenschwankungen der Teleskop-Linsenanordnung. Das Abtaster-Abdichtfenser 143 ist vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 16º gegenüber der einfallenden Energie von der Szenerie orientiert, um System-Narzissuseffekte auszuschalten, die durch oberflächliche Reflektionen von den Teleskoplinsen verursacht werden. Wenn die detektierte Energie der Szenerie auf eine der Facetten 23a-23h des Abtasters fokussiert wird, dann dreht sich das Abtastrad und reflektiert die Energie durch die Abbildungslinsenanordnung 120 und auf die Detektoranordnung 26, wie dies oben beschrieben wurde. Das resultierende Video-Ausgangssignal erzeugt ein Bild auf den Anzeigen 19 und 21 mit einem Gesichtsfeld geringer azimutaler Abmessung, wie allgemein bei 151 in Fig. 11 dargestellt ist.

In Fig. 10B ist die Linsenanordnung 120 zusammen mit der Teleskopanordnung 12 gezeigt, wobei die Teleskopanordnung 12 auf einen Betriebszustand mit einem weiten Gesichtsfeld geschaltet ist. In diesem Betriebsmodus mit weitem Gesichtsfeld ist eine Wärmeabschirmung 150 in den Weg der detektierten Energie der Szenerie geschaltet, um mehr Energie von der Szenerie 14 durch die Teleskopanordnung laufen zu lassen und somit auch nachfolgend durch die Detektoranordnung zu führen. Die Bilderzeugungs-Linsenanordnung funktioniert in einer Weise identisch zu derjenigen, die oben im Zusammenhang mit Fig. 8A beschrieben wurde. Wie allgemein bei 152 in Fig. 11 gezeigt, erzeugt die Teleskopanordnung, wenn sie in dem Betriebsmodus mit weitem Blickfeld arbeitet, ein Blickfeld mit großer azimutaler Breite, welche wesentlich breiter ist als in dem Betriebsmodus mit engem Blickfeld.

Die bevorzugten optischen Eigenschaften der Bilderzeugungs-Linsenanordnungen 120, 130 sind weiter unten in Tabelle II aufgelistet. Die optischen Eigenschaften des Gesamtsystems einschließlich der Teleskopanordnung sowohl für den Betrieb mit engem Blickfeld als auch für den Betrieb mit breitem Blickfeld sind unten in Tabelle III aufgeführt.

Tabelle II Optische Eigenschaften der Bilderzeugungseinrichtung PARAMETER WERT

Gesichtsfeld in Grad

vertikal 19,8

horizontal (TDI) 1,2

Aperturdurchmesser cm (Zoll) 0,965 /0,380)

Brennweite cm (Zoll) 1,715 (0,675)

Geschwindigkeit F/1,77

Spektralband (um) 7,5-10,5

FP A

Höhe cm (Zoll) 0,610 (0,240)

Breite cm (Zoll) 0,036 (0,014)

Kaltabschirmung Höhe cm (Zoll) 1,321 (0,520)

Tabelle III Optische Eigenschaften des Systems

Es sei an dieser Stelle bemerkt, daß die Abbildungsanordnungen 120, 130 zwar Elemente negativer Brechkraft des ursprünglich mit sphärischen Linsen verwirklichten Systems entbehren, jeweils aber eine geringe Menge zugehöriger Feldkrümmung und chromatischer Aberation aufweisen. Diese Charakteristiken stehen jedoch aufgrund der Tatsache im Hintergrund, daß die Bilderzeugungseinrichtungen nach der vorliegenden Erfindung über nur kürzere Wellenlängen des ursprünglichen Spektralbandes verwendet wird und daher eine höhere Beugungsbegrenzung (MTF) aufweist.

Es sei auch hier bemerkt, daß die asphärische Bilderzeugungs-Linsenanordnung nach der vorliegenden Erfindung die Anzahl von Komponenten minimal macht, die für die Verwirklichung der Bilderzeugungseinrichtung im Vergleich zu Bilderzeugungsanordnungen mit sphärischen Linsen nach dem Stande der Technik erforderlich sind während eine konventionelle Linsenanordnung mit mehreren Linsen wenig oder gar keine Verzerrung aufweist, hat die Bilderzeugungs-Linsenanordnung nach der vorliegenden Erfindung eine zugehörige Verzerrung von weniger als 2% sowohl für enges Gesichtsfeld als auch für weites Gesichtsfeld. Die Bilderzeugungs- Linsenanordnung nach der vorliegenden Erfindung wird für eine schmalere spektrale Bandbreite gebaut wodurch die Notwendigkeit zusätzlicher Linsen beseitigt wird, die für eine Farbkorrektur in Abbildungseinrichtungs-Linsenanordnungen erforderlich sind, die für einen breiten spektralen Bandbreitenbereich gebaut werden. Insbesondere vermeidet die Bilderzeugungs-Linsenanordnung nach der vorliegenden Erfindung die Notwendigkeit der Herstellung von Linsen aus AmTirl, welches ein brüchiges Material ist, das in hohem Maße bruchempfindlich ist. Durch Minimieren der Anzahl von Komponenten für den Bau der Bilderzeugungs-Linsenanordnung nach der vorliegenden Erfindung werden die Systemgesamtkosten und die Komplexität vermindert, während ein hoher Grade der Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems aufrechterhalten wird.

