DE3514380C2

DE3514380C2 - Afocal thermal imaging device

Info

Publication number: DE3514380C2
Application number: DE3514380A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Phys. 8024 Deisenhofen Mohrenstein-Ertel; Siegfried Dipl.-Ing. Roth (FH), 8012 Riemerling
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1985-04-20
Filing date: 1985-04-20
Publication date: 1987-04-16
Also published as: FR2580865B1; DE3514380A1; FR2580865A1

Abstract

Das afokale, als Vorsatzgerät für ein optisches Gerät, z. B. ein Visier, ausgebildete Wärmebildgerät weist ein Bildaufnahme- und -wiedergabeteil mit einem Abbildungsverhältnis von 1 : 1 auf, wobei deren optische Achsen parallel ausgerichtet werden sollen. Die Detektoreinrichtung 10 des Bildaufnahmeteils 3.1 weist einen aus mindestens einem Detektorelement bestehenden Detektor und der Bildwiedergabeteil 3.2 ein aus matrixförmig angeordneten Bildelementen bestehendes Display auf. Jedem Detektorelement ist mindestens ein Bildelement eindeutig zugeordnet, wobei die Zuordnung zwischen je einem Detektorelement und einem Bildelement um definierte Schritte in Zeilen- und/oder Spaltenrichtung der jeweiligen Matrix verschiebbar ist. Dadurch können die optischen Achsen 5 und 15 des Bildaufnahme- und -wiedergabeteils 3.1 und 3.2 parallel ausgerichtet werden.The afocal thermal imaging device designed as an attachment for an optical device, e.g. a sight, has an image recording and playback part with an imaging ratio of 1:1, the optical axes of which are to be aligned parallel. The detector device 10 of the image recording part 3.1 has a detector consisting of at least one detector element and the image playback part 3.2 has a display consisting of image elements arranged in a matrix. At least one image element is uniquely assigned to each detector element, the assignment between each detector element and an image element being shiftable by defined steps in the row and/or column direction of the respective matrix. This allows the optical axes 5 and 15 of the image recording and playback parts 3.1 and 3.2 to be aligned parallel.

Description

Die Erfindung betrifft ein afokales, als Vorsatzgerät für ein optisches Gerät, z. B. ein Visier, ausgebildetes Wärmebildgerät, mit einem Bildaufnahmeteil im Infraroten zur Erzeugung elektrischer Bildsignale, welches eine Eingangsoptik und eine Detektoreinrichtung mit einem aus mindestens einem Detektorelement bestehenden Detektor aufweist, und mit einem, mit dem Bildaufnahmeteil verbundenen Bildwiedergabeteil zur Erzeugung eines Bildes im Sichtbaren aus den elektrischen Bildsignalen sowie mit einer Ausgangsoptik, wobei Bildaufnahme- und -wiedergabeteil zusammen ein Abbildungsverhältnis von 1 : 1 haben und deren optische Achsen parallel ausgerichtet sind, insbesondere nach Patent P 33 38 496.The invention relates to an afocal thermal imaging device designed as an attachment for an optical device, e.g. a sight, with an image recording part in the infrared for generating electrical image signals, which has an input optics and a detector device with a detector consisting of at least one detector element, and with an image reproduction part connected to the image recording part for generating an image in the visible from the electrical image signals, as well as with an output optics, wherein the image recording and reproduction parts together have an imaging ratio of 1:1 and their optical axes are aligned parallel, in particular according to patent P 33 38 496.

Eine Einrichtung der obengenannten Art ist z. B. aus der DE-OS 26 23 399 bekannt, bei der jedoch die Parallelausrichtung der Achsen des Bildaufnahme- und -wiedergabeteils in den optischen Kanälen, also im wesentlichen auf mechanische Weise erfolgt.A device of the above-mentioned type is known, for example, from DE-OS 26 23 399, in which, however, the parallel alignment of the axes of the image recording and reproduction parts in the optical channels takes place, i.e. essentially in a mechanical manner.

