DE1093813B

DE1093813B - Optisch-mechanische Abtastvorrichtung

Info

Publication number: DE1093813B
Application number: DEN15713A
Authority: DE
Inventors: Alexandre Dauguet
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1957-10-18
Filing date: 1958-10-14
Publication date: 1960-12-01
Also published as: FR1248617A; NL112182C; CH368822A; GB890379A; BE572096A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine optisch-mechanische Abtastvorrichtung zur Abtastung einer Szene in zwei Richtungen, welche Vorrichtung eine Anzahl planparalleler Spiegel enthält, die drehbar um eine Achse angeordnet sind, wobei der Drehwinkel der Spiegel als Funktion der Zeit einen sägezahnförmigen Verlauf zur Abtastung der Szene in einer der Richtungen aufweist, welche Vorrichtung außerdem ein sich drehendes Element enthält, das mit strahlungsreflektierenden, vorzugsweise konkaven Oberflächen versehen ist, die zur Bewerkstelligung der Abtastung in der anderen Richtung in Reihenfolge die von den erwähnten Spiegeln stammende Strahlung auf ein für die betreffende Strahlung empfindliches Element projizieren.

Zwar ist es bekannt, bei einer optisch-mechanischen Abtastvorrichtung die von einer Lichtquelle herrührenden Strahlen mittels eines hin- und herschwingenden Systems, das eine Anzahl planparalleler Spiegel enthält, abzulenken, aber diese Spiegel sind in dieser bekannten Vorrichtung fest einander gegenüber auf einer Schwenkvorrichtung angeordnet und haben also eine gemeinschaftliche Drehachse. Auf diese Weise ist eine gedrängte Konstruktion wie bei der Vorrichtung nach der Erfindung, bei der jeder Spiegel des hin- und herschwingenden Systems seine eigene Drehachse besitzt, nicht erreichbar.

Die Erfindung bezweckt, einen solchen Zusammenbau einer solchen Vorrichtung zu schaffen, daß sowohl eine große Eintrittspupille und eine große Helligkeit der auf das strahlungsempfindliche Element fallenden Strahlung als auch eine gedrängte, wenig Raum beanspruchende Konstruktion erzielt werden.

Die Vorrichtung nach der Erfindung hat dazu das Merkmal, daß die Drehachsen der erwähnten Spiegel in einer Ebene liegen, die einen Winkel von etwa 45° mit der Achse eines parabolischen Spiegels einschließt, der die von den Spiegeln stammende Strahlung durch eine Aussparung zwischen diesen Spiegeln auf die reflektierenden Oberflächen des sich drehenden EIementes wirft, welche Oberflächen die von den erwähnten Spiegeln stammende Strahlung auf das für die betreffende Strahlung empfindliche Element projizieren, das in der Achse des parabolischen Spiegels angebracht ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen waagerechten Querschnitt durch die Abtastvorrichtung;

Fig. 2 zeigt einen senkrechten Querschnitt durch die Abtastvorrichtung;

Fig. 2 a zeigt eine Ansicht der Brennfläche des parabolischen Spiegels;

Fig. 3 zeigt einen vereinfachten, waagerechten Optisch-mechanische Abtastvorrichtung

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr, rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 18. Oktober 1357

Alexandre Dauguet, Paris,
ist als Erfinder genannt worden

Querschnitt durch eine besondere Ausführungsform der Blenden der Vorrichtung;

Fig. 4 zeigt eine Ansicht der mechanischen Antriebsvorrichtung für die flachen Spiegel;

Fig. 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Übertragung der Information, die von den empfindlichen Elementen empfangen wird.

Fig. 1 zeigt einen waagerechten Querschnitt der optisch-mechanischen Abtastvorrichtung längs der Symmetrie-Ebene der Vorrichtung. In dieser Figur bezeichnet 1 das Eingangsfenster der Vorrichtung und 2 eine Anzahl flacher, rechteckiger Spiegel, die einander gegenüber parallel angebracht und um senkrechte Achsen sägezahnförmig schwenkbar sind. Die Achsen dieser Schwenkbewegung des Teiles 2 liegen in einer senkrechten Ebene, die einen Winkel von 45° mit dem Fenster 1 einschließt. Der Teil 2 liefert die horizontale Abtastung eines großen Teiles des Raums vor dem Fenster 1. Die von dem Teil 2 reflektierten Strahlen werden von dem parabolischen Spiegel 3 aufgefangen, dessen Achse sich parallel zum Fenster 1 erstreckt und einen Winkel von 45° mit der Ebene durch die Achse des Teiles 2 einschließt. Der parabolische Spiegel 3 liefert ein reelles Bild in seiner Brennfläche. Eine Aussparung im Teil 2 ermöglicht die Erzeugung des erwähnten Bildes hinter der Ebene der Achsen des Teiles 2. Das Brennpunktbild wird zyklisch in senkrechter Richtung durch ein Drehrad 4 abgetastet, auf dem die Spiegel derart angeordnet sind, daß sie die von jedem Spiegel erzeugte Bildinformation während der Abtastung einer Kurve auf

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ein empfindliches Element 5 reflektieren. Bei der dargestellten Vorrichtung sind die Abtastkurven nahezu Segmente von senkrechten Linien.

