DE2009312C3 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft optische Abtasteinrichtungen, welche einen drehbaren, facettierten Spiegel aufweisen,
und insbesondere Abtasteinrichtungen, welche sich zur Infrarotthermographie und zur Infrarotradiometrie
eignen; außerdem sind Anwendungsmöglichkeiten derartiger Einrichtungen denkbar, bei welchen Licht mit
anderer Wellenlänge, einschließlich ultravioletten Lichtes, verwendet wird.
Thermographische Abtasteinrichtungen werden beispielsweise in der Medizin zur Bestimmung der
Verteilung der Hauttemperatur bestimmter Körperpartien eines Patienten mittels der von diesen Körperpartien
ausgesandten Infrarotstrahlung verwendet. Die auf diese Weise ermittelte Information wird beispielsweise
dazu verwendet, festzustellen, ob sich unter der Haut krebsbefallenes Gewebe befindet. Eine derartige Diagnose
ist möglich, da unter der Haut befindliches Krebsgewebe die Temperaturverteilung der darüberliegenden
Haut ändert.
Bereits bekannte Abtasteinrichtungen registrieren zusammen mit den ihnen zugeordneten Signalverarbeitungsschaltkreisen
Temperaturunterschiede durch verschiedene Grauschattierungen, d. h., weisen die Relativtemperaturen
von Hautflächenbereichen qualitativ nach. Ein derartiger Nachweis ist jedoch stark von
Interpretationsunterschieden zwischen den jeweiligen
Beobachtern abhängig. Mit Ausgangswerten, weiche auf quantitativen Messungen der Hauttemperatur beruhen,
werden derartige Nachteile vermieden. In diesem Falle sind jedoch höhere Ansprüche an die Qualität der
Ausgangssignale zu stellen, beispielsweise ist ein höheres Signalrauschverhältnis erforderlich. Das ist
aber bei bereits bekannten, derartigen Einrichtungen nur durch eine beträchtliche Verringerung der Abtastgeschwindigkeit
erreichbar, damit sich eine Verringerung der erforderlichen Bandbreite der nachgeschalteten
Signalverarbeitungsschaltkreise ergibt.
Bei bekannten derartigen Abtasteinrichtungen wird die Fühlerfläche eines Infrarotdetektors über ein
optisches System auf dem abzutastenden Gegenstand bzw. auf der abzutastenden Person abgebildet. Das
optische System weist gewöhnlich einen bzw. mehrere Planspiegel auf, welche derart bewegt werden, daß sich
ein Abtastvorgang ergibt. Gewöhnlich wird dabei zeiSenweise abgetastet, derart, daß beispielsweise ein
Ringkörper, welcher einen an seiner Außenfläche mehrfach facettierten Spiegel trägt, in Drehung versetzt
wird. Es läßt sich zeigen, daß bei praktischen Ausführungsformen derartiger Abtasteinrichtungen
aufgrund ihres speziellen Aufbaues bzw. ihrer speziellen Wirkungsweise ein wirksames Ausnutzen der Zeitspanne
jeweils zwischen dem Beginn einer jeden Teilbildabtastung nicht möglich ist. Beispielsweise wäre für einen
Abtastwinkel von 30° im Bogenmaß und einer optischen Apertur von 10 cm (beides sind typische Werte), ein
Mindestringkörperdurchmesser von 3 m erforderlich, wenn die Vignettierung nicht 25% der Gesamtabtastzeit
überschreiten soll. Die Vignettierung, welche zv einer Verminderung der Zeitausnutzung führt, wird
durch die Verschiebung der gemeinsamen Kante jeweils einander benachbarter Facetten an der optischen
Apertur vorbei hervorgerufen.
Es läßt sich weiterhin zeigen, daß die beiden im folgenden angegebenen Einschränkungen zu den
obengenannten Nachteilen führen:
1. Zur Verminderung der Vignettierung auf ein Minimum muß jede Facette viel breiter sein als die
Breite der Apertur.
2. Die Winkelversetzung eines reflektierten Lichtstrahles ist doppelt so groß wie die Winkelversetzung
des reflektierenden Spiegels, so daß zur Vermeidung eines geringen Wirkungsgrades eine
Verdoppelung der Anzahl der Facetten erforderlich ist.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine mit einem facettierten Drehspiegel versehene
Abtasteinrichtung derart zu verbessern, daß die obengenannten Einschränkungen bei derartigen Einrichtungen
weitgehend vermieden werden und sich eine Abtasteinrichtung mit verbesserter Zeitausnutzung und
damit mit Bezug auf eine bestimmte Teilbildfrequenz besserem thermischem Auflösungsvermögen ergibt.
Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung eine optische Abtasteinrichtung mit einem
drehbaren, facettierten Spiegel, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Facetten dieses Spiegels
jeweils unter dem gleichen Winkel mit Bezug auf dessen Drehachse geneigt sind, daß weiter der Spiegel im
wesentlichen inittig mit Bezug auf eine Anordnung von Abbildungselementen angeordnet ist und daß seine
Facetten jeweils auf diese Anordnung von Abbildungselementen ausgerichtet sind, welch letztere innerhalb
eines Ringkörpers angeordnet sind, der einen mit Bezug auf die Abmessungen des Spiegels großen Durchmesser
aufweist, daß ferner die Abbildungselemente derart ausgerichtet sind, daß die Reflexion der optischen Achse
eines jeden Abbildungselementes jeweils in der entsprechenden Facette in Parallelrichtung zur Drehachse
verläuft, und daß schließlich die Anordnung von Abbildungselementen um die Achse des Ringkörpers
herum synchron mit der Drehung des Spiegels derart drehbar ist, daß wiederum jedes Abbildungselement
jeweils eine Stellung durchläuft, in welcher jeweils die Reflexion seiner optischen Achse in der entsprechenden
Facette mit einer gegebenen Achse zusammenfällt.
Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Abtasteinrichtung ist jedes Abbildungselement zusammen mit der
entsprechenden Facette des Spiegels wiederum jeweils auf die Dauer eines Bruchteils einer Umdrehung
wirksam, während welcher das Abbildungselement durch die betreffende Stellung hindurchbewegt wird.
Weiterhin wird ein Flächenelement einer abzutastenden Fläche durch das Abbildungselement auf der betreffenden
Facette bzw. in der Nähe der betreffenden Facette des Spiegels abgebildet und die betreffende Stellung
dieses Flächenelementes verschiebt sich wegen der Drehung längs einer Abtastzeile. Bei der Infrarotthermographie
bzw. bei ähnlichen Anwendungsfällen wird die von der abgetasteten Fläche ausgesandte Strahlung
über das entsprechende Abbildungselement auf der betreffenden Facette empfangen und derart reflektiert,
daß sie auf einen geeigneten Detektor fällt. Bei anderen Anwendungsfällen kann der genannte optische Weg
auch umgekehrt verlaufen, derart, daß eine von einer geeigneten Lichtquelle ausgesandte und auf die
betreffende Facette gerichtete Strahlung zu dem entsprechenden Abbildungselement hin reflektiert wird
und das betreffende Flächenelement der abgetasteten Fläche »beleuchtet«.
Bei der Abtasteinrichtung nach der Erfindung ist es möglich, die beleuchtete Fläche auf der betreffenden
Facette in bezug auf die Breite der Facette klein zu halten, so daß die Auswirkung der Vignettierung
vermindert wird. Dadurch, daß Facetten verwendet werden, welche derart geneigt sind, daß der optische
Weg zum Detektor bzw. zur Lichtquelle von der betreffenden Facette aus im wesentlichen parallel zur
Drehachse verläuft, wird diejenige Einschränkung, welche sich auf die obengenannte Eigenschaft eines
Planspiegels bezieht, nämlich daß sich die Reflexionsrichtung mit dem doppelten Wert der Winkelgeschwindigkeit
des Spiegels ändert, vermieden.
Mittels einer feststehenden optischen Übertragungseinrichtung wird der Detektor bzw. die Lichtquelle auf
der betreffenden Facette abgebildet. Diese Übertragungseinrichtung weist vorzugsweise Linsen bzw.
Spiegel auf, und bei Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung auf die Infrarotthermographie wird die
Übertragungseinrichtung vorzugsweise von zwei axial versetzten Parabolspiegeln gebildet. Während jeder
Zeilenabtastung ist der beleuchtete Fleck jeweils auf diesem Spiegel einer leichten Drehung ausgesetzt und
er kann außerdem jeweils leicht verschoben sein. Während der gesamten Abtastung ist eine konstante
Apertur erwünscht. Dies wird dadurch erreicht, daß die Abbildungselemente und die Übertragungsspiegel zur
Vermeidung der Vignettierung jeweils verschieden große Aperturen aufweisen; die wirksame Apertur der
Abtasteinrichtung ist in diesem Falle die kleinere von den beiden. Vorzugsweise weisen die Übertragungsspiegel bzw. eine andere Übertragungseinrichtung die
größere Apertur auf, da die Abmessungen der
Abbildungselemente aufgrund anderer Überlegungen festgelegt sind.
Der facettierte Spiegel ist gemäß der Erfindung mit Bezug auf den Ringkörper symmetrisch angeordnet und
um die Achse des Ringkörpers drehbar. Vorzugsweise ist jedoch dieser facettierte Spiegel mit Bezug auf den
Ringkörper leicht exzentrisch angeordnet, so daß die gegebene Achse mit der Ringkörperachse zusammenfällt.
Durch diese Maßnahme wird der im vorhergehenden Abschnitt genannte Verschiebungseffekt auf ein
Minimum reduziert. Die Facetten des Spiegels sind vorzugsweise eben und um einen Winkel von 45° gegen
die Achse des Ringkörpers bzw. mit Bezug auf die Abbildungselemente geneigt, deren optische Achsen zur
Achse des Ringkörpers jeweils senkrecht verlaufen. Diese letztgenannte Art der Anordnung stellt die
günstigste bzw. wirtschaftlichste Lösung dar. Bei anderen möglichen geometrischen Anordnungen, bei
welchen keine 45°-Facetten verwendet werden, ist die Verwendung von achsversetzten, nichtsphärischen
Abbildungselementen erforderlich, was zu einer Kostensteigerung führt.
Als Abbildungselemente werden im allgemeinen Linsen verwendet. Wenn jedoch zum Sammeln
ausreichender Strahlung relativ große Aperturen erforderlich sind, wie beispielsweise im Falle der
Infrarotthermographie, so werden als Abbildungselemente
vorzugsweise Konkavspiegel verwendet, welche jeweils auf die Achse des Ringkörpers ausgerichtet sind.
Es können zwar auch sphärische Spiegel verwendet werden, jedoch werden kegelschnittförmige Spiegel
bevorzugt, da diese eine bessere räumliche Auflösung gewährleisten; beispielsweise verwendet man Axialparaboloide
bzw. Ellipsoide zum Abtasten von Flächen, welche sich in einiger Entfernung bzw. in der Nähe von
der Abtasteinrichtung befinden. Zur Erzielung der maximalen Apertur sind die Abbildungselemente
vorzugsweise derart bemessen, daß sie im wesentlichen den gesamten Umfang der Trommel besetzen.
Ein reflexierendes System, welches aus einem Planspiegel besteht bzw. welches einen Planspiegel
aufweist, ist im Inneren des Ringkörpers angeordnet und leitet das Licht zwischen der abgetasteten Fläche
und den drehbaren Abbildungsspiegeln weiter. Dieser Planspiegel ist derart verstellbar, daß sich eine
Teilbildabtastung ergibt.