In dem Hauptpatent P 33 38 496 ist ein afokales Wärmebildgerät beschrieben, bei welchem der Bildwiedergabeteil eine Kathodenstrahlröhre aufweist und eine Achsharmonisierung zwischen Bildaufnahme- und -wiedergabeteil dadurch vorgenommen wird, daß eine auf dem Bildschirm als Bild erscheinende Strichmarke des Bildaufnahmeteils durch elektrische Verschiebung des Bildes in der Kathodenstrahlröhre mit einer auf dem Bildschirm aufgebrachten Strichmarke zur Deckung gebracht wird.The main patent P 33 38 496 describes an afocal thermal imaging device in which the image display part has a cathode ray tube and an axis harmonization between the image recording and display parts is carried out by bringing a line mark of the image recording part, which appears as an image on the screen, into alignment with a line mark applied to the screen by electrically shifting the image in the cathode ray tube.

Der Betrieb von Kathodenstrahlröhren erfordert einen relativ hohen elektrischen Aufwand, so daß in Zukunft andere Bauteile zur Bildwiedergabe bevorzugt werden.The operation of cathode ray tubes requires a relatively high electrical expenditure, so that in the future other components will be preferred for image reproduction.

Hier kommen vor allem sog. Displays in Frage, die mit zunehmender Miniaturisierung der einzelnen Bildwiedergabeelemente (Pixel) eine für viele Zwecke ausreichende Auflösung erreicht haben.The main options here are so-called displays, which, with increasing miniaturization of the individual image display elements (pixels), have achieved a resolution that is sufficient for many purposes.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein afokales Wärmebildgerät der obengenannten Art zu schaffen, bei welchem eine problemlose Achsharmonisierung auch bei Verwendung Eines Displays im Bildwiedergabeteil möglich ist.The object of the invention is to provide an afocal thermal imaging device of the above-mentioned type, in which a problem-free axis harmonization is possible even when using a display in the image reproduction part.

Diese Aufgabe wird durch ein nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Wärmebildgerät gelöst.This object is achieved by a thermal imaging device designed according to the characterizing features of patent claim 1.

Unter der Voraussetzung, daß sowohl der Detektor als auch das Display fest innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind, besteht zwischen den Detektorelementen und den Bildpunkten des Displays aufgrund der digitalen elektronischen Verbindung stets eine eindeutige Zuordnung, die sich im Gegensatz zur Anwendung von Kathodenstrahlröhren durch Spannungsschwankungen u. dgl. auch nicht verändert. Es genügt also, zur Achsharmonisierung von Bildaufnahme- und -wiedergabeteil einen bestimmten Punkt im Gelände oder auf einer eigenen Tafel mit dem Visier anzupeilen und anschließend mit vorgeschaltetem Wärmebildgerät das Bild auf dem Bildwiedergabeteil schrittweise so zu versetzen, bis der gleiche Punkt wieder in der optischen Achse des Visiers erscheint. Bei einem Abbildungsverhältnis von 1 : 1 sind dann die optischen Achsen des Bildaufnahme und -wiedergabegerätes parallel. Auf gesonderte, im Bildaufnahme- oder -wiedergabeteil angeordnete Strichmarken kann hierbei verzichtet werden.Provided that both the detector and the display are fixed within a housing, there is always a clear assignment between the detector elements and the pixels of the display due to the digital electronic connection, which, in contrast to the use of cathode ray tubes, does not change due to voltage fluctuations etc. In order to harmonize the axes of the image recording and playback parts, it is sufficient to aim at a specific point in the field or on a separate board with the sight and then, using a thermal imaging device connected upstream, gradually move the image on the image playback part until the same point appears again in the optical axis of the sight. With an image ratio of 1:1, the optical axes of the image recording and playback device are then parallel. Separate line marks arranged in the image recording or playback part are not necessary in this case.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier teilweise schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigtThe invention is described in more detail below using two partially schematically illustrated embodiments. It shows

Fig. 1 ein afokales Wärmebildgerät mit einem, das gesamte Bild erfassenden Detektorarray; Fig. 1 an afocal thermal imaging device with a detector array capturing the entire image;

Fig. 2 ein afokales Wärmebildgerät mit einer, das Bild über einen Detektor führenden Abtasteinrichtung. Fig. 2 an afocal thermal imaging device with a scanning device that guides the image over a detector.