Die erfindungsgemäße Abtastvorrichtung besitzt eine große Eintrittspupille, und mit ihr wird eine hohe Helligkeit bei kleinen Abmessungen erzielt. Das Rad 4 liegt hinter dem Teil 2, d. h., wenigstens der wirksame Teil dieses Rads liegt so nahe dem erwähnten Teil 2, wie die Bewegung der flachen Abtastspiegel zuläßt.

Dies schafft die Möglichkeit, die Aussparung im Teil 2 zu verringern zum Durchlassen des von den Abtastspiegeln des Rads 4 stammenden Bündels. Auf diese Weise wird ein Verlust an Strahlung verhütet. Das Rad 4 trägt Abtastspiegel, die konkav ausgebildet und unter optisch optimalen Verhältnissen wirksam sind. Zum Schaffen der optimalen Verhältnisse müßten theoretisch die konkaven Abtastspiegel wenigstens während der Abtastperiode sich über einen Teil eines Zylinders bewegen, dessen Horizontalachse durch das empfindliche Element 5 verläuft. In der Vorrichtung nach der Erfindung verläuft die Drehachse des Rads 4 durch das empfindliche Element 5.

Die Anwendung von konkaven Abtastspiegeln erleichtert außerdem die Bildung einer vertikalen Bildbegrenzungsblende in der Brennfläche des Spiegels 3. Die Blende bezweckt eine Begrenzung des Intervalls zu erzielen, währenddessen jeder konkave Spiegel wirksam ist, um die Erzeugung eines Mehrfachbildes zu verhüten.

Fig. 2 zeigt einen schematischen, senkrechten Querschnitt der optisch-mechanischen Abtastvorrichtung längs einer Ebene, in der die optische Achse des Spiegels 3 liegt. Dieses Schema dient zur Erläuterung der Wirkung der Bildbegrenzungsblende. In dieser Figur bezeichnen die entsprechenden Bezugsziffern dieselben Einzelteile wie in Fig. 1. AC und BD bezeichnen die Blende; AB ist der Teil der von einem konkaven Abtastspiegel abgetasteten Linie; M₀ und M₁ sind zwei aufeinanderfolgende Abtastspiegel, / bezeichnet den Drehsinn des Rads 4. M₁ ist angegeben in dem Augenblick, in dem die Abtastung der Linie AB anfängt, d. h. in dem Augenblick, in dem M₀ die Abtastung der vorangehenden Linie beendet hat. In dem dem Anfang der Abtastung der Linie AB vorangehenden Augenblick darf der Spiegel M₁ kein Lichtbündel auf das empfindliche Element 5 werfen; dazu kann eine undurchsichtige Halbfläche, die in der öffnung AB durch die Begrenzung A begrenzt wird, in der Brennfläche des Spiegels 3 angeordnet werden. Diese Lösung ist in Fig. 2 a dargestellt, die eine Ansicht der Brennfläche des Spiegels 3 zeigt. Im vorangehenden wird unter »Linie« der Teil des fokalen Bildes gemeint, der von einem konkaven Abtastspiegel abgetastet wird; diese »Linie« ist wesentlich ein Oberflächenelement cc', dd'. Die vorgeschlagene Lösung, die Abtastung von einem konkaven Spiegel bei A anfangen zu lassen, besteht in der Anbringung einer Halbfläche P in der Brennfläche. Um die Abtastung bei B aufhören zu lassen, wird eine Halbfläche Q in der Brennweite angeordnet. Diese Lösung hat den Nachteil, daß am Anfang und am Ende der Linienabtastung AB ein wesentlicher Teil des Helligkeitsflusses verlorengeht, welcher Teil sich an der Erzeugung des Bildes aa', bb' beteiligt. Gemäß einer verbesserten Ausführungsform werden die Halbflächen P und Q durch kleine, langgestreckte undurchsichtige Rechtecke au', cc' und bb', dd' ersetzt, die in der Brennfläche gegenüber der Symmetrie-Ebene des optischen Systems symmetrisch angebracht werden. Die Breite dieser Rechtecke entspricht der Breite der Linienabtastung.