Bei Verwendung der optischen Abtasteinrichtung nach der Erfindung in Infrarotthermographiegeräten ist
es günstig, eine Einrichtung vorzusehen, welche für die zugeordneten Signalverarbeitungsschaltkreise Bezugswerte liefert, so daß das vollständige Gerät in der Lage
ist, sich fortwährend selbst zu eichen. Das wird beispielsweise dadurch erreicht, daß an dem facettierten
Spiegel ein bzw. mehrere schmale, radiale »Finger« angeordnet sind, welcher bzw. welche jeweils die
gemeinsamen Kanten zweier Facetten im Bereich zwischen den betreffenden Facetten und dem Detektor
überlappen und welche eine Strahlung von bekannter Temperatur entsprechend viele Male pro Umdrehung in
din Detektor entsenden. Beispielsweise Hefen ein
zwischen jeweils zwei Facetten angeordneter Finger jeweils einen Bezugswert pro Zeilenabtastung. Bei einer
derartigen Anordnung sind die optischen Parameter vorzugsweise derart angeordnet, daß sie das Abbild des
Detektors und damit den in dem betreffenden Augenblick abgetasteten Teil der abzutastenden Fläche
von statt auf jeder Spiegelfacette tatsächlich in der Ebene des betreffenden Fingers bzw. der betreffenden
Finger fokussieren. Die Finger sind derart angeordnet, beispielsweise geneigt, daß sie eine von einer Quelle mit
festgelegter Temperatur, beispielsweise einem schwarzen Körper, ausgehende Strahlung reflektieren. Eine
derartige Anordnung dient zur Erzeugung eines unteren Temperaturbezugswertes.
Die Verschiebung des fokussierten Abbildes des Detektors von den Facetten in die Ebene der Finger
führt zu einer Vergrößerung der Fläche des auf den Facetten jeweils beleuchteten Fleckens, was wiederum
zu einem Ansteigen der Vignettierung führt. Zur Vermeidung dieser Erscheinung ist der facettierte
Spiegel vorzugsweise jeweils zwischen einander benachbarten Facetten mit schmalen Schlitzen versehen.
Die Quelle mit festgelegter Temperatur ist auf der gegebenen Achse derart angeordnet, daß die von ihr
ausgesandte Strahlung jeweils zwischen aufeinanderfolgenden Zeilenabtastungen den Detektor über einen
dieser Schlitze erreicht, während gleichzeitig das Abbild des Detektors auf die Facetten selbst fokussiert bleibt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden nichtreflektierende »schwarze« Finger verwendet,
welche eine Strahlung aussenden, deren Temperatur angenähert gleich der Umgebungstemperatur ist. In
diesem Fall ist eine Einrichtung vorgesehen, weiche die Fingertemperatur gesondert mißt und welche ein
entsprechendes Signal an die Eichschaltung liefert.
Eine weitere Bezugswerteinrichtung, welche einen oberen Temperaturbezugswert liefert, weist eine Quelle
mit festgelegter Temperatur auf, beispielsweise einen schwarzen Körper, welcher intermittierend, beispielsweise
einmal pro Teilbildabtastung, zwischen den facettierten Spiegel und die Abbildungselemente eingeführt
wird.
Die verschiedenen, oben beschriebenen Selbsteichungsanordnungen stellen zwar kein Eigenmerkmal
der angegebenen Bezugswerte dar, sie können jedoch jeweils zur Erzielung von oberen, unteren bzw.
Zwischenbezugswerten verwendet werden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im folgenden auf die als Beispiele dienenden Zeichnungen Bezug genommen, welche im einzelnen zeigen:
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im folgenden auf die als Beispiele dienenden Zeichnungen Bezug genommen, welche im einzelnen zeigen:
F i g. 1 und 2 in perspektivischer Darstellung schematisch eine Ausführungsform der Erfindung, welche zur
Erläuterung des optischen Prinzips dient,
Fig.3 zum Teil im Schnitt eine Seitenansicht einer
Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV gemäß der Darstellung in F i g. 3 und
F i g. 5 teilweise im Schnitt in perspektivischer Darstellung Einzelheiten einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
In F i g. 1 ist ein oben offener Ringkörper 1 dargestellt, welcher von einem Motor 2 in fortwährende
Drehung versetzt wird. Auf der Innenseite des Ringkörpers sind zwölf rechtwinkelige Abbildungsspiegel
3 angebracht, welche jeweils auf die Achse des Ringkörpers 1 ausgerichtet sind. Jedem der Spiegel 3
liegt an der Ringkörperachse jeweils ein Winkel von 30° gegenüber. An dieser Achse ist ein zwölffach facettierter
Spiegel 4 derart angebracht, daß er sich mit dem
Ringkörper 1 zusammen dreht Jede der Facetten isi eben und liegt jeweils an der den Spiegeln 3
zugeordneten Achse jeweils einem der Spiegel 3
<'* gegenüber. Die Facetten sind jeweils um einen Winkel
von 45° gegen die Ringkörperachse derart geneigt, daO
von den Abbildungsspiegeln 3 ausgehendes Licht vor dem Spiegel 4 in Parallelrichtung zur Ringkörperachse
auf einen feststehenden Übertragungsspiegel 5 reflektiert wird. Von diesem Übertragungsspiegel 5 aus
gelangt das Licht zu einem feststehenden Übertragungsspiegel 6 und von diesem aus zu einem
Brennpunkt an einem Fühlelement T eines Infrarotdetektors 7.
Die abzutastende Fläche, beispielsweise ein menschlicher Körperteil, ist gemäß der Darstellung in F i g. 1
durch ein Rechleck 8 dargestellt. Von dieser Rechteckfläche 8 ausgehendes Infrarotlicht erreicht die einzelnen
Spiegel 3 wiederum über zwei Planspiegel 9 und 10, welche gemeinsam ein Periskop bilden und welche
bewirken, daß das Licht den Innenraum des Ringkörpers 1 erreicht. Die Abschattungswirkung bzw. die
Vignettierung ilss Spiegels 4 und seiner Befestigung,
welch ietztere in der Bahn des Lichtes iiegen, bewirkt einen Lichtverlust von nur wenigen Prozent. Wenn der
Ringkörper 1 rotiert, so nimmt jeder Spiegel 3 einmal die Stellung des Spiegels 3' ein und empfängt damit über
die Spiegel 9 und 10 eine von der Fläche 8 ausgehende Strahlung.