Vor der Austrittsöffnung eines Visiers 1 mit einem Richtspiegel 2 ist ein Wärmebildgerät 3 angeordnet, welches zusammen mit dem Visier bzw. dem Richtspiegel drehbar ist, so daß die optische Achse 4 des Visiers 1 stets parallel zur Achse 5 des Wärmebildgerätes ist. Das Wärmebildgerät 3 besteht aus einem Bildaufnahmeteil 3.1 und einem Bildwiedergabeteil 3.2. Der Bildaufnahmeteil 3.1 gemäß Fig. 1 weist im wesentlichen eine Infrarotoptik 6 und 8 sowie ein Detektorflächenarray 10 auf. Die von den einzelnen Detektorelementen des Detektorflächenarrays 10 erzeugten Ladungen werden in ein als Bildpunktespeicher 7 ausgebildetes Ladungsverschiebungselement (Charge-Coupled-Device, CCD) eingeschrieben. Der Einschreibevorgang geschieht taktgesteuert durch eine Takterzeugung 16, welche von einer elektronischen Synchronisationseinheit 17 sowie durch einen manuell betätigbaren Taktgeber 18 gesteuert wird. Das Auslesen des CCD-Zeilenspeichers geschieht ebenfalls über eine Takterzeugung 19, welche von der Synchronisationseinheit 17 sowie einem weiteren manuell betätigbaren Taktgeber 20 gesteuert wird.A thermal imaging device 3 is arranged in front of the exit opening of a visor 1 with a directional mirror 2 , which can be rotated together with the visor or the directional mirror so that the optical axis 4 of the visor 1 is always parallel to the axis 5 of the thermal imaging device. The thermal imaging device 3 consists of an image recording part 3.1 and an image reproduction part 3.2 . The image recording part 3.1 according to Fig. 1 essentially has an infrared optics 6 and 8 and a detector surface array 10. The charges generated by the individual detector elements of the detector surface array 10 are written into a charge-displacement element (charge-coupled device, CCD) designed as a pixel memory 7. The writing process is clock-controlled by a clock generator 16 , which is controlled by an electronic synchronization unit 17 and by a manually operable clock generator 18. The CCD line memory is also read out via a clock generator 19 , which is controlled by the synchronization unit 17 and another manually operable clock generator 20 .

Die Bildwiedergabe erfolgt auf einem LED-Display 11, dessen Bildfläche über eine Ausgangsoptik 13 sowie einen teildurchlässigen Winkelspiegel 14 in den Strahlengang 4 des Visiers 1 eingespiegelt wird. Die Optiken 6, 8 und 13 sind so aufeinander abgestimmt, daß bei den gegebenen Flächengrößen des Detektors 10 sowie des Displays 11 sich ein Abbildungsverhältnis von 1 : 1 ergibt.The image is reproduced on an LED display 11 , the image surface of which is reflected into the beam path 4 of the sight 1 via an output optic 13 and a partially transparent angle mirror 14. The optics 6, 8 and 13 are coordinated with one another in such a way that, given the surface sizes of the detector 10 and the display 11, an imaging ratio of 1:1 is obtained.

