DE19525153A1 - Opto-electronic micro-scanning method - Google Patents

Opto-electronic micro-scanning method

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Abstract

The displacement is performed according to a loop so that four orthogonal scanning steps correspond to the maxima of the separate elements whose resolution is given by their dimensions, mutual distance and the average separation. Two similar scanning elements are used which move in synchronised opposite directions. Periodic deflections of different rotation frequencies and angle of deflection are generated. The orientation of the deflection pattern is defined through the phase difference of the individual deflection angles.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optoelektronisches Abtastver­ fahren, ein sogenanntes Mikroscanverfahren, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an optoelectronic scanning ver driving, a so-called microscan process, according to the generic term of claim 1.

Aus DE 38 37 063 C1 ist eine vergleichbare Anwendung bekannt, bei der das Mikroscanverfahren zur Aufnahme von farbigen Bildern ge­ nutzt wird, indem sukzessive die benachbarten Elemente eines Ma­ trixdetektors mit unterschiedlicher Farbempfindlichkeit beleuch­ tet werden. Der Detektor wird hier z. B. mit Hilfe von Piezoele­ menten in zwei orthogonalen Richtungen bewegt. Aber auch die Ab­ lenkung des optischen Strahls über Umlenkspiegel im parallelen (objektseitigen) oder konvergenten (bildseitigen) Strahlengang sowie über die Verkippung von transparenten Plan- oder Keilplat­ ten gehört zum Stand der Technik. Die DE 40 34 488 C1 schließlich beschreibt ein Verfahren, bei dem eine kardanisch gelagerte, um zwei Achsen kippbare Planplatte zur Erzeugung des Mikroscans ver­ wendet wird.A comparable application is known from DE 38 37 063 C1 who uses the microscan method for taking colored images is used by successively the neighboring elements of a Ma trix detectors with different color sensitivity illuminate be tested. The detector is z. B. with the help of Piezoele elements in two orthogonal directions. But also the Ab directing the optical beam via deflecting mirror in parallel (object-side) or convergent (image-side) beam path as well as the tilting of transparent flat or wedge plates is part of the state of the art. DE 40 34 488 C1 finally describes a method in which a gimbaled to two-axis tiltable flat plate to generate the microscan ver is applied.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die an sich bekannten Mikro­ scanverfahren dahingehend zu verbessern, daß sie mit einem Mini­ mum an mechanischem und elektronischem Aufwand eine kompakte, handliche und robuste Bauweise (ähnlich derjenigen einer Video­ kamera) ermöglichen und darüber hinaus auch noch mit einer ge­ ringen Leistungsaufnahme auskommen. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein Verfahren nach dem Kennzeichen des Hauptanspruchs. Von Vorteil ist hierbei, daß sich auf diese Wei­ se eine optimale Detektionsempfindlichkeit sowie durch eine kon­ stante Rotationsgeschwindigkeit bei geringem Raumbedarf auch ein Minimum an Leistungs-, Steuer- und Regelungsaufwand erzielen läßt.The object of the invention is the known micro to improve the scanning process so that it can be used with a Mini a compact, mechanical and electronic effort Handy and robust construction (similar to that of a video camera) and also with a ge wrestle get along. This task is solved  according to the invention by a method according to the characteristic of Main claim. The advantage here is that this Wei optimal detection sensitivity and a con constant rotation speed with a small footprint Achieve a minimum of effort, tax and regulation effort leaves.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung nach Patentanspruch 2 ermöglicht eine Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens an die Einbauge­ gebenheiten innerhalb des optischen Systems, wobei transparente Keile und Spiegel eine Winkelablenkung und transparente Planplat­ ten einen Parallelversatz des optischen Strahls erzeugen.An advantageous embodiment according to claim 2 enables an adaptation of the method according to the invention to the installation conditions within the optical system, being transparent Wedges and mirrors an angular deflection and transparent flat plate produce a parallel offset of the optical beam.

Auch eine Weiterbildung nach Patentanspruch 3 kann insofern zweckmäßig sein, weil vor allem durch sie Einfluß auf den Umfang des Steuer- und Regelungsaufwands genommen wird.In this respect, further training according to claim 3 can also be used be expedient because it influences the scope primarily through them of the control and regulatory effort is taken.

Bei einer Ausgestaltung nach Patentanspruch 5 oder auch 7 kann durch eine besonders lange Verweildauer in den vier bevorzugten Scanpositionen gegenüber den dazwischenliegenden Übergangszeiten die Detektionsempfindlichkeit günstig beeinflußt werden.In an embodiment according to claim 5 or 7 can due to a particularly long stay in the four preferred ones Scan positions compared to the intermediate transition times the detection sensitivity can be influenced favorably.

