CN1287586C - 扫描设备 - Google Patents

Abstract

可以在微波、毫米波以及红外线范围内工作的扫描设备，包括支撑结构；安装在所述支撑结构上的第一反射盘或镜(10)，以便围绕第一轴(14)相对于支撑结构旋转；以及安装在所述支撑结构上的第二反射盘或镜(12)，以便围绕第二轴(16)相对于支撑结构旋转；以及所述盘或镜的驱动装置，用于以各自的相反方向驱动这些盘或镜。在该设备的工作过程中，来自被扫描景物并到达第一盘或镜的反射表面的辐射由此被反射到第二盘或镜的反射表面上，并被后者依次反射再次到达第一盘或镜的反射表面，从第一盘或镜反射进入或到达该设备的另外部分，该部分结合了用于接收这种辐射的一个接收器或者多个接收器。第一盘或镜的反射表面具有一个旋转对称轴，该对称轴相对于所述第一轴倾斜第一小角度，第二盘或镜的反射表面具有一个旋转对称轴，该对称轴相对于所述第二轴倾斜第二角度。所述盘或镜的驱动装置用于以这样一种方式驱动这些盘或镜以便实现基本上线性的扫描，选择相对于所述第一角度的所述第二角度的大小以便减小或者消除在正交于行扫描方向的方向上的光瞳漂移。

Description

扫描设备

技术领域

本发明涉及一种可在电磁辐射的红外线、毫米波或微波范围内工作的扫描设备。本发明的目的在于提供一种改进的扫描设备，该扫描设备可以指定波长的辐射进行工作，具有大的有效孔径，并且能够对二维(例如：高度和方位角)视场进行高速重复扫描，而且其造价相当低廉。

背景技术

在毫米波TV速率成像中，要求以线性或基本线性的扫描模式在景物中对大孔径进行扫描。为了在景物中得到足够的空间分辨率，该孔径可能有1米大。成像器的最大角分辨率α通过α＝λ/D得到，其中λ是波长，D是矩形孔径的宽度。

当λ较小时，即5×10^-7米，在可见区域中，良好分辨率要求的孔径D很小，但是当波长更大一些，即3×10^-3米，在毫米波区域中，为了得到相似的角分辨率，孔径的宽度就必须相对较大。

在红外线区域，线性扫描机制通常包括旋转多边形或摆动镜(flapping mirror)。在毫米波区域，类似的旋转多边形将会过大，多边形面的宽度需达到大约2米。在毫米波区域，1米大小的摆动镜要以TV速率往复运动会很困难。(对于目前的用途，若扫描每秒仅提供10帧甚至更少，则认为该扫描处于TV速率)。

众所周知，线性扫描可以通过使用两个旋转反射平盘得到，每个所述反射平盘都被安装使其可以围绕一个倾斜于盘平面的轴旋转，并且被设置使得来自被扫描景物的光首先落在一个这样的盘上，并由此被反射到另外一个盘上，从而被反射到接收器或传感器上，这两个盘相对于它们各自的旋转轴倾斜相同的角度，并且以相反的方向旋转。

然而，这种配置不能产生紧凑的设计，并且存在很高的光瞳漂移(pupil wander)。

发明内容

依据本发明，提供了可以在微波、毫米波以及红外线范围内工作的扫描设备，该扫描设备包括支撑结构；安装在所述支撑结构上的第一反射盘或镜，以便围绕第一轴相对于支撑结构旋转；安装在所述支撑结构上的第二反射盘或镜，以便围绕第二轴相对于支撑结构旋转，这种配置使得来自被扫描景物的辐射能够到达第一盘或镜的反射表面，由此被反射到第二盘或镜的反射表面上，依次又被后者再次反射到所述第一盘或镜的反射表面，从第一盘或镜反射进入或到达设备的另外部分，该部分结合了用于接收这种辐射的一个接收器或者多个接收器，并且其中所述第一盘或镜的反射表面具有一个相对于所述第一轴倾斜第一小角度的旋转对称轴(或当所述表面为平面时是法线)，并且其中所述第二盘或镜的反射表面具有一个相对于所述第二轴倾斜第二角度的旋转对称轴(或当所述表面为平面时是法线)；以及该扫描设备还包括所述盘或镜的驱动装置，该驱动装置被设置成按各自的相反方向驱动这些盘或镜，从而实现线性或基本上线性的扫描，选择相对于所述第一角度的所述第二角度的大小，以便减小或者消除在正交于行扫描方向的方向上的光瞳漂移。应该理解对与本发明相关的线性扫描的要求应该被看作是目的性要求而不是严格的数学要求。因此，例如，如果实际上精确的线性偏差不可察觉或不明显，并不排除那些在数学上属于严重拉平的环形而非几何直线的扫描。此处对线性扫描的引用应作相应理解。