Die feststehenden Spiegel 5 bzw. 6, welche jeweils von achsenversetzten Teilen parabolischer Flächen
gebildet sind, erzeugen jeweils ein Abbild des Fiihlelementes T auf aufeinanderfolgenden Facetten
des Spiegels 4. Dieses Abbild kann als durch die Spiegel 3', 10 und 9 auf die Fläche 8 reflektiert angesehen
werden, wobei der Spiegel 3' die Aufgabe hat, ein weiteres Abbild des Elementes T auf der Fläche 8 zu
erzeugen. Die optischen Parameter des Systems steuern die relative Größe des Elementes T und seiner Abbilder
auf den Facetten 4 und der Fläche 8 gemäß den bekannten Gesetzen der geometrischen Optik. Wenn
sich die einzelnen Spiegel 3 auf Grund der Drehung des Ringkörpers 1, was durch einen Pfeil 11 angedeutet ist,
jeweils durch das Sichtfeld der Spiegel 9 und 10 an der Stelle 3' hindurchbewegen, so verschiebt sich das Abbild
des Fühielementes T über die Fläche 8 hinweg derart, daß eine Zeilenabtastung erzeugt wird, was durch einen
Pfeil 12 angedeutet ist. Während dieser Zeilenabtastung jeweils aufeinanderfolgend eingenommene Stellungen
des Abbildes auf der Fläche 8 sind durch eine Bezugsziffer 13 angedeutet. Jedem Fachmann ist klar,
daß von diesen aufeinanderfolgenden Stellungen ausgehende Infrarotstrahlung jeweils dann von dem Fühlelement
7 empfangen wird, wenn sich der Spiegel 3' um einen Bogen von 30° weiterdreht.
Da zwölf Spiegel 3 und zwölf Facetten auf dem Spiegel 4 vorhanden sind, werden pro Umdrehung des
Ringkörpers 1 zwölf Zeilen abgetastet. Eine Teilbildabtastung wird dadurch bewirkt, daß der Spiegel 10
fortschreitend um eine Mittelachse geneigt wird, was durch einen Pfeil 14 angedeutet ist. Auf diese Weise
werden aufeinanderfolgende Abtastzeilen über die Fläche 8 hinweg in Richtung eines Pfeiles 15
verschoben. Das Verstellen bzw. Neigen des Spiegels bewirkt ein in F i g. 1 nicht dargestellter Nocken,
welcher über ein geeignetes Getriebe von einer den Ringkörper 1 antreibenden Welle angetrieben wird.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind die optischen Parameter derart gewählt, daß bei Verwendung eines Detektors 7, welcher ein Fühlelement T mit
einer wirksamen Fläche von 0,5 mm' aufweist, dessen
Abbild an aufeinanderfolgenden Stellen 13 auf der Fläche 8 jeweils 3 mm2 in einer Entfernung von 108 cm
vom Spiegel 3' beträgt Jeder 30°-Spiegel 3 ist ein goldplattiertes Kunststoffellipsoid jeweils mit einer
Breite von 10 cm und einer Höhe von 11 cm, wodurch
sich ein Ringkörperradius von 18 cm ergibt, welch letzterer außerdem angenähert gleich dem rückwärtigen
Brennpunktabstand jeweils der Spiegel 3 ist. Die beiden identischen achsenversetzten Parabolspiegel 5
bzw. 6, welche ebenfalls jeweils aus goldplattiertem Kunststoff gebildet sind, weisen angenähert eine
Brennweite von 16 cm auf und bewirken ein Vergrößerungsverhältnis von I : 1 zwischen dem Spiegel 4 und
dem Fühlelement T.
Die Spiegel 3 könnten zwar jeweils sphärisch sein, es ist jedoch bei den relativ kleinen Brennverhältnissen
(etwa f/1.5) der Spiegel 3 mit kegelschnittförmigen Spiegeln ein besseres räumliches Auflösungsvermögen
erzielbar. Im Falle von abzutastenden Flächen, welche sich relativ nahe bei der Abtasteinrichtung befinden, wie
beispielsweise in F i g.!, sind diese kegelschnittförmigen Spiegel Ellipsoide von geeigneter Exzentrizität, was
oben bereits beschrieben ist. Bei anderen Ausführungsformen, welche zur Abtastung relativ entfernt liegender
Flächen erforderlich sind, ist die Exzentrizität der Spiegel 3 entsprechend größer; die Spiegel 3 werden
schließlich zu Axialparaboloiden, was in der Optik bestens bekannt ist.
Das Übersetzungsgetriebe des Teilbildspiegels 10 bewirkt, daß jeweils während neun Umdrehungen des
Ringkörpers 1 jeweils 108 Zeilen abgetastet werden, wobei jedoch zwei Drittel einer Umdrehung (entsprechend
acht Zeilen) für die Rücklaufbewegung des Spiegels verwendet werden, so daß 100 Zeilen für den
Teilbildraster übrigbleiben. Der prozentuale Teilbild-Zeitausnutzungsgrad beträgt damit 92,6%. Der Ringkörper
1 weist eine Drehzahl von 9 Umdrehungen/s auf, so daß sich eine Teilbildfrequenz von 1 Teilbild/s ergibt.
Die Teilbildabtastung, welche durch den Spiegel 10 bewirkt wird, beträgt 20°, so daß sich mit der
Zeilenabtastung von 30° Teilbildabmessungen von 45 cm χ 30 cm auf der Fläche 8 ergeben. Wie bereits
beschrieben, weist das Abbild des Detektorelementes T auf der Fläche 8 einen Durchmesser von 3 mm auf, so
daß pro Zeilenabtastung 150 Stellungen (13) aufgelöst werden können.