Auch die restlichen Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiter­ bildungen der Erfindung.The remaining subclaims also contain advantageous further features formations of the invention.

BeispielsbeschreibungExample description

Im folgenden werden an Hand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszeichen aufwei­ sen. Es zeigtIn the following, exemplary embodiments are illustrated with the aid of a drawing of the invention explained in more detail, the individual Figures corresponding parts have the same reference numerals sen. It shows

Fig. 1 das Prinzip des erfindungsgemäßen Abtastverfahrens bei einem 2 × 2-Mikroscan, Fig. 1 shows the principle of the scanning method according to the invention with a 2 x 2 micro-scan,

Fig. 2 die bevorzugten Bauformen und örtlichen Einbaumög­ lichkeiten des hierbei verwendeten optischen Abtast­ elementes in Form von Fig. 2 shows the preferred designs and local installation possibilities of the optical scanning element used in the form of

Fig. 2a einer keilförmigen Platte, FIG. 2a a wedge-shaped plate,

Fig. 2b einem gekippten Spiegel oder einer gekippten Plan- oder Keilplatte im konvergenten Strahlen­ gang zwischen Objektiv und Detektor sowie Fig. 2b a tilted mirror or a tilted flat or wedge plate in the convergent beam path between the lens and detector and

Fig. 2c einem gekippten Spiegel zwischen Objektiv und Detektor, wobei der Spiegel hier auch Umlenk­ funktion hat, Fig. 2c a tilted mirror between the lens and detector, the mirror also has functional deflection here

Fig. 3 den Kreisbogen, den der abgelenkte optische Strahl bei Rotation des Abtastelementes voll­ zieht und Fig. 3 shows the arc that the deflected optical beam fully pulls when the scanning element rotates and

Fig. 4 eine Ablenkzykloide wie sie sich bei entspre­ chender Wahl von Ablenkwinkel und gegenläufi­ ger Rotationsgeschwindigkeit ergibt. Fig. 4 is a deflection cycloid as it results from the appropriate choice of deflection angle and counter-rotating speed of rotation.

Fig. 1 zeigt einen 2 × 2 - Mikroscan für einen Matrixdetektor mit quadratischen Einzelelementen, die hier schraffiert dargestellt sind. Die Abtastzeilen sind durch die Einzelelemente m und m+1, und die Abtastspalten durch die Einzelelemente n und n+1 symbolisiert. Diese Einzelelemente sind im anstehenden Fall, einem Sonderfall, durch gleichgroße nichtempfindliche Bereiche voneinander ge­ trennt, die hier nichtschraffiert dargestellt sind. Bei einem anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die nichtempfindlichen Bereiche meist sehr viel kleiner, ja sie können im Extremfall bis zur abstandslosen Aneinandergren­ zung der Einzelelemente zusammenschrumpfen, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen würde. Die Detektorelemente wer­ den so verschoben, daß ihre Mittenlagen nacheinander die mar­ kierten Scanpositionen I bis IV einnehmen. Die punktierte Linienführung kann man auch als Abtastschleife auffassen. Hier­ bei mißt das Einzelelement in der Position I die über seine Empfangsfläche integrierte Strahlungsstärke. Das resultierende Signal wird digitalisiert und in einem zeichnerisch nicht näher dargestellten Speicher eines Bildverarbeitungssystems abgelegt. In gleicher Weise wird nach Verschieben des Einzelelements in die Scanpositionen II, III und IV verfahren, so daß in dem ge­ zeigten Beispiel eine vollständige und lückenlose Abtastung der Bildinformation möglich ist. Fig. 1 shows a 2 x 2 - micro scan for a detector matrix with square individual elements which are shown hatched here. The scanning lines are symbolized by the individual elements m and m + 1, and the scanning columns by the individual elements n and n + 1. In the upcoming case, a special case, these individual elements are separated from one another by non-sensitive areas of the same size, which are not shown hatched here. In another embodiment, not shown in the drawing, the non-sensitive areas are usually very much smaller, yes they can shrink in extreme cases up to the spacing of the individual elements without contiguity, without thereby departing from the scope of the invention. The detector elements who moved the so that their central positions take the marked scan positions I to IV one after the other. The dotted lines can also be interpreted as a scanning loop. Here the individual element in position I measures the radiation intensity integrated over its receiving surface. The resulting signal is digitized and stored in a memory of an image processing system, which is not shown in the drawing. In the same way, after moving the individual element in the scan positions II, III and IV, so that in the example shown a complete and complete scanning of the image information is possible.