本发明使得按紧凑配置制造用于提供多重线性扫描的系统成为可能，该紧凑配置适合用于高速的毫米波和微波应用。

附图说明

下面参考示意性附图对本发明的实施例进行描述，其中：

图1是示意性平面视图，表示本发明第一个实施例的部分；

图2是类似于图1的视图，举例说明一种变体；

图3是类似于图1的视图，举例说明另外一种变体；

图4举例说明图3的设备的一种变体；

图5举例说明图4的设备的一种变体；

图6举例说明用于提高对偏振敏感的辐射探测器的效率并且可以用在实现本发明的扫描设备中的配置；

图7是示意性的剖面图，举例说明一种偏振波导配置，其可以与实现本发明的扫描设备结合使用；以及

图8是本发明另外一个实施例的示意图。

具体实施方式

在如下描述的具体实现本发明的扫描设备中，在每种情况中的设备都使用两个旋转反射盘或镜，其安装在未在图中示出的固定支撑结构上用于旋转，该固定结构通常相对于要被扫描的景物是固定的。

参考图1，其中这些盘或镜，在图中参考标记为10和12，被安装使其可以围绕各自的轴14和16旋转，每个盘10和12的旋转轴通过盘的中心，并且每个盘10、12都相对于其旋转轴轻微倾斜，这样，如果这些盘具有平坦的反射表面，如图1所示，则每个盘的反射表面平面的法线相对于各自的旋转轴轻微倾斜，如果该镜是凹面镜，如图2所示(见下面)，则旋转轴相对于该镜的主光轴倾斜。这两个盘10、12以相同的速度(角速度)但以相反的方向旋转。

来自被扫描景物的辐射(箭头20)入射到第一倾斜旋转盘10上，并且从那里被朝向第二倾斜旋转盘12反射(箭头22)。射到第二盘12的辐射被从第二盘反射(箭头24)返回第一盘10，之后它传到(箭头26)成像系统的其余部分并被探测到。

该配置产生线性扫描。该线性扫描模式的方向依赖于旋转盘之间的初始“相差”。也就是说，例如，如果盘10相对于所述固定结构处于预定位置，行扫描相对于该固定结构的方向将会随着盘12围绕其轴16相对于该固定结构的不同角位置而不同。为了方便起见，当盘10处于这样的(任意的)预定位置时，第二盘12围绕其轴16的角度在这里指的是相差。在该意义上，对于一个给定的相差，一个盘相对于垂直于该盘的轴的平面存在特定的倾斜角，(以及对于另一个盘的给定倾斜角)，对此，在正交于行扫描方向的方向上，光束被从第二盘沿着其入射方向反射回来。也就是说，存在一个与行扫描方向平行的平面，以致于在该平面上入射角范围内，该平面上到达第一镜的光线从该镜反射到第二镜并从第二镜反射回第一镜之后，将会被反射回该平面。因此，在与扫描方向正交的方向上不存在光瞳漂移。如从上述可以理解的，第二盘12相对于其轴16的倾斜角(对于第一盘10的给定倾斜角而言)依赖于预期的扫描方向。例如，在轴14、16位于同一平面的情况下，当扫描方向垂直于包括轴14和16的平面时，第二盘12相对于其轴16的倾斜角应该是第一盘10相对于其轴14的倾斜角的两倍。因此，在这种情况下，如果第一盘倾斜θ角度，那么第二盘就倾斜2θ角度。在这种情况下(轴14、16还是位于同一平面)，其中扫描方向位于包括轴14和16的平面上，那么盘12的倾斜角α和第一盘10的倾斜角θ应该满足公式α＝2θcosφ，其中φ是盘10的轴14相对于盘12的轴16的角度。

使用根据本发明的设备，当扫描景物时入射辐射的入射点在第一盘的表面上轻微移动，但是在第一盘的后面存在固定的有效虚拟光瞳，该虚拟光瞳位于反射在第一盘上的第二盘的图像的位置上。在从第二盘被引导到第一盘上之后由该第一盘反射的辐射可能被转送到另一个扫描机制，该扫描机制例如被设置成以与行扫描成直角提供扫描，(例如，作为“场扫描”，与行扫描共同提供扫描光栅)。

在图2所示的变体配置中，其中与图1中部件相同的部件具有相同的参考标记，第二反射盘(参考标记12a)具有凹的反射表面，以便在单个接收器或接收器阵列的位置处形成被扫描景物的图像，该图像被扫描通过接收器或接收器阵列。