Die Medianbreite der 45°-Facetten des Spiegels 4 beträgt 8,28 mm und der Mittelpunkt der einzelnen
Spiegelfacetten ist jeweils 16 mm von der Ringkörperachse entfernt. Bei einem 0,5 mm2-Auflösungsvermögen
und einem auf die Facettenoberfläche fokussierten Abbild sind nur 6% der Zeilenabtastung durch die
Facettenkanten vignettiert, woraus sich ein maximal unvignettierter Abtastwirkungsgrad von 94% ergibt.
Der gesamte prozentuale Teilbild-Zeitausnutzungsgrad beträgt bei der oben beschriebenen Geometrie der
Anordnung deshalb nur 87%. Dieser Wert wird durch eine im folgenden noch ausführlicher beschriebene
Selbsteichungseinrichtung etwas vermindert
SS Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Abtasteinrichtung im Infrarotbereich ist es günstig, wegen der
hohen Kosten von Infrarotbrechungselementen (Linsen) und wegen der in diesen bei Infrarotwellenlängen
auftretenden Verluste ausschließlich reflektierende optische Elemente, wie beschrieben, zu verwenden. Bei
Verwendung reflektierender metallischer Oberflächen (beispielsweise Gold) sind die Verluste äußerst gering.
Bei der bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung werden zwar goldplattierte Kunststoff spiegel
<>5 verwendet, welche durch entsprechende Vervielfältigungsverfahren hergestellt werden, es können jedoch
auch andere Arten von Spiegeln verwendet werden. Bei Anwendungsfällen im Bereich sichtbaren Lichtes
eignen sich jedoch optische Brechungselemente. Zu diesem Zweck wird jeder Spiegel 3 durch eine Linse von
geeigneter Brennweite ersetzt und die Periskopspiegel 9 und 10 sind nicht mehr erforderlich, da die »Wandung«
des Ringkörpers in diesem Falle lichtdurchlässig ist. Normalerweise wird jedoch ein in der Bahn des Lichtes
angeordneter, neigbarer Spiegel zur Erzeugung der Teilbildabtastung verwendet. Die abgetastete Fläche ist
dabei selbstverständlich gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Richtung um 180° versetzt angeordnet.
Die Übertragungsspiegel 5 und 6 können dabei ebenfalls durch ein Linsensystem ersetzt sein.
Für die Selbsteichung der Signalverarbeitungsschaltkreise wird dem Detektor 7 zweckmäßigerweise eine
Strahlung von bekannter Temperatur intermittierend zugeführt. Gemäß der Darstellung in F i g. 2 ist deshalb
der Spiegel 4 an seinem schmaleren Ende mit einem Fingerteil 16 versehen. Jeder »Finger« überlappt jeweils
die gemeinsame Kante von jeweils zwei Spiegelfacetten. Die Finger sind jeweils 1 mm breit und weisen
jeweils eine reflektierende Oberfläche auf, von welcher aus eine von einer Quelle 18 ausgehende und von einer
Germaniumlinse 17 fokussierte Strahlung, welche eine festgelegte, bekannte Temperatur aufweist, zu dem
Detektor 7 hin reflektiert wird. Zu diesem Zweck sind die Finger gegenüber der optischen Achse entsprechend
geneigt, gemäß der Darstellung in F i g. 2 abwärts. Der Brennpunkt des Abbildes auf dem Spiegel 4 fällt
nicht exakt mit der Facettenoberfläche zusammen, sondern befindet sich in einer dem Fingerteil 16
benachbarten Ebene, welche in Fig.2 durch eine Bezugsziffer 19 angedeutet ist. Die Proportion der
Facette, welche von einem von dem Spiegel 3 ausgehenden Strahl beleuchtet ist, wird dadurch zwar
etwas vergrößert, jedoch wird die Vignettierung dadurch nicht beträchtlich größer. Der Zeilenabtastung-Zeitausnutzungsgrad
vermindert sich von 94% unvignettiert auf 88% vignettiert bzw. 82% unvignettiert, so
daß sich ein Teilbild-Gesamtzeitausnutzungsgrad (unvignettiert) von 76% ergibt. Das mit Fingern versehene
Teil und die Quelle 18 erzeugen demgemäß einmal pro Abtastzeile eine untere Bezugstemperatur. Eine obere
Bezugstemperatur wird durch eine in den Zeichnungen nicht dargestellte Solenoideinrichtung erzeugt, mittels
welcher einmal pro Teilbild während der achtzeiligen Rücklaufperiode eine Quelle mit festgelegter Temperatur
in den optischen Weg zwischen dem Spiegel 3' und dem Spiegel 4 in der Nähe des letztgenannten
eingeführt und damit das von der Fläche 8 ausgehende Signal abgeblockt wird. Demzufolge empfängt der
Detektor 7 während der Rücklaufperiode ein Signal, welches sich zwischen den oberen und unteren
bekannten Temperaturgrenzen ändert und welches von den Signalverarbeitungsschaltkreisen in bekannter
Weise zur Selbsteichung ihrer Empfindlichkeit verwendet wird. Ebenso wie die Spiegel 5, 6, 9 und 10, der
Detektor 7 und die Quelle 18 dreht sich die durch die Solenoideinrichtung eingeführte Bezugswertquelle
nicht mit dem Ringkörper 1. Die oberen bzw. unteren Temperaturgrenzen, welche bei Anwendung in der
Medizin von Interesse sind, betragen 37°C bzw. 27°C.
Synchronisierende Impulse für die Signalverarbeitungs- und Signalwiedergabeschaltkreise werden von
zwölf polierten, in Fig.2 nicht dargestellten Facetten
geliefert, welche an den Spiegeln 3 befestigt sind und welche das von einer Lichtquelle ausgesandte Licht auf
eine Fotodiode reflektieren. Es können dafür jedoch auch andere Anordnungen verwendet werden, beispielsweise
jeweils einem der Spiegel 3 zugeordnete Zapfen bzw. Plättchen, welche einen Lichtstrahl
unterbrechen.