Wenn das Element 5 für Lichtstrahlen empfindlich ist, sind die durch diese Art von Blenden erzielten Resultate zufriedenstellend. Im Falle von Infrarotstrahlung müssen andererseits besondere Vorkehrungen getroffen werden. Die Infrarotstrahlen, die von der Blende^C, BD bei der Temperatur der Vorrichtung z. B. bei 25° C ausgestrahlt werden, führen eine

ίο wesentliche Störung bei der nächtlichen Beobachtung von Landschaften herbei, deren mittlere Strahlungstemperatur etwa 10° C beträgt. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird vorgeschlagen, gemäß einem wesentlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung, die Blende AC, BD aus Elementen mit ebenen, reflektierenden Oberflächen zusammenzubauen, die derart angeordnet sind, daß sie einen Teil des Bündels, welcher in die Vorrichtung durch die Eingangsöffnung eintritt, reflektieren gegen die konkaven Abtastspiegel. Auf diese Weise wird die eigentliche Strahlung der Feldbegrenzungsblende durch eine Strahlung ersetzt, die der mittleren Temperatur der abgetasteten Landschaft entspricht.

Fig. 3 zeigt einen vereinfachten, waagerechten Querschnitt des optisch-mechanischen Systems, woraus die Anordnung der reflektierenden Elemente AC, BC mit der Bahn der betreffenden Lichtstrahlen ersichtlich ist.

Bei einer besonderen Ausführungsform für Infrarotabtastung einer Gegend ist das optisch-mechanische System in einem steifen Gestell aus Guß-Duralumin untergebracht. Bei dieser Vorrichtung hat die öffnung 1 eine Rechteckform. Sie wird durch vier Glasscheiben von 15 -19 cm gebildet. Der Einzelteil 2 besteht aus neun vertikalen beweglichen Teilen, die flache Spiegel tragen, und aus einem Stangengebilde, das diese Teile mit einer Frequenz von 2 Hz eine sägezahnförmige Bewegung vollführen lassen. Der parabolische Spiegel 3 hat einen Querschnitt von 30 cm, und die Brennweite beträgt 30 cm, während das Rad 4 in Form eines Kegelstumpfes am Rande konkave, sphärische Spiegel mit einer Brennweite von 3,4 cm trägt. Dieses Rad dreht sich mit einer Geschwindigkeit von neun Umdrehungen pro Minute. Die austauschbare Zelle 5 ist eine Bleisulfid-Photowiderstands-Zelle, deren empfindliche Oberfläche eine Abmessung von 4 · 11 mm hat. Die Zelle ist auf einem chromierten, kupfernen Träger angebracht, wobei Mittel vorhanden sind, um dieses Glied künstlich zu kühlen.

Mittels eines nicht dargestellten Zahnradsystems, das auf der Rückseite des Gestelles angeordnet ist, werden die Teile 2 und 4 durch einen gemeinsamen Motor angetrieben.

Fig. 4 zeigt die mechanische Einrichtung für die sägezahnförmige Bewegung der flachen Spiegel. Die Figur zeigt den unteren Teil von drei Stützen V₁, V₂, V₃, die flache Spiegel tragen; diese Teile schwenken sich um vertikale Achsen O₁, O₂, O₃. T₁, T₂ und T₃ bezeichnen Stangen, die um ihre Enden schwenken können und die Teile V₁, V₂ und V₃ mit einer Verbindungsstange B verbinden. Die Bewegungen dieser Verbindungsstange werden durch Kurbeln Ai₁, M₂ gesteuert, die eine gleichförmige Bewegung vollführen.

Auf ähnliche Weise haben die Stangen T₁, T₂' und T₃, die Verbindungsstange B' und die Kurbeln P₁ und P₂ dieselben Funktionen. Die Winkelverdrehung der Teile V und somit die der Spiegel wird durch den Abstand zwischen den Verbindungsstangen B und B' bedingt. Die Profilscheiben C und C, die mit der-

selben Achse verbunden sind, wirken mit Nocken D und D' zusammen, die fest mit den Verbindungsstangen B bzw. B' verbunden sind.

Ein nicht dargestelltes Federnsystem drückt die Nocken gegen die betreffenden Profilscheiben. Die ö Bewegung der Teile 2 wird durch die Drehung der Profilscheibe gesteuert, deren Achse von dem vorerwähnten Zahnradsystem angetrieben wird. Das Profil der Scheiben ist derart, daß eine sägezahnförmige Bewegung entsprechend der waagerechten Abtastung erzielt wird. Die Einrichtung für die Einleitung der Horizontalbewegung besteht vorzugsweise aus einem Kontakt, der in einem bestimmten Augenblick bei jeder Umdrehung der Scheibenachse gesteuert wird. Die Vertikalabtastung kann durch einen Kontakt eingeleitet werden, der durch die Antriebsachse des Vertikalabtastrads gesteuert wird.