更具体而言，参考图1或图2所描述的扫描配置可以与线性接收器阵列一起使用，该阵列垂直于扫描方向，以便得到二维图像。为了使图2配置中的光瞳漂移最小，从第一盘反射的中心光束应垂直地(轴向地)入射到凹面镜上，(该中心光束从观察扫描仪的视场中心发射出)。

在扫描仪处的入射和反射光束可以使用图2中所示的带有中心孔32的倾斜平面镜30分离，使得来自被观看的景物的辐射被镜30反射到镜盘10上，同时从镜10朝向镜30反射并会聚于延伸通过孔径32的轴的辐射通过孔径32到达镜30后面的光学和/或接收器系统。倾斜的镜30可以用于在正交于由旋转盘10、12产生的扫描方向的方向上实现对景物的缓慢“场”扫描。为此，镜30可以以与镜10、12同步的适当速度在有限的角度内周期性地倾斜或摆动，以便产生合适的扫描光栅。

在图3所示的另一个变体中，使用参考图1所描述的平面旋转倾斜镜表面的旋转盘扫描仪，与偏振线栅40和法拉第旋转器或四分之一波片42组合以构成特别紧凑的扫描系统。如所示，在该变体中，所使用的接收配置(如所示的接收器的线性阵列30)可以包括垂直于由旋转盘10、12产生的行扫描方向的阵列。

在图3所示配置的工作中，来自被扫描景物的具有特殊偏振的辐射通过线栅偏振器40，并在第一倾斜镜盘10处被反射。该被反射的辐射通过法拉第旋转器(或四分之一波片)42，并在第二旋转盘12处被反射，再次通过法拉第旋转器(或四分之一波片)42返回第一盘。当该辐射再次在第一旋转镜盘10处被反射时，其偏振方向已经相对于通过偏振器40的辐射旋转了90度，因此现在被线栅40反射，从而在弯曲的图像表面上形成图像，接收器36沿着该弯曲的图像表面排列。

为了最小化像差，该线栅偏振器40可以具有球形表面，曲率中心位于旋转盘扫描仪的虚拟光瞳的中心。

扫描仪盘的一次旋转对景物进行前向和后向扫描，每个接收器36可能允许2个TV行(光栅行)。

由于接收器是昂贵的设备，因此如果使其数目最小是很有优势的。如图4所示，接收器36可以构成稀疏的线性阵列，并且可以使用一个薄的旋转棱镜盘45(即薄的棱镜形式的盘，并且其中棱镜的工作面构成该盘的相对面)执行微扫描，其中该薄的旋转棱镜盘安装在第一与第二旋转盘(10、12)之间的光束中并靠近第二盘12，该盘45基本上垂直于镜12的旋转轴并围绕该轴旋转。图4所示的配置是图3所示配置的一种变体，并且图4中对应于图3中的部件具有对应的参考标记。

在图4所示配置中，旋转的薄盘或棱镜45也产生与行扫描方向平行的扫描位移，但是该位移可以通过后来的扫描变换电子装置消除，该电子装置也能正确地排序扫描光栅行。如果图4中所示配置的微扫描盘45以另外两个盘(10、12)速度的四分之一速度旋转，那么可以得到四倍微扫描。这在图5中示出。使用这样的四倍微扫描，光栅行(TV行)的数目就是接收器36数目的八倍。通常，如果该微扫描旋转棱镜或光楔45以主盘10、12速度的1/x速度旋转，其中x是整数，就存在2xN个光栅行(TV行)，其中N是线性阵列中接收器36的数目。

这类微扫描机制可以与其他的光学机械扫描仪一起使用。

参考图8，在毫米波带使用的扫描设备或成像器的另一种设计使用线栅偏振器100作为45度折镜。偏振器100位于两个凹面旋转镜120、122之间，这两个旋转镜的凹面彼此相对布置。这些镜具有旋转轴124和126，这些旋转轴相对于各自镜120、122的光轴轻微倾斜，即，相对于这些镜的反射表面围绕其旋转对称的轴轻微倾斜。两个凹面镜120、122以相同的速度但相反的方向围绕它们的轴124、126旋转。虽然在图8中这些轴124、126显示为垂直的，但这不是必须的。另外，如所示，这些轴可以重合，然而这也不是必须的。