Die Signalverarbeitungs- und Signalwiedergabeschaltkreise weisen einen Analog-Digitalumsetzer auf,
welcher in bekannter Weise das von dem Detektor 7 gelieferte analoge Signal abtastet, logische Schaltkreise,
eine Gruppe von Schaltkreisen, welche die Digitalwerte in Zeichen umwandeln, und schließlich eine Fernsehröhre,
welcher eine Zeitbasis entsprechend der Teilbildbzw. Zeilenabtastung zugeführt wird und welche jedes
Zeichen in derjenigen Stellung auf dem Bildschirm wiedergibt, welche der dem Zeichen entsprechenden
Stellung auf der Fläche 8 entspricht. Bei einer Ausführungsform der Erfindung versinnbildlichen die
auf dem Bildschirm wiedergegebenen Zeichen in Schritten von jeweils 0,20C Temperaturen zwischen
27°Cund37°C.
In den Fig. 3 und 4 ist die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung unter
Verwendung der gleichen Bezugsziffern mehr ins einzelne gehend dargestellt. Die Spiegel 5, 6, 9 und 10
sind jeweils an einem Rahmen 20 angebracht, welcher an Bolzen 21 auf einer festen Grundplatte 22 befestigt
ist, durch welch letztere von einem Motor 2 aus eine Welle 23 hindurchragt. Der Rahmen 20 ist derart mit
einer Öffnung 24 versehen, daß eine von den Spiegeln 3 ausgehende Strahlung den Spiegel 10 erreicht. Ein
undurchsichtiges Gehäuse 25, welches auf der Grundplatte 22 befestigt ist, ist mit einem abnehmbaren
Deckel ausgestattet und derart mit einer öffnung 26 versehen, daß eine von der abgetasteten Fläche
ausgehende Strahlung den Spiegel 9 erreicht.
An dem Rahmen 20 ist ein Nocken 27 angeordnet, welcher von der Welle 23 über ein Rädergetriebe 28
angetrieben wird und welcher mit einer Rolle am Spiegel 10 derart zusammenwirkt, daß letzterer zur
Erzielung der Teilbildabtastung um eine Anlenkstelle 30 geneigt wird.
Der Detektor 7 ist zwar in F i g. 3 nicht sichtbar, er ist jedoch hinter einem Teil 31 in einer durch gestrichelte
Linien angedeuteten Stellung einstellbar an dem Rahmen 20 befestigt. Die Fühlfläche des Detektors 7 ist
dabei um 1,5 cm gegenüber dem Durchmesser des Ringkörpers 1 in der Zeichenebene in Richtung auf den
Beobachter zu versetzt.
Die Spiegelfacetten, mittels welchen die Zeilensynchronisierimpulse
erzeugt werden, sind an Stellen 32 in Fig.3 dargestellt. Die diesen Spiegelfacetten zugeord-
nete Lichtquelle und die Fotodiode sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Eine polierte Facette 33,
welcher eine Lichtquelle 34 und eine Fotodiode 35 zugeordnet sind, ist derart an dem Nocken 27 befestigt,
daß Teilbildsynchronisierimpulse erzeugt werden. Die Facetten 31 können durch an geeigneter Stelle
angebrachte Zapfen bzw. Plättchen ersetzt sein, welche einen Lichtstrahl unterbrechen. Zum Abnehmen synchronisierender
Signale von einer rotierenden Welle bzw. von einem rotierenden Körper können jedoch
auch andere bekannte Anordnungen verwendet werden.
Derartige alternative Anordnungen können außerdem die Facette 33, die Lichtquelle 34 und die Fotodiode 35
ersetzen.
Gemäß der Darstellung in den F i g. 3 und 4 weist ein Fingerteil 16' nichtgeneigte schwarze Finger auf, welche
jeweils mit von der Umgebung abhängiger Temperatur strahlen und welchen in den Zeichnungen nicht
dargestellte thermometrische Einrichtungen zugeord-
net sind, welche ihrer jeweiligen Temperatur entsprechende Signale liefern. In bezug auf Fig. 2 ist bereits
gesagt worden, daß als weitere Ausführungsform jeweils geneigte reflektierende Facetten verwendet
werden können, welchen eine Quelle mit festgelegter Temperatur zugeordnet ist.
Eine weitere Alternativanordnung wird bei der in Fig. 5 dargestellten Abtasteinrichtung nach der Erfindung
verwendet, bei welcher zur Bezeichnung jeweils mit Bezug auf die F i g. I bis 4 gleiche Teile jeweils mit
gleichen Bezugsziffern versehen sind. In diesem Fall ist
die Achse des Ringkörpers 1 horizontal angeordnet. Durch diese Anordnung ergibt sich eine Vereinfachung
des optischen Systems, da der Spiegel 9 entfällt. Eine Drehung des Ringkörpers 1 um seine Achse ruft
wiederum eine horizontale Zeilenabtastung hervor. Der Spiegel 10 ist ebenfalls um eine horizontale Achse
derart neigbar, daß sich wie vorher eine Teilbildabtastung ergibt. Der facettierte Spiegel 4' ist in diesem Fall
mit Bezug auf den Ringkörper 1 nicht koaxial angeordnet, sondern an einer horizontalen Welle 36
befestigt, deren Achse zwar parallel zur Achse 37 des Ringkörpers 1 verläuft, jedoch gegenüber dieser ein
wenig vertikal aufwärts versetzt ist. Ein in den Zeichnungen nicht dargestelltes, zwischen der Welle 36
und dem Ringkörper 1 angeordnetes Zwischengetriebe bewirkt, daß sich die Welle 36 synchron mit dem
Ringkörper 1 dreht. Die obengenannte Achsenversetzung des Spiegels 4' ist derart bemessen, daß dann, wenn
sich die einzelnen Abbildungsspiegel 3 jeweils durch ihre unterste Stellung 3' hindurchbewegen, die entsprechende
Facette des Spiegels 4' jeweils die Achse 37 »schneidet.« Wenn sich demgemäß die einzelnen
Spiegel 3 jeweils nacheinander durch die Stellung 3' hindurchbewegen, sind sie jeweils mit der entsprechenden
Facette des Spiegels 4' wirkungsmäßig derart verbunden, daß sich eine Zeilenabtastung ergibt. Bei
dieser Art der Anordnung werden die einzelnen Spiegel 3 während der Zeilenabtastung an sämtlichen Punkten
axial eingesetzt, so daß die Restdegradation des räumlichen Auflösungsvermögens jeweils an den Enden
der Zeilenabtastung verhindert wird, weiche bei den oben beschriebenen Anordnungen auftritt, bei welchen
der facettierte Spiegel 4 jeweils exakt koaxial mit Bezug auf den Ringkörper 1 angeordnet ist.