Die optische Achse 15 des Bildwiedergabeteils wird durch das Bildwiedergabeelement des LED-Displays definiert, das auf der optischen Achse 4 des Visiers 1 liegt. Zur Parallelausrichtung der optischen Achsen 5 und 15 muß diesem Bildwiedergabeelement exakt ein Detektorelement zugeordnet werden, derart, daß eine Marke 12, die mit dem Visier 1 ohne Wärmebildgerät angepeilt wurde, bei vorgeschaltetem Wärmebildgerät wieder exakt an der gleichen Stelle erscheint. Diese Zuordnung und damit die Achsharmonisierung zwischen Bildaufnahme- und -wiedergabeteil erfolgt durch die manuell betätigbaren Taktgeber 18 und 20 in x- und y-Richtung. Durch den Taktgeber 18 wird das Einlesen einer Bildzeile in das Schieberegister des Bildpunktespeichers 7 zeitlich versetzt, was eine Verschiebung einer Bildzeile in x -Richtung nach links oder rechts entspricht. Durch den manuell betätigbaren Taktgeber 20 wird das Auslesen einer ganzen Bildzeile zeitlich versetzt, was eine Verschiebung in y-Richtung nach oben oder unten bedeutet. Auf diese Weise kann das Bild 12&min; der Marke 12 auf das die optische Achse 15 definierende Bildwiedergabeelement verschoben werden (12&min;&min;), so daß bei einem Abbildungsverhältnis von 1 : 1 zwischen Bildaufnahme- und -wiedergabegerät die Achsharmonisierung hergestellt ist.The optical axis 15 of the image display part is defined by the image display element of the LED display, which lies on the optical axis 4 of the visor 1. In order to align the optical axes 5 and 15 in parallel, this image display element must be assigned exactly one detector element in such a way that a mark 12 that was aimed at with the visor 1 without a thermal imaging device appears again in exactly the same place when the thermal imaging device is connected upstream. This assignment and thus the axis harmonization between the image recording and playback parts is carried out by the manually operable clock generators 18 and 20 in the x and y directions. The clock generator 18 staggers the reading of an image line into the shift register of the pixel memory 7 , which corresponds to a shift of an image line in the x direction to the left or right. The manually operable clock generator 20 staggers the reading of an entire image line, which means a shift in the y direction up or down. In this way, the image 12' of the mark 12 can be shifted onto the image display element defining the optical axis 15 ( 12' ), so that with an imaging ratio of 1:1 between the image recording and display device, the axis harmonization is achieved.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird statt eines großflächigen Detektorarrays ein Einzelelement oder eine aus wenigen Elementen bestehende Detektorzeile 10&min; verwendet, welche mittels einer Abtasteinrichtung 9 (Scanner) ein Bildfeld abtastet. Die Abtasteinrichtung 9 weist im wesentlichen zwei in zueinander senkrechten Abtastrichtungen arbeitenden, elektrisch gesteuerten Einheiten 9.1 und 9.2 auf. Die durch die Optiken 6 und 8 einfallende Strahlung trifft dabei zuerst auf einen Höhenlenkspiegel der Einheit 9.1, der mittels eines von einer Regelung 21 gesteuerten Antriebes eine vertikale Schwenkbewegung mit einer vorgegebenen Frequenz durchführt. Von der die Höhenablenkung bewirkenden Einheit 9.1 gelangt die Strahlung dann weiter zur horizontalen Abtastung 9.2, die im wesentlichen ein Spiegelpolygon, welches mit hoher Rotationsgeschwindigkeit eine horizontale Bildzeile abtastet, aufweist. Das Spiegelpolygon besitzt ebenfalls einen elektrischen Antrieb und wird durch eine Drehgeschwindigkeitsregelung 22 gesteuert. Auf der Achse des Spiegelpolygons sitzt ein Drehwinkelaufnehmer 9.3, dessen Signale einer elektronischen Synchronisationseinheit 17 zugeführt werden.In the embodiment shown in Fig. 2, instead of a large-area detector array, a single element or a detector line 10' consisting of a few elements is used, which scans an image field by means of a scanning device 9 (scanner). The scanning device 9 essentially has two electrically controlled units 9.1 and 9.2 operating in mutually perpendicular scanning directions. The radiation incident through the optics 6 and 8 first strikes a height-directing mirror of the unit 9.1 , which carries out a vertical pivoting movement at a predetermined frequency by means of a drive controlled by a control 21. From the unit 9.1 which causes the height deflection, the radiation then passes on to the horizontal scanner 9.2 , which essentially has a mirror polygon which scans a horizontal image line at high rotation speed. The mirror polygon also has an electrical drive and is controlled by a rotation speed control 22 . On the axis of the mirror polygon there is a rotation angle sensor 9.3 , the signals of which are fed to an electronic synchronization unit 17 .

Die derart abgelenkte Strahlung gelangt dann auf den Infrarotdetektor 10&min;, dessen elektrische Ausgangssignale in ein Ladungsverschiebungselement eines Bildpunktespeichers 7 (Charge-Coupled-Device, CCD) eingeschrieben werden. Der Einschreibevorgang geschieht taktgesteuert durch eine Takterzeugung 23, welche von der elektronischen Synchronisationseinheit 17, sowie durch einen manuell betätigbaren Taktgeber 24 gesteuert wird. Das Auslesen des CCD-Zeilenspeichers geschieht ebenfalls synchronisiert durch die Synchronisationseinheit 17. Die ausgelesenen Signale werden dann einem LED-Display 11, analog zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zugeführt.The radiation deflected in this way then reaches the infrared detector 10' , whose electrical output signals are written into a charge transfer element of a pixel memory 7 (charge-coupled device, CCD). The writing process is clock-controlled by a clock generator 23 , which is controlled by the electronic synchronization unit 17 , and by a manually operated clock generator 24. The reading of the CCD line memory is also synchronized by the synchronization unit 17. The read signals are then fed to an LED display 11 , analogous to the embodiment shown in Fig. 1.