Vielerlei andere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus dem Studium des vorstehenden Beschreibungstextes und der Zeichnung in Verbindung mit den nachfolgenden Ansprüchen.


Anspruch[de]

1. Zweilinsen-Bilderzeugungseinrichtung (120) zum Fokussieren von Infrarotenergie auf einen Infrarotdetektor (26), wobei die Bilderzeugungseinrichtung folgendes enthält:

Eingangsmittel (126) zum Eintretenlassen von Infrarotenergie einer Zielobjektszene;

eine erste asphärische Linse (122) zur Bildung eines Zwischenfokusbereiches (128) der Infrarotenergie, welche durch die Eingangsmittel (126) eingetreten ist; und

eine zweite asphärische Linse (124) zum Empfangen der Infrarotenergie des Zwischenfokusbereiches zur Erzeugung eines Endfokusbereiches der Infrarotenergie des Zwischenfokusbereiches auf dem Infrarotdetektor (26);

dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite asphärische Linse (122, 124) einen Spektralbandbereich von 7,5-10,5 um aufweisen; und

daß die Bilderzeugungseinrichtung weiter eine Feldbegrenzung (36) aufweist, die an dem Zwischenfokusbereich der Infrarotenergie angeordnet ist, um Narcissus- Effekte zu minimieren.

2. Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 1, welche weiter erste und zweite Faltspiegel (134, 135) aufweist, die so angeordnet sind, daß sie die detektierte Energie zwischen der ersten und der zweiten asphärischen Linse (122, 124) reflektieren.

3. Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die erste und die zweite asphärische Linse (122, 124) linear ausgerichtet sind.

4. Bilderzeugungseinrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die erste und die zweite asphärische Linse (122, 124) durch einen Abstand von etwa 9,187 cm (3,617 Zoll) voneinander getrennt sind.

5. Bilderzeugungseinrichtung nach einem vorausgehenden Anspruch, bei welcher die erste und die zweite asphärische Linse (122, 124) aus mit einer Diamantspitze gedrehtem Germanium bestehen.

6. Bilderzeugungseinrichtung nach irgendeinem vorausgehendem Anspruch, bei welcher die Eingangsmittel die Gestalt einer Begrenzung (126) haben, die eine Blende für den Durchtritt der Infrarotenergie bildet.

7. Bilderzeugungseinrichtung nach irgendeinem vorhergehendem Anspruch, bei welcher die erste und die zweite asphärische Linse (122, 124) jeweils eine Vorderseite und eine Rückseite aufweisen, welche mit Antireflektionsbelägen beschichtet sind.

8. Bilderzeugungseinrichtung nach irgendeinem vorausgehenden Anspruch, bei welcher die Bilderzeugungseinrichtung (120) eine effektive Brennweite von etwa 1,714 cm (0,675 Zoll) aufweist.

9. Thermische Bilderzeugungseinheit (10) mit einer Optik (12) zum Detektieren einer Zielobjektszene (14), einer Detektoranordnung (26), welche auf Infrarotenergie der Zielobjektszene anspricht, einer Abtasteinrichtung (23) zur Abtastung der Infrarotenergie der Zielobjektszene zur Führung auf die Detektoranordnung hin, sowie mit einer Bilderzeugungseinrichtung (120) gemäß irgendeinem vorausgehenden Anspruch zur Fokussierung der Infrarotenergie der abgetasteten Zielobjektszene auf die Detektoranordnung.

10. Thermische Bilderzeugungseinheit nach Anspruch 9, welche weiter ein Abtaster- Trennfenster (143) aufweist, das um etwa 16º geneigt ist, um Narcissus-Effekte in der Infrarotenergie der Zielobjektszene zu eliminieren.

11. Thermische Bilderzeugungseinheit nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, welche weiter eine Wiedergabeeinrichtung zur Wiedergabe eines Bildes der detektierten Zielobjektszene enthält.

12. Thermische Bilderzeugungseinheit nach Anspruch 11, bei welcher die Detektoranordnung (26) Detektorelemente enthält, die abhängig von Infrarotenergie von der detektierten Zielobjektszene elektrisch reagieren und Signale erzeugen, die zur Abgabe eines Videosignals des Bildes der Zielobjektszene an die Wiedergabeeinrichtung verwendet werden.







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