Zur Erzeugung einer unteren Bezugstemperatur jeweils einmal pro Zeile sind in dem facettierten Spiegel
4' schmale Radialschlitze 38 gebildet, welche jeweils zwischen zwei einander benachbarten Facetten angeordnet
sind. Eine geeignete Strahlungsquelle 39 ist auf der Achse 37 derart angeordnet, daß jeweils zwischen
aufeinanderfolgenden Zeilenabtastungen die von der Quelle 39 ausgesandte Strahlung durch einen der
Schlitze 38 längs der Achse 37 in der gleichen Richtung wie die von dem Spiegel 3' ausgehende Strahlung
hindurchgelangt, welch letztere während einer Zeilenabtastung durch die betreffende Facette des Spiegels 4'
reflektiert ist. Diese Strahlung wiederum wird mittels der Übertragungsspiegel 5 und 6 auf den Detektor 7
gerichtet Die beschriebene Bezugswertanordnung ist derart ausgebildet daß das Fühlelement des Detektors 7
jeweils exakt auf die Facetten des Spiegels 4' abgebildet wird, so daß sich minimale Vignettierungseffekte
ergeben. Bei dieser beschriebenen Anordnung sind die beleuchteten Flecken jeweils auf den Übertragungsspiegeln 5 und 6 während einer Zeilenabtastung nicht
nennenswert verschoben. Sie sind jedoch einer leichten Drehung ausgesetzt und die Betrachtungen, welche
oben mit Bezug auf die Relativgrößen der Aperturen der Spiegel 3 sowie der Spiegel 5 und 6 angestellt
worden sind, gelten auch hier.
Zur Erzeugung einer oberen Bezugstemperatur weist die Abtasteinrichtung nach der Erfindung eine weitere
Strahlungsquelle 40 auf, welche an einer Platte 41 befestigt ist, die mittels einer in Fig. 5 nicht
dargestellten Solenoideinrichtung parallel zur Achse des Ringkörpers 1 verschiebbar ist. Die Quelle 40 wird
ίο während jeder Teilbildrücklaufperiode in eine Stellung
unmittelbar unterhalb des Spiegels 4; verschoben und während jeder Teilbildabtastung zurückgezogen. Es sei
hier festgestellt, daß diese Art der Anordnung die gleiche ist wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung, welche jedoch in den F i g. 1 bis 4 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt
worden ist.
Bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die optische Übertragungseinrichtung weggelassen und
der Detektor bzw. die Lichtquelle in der Nähe des facettierten Spiegels angebracht sein; das Abbild der
abgetasteten Fläche wird dabei auf den Lichtdetektor bzw. auf die Lichtquelle fokussiert. Das hat jedoch einen
Leistungsverlust zur Folge. Bei einer derartigen Anordnung stellt sich heraus, daß die wirksame Apertur
durch die Abschattungswirkung des Detektors bzw. der Lichtquelle vermindert und die Vignettierung deshalb
vergrößert wird, weil das Abbild nicht auf den Facetten selbst erzeugt wird (vgl. die Verwendung von »Fingern«
17, welche oben beschrieben sind). Wenn zur Verminderung der Abschattung der Detektor bzw die Lichtquelle
weiter entfernt von dem facettierten Spiegel angeordnet ist, so ergibt sich damit eine entsprechende
Vergrößerung der beleuchteten Flecken auf den einzelnen Facetten und damit ein weiteres Ansteigen
der Vignettierung. Eine derartige Anordnung wird deshalb dann nicht gewählt, wenn ein maximales
thermisches Auflösungsvermögen erforderlich ist.
Mit Bezug auf die Anordnung des Detektors bzw. der Lichtquelle ergeben sich weitere Abwandlungsmöglichkeiten.
Demgemäß sei vorausgesetzt, daß die optische Achse desjenigen Lichtes, welches den facettierten
Spiegel zum Detektor hin verläßt bzw. welches sich dem facettierten Spiegel von der Lichtquelle her nähert,
parallel zur Achse des die Abbildungselemente tragenden Ringkörpers verläuft. Die übrige Lichtbahn
zwischen dem facettierten Spiegel und dem Detektor bzw. der Lichtquelle kann in irgendeiner beliebigen
Weise und Richtung ausgerichtet sein, d. h. die Bahn desjenigen Lichtes, welches sich dem Detektor nähert
bzw. welches die Lichtquelle verläßt, muß nicht achsparallel verlaufen. Bei Verwendung eines lndiumantimonid-lnfrarotdetektors
bzw. eines Detektors mit dotiertem Germanium ergibt sich eine Beschränkung der Anordnung bzw. der Ausrichtung des Detektors
daraus, daß flüssiger Stickstoff zugeführt werden muß, welcher bei derartigen Detektoren normalerweise als
Kühlmittel verwendet wird. Bei anderen bekannten Arten von Infrarotdetektoren ist ein derartiges
In demjenigen Fall jedoch, in welchem ein derartiges Kühlmittel erforderlich ist, kann die in F i g. 1 dargestellte Ausführungsform der Erfindung derart abgeändert
werden, daß beispielsweise an der Stelle, welche in
F i g. 1 von dem Fühlelement T eingenommen wird, ein
Spiegel angebracht ist, welcher das Licht zu einem Detektor hin reflektiert welcher an einer anderen Stelle
horizontal angeordnet ist. Alternativ kann der Spiegel 5
und/oder 6 derart ausgerichtet sein, daß die Bahn des Lichtes zwischen dem Spiegel 6 und dem Fühlelement T
irgendeine beliebige, günstige Ausrichtung aufweist.