Fig. 5 zeigt das allgemeine Schema der Vorrichtung zur Verarbeitung der Information von dem empfindlichen Element, um auf dem Schirm eines Oszillo- ao skops eine Wiedergabe, z. B. ein Infrarotbild, der durch das Gerät betrachteten Landschaft zu erzielen. In dieser Figur bezeichnet C das empfindliche Element, A einen Verstärker, G einen stabilisierten Spannungsgenerator, T eine Elektronenstrahlröhre, B₁ einen Generator für die Vertikalablenkspannung, B₂ einen Generator für die Horizontalablenkspannung, S₁ und S₂ Anordnungen, welche die Generatoren B₁ und B₂ mit den von dem optischen System hervorgerufenen mechanischen Schwenkwirkungen synchron anlassen können, R bezeichnet das Drehelement für die Vertikalabtastung, P das Gebilde der sich drehenden Spiegel, B das Zahnradsystem und M ist der Antriebsmotor der optisch-mechanischen Vorrichtung.

Die von C aufgefangene Information wird von A verstärkt und auf einem geeigneten Pegel dem Wehnelt-Gitter der Röhre T zugeführt. Die Abtastspannungsgeneratoren B₁ und B₂ sind mit den Vertikal- und Horizontalablenkplatten der Röhre T verbunden. Die Röhre T ist mit allen bekannten HilfsSchaltungen für Oszilloskopmessungen, insbesondere für Helligkeits- und Fokussierungssteuerung und für Zentrierung versehen. Alle vorerwähnten elektrischen Vorrichtungen sind bekannter Art und liegen außerhalb de.s Rahmens der Erfindung.

Die angewandte Elektronenstrahlröhre ist vorzugsweise eine 18-cm-Röhre mit einem Schirm mit bestimmter Nachleuchtung.

Mittels der geschilderten Vorrichtung ist es insbesondere möglich, nachts infrarot strahlende Teile einer beobachteten Fläche zu erfassen und zu lokalisieren. Diese Vorrichtung ermöglicht z. B., das Vorhandensein eines Fahrzeugs festzustellen, dessen Radiator eine Temperatur hat, welche die Umgebungstemperatur überschreitet, oder das Vorhandensein eines Menschen.

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf optisch-mechanische Abtastvorrichtungen für den Bereich der infraroten Strahlung, sie kann auch bei Einrichtungen verwendet werden, die für andere Strahlungsbereiche empfindlich sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Optisch-mechanische Abtastvorrichtung zur Abtastung einer Szene in zwei Richtungen, welche Vorrichtung eine Anzahl planparalleler Spiegel enthält, die drehbar um eine Achse angeordnet sind, wobei der Drehwinkel der Spiegel als Funktion der Zeit einen sägezahnförmigen Verlauf zur Abtastung der Szene in einer der Richtungen hat und außerdem ein Drehelement vorgesehen ist, das mit den Strahlungsreflektierenden, vorzugsweise konkaven Oberflächen versehen ist, die zur Bewerkstelligung einer Abtastung in der anderen Richtung in Reihenfolge die von den erwähnten Spiegeln stammende Strahlung auf ein für die betreffende Strahlung empfindliches Element projizieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachsen der erwähnten Spiegel (2) in einer flachen Ebene liegen, die einen Winkel von etwa 45° mit der Achse eines parabolischen Spiegels (3) einschließt, der die von den Spiegeln stammende Strahlung über eine Aussparung zwischen diesen Spiegeln (2) auf die reflektierenden Flächen des sich drehenden Elementes (4) wirft, welche Flächen die von den erwähnten Spiegeln stammende Strahlung auf das für die betreffende Strahlung empfindliche Element (5) projizieren, das auf der Achse des parabolischen Spiegels (3) angebracht ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene, in der sich das Drehelement (4) dreht, parallel zu und das Drehelement möglichst nahe der Ebene liegt, in der die Drehachsen der erwähnten Spiegel (2) liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Strahlung empfindliche Element (5) nahe der Drehachse des Drehelementes (4) liegt.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das von jedem Spiegel (2) abgetastete Bild in Richtung der Abtastung begrenzt ist, indem in Flucht mit dem abgetasteten Teil des Bildes beiderseits der Symmetrie-Ebene des Abtastsystems zwei für die Strahlung nicht durchlässige Blendenelemente angebracht werden, deren Querabmessung annähernd gleich der von jedem der Spiegel abgetasteten Teile des Bildes ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das strahlungsempfindliche Element für Infrarotstrahlung empfindlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Blendenelemente flache, reflektierende Oberflächen haben, die nahezu senkrecht zur Symmetrie-Ebene des Abtastsystems und nahezu senkrecht zur Ebene der Drehachsen der erwähnten Spiegel sind, um am Anfang und am Ende einer Abtastung einer Linie einen Teil der in die Vorrichtung eintretenden Strahlung den reflektierenden Oberflächen des Drehelementes zuzuführen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 682 925.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen