DE2905966C2 - Bilderzeugungsgerät - Google Patents

Description

In der DE-OS 22 31 650 und in der US-PS 38 69 565 sind Geräte zur Abtastung einer Szene beschrieben, die mehrere Infrarotdetektoren enthalten, die in einer Reihe angeordnet sind, und wobei der Ausgang jedes Detektors mit einer entsprechenden Verstärkerkette verbunden ist.

In der DE-AS 25 17 406 ist ein ähnliches Gerät beschrieben, bei dem eine Treiberstufe am Ende einer Verstärkerkelte vorgesehen ist, um eine LED zu aktivieren.

Die US-PS 36 65 196 beschreibt eine infrarot-Abtastanordnung, bei der die Ausgänge einer Gruppe von Detektorzellen, die auf Infrarotstrahlung ansprechen.

mit entsprechenden Netzwerkschaltungen verbunden sind, die ein gemeinsames periodisches Sägezahnsignal empfangen, das von einem Sägezahngenerator erzeugt wird. Die Netzwerkschaltungen erzeugen eine impulslagemodulierte Impulskette, und die Lage jedes Impulses stellt die Intensität der Strahlung dar, die auf eine entsprechende Detektorzelle auftrifft

In dem Aufsatz »THERMAL IMAGER USING CERAMIC PYROELECTRIC DETECTORS« von A. D.

Higham und P. B. Wilkinson — International Conference on Low Light and Thermal Imaging Systems, Seiten 207 bis 211,3. bis 5. März 1975, ist eine Bilderzeugungsanordnung beschrieben, bei der eine Gruppe von Infrarotdetektoren elektrisch mit einer Gruppe von lichtemittierenden Dioden über entsprechende Verarbeitungskanäle verbunden ist. Jeder Kanal enthält eine Vergleichsschaltung, die den Ausgang des entsprechenden Detektors und gleichfalls ein gemeinsames Sägezahnsignal empfängt Der Ausgang der Vergleichsschaltung ist ein impulsbreitenmoduliertes Signal, das zur Beaufschlagung der LED in diesem Kanal verwendet wird.

Die Erfindung geht aus von einem Bilderzeugungsgerät mit mehreren auf die thermische Strahlung einer Szene ansprechenden Detektoren zur Erzeugung entsprechender elektrischer Signale, r.iit mehreren lichtemittierenden Vorrichtungen, mit mehreren Kanälen, die die Detektoren mit den lichtemittierenden Vorrichtungen kuppeln, mit einer Vergleichsschaltung in jedem Kanal, die ein wiederholtes rampenförmig ansteigendes Auftastsignal mit dem von dem zugehörigen Detektor erzeugten Signal vergleicht und für die zugehörige lichtemittierende Vorrichtung elektrische Impulse erzeugt, deren Breite durch das elektrische Signal und das Auftastsignal bestimmt ist, wobei die lichtemittierenden Vorrichtungen auf die elektrischen Impulse ansprechen und entsprechende Lichtimpulse erzeugen, mit einem allen Kanälen gemeinsamen Generator zur Erzeugung des Auftastsignals, und mit so angeordneten Abtastmitteln, daß die elektrischen Signale Teile des Objekts nach einem vorgegebenen Abtastschema darstellen und die Lichtimpulse ein Abbild der Szene nach diesem Schema herstellen.

Ausgehend von einem solchen Gerät liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für eine Änderung des Kontrasts in dem Abbild und des Schweilwertes seines Empfindlichkeitsbereiches zu sorgen.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Generator Mittel zur Änderung

so des Verlaufs des Auftastsignals und Mittel zur Zuführung einer einstellbaren Gleichstromvorspannung zum Auftastsignal zur Änderung des Kontrasts und des Versatzes enthält.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäß ausgebildeten Bilderzeugungsgerätes,

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer in dem Gerät gemäß Fig. 1 verwendeten Signalverarbeitungsschaltung,

F i g. 3 ein Schaltbild für einen Sägezahngenerator, der in der Verarbeitungsschaltung gemäß Fig. 2 verwendet werden kann,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Vergleichsschaltung,

b5 F i g. 5 ein Schaltbild einer Treiberstufe und

F i g. 6a—d verschiedene Formen des sägezahnförmigen Auftastsignals.

Das in F i g. 1 dargestellte Bilderzeugungsgerät ist ein

Gerät mit direkter Betrachtung, das thermische, d. h. infrarote Strahlung IR durch eine optische Anordnung 1 empfängt und sichtbares Licht L erzeugt, das durch eine andere optische Anordnung 2 ausgesendet wird. Die optische Anordnung 1 bildet ein erstes von dem Gerät betrachtetes Infrarotabbild der Szene, und dieses Abbild wird durch einen von einem Motor Λ/ angetriebenen Abtaster 3 abgetastet Der Abtaster 3 enthält eine Bildablenkvorrichtung und eine Zeilenablenkvorrichtung, die das erste Abbild nach einem vorgegebenen Schema abtasten, wobei die Infrarotstrahlung, die aufeinanderfolgende Teile des ersten Abbildes darstellt, einer Detektoranordnung 4 über eine Linse 3a zugeführt wird. Die Detektoranordnung 4 spricht auf die Infrarotstrahlung an und erzeugt elektrische Signale, die die aufeinanderfolgenden Bildbestandteile des ersten Abbildes darstellen. Diese Signale werden in der nachfolgend beschriebenen Weise in einer Verarbeitungsschaltung 5 verarbeitet und lichtemit.tierenden Mitteln 6 zugeführt, die aus lichtemittierenden Dioden (LEDs) bestehen. Von den Dioden emittiertes Licht wird dem Abtaster 3 über eine Linse 3b zugeführt, wodurch ein zweites, nunmehr aus Licht bestehendes Abbild nach dem vorgegebenen Abtastschema gebildet wird. Dieses Schema wird über die optische Anordnung 2 betrachtet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung spricht die Signalverarbeitungsschaltung 5 auf die elektrischen Signale an, die von der Detektoranordnung 4 abgegeben werden und erzeugt elektrische Impulse, deren Breite durch diese Signale vorgegeben ist, um eine Tönungsabstufung zu bewirken, und die Impulse werden dann den lichtemittierenden Mitteln 6 zugeführt. Dies bringt Vorteile bei Lichtquellen, insbesondere bei LEDs, bei denen die Schwierigkeit besteht, daß weder die Spannungs/Strombeziehung noch die Strom/Lichtausgangsbeziehung linear ist. Dadurch wird jeder Versuch, die LEDs zur Erzeugung einer Tönungsabstufung in der Amplitude zu modulieren, schwierig. Bei einer Ausführungsform, wie sie in Fig.2 gezeigt ist, bei der eine Gruppe von Detektoren und eine Gruppe von LEDs über mehrere Kanäle miteinander verbunden sind, ergeben sich weitere Schwierigkeiten infolge von Unterschieden der Strom/Spannungsbeziehung und der Strom/Lichtbeziehung von einer Diode zur anderen. Diese Schwierigkeiten werden zumindest verringert, wenn die LEDs mit Impulsen unterschiedlicher Breite gespeist werden, um die Tönungsabstufung zu erzielen.

Gemäß F i g. 2 enthält die Detektoranordnung 4 eine Gruppe von Detektoren 4a, 4b ... und die lichtemittierenden Mittel 6 bestehen aus einer Gruppe von LEDs 6a, 6b .... Jede der Dioden 6a, 6b ist mit einem zugehörigen Detektor 4a, 4b über einen Signalverarbeitungskanal 5a, 5b verbunden. Jeder Kanal enthält einen Vorverstärker 7, einen Zwischenverstärker 8, eine Vergleichsschaltung 9 und eine Treiberstufe 10. Allen Kanälen gemeinsam ist ein Klemmimpulsgenerator 11 und ein Sägezahngenerator 12.

Der Klemmimpulsgeneratcr erzeugt die Klemmimpulse für alle Zwischenverstärker synchron mit der vom Motor M gesteuerten Abtastung. Die Klemmimpulse dienen dazu, periodisch den Pegel der Gleichstromvorspannung der Zwischenverstärker zurückzustellen. Die periodische Rückstellung der Gleichstromvorspannung ist in der Praxis für die nachfolgend beschriebene Vergleichstechnik wesentlich. Ohne diese Maßnahme wurden die mittleren Gleichstrompegel sich in den Zwischenverstärkern mit den mittleren Eingangssignalpegeln ändern. Der Kleinmvorgang hält die mittleren Gleichstrompegel der Kanäle konstant.