Mit der Detektormatrix von m × n Einzelelementen liegt die Bild­ information beim 2 × 2 - Mikroscan in (2m) × (2n) Pixeln vor, das heißt die Orts- und Winkelauflösung des Bildsensors ist gegen­ über einer Abtastung ohne Mikroscan um den Faktor 2 verbessert.The image lies with the detector matrix of m × n individual elements information with the 2 × 2 microscan in (2m) × (2n) pixels before is called the spatial and angular resolution of the image sensor is against improved by a factor of 2 over a scan without microscan.

Die optimale, durch den Mikroscan erreichbare Auflösung ist nach dem Nyquist-Theorem mit der Detektorabmessung d ver­ knüpft durch Δ = d/2. Daher kann auch bei nahezu aneinandergren­ zenden Einzelelementen die Orts- und Winkelauflösung durch das Mikroscanverfahren verbessert werden, wenn durch entsprechende Maßnahmen die sich überlappenden Bildinformationen entfaltet werden.According to the Nyquist theorem, the optimal resolution that can be achieved with the microscan is linked to the detector dimension d by Δ = d / 2. Therefore, the spatial and angular resolution can be improved by the microscan method even when the individual elements are almost adjacent to one another, if the overlapping image information is developed by appropriate measures.

In Fig. 2 sind die prinzipiellen Bauformen des Abtastelements sowie seine örtlichen Einbaumöglichkeiten innerhalb des opti­ schen Systems dargestellt. Einfachheitshalber ist jeweils nur ein Abtastelement gezeichnet; mit ihm läßt sich u. a. das qua­ dratische Ablenkmuster gemäß Fig. 1 durch schrittweises Drehen um jeweils 90° erzeugen. Im speziellen zeigt Fig. 2a eine keil­ förmige Platte vor dem Objektiv einer nicht näher dargestellten Abtastvorrichtung. Fig. 2b zeigt einen gekippten Spiegel oder auch eine gekippte Plan- oder Keilplatte im konvergenten Strah­ lengang zwischen Objektiv und Detektor, wobei beim Einsatz ei­ nes Spiegels bedarfsweise auch die Einbauposition vor dem Ob­ jektiv möglich ist. In Fig. 2c ist ein gekippter Spiegel gleich­ falls zwischen Objektiv und Detektor vorgesehen, wobei der Spie­ gel hier auch Umlenkfunktion hat.In Fig. 2, the basic designs of the scanning element and its local installation options within the optical system's are shown. For the sake of simplicity, only one scanning element is drawn at a time; it can be used, inter alia, to generate the quadratic deflection pattern according to FIG. 1 by rotating it gradually by 90 °. In particular, Fig. 2a shows a wedge-shaped plate in front of the lens of a scanning device, not shown. Fig. 2b shows a tilted mirror or a tilted flat or wedge plate in the convergent beam path between the lens and detector, with the use of egg mirror if necessary the installation position before the lens is possible. In Fig. 2c, a tilted mirror is the same if provided between the lens and detector, the mirror here also has a deflecting function.

Bei Rotation des Abtastelementes dagegen beschreibt der abge­ lenkte Strahl einen Kreisbogen, wie er in Fig. 3 mit den vier markierten Scanpositionen I, II, II und IV dargestellt ist.On the other hand, when the scanning element rotates, the deflected beam describes a circular arc as shown in FIG. 3 with the four marked scan positions I, II, II and IV.

Bei hohen Bildfolgefrequenzen und damit schnellen Abtastvorgän­ gen kann das schrittweise Drehen zu erheblichen Anforderungen an die Antriebselemente führen. Die vorliegende Erfindung ver­ wendet daher für schnelle 2 × 2-Mikroscanabtastung, wie sie z. B. für standardisierte 25 Hz-Bildwiedergabefrequenz benötigt wird, ein synchronisiertes, kontinuierlich und gegenläufig ro­ tierendes Paar von Abtastelementen, mit denen es gleichfalls möglich ist, ein nahezu quadratisches Abtastmuster ähnlich Fig. zu erzeugen.At high frame rates and thus fast scanning processes, the gradual rotation can lead to considerable demands on the drive elements. The present invention therefore uses ver for fast 2 × 2 microscan scanning, as z. B. is required for standardized 25 Hz image reproduction frequency, a synchronized, continuously and in opposite ro animal pair of scanning elements, with which it is also possible to generate a nearly square scanning pattern similar to FIG .

Hierbei resultiert die Gesamtablenkung A(t) des optischen Strahls aus der vektoriellen Summe der Ablenkungen der einzel­ nen Abtastelemente mitThis results in the total deflection A (t) of the optical Beam from the vectorial sum of the deflections of the individual NEN scanning elements with

A(t) = A₁sin(ω₁t) + A₂sin(w₂t + 0)A (t) = A₁sin (ω₁t) + A₂sin (w₂t + 0)

wobei:
ω₁, ω₂ = die Rotationsfrequenzen der beiden Abtast­ elemente,
A₁, A₂ = die individuellen Ablenkungen der Ablenk­ elemente und
Φ = die Phasendifferenz zwischen den beiden Ablenkungen zum Zeitpunkt t = t₀
sind bzw. ist.in which:
ω₁, ω₂ = the rotational frequencies of the two scanning elements,
A₁, A₂ = the individual distractions of the deflection elements and
Φ = the phase difference between the two deflections at time t = t₀
are or is.

Fig. 4 zeigt eine zykloide Ablenkfigur wie sie durch die ent­ sprechende Wahl der individuellen Ablenkwinkel und Rotationsge­ schwindigkeiten mit gegenläufig rotierenden Abtastelementen er­ zeugt werden kann. Der optische Strahl muß hierfür während der Umkehr für einen längeren Zeitraum annähernd am gleichen Ort, das heißt an den Eckpunkten des angenäherten Quadrates, verhar­ ren. Die dargestellte Ablenkzykloide gilt für den Fall, daß die Ablenkungen A₁ von Ablenkelement 1 und A₂ von Ablenkelement 2 im Verhältnis A₁ : A₂ = 2 : 1 und die Rotationsfrequenzen ω₁ bzw. ω₂ im Verhältnis ω₁ : ω₂ = 1 : 3 stehen. Die Phasendiffe­ renz ist hier Φ = 60° und das Verhältnis der Verweildauer in den Umkehrpunkten zur Gesamtdauer einer Scanperiode, der soge­ nannte Scanwirkungsgrad, liegt bei ca. 70%. Es versteht sich, daß bei anderen Ausführungsbeispielen auch andere Zahlenverhält­ nisse, Phasendifferenzen und Scanwirkungsgrade möglich sind, ohne hierdurch den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Fig. 4 shows a cycloid deflection as it can be generated by the appropriate choice of the individual deflection angle and Rotationsge speeds with counter-rotating scanning elements. The optical beam must therefor approximately during the reversal for a longer period in the same place, i.e. at the corners of the approximate square, verhar ren. The Ablenkzykloide shown is for the case that the deflections A₁ of deflector 1 and A₂ of deflector 2 in Ratio A₁: A₂ = 2: 1 and the rotational frequencies ω₁ and ω₂ are in the ratio ω₁: ω₂ = 1: 3. The phase difference here is Φ = 60 ° and the ratio of the dwell time in the reversal points to the total duration of a scan period, the so-called scan efficiency, is around 70%. It goes without saying that other numerical ratios, phase differences and scanning efficiencies are possible in other exemplary embodiments, without thereby departing from the scope of the invention.

Die gegenläufige Rotationsbewegung der beiden Ablenkelemente läßt sich mit dem festen Verhältnis der Rotationsfrequenzen über einen einzelnen Antrieb mit abgestimmten Übersetzungsverhältnis­ sen realisieren, und zwar beispielsweise durch eine mechanische Zwangskopplung mit Hilfe von Zahnrädern, Zahnketten, Keilrie­ men und dgl.The opposite rotational movement of the two deflection elements can be determined using the fixed ratio of the rotation frequencies a single drive with a coordinated gear ratio realize sen, for example by a mechanical Forced coupling with the help of gears, tooth chains, V-belt men and the like

Claims (7)

1. Optoelektronisches Abtastverfahren, sogenanntes Mikroscan­ verfahren, bei dem die Abbildung auf einem Matrixdetektor erfolgt, und zwar mittels optischem Abtastelement, das in definierten Abtastschritten relativ zu dem interessieren­ den Bild nach Art einer Abtastschleife dergestalt verscho­ ben wird, daß die vier zueinander orthogonalen Abtastschrit­ te maximal den Abmessungen seiner Einzelelemente entspre­ chen, deren Auflösung durch die Abmessungen, ihren gegen­ seitigen Abstand und die gegenseitigen Mittelabstände gege­ ben ist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) zwei gleiche Abtastelemente mit synchronisiert gegen­ läufiger Richtung verwendet werden,
  • b) mit unterschiedlichen Rotationsfrequenzen und Ablenk­ wirkungen periodische Ablenkungen erzeugt werden und
  • c) die Orientierung des Ablenkmusters durch die Phasen­ differenz der individuellen Ablenkwirkungen definiert wird.
1. Optoelectronic scanning method, so-called microscan method, in which the imaging takes place on a matrix detector, by means of an optical scanning element that is shifted in defined scanning steps relative to the image of interest in the manner of a scanning loop such that the four mutually orthogonal scanning steps maximal correspond to the dimensions of its individual elements, the resolution of which is given by the dimensions, their mutual spacing and the mutual center distances, characterized in that
  • a) two identical scanning elements are used with synchronized in the opposite direction,
  • b) periodic deflections are generated with different rotational frequencies and deflection effects and
  • c) the orientation of the deflection pattern is defined by the phase difference of the individual deflection effects.
2. Optoelektronisches Abtastverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ab­ tastelement paarweise und mit definierten Neigungswinkeln relativ zur optischen Achse angeordnete Spiegel, optisch transparente Keile (Fig. 2a) oder optisch transparente Planplatten (Fig. 2b) verwendet werden.2. Optoelectronic scanning method according to claim 1, characterized in that from scanning element in pairs and with defined inclination angles relative to the optical axis arranged mirrors, optically transparent wedges ( Fig. 2a) or optically transparent flat plates ( Fig. 2b) are used. 3. Optoelektronisches Abtastverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ge­ genläufigen Rotationsbewegungen der beiden Abtastelemente mit Hilfe einer mechanischen Zwangskopplung synchroni­ siert werden. 3. Optoelectronic scanning method according to claim 1 and 2, characterized in that the ge smooth rotational movements of the two scanning elements with the help of a mechanical positive coupling synchroni be settled.   4. Optoelektronisches Abtastverfahren nach Patentanspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gesamtablenkung A(t) des optischen Strahls aus der vektoriellen Summe A₁sin(ω₁t) + A₂sin(ω₂t+Φ) der Ablenkungen der Einzelplatten, -spiegel oder -keile gewonnen wird.4. Optoelectronic scanning method according to claim 1 or one of the following claims, thereby ge indicates that the total deflection A (t) of the optical beam from the vectorial sum A₁sin (ω₁t) + A₂sin (ω₂t + Φ) the deflections of the individual plates, mirrors or wedges is obtained. 5. Optoelektronisches Abtastverfahren nach einem der voraus­ gehenden Patentansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einzelplatten, -spiegel oder -keile mittels individueller Ablenkwinkel und Rotations­ bewegungen angetrieben und der optische Strahl in seinen Ablenkpositionen (I, II, III, IV), die gleichzeitig seinen Umlenkpunkten entsprechen, jeweils über einen längeren Zeitraum annähernd am gleichen Ort gehalten wird (Fig. 4).5. Optoelectronic scanning method according to one of the preceding claims, characterized in that the individual plates, mirrors or wedges are driven by means of individual deflection angles and rotational movements and the optical beam in its deflection positions (I, II, III, IV), which simultaneously correspond to its deflection points, each being held approximately at the same location over a longer period of time ( FIG. 4). 6. Optoelektronisches Abtastverfahren nach Patentanspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einzelablenkungen A₁ der einen Einzelplatte und die Einzelablenkung A₂ der-anderen Einzel­ platte im Verhältnis A₁ : A₂ = 2 : 1 und die Rotations­ frequenzen ω₁ und ω₂ im Verhältnis ω₁ : ω₂ = 1 : 3 angewendet werden.6. Optoelectronic scanning method according to claim 1 or one of the following, characterized thereby records that the individual deflections A₁ one Single plate and the individual deflection A₂ of the other individual plate in the ratio A₁: A₂ = 2: 1 and the rotations frequencies ω₁ and ω₂ in the ratio ω₁: ω₂ = 1: 3 be applied. 7. Optoelektronisches Abtastverfahren nach einem der voraus­ gehenden Patentansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß von den ursprünglich zwei Abtastele­ menten nur ein einziges verwendet wird, indem es in defi­ nierten Winkelschritten in die jeweilige Ablenkposition gedreht wird.7. Optoelectronic scanning method according to one of the advance outgoing claims, characterized records that of the original two scanning elements only one is used by defi nated angular steps in the respective deflection position is rotated.
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