Die Achsharmonisierung, zwischen Bildaufnahme- und -wiedergbeteil geschieht, wie im ersten Ausführungsbeispiel, mittels einer externen Marke 12, deren Bild 12&min; wiederum auf dem LED-Display solange verschoben wird, bis diese exakt auf der optischen Achse 4 des Visiers 1 liegt (12&min;&min;). Die Verschiebung in Zeilenrichtung (x-Richtung) geschieht dabei analog zu dem in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, daß das Einlesen einer Bildzeile in das Schieberegister des Bildpunktespeichers 7 durch den Taktgeber 24 zeitlich verschoben wird, was einer Verschiebung einer Bildzeile nach links oder rechts entspricht. Die Verschiebung in der Vertikalen erfolgt dadurch, daß dem Wechselstromstellsignal des Reglers 21 für den Höhenablenkspiegel der Einheit 9.1 ein Gleichspannungssignal aus dem manuell betätigbaren Geber 25 zuaddiert bzw. davon subtrahiert wird. Dadurch wird die Mittelposition des Höhenablenkspiegels und somit die optische Achse in der Höhe verstellt. Die Verstellung geschieht vorteilhafterweise in definierten Stufen, die exakt einem Zeilenabstand entsprechen.The axis harmonization between the image recording and playback parts takes place, as in the first embodiment, by means of an external mark 12 , the image 12' of which is in turn shifted on the LED display until it lies exactly on the optical axis 4 of the sight 1 ( 12' ). The shift in the line direction (x direction) takes place analogously to the embodiment described in Fig. 1 in that the reading of an image line into the shift register of the pixel memory 7 is shifted in time by the clock generator 24 , which corresponds to a shift of an image line to the left or right. The vertical shift takes place by adding or subtracting a direct voltage signal from the manually operated sensor 25 to or from the alternating current control signal of the controller 21 for the height deflection mirror of the unit 9.1 . This adjusts the center position of the height deflection mirror and thus the optical axis in height. The adjustment is preferably carried out in defined steps that correspond exactly to one line spacing.

Claims

1. Afocal thermal imaging device designed as an attachment for an optical device, e.g. a sight, with an image recording part in the infrared for generating electrical image signals, which has an input optics and a detector device with a detector consisting of at least one detector element, and with an image reproduction part connected to the image recording part for generating an image in the visible from the electrical image signals and with an output optics, wherein the image recording and reproduction parts together have an imaging ratio of 1:1 and their optical axes are aligned parallel, in particular according to patent P 33 38 496, characterized by the following features:

a) the image display part ( 3.2 ) has a display ( 11 ) consisting of image display elements (pixels) arranged in a matrix,

b) each detector element is uniquely assigned to at least one image display element (pixel), and

c) the assignment between each detector element and an image display element (pixel) can be shifted by defined steps in the row and/or column direction of the respective matrix, such that the optical axes ( 5 and 15 ) of the image recording and display part ( 3.1 and 3.2 ) are parallel.

2. Afocal thermal imaging device according to claim 1, characterized in that the detector device ( 10 ) has a detector array which simultaneously captures the entire image and each detector element is assigned an image display element (pixel) of the image display part ( 3.2 ) via a pixel memory ( 7 ), and that the assignment to the image display elements (pixels) of the image display part ( 3.2 ) can be changed by shifting the signals assigned to the pixels in the pixel memory ( 7 ).

3. Afocal thermal imaging device according to claim 1, characterized in that the image recording part ( 3.1 ) has a scanning device ( 9 ) which guides the image line by line over a detector ( 10 ) consisting of one or more detector elements, that the image thus generated on the detector ( 10' ) is stored in a pixel memory ( 7 ), and that by shifting the signals assigned to the pixels in the pixel memory ( 7 ) the assignment to the image display elements (pixels) of the image display part ( 3.2 ) can be changed.