在图8设备的工作中，来自被扫描景物的辐射(用130表示)被线栅偏振器100反射，并通过法拉第旋转器(或曲折线(meanderline))132。然后该辐射从镜120反射并返回通过法拉第旋转器(或曲折线)132。如此两次通过法拉第旋转器(或曲折线)，该辐射的偏振方向旋转了90度。现在该辐射投射到凹面镜B上。例如再次通过线栅偏振器100后，该辐射在接收器阵列136处聚焦。如前面的实施例所描述的，接收器阵列可以是线性接收器阵列，例如上述适合用在图1或图2的实施例中的接收器阵列，或是另外的缓慢振荡的(场扫描)镜，该镜可以用于把每个行扫描依次呈现给单个接收器或把多组扫描行依次呈现给有限数目的接收器，同样如上所述。

在前两个实施例中(图1和2)，到达接收器的来自景物的辐射是非偏振的。通常，用于毫米波和微波辐射的接收器只对一个偏振方向敏感，并因此在垂直于该接收器敏感方向偏振的辐射是探测不到的，也就是说，如果来自被扫描景物的入射辐射是非偏振的，入射辐射的一半能量都没有探测到。如果两个偏振方向都可以被探测到，那么在该接收器或探测器的输出处的信噪比将会增加两倍，或扫描速度将会增加四倍。这可以在图6所示的配置中获得。图6的配置可以构成设备的一部分，该设备用于接收来自图1或图2所示的扫描装置的辐射，即从镜12反射之后从镜10反射的辐射，这样图6的配置是插入到扫描装置与接收器或多个接收器(即辐射探测器或多个探测器36)之间的。因此，在图6所示的配置中，辐射在到达接收器36之前遇到偏振光束分离器50(例如，包括平行延长导体的格栅)，该分离器允许偏振方向与第一方向一致和接近于第一方向的辐射通过，并且反射偏振方向与垂直于所述第一方向的第二方向一致和接近于该第二方向的辐射。最初通过光束分离器50的辐射前进到聚焦镜52，该聚焦镜把该辐射聚焦到接收器36上。最初从光束分离器反射的辐射被引导通过四分之一波片或法拉第旋转器54到达聚焦镜56，该聚焦镜再次把该辐射反射通过法拉第旋转器54的四分之一波片(当然在此之后偏振方向已经偏移了90度)，并通过偏振光束分离器(现在具有合适的偏振以通过分离器)到达接收器36。

可替代地，聚焦镜56可以是扭曲反射器，这可能省掉对四分之一波片或法拉第旋转器54的需要。

一种用于获得与图6中相同效果的替代配置可以用图7中所示的波导实现，该配置用于接收从旋转盘反射的辐射，例如接收图1中的反射光束26。因此，在图7的配置中，用于接收从旋转盘10、12反射的辐射的、具有正方形横截面的角状物62连接到具有正方形横截面的波导64并与之合并，该角状物把辐射送入一个组合腔和角状物66，在其中安装了第一线栅偏振器68，该偏振器用于反射平行于图平面偏振的辐射(并且为方便起见，在这里该辐射被称为水平偏振的)。偏振器68允许在图平面中从左向右方向偏振的辐射通过，并且在这里被称为垂直偏振的。从偏振器68反射的辐射依次通过另一个线栅偏振器70，该偏振器进一步确保被偏振器68反射的辐射是水平偏振的。通过偏振器68的辐射依次从倾斜的端壁74反射并进入扭曲波导76或类似器件，例如使用法拉第旋转器或四分之一波片，把偏振平面旋转90度。从器件76产生的偏振辐射进入一段波导并传到波导过渡。它与被偏振器68反射通过偏振器70的辐射具有相同的偏振方向。这两个垂直偏振的光束在通向供给辐射接收器或探测器(未示出)的另一个波导72的波导过渡中组合。在一种变体中，设置扭曲波导76或类似器件的位置，以便接收由线栅偏振器68反射的辐射而不是由反射器74反射的辐射，并且通过线栅68的辐射可以传到反射器74，从而到达波导72和接收器，而其偏振方向没有变化，该偏振方向在该变体中与从扭曲波导产生的辐射的偏振方向相同。

虽然为了使(昂贵的)接收器36的数目最少，通过实现与单个接收器有关的“场”扫描(即在正交于行扫描的方向上)得到TV类型扫描(光栅)图像的连续“行”是可能的，但是按照每秒“帧”形式的较高的扫描速率可以通过提供如图3和4中所示的接收器的线性阵列(多个接收器26)来实现，该阵列垂直于行扫描方向延伸，这样使得扫描图像每行的图像信息由该接收器的线性阵列中的相应接收器提供，每个接收器接收来自视场中相对于固定结构的相应高度的辐射。优选地，采用了这两种方法的结合，使用有限数目的间隔分开的接收器阵列36，作为有限“场扫描”机制(例如上述的微扫描机制)的工作结果，每个接收器接收图像的少数(优选地是邻近的)行，由不同接收器“看到”的图像的各个部分通过电子学方法进行组合以产生完整的“视频”图像。