Die oben beschriebene Abtasteinrichtung nach der Erfindung ist mit einer Bereichssucheinrichtung (in de«
Figuren nicht dargestellt) versehen, welche die Genauigkeit der Fokussierung gewährleistet Eine derartige Bereichssucheinrichtung kann beispielsweise zwei
Strahlen sichtbaren Lichtes aufweisen, welche im Mittelpunkt der Gegenstandsebene 8 zusammentreffen.
Die Signalverarbeitungs- und Signalwiedergabeschaltkreise können beispielsweise derart ausgelegt
sein, daß die Wiedergabe digitaler Temperaturwerte nur für einen bestimmten Teil der Fläche 8 und nicht für
die gesamte Fläche erfolgt.
Claims (15)
1. Optische Abtasteinrichtung mit einem drehbaren, facettierten Spiegel, dadurch gekennzeichnet,
daß die Facetten dieses Spiegels (4) jeweils unter dem gleichen Winkel mit Bezug auf
dessen Drehachse geneigt sind, daß weiter der Spiegel im wesentlichen mittig mit Bezug auf eine
Anordnung von Abbildungselementen (3) angeordnet ist und daß seine Facetten jeweils auf diese
Anordnung von Abbildungselementen ausgerichtet sind, welch letztere innerhalb eines Ringkörpers (1)
angeordnet sind, der einen mit Bezug auf die Abmessungen des Spiegels großen Durchmesser
aufweist, daß ferner die Abbildungselemente derart ausgerichtet sind, daß die Reflexion der optischen
Achse eines jeden Abbildungselementes jeweils in der entsprechenden Facette in Parallelrichtung zur
Drehachse verläuft, und daß schließlich die Anordnung von Abbi/dungselemenien um die Achse des
Ringkörpers herum synchron mit der Drehung des Spiegels derart drehbar ist, daß wiederum jedes
Abbildungselement jeweils eine Stellung durchläuft, in welcher jeweils die Reflexion seiner optischen
Achse in der entsprechenden Facette mit einer gegebenen Achse zusammenfällt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Facetten eben und außerdem um
einen Winkel von 45° gegen die Achse des Ringkörpers (1) geneigt sind und daß jeweils die
optischen Achsen der Abbildungselemente (3) zur Achse des Ringkörpers senkrecht verlaufen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungselemente (3)
Konkavspiegel sind, welche jeweils auf die Achse des Ringkörpers ausgerichtet sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konkavspiegel (3) kegelschnittförmig
sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Planspiegel (10) innerhalb
des Ringkörpers derart angeordnet ist, daß er Licht zwischen einer abgetasteten Fläche (8) und den
Konkavspiegeln (3) überträgt.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Planspiegel (10) um eine zur Achse
des Ringkörpers (1) senkrechte Achse derart neigbar ist, daß sich eine Teilbildabtastung ergibt.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Detektor (7), welcher
auf Infrarotstrahlung anspricht und welcher derart angeordnet ist, daß er eine von den Abbildungselementen
(3) auf den facettierten Spiegel (4) gerichtete und durch den facettierten Spiegel längs der
gegebenen Achse reflektierte Strahlung empfängt.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine optische Übertragungseinrichtung (5, 6),
welche zwischen dem facettierten Spiegel (4) und dem Detektor (7) derart angeordnet ist, daß sie ein
Fühlelement (7') des Detektors auf den Facetten oder in der Nähe der Facetten abbildet.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Übertragungseinrichtung
(5, 6) eine größere Apertur als die einzelnen Abbildungselemente (3) aufweist.
10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung
(5, 6) von zwei achsenversetzten Parabolspiegeln gebildet ist
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
gekennzeichnet durch eine Bezugswerteinrichtung
(16, 17, 18), mittels welcher eine Strahlung von bekannter Temperatur intermittierend auf den
Detektor (7) gerichtet wird.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bezugswerteinrichtung (16,
ίο 17, 18) eine Quelle, welche eine Strahlung mit
festgelegter Temperatur aussendet und eine Einrichtung aufweist, mittels welcher diese Quelle in eine
bestimmte Stellung bzw. aus einer bestimmten Stellung zwischen dem facettierten Spiegel (4) und
den Abbildungselementen (3) derart hinein bzw. heraus verschiebbar ist, daß die Strahlung der Quelle
längs der gegebenen Achse durch den facettierten Spiegel reflektiert wird.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugswerteinrichtung (16,
17, 18) noch eine weitere Quelle aufweist, welche eine Strahlung von festgelegter Temperatur aussendet
und welche auf der gegebenen Achse angeordnet ist, und daß der facettierte Spiegel (4) mit schmalen
Schlitzen jeweils zwischen einander benachbarten Facetten versehen ist, so daß die Strahlung aus
dieser Quelle den Detektor (7) über diese Schlitze erreicht.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der facettierte Spiegel
(4) mit Bezug auf den Ringkörper (1) symmetrisch angeordnet und um die Achse des Ringkörpers
drehbar ist.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß der facettierte Spiegel
(4) mit Bezug auf den Ringkörper (1) derart exzentrisch angeordnet ist, daß die gegebene Achse
mit der Ringkörperachse zusammenfällt.
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