Der Sägezahngenerator erzeugt für alle Vergleichsschaltungen eine sägezahnförmige Auftastwellenform. Die Wiederholungsfrequenz / der Wellenform ist Ι wenigstens zweimal so groß wie diejenige Produktionsrate der elektrischen Signale, die die aufeinanderfolgenden Bildbestandteile des Abbildes darstellen, um den normalen Auftastkriterien zu genügen, d. h. / = 2/Bildbestandteil-Zeit Der Sägezahn kann von unterschiedliiii eher Form sein, was nachfolgend noch erläutert wird. Jede Vergleichsschaltung 9 empfängt das von ihrem zugehörigen Detektor 4a, 4b ... verstärkte Signal an einem Eingang 91 und die Auftastwellenform an einem Eingang 92 und vergleicht die Augenblicksgrößen des Signals mit denjenigen der Wellenform, um einen Ausgafigsimpuls zu erzeugen, dessen Breite von dem augenblicklichen Vergleichspegel abhängt, der jedoch von konstanter Größe ist. Diese Impulse werden in den zugehörigen Treiberstufen 10 verstärkt und dann der -'(i zugehörigen lichtemittierenden Diode 6a oder 6b ... zugeführt. Somit werden die LEDs stets am gleichen Punkt ihrer Spannungs/Strom- und Strom/Lichtcharacteristik erregt, jedoch während unterschiedlicher Zeitperioden, so daß die scheinbare Helligkeit des von ihnen erzeugten Lichtes verändert wird.

Wie oben erwähnt, kann der Sägezahn von unterschiedlicher Form sein, was in F i g. 6 dargestellt ist. Der Sägezahn kann gemäß F i g. 6a einen linearen Anstiegsbereich und einen nicht dargestellten Rücklaufjo bereich enthalten, so daß er am Ausgang der Vergleichsschaltung 9 Impulse erzeugt, deren Arbeitszyklus y direkt proportional zur Spannung χ des Signals ist, das von dem der Vergleichsschaltung zugeordneten Detektor 4a, 4b erzeugt wird, χ ändert sich mit der Temperatur des betrachteten Objekts. Die Proportionalitätskonstante d. h. die Steigung k zwischen χ und y definiert den Temperaturbereich (bekannt als Temperaturfenster) der in dem zweiten Abbild dargestellt wird. Dies rührt daher, daß mit größer werdendem Wert von k der Bereich x, der zur Änderung von y vom minimalen Wert 0% zum maximalen Wert 100% erforderlich ist, um so kleiner wird. In anderen Worten definiert die Steigung k den Kontrast des zweiten Abbildes. Gemäß Fig.6b hat die Proportionalitätskonstante zwischen χ und y einen Wert m, der einen größeren Bereich des Arbeitszyklus definiert, und damit ein größeres Temperaturfenster und einen kleineren Kontrast.

Gemäß Fig.6c kann ein Versatz xo eingeführt werden, wodurch ein vorgegebener Minimalwert von χ festgelegt wird. Der Versatz xo bestimmt den Pegel des Ausgangs der Detektoren 4a, 4b in Abhängigkeit von dem die LEDs keinen Ausgang produzieren; mit anderen Worten legt er den »Schwarzpegel« für das zweite Abbild fest.

Der Sägezahn kann auch die in Fig. 6d dargestellte exponentiell Form y = kx>' aufweisen, k kann — was nicht dargestellt ist — auch so geändert werden, daß beispielsweise y ■■= mtf ist und/oder ein Versatz xo derart eingeführt wird, daß y = k (x — xo)' ist. Ferner t>o kann γ selbst verändert werden. Weiterhin kann die Beziehung zwischen y und χ die Form eines vollständigeren y-Gesetzes annehmen, daß nicht kontinuierlich ist. In der in Fig. 1 bzw. 2 dargestellten Schaltung sind schemj'.isch dargestellte Mittel 13 zur Änderung der t>5 Steigungskonstante k oder m sowie schematisch dargestellte Mittel 14 zur Änderung des Versatzes xo vorgesehen.
Um die Form des ansteigenden Teils des Sägezahns

zu ändern, beispielsweise von linearer zu exponentiell Form, ist es erforderlich, den gesamten Sägezahngenerator zu ersetzen. Da jedoch der Sägezahngenerator gemeinsam für alle Kanäle 5a, 56 ist, ist dieser Austausch einfach. Vorzugsweise wird der Generator 12 auf einer eigenen Schaltungsplatte oder wenigstens auf einer Schaltungsplatte angeordnet, die für alle Kanäle gemeinsam ist, d. h. auf der Platte für den Klemmimpulsgenerator.

Ein Ausführungsbeispiel für den Sägezahngenerator ist in Fig. 3 dargestellt. Der Generator erzeugt einen Anstieg von exponentieller Form, z. B. der Form y = X". Ein Oszillator 121 definiert die Wiederholungsfrequenz der von dem Generator erzeugten Sägezahnform, d. h. die Auftastfrequenz. Der Oszillator schaltet einen Transistor TRO an und aus. Bei Ausschaltung des Transistors wird ein Kondensator C exponentiell über einen Widerstand R 1 aufgeladen, und bei Einschaltung des Transistors entlädt sich der Kondensator Cüber den Kollektor/Emitterweg des Transistors. Somit bildet der hierdurch erzeugte Sägezahn einen exponentiellen Anstiegsbereich. Ein Pufferverstärker 122 führt die Sägezahnwellenform einer Kombinationsschaltung 123 zu, die einen veränderbaren Widerstand R 2, einen Operationsverstärker 124 mit einem zwischen dessen Eingang und Ausgang angeordneten Rückkopplungswiderstand Rf und einen Spannungsteiler 125 enthält, der aus einem veränderbaren Widerstand R 3 und einem mit dessen Eingang verbundenen Reihenwiderstand Rs besteht. Ein weiterer Pufferverstärker 126 kann mit dem Ausgang des Verstärkers 124 verbunden sein.

Die Widerstände R 2 und Rf definieren gemeinsam die Verstärkung des Verstärkers 124, und durch Änderung des Widerstandes R 2 kann die Verstärkung und damit die Amplitude des Sägezahns verändert werden. Die Amplitude des Sägezahns muß gleich oder größer sein als die Amplitude der Eingangssignale, mit denen der Sägezahn verglichen wird. Je größer also das Temperaturfenster (und der Bereich der Eingangssignale) ist. umso größer ist die Amplitude des Sägezahns. Wenn der Eingang des Verstärkers die Form y = x hat, so hat der Ausgang des Verstärkers 124 die Form y = ax~, wobei a umgekehrt proportional zur Steigungskonstanten k oder m ist und die durch R 2 festgelegte Verstärkung des Verstärkers ist. Durch Veränderung von a ändert sich die Amplitude des Sägezahns und damit das Temperaturfenster. Somit bildet R 2 das Mittel 13 in Fig. 1 bzw.2.

Der Spannungsteiler 125 führt dem Eingang des Verstärkers eine den Versatz bestimmende Vorspannung zu. Die Größe des Versatzes wird durch R 3 und Rf bestimmt, und dies sind die in F i g. 1 bzw. 2 dargestellten Mittel 14.

Die in F i g. 3 dargestellte Schaltung enthält Mittel zur Erzeugung einer Sägezahnsteigung von vorgegebener Form, z. B. von exponentieller Form, und zur Veränderung der Steigung sowie zur Veränderung des Versatzes durch Änderung der Steigungsamplitude und des Gleichspannungspegels.

Um die Form der Steigung zu ändern, muß die Schaltung oder zumindestens der die Steigung erzeugende Teil der Schaltung durch eine andere Schaltung ersetzt werden.

Fig.4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vergleichsschaltung 9, die in der Praxis eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit und ein hohes Maß an Gleichtaktunterdrückung (high common mode rejection ratio differential input) aufweisen muß. Die Vergleichsschaltung besteht aus einem Differenzverstärker mit sehr hoher Verstärkung (anstatt einer Vergleichsschaltung ansich) die mit einer positiven Rückkopplung mittels eines Widerstandes RPF versehen ist, um eine Schmitt-Wirkung zu erzeugen und damit ein sauberes Schalten zur Erzeugung der impulse sicherzustellen. Der Verstärker hat einen Eingang 92 zum Empfang der vom Generator 12 erzeugten Sägezahnimpulse und einen Eingang 91 zum Empfang eines Eingangssignals vom zugeordneten Detektor 4 über einen Widerstand R 1N. R 1Nund RPF steuern die Änderung des Eingangssignals, für das es keine Änderung in der Ausgangsimpulsbreite gibt, und damit die mittlere auflösbare Temperaturdifferenz für irgendeinen gegebenen vorhergehenden Kanalgewinn nebst Sägezahnamplitude.