场扫描或有限场扫描可以用多种方式实现，例如利用以振荡方式倾斜的反射器或具有反射面的旋转圆筒，或另外的类似于图1和2所示的盘10、12的一对旋转反射盘，或通过旋转的薄棱镜等等。

如从上述可以理解的，本发明提供了一种用最少费用提供在微波、毫米波或红外线辐射下观察的“景物”的二维“视图”的装置。另外，根据本发明的设备的优选形式允许获得这样的视图而不需要过多的昂贵接收元件的重复，而且也不需要很大且极其昂贵的透镜元件。本发明的优选实施例还具有紧凑的优点。

Claims (8)

1.可以在微波、毫米波和红外线范围内工作的扫描设备，包括支撑结构；安装在所述支撑结构上的第一反射盘或镜，以便围绕第一轴相对于支撑结构旋转；固定在所述支撑结构上的第二反射盘或镜，以便围绕第二轴相对于支撑结构旋转，该配置使得来自被扫描景物的辐射能够到达第一盘或镜的反射表面，由此被反射到第二盘或镜的反射表面上，并依次被后者反射再次到达所述第一盘或镜的反射表面，从第一盘或镜反射进入或到达该设备的另外部分，该部分结合了用于接收这种辐射的一个接收器或多个接收器，并且其中所述第一盘或镜的反射表面具有一个相对于所述第一轴倾斜第一小角度的旋转对称轴或当所述表面为平面时是法线，并且其中所述第二盘或镜的反射表面具有一个相对于所述第二轴倾斜第二角度的旋转对称轴或当所述表面为平面时是法线；以及该扫描设备还包括所述盘或镜的驱动装置，该驱动装置用于在各自的相反方向驱动这些盘或镜，该配置使得可以实现基本上线性的扫描，选择相对于所述第一角度的所述第二角度的大小，以便减小或者消除在正交于行扫描方向的方向上的光瞳漂移。

2.根据权利要求1的扫描设备，其中所述设备的另外部分包括用于在与行扫描方向垂直的方向上实现场扫描或部分场扫描的装置。

3.根据权利要求2的扫描设备，其中所述设备的另外部分包括接收器的线性阵列，实际上该设备被设置使得景物的图像沿着与线性阵列的延伸方向基本垂直的方向被扫描通过该线性阵列。

4.根据权利要求3的设备，其中该配置使得该图像被重复扫描通过该阵列，同时实现部分场扫描，使得每个接收器连续地接收扫描光栅的一连串扫描行的输入。

5.根据权利要求1的扫描设备，其中所述盘或镜中至少有一个具有凹的反射表面，用于将所述辐射聚焦。

6.根据权利要求5的扫描设备，其中该配置使得来自所述第二镜并由所述第一镜反射的辐射沿着与从被扫描景物射入第一镜的辐射方向基本相反的方向通过，并且其中在所述第一镜的前面设置有孔的反射器，用以把来自被扫描景物的入射辐射反射到所述第一镜上，并且该配置使得来自所述第二镜并被所述第一镜反射的辐射被聚焦，以便使其通过有孔反射镜中的孔径到达所述设备的另外部分。

7.根据前面任一权利要求的设备，其中扫描图像每一行的图像信息由该接收器或传感器阵列中相应的辐射接收器或传感器提供，每个辐射接收器或传感器接收来自视场中相对于所述支撑结构的相应高度的辐射。

8.根据权利要求1-6中任一权利要求的扫描设备，其中组合的偏振滤光器和聚焦反射器插入到所述第一镜或盘与要被扫描的景物之间，这样使得到达所述第一镜并被反射到所述第二镜上的辐射在第一方向偏振，并且其中法拉第旋转器或四分之一波片插入到所述第一镜与所述第二镜之间，由此被第一镜反射到第二镜并被第二镜反射回第一镜的辐射两次通过所述法拉第旋转器或四分之一波片，因此使该辐射的偏振方向相对于通过组合的偏振滤光器和聚焦反射器射向所述第一镜的辐射旋转了90度，该辐射从第二镜反射到所述第一镜上之后，由第一镜朝向组合的偏振滤光器和聚焦反射器反射，该设备包括对偏振敏感的探测器阵列(36)，该探测器阵列插入到第一镜(10)和所述组合的偏振滤光器和聚焦反射器(40)之间并被定向为对从组合的偏振滤光器和聚焦反射器(40)反射向该处的偏振辐射敏感。

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