Eine vorteilhafte Folge der oben beschriebenen Vergleichstechnik besteht darin, daß der Arbeitszyklus außerhalb des Temperaturfensters eine saubere Begrenzung bei 0% und 100% des Helligkeitspegels bewirkt.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Treiberstufe 10. Ein LED stellt eine hoch kapazitive Last dar und muß daher von einer Quelle mit niedriger Impedanz gespeist werden, und diese Impedanz muß an den positiven und negativen Kanten der von der Vergleichsschaltung 9 erzeugten Impulse niedrig gehalten werden. Ferner wird eine lichtemittierende Diode am besten mit Strom betrieben, weil eine lichtemittierende Diode keine lineare Spannungs/Stromcharacteristik aufweist und weil es sehr leicht sein würde, den maximalen Strom der lichtemittierenden Diode zu überschreiten, wenn sie mit einer Spannung betrieben würde. Die in Fig.5 dargestellte Treiberschaltung 10 stellt eine Quelle mit der erforderlichen niedrigen Impedanz dar. Sie enthält komplementäre Emitterfolger 77? 1, TR 2 in Reihe mit einem Widerstand R 4. Die Treibtrstufe kann in Dickfilmtechnik ausgeführt sein. In diesem Falle kann eine elegantere Schaltung ähnlich der Ausgangsstufe eines TTL Logiktores anstelle der dargestellten Schaltung verwendet werden.

Das oben beschriebene Bilderzeugungsgerät kann im Rahmen der Erfindung auf verschiedene Weise abgewandelt werden. Beispielsweise kann anstelle der Verwendung der ortsfesten Detektoranordnung 4 mit der lichtemittierenden Diodengruppe 6 und dem Abtaster 3 die Detektoranordnung 4 mit der Diodengruppe 6 zur Erzeugung einer Abtastung bewegt werden. Ferner könnten anstelle der in der Zeichnung dargestellten zwei Kanäle 5 ein einziger Kanal oder auch drei bzw. mehr Kanäle verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Bilderzeugungsgerät mit mehreren auf die thermische Strahlung einer Szene ansprechenden Detektoren zur Erzeugung entsprechender elektrischer Signale, mit mehreren lichtemittierenden Vorrichtungen, mit mehreren Kanälen, die die Detektoren mit den lichtemittierenden Vorrichtungen kuppeln, mit einer Vergleichsschaltung in jedem Kanal, die ein wiederholtes rampenförmig ansteigendes Auftastsignal mit dem von dem zugehörigen Detektor erzeugten Signal vergleicht und für die zugehörige lichtemittierende Vorrichtung elektrische Impulse erzeugt, deren Breite durch das elektrische Signal und das Auftastsignal bestimmt ist, wobei die lichtemittierenden Vorrichtungen auf die elektrischen Impulse ansprechen und entsprechende Lichtimpulse erzeugen, mit einem allen Kanälen gemeinsamen Generator zur Erzeugung, des Auftastsignals, und mit so angeordneten Abtastmitteln, daß die elektrischen Signale Teile des Objekts nach einem vorgegebenen Abtastschema darstellen und die Lichtimpulse ein Abbild der Szene nach diesem Schema herstellen, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (12) Mittel zur Änderung des Verlaufs des Auftastsignals und Mittel zur Zuführung einer einstellbaren Gleichstromvorspannung zum Auftastsignal zur Änderung des Kontrasts und des Versatzes enthält.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in jedem der Kanäle vorgesehene Vergleichsschaltung (9) einen Differenzverstärker mit positiver Rückkopplung zur Erzeugung einer Schmitt-Wirkung enthält.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (12) allein auf einer Leiterplatte und alle anderen Schaltungen auf wenigstens einer weiteren Leiterplatte angebracht sind.

4. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein allen Kanälen gemeinsamer Klemmimpulsgenerator (11) und der Generator (12) für das ansteigende Signal auf derselben Leiterplatte und alle anderen Schaltungen auf wenigstens einer weiteren Leiterplatte angebracht sind.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des ansteigenden Signals linear ist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des ansteigenden Signals exponentiell ist.