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Optisches System Die Erfindung betrifft ein System zum mechanischen
Abtasten eines Bildes, das mit Hilfe eines Objektivs erzeugt worden ist und von
einem Bildempfänger empfangen werden soll.
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Es ist bekannt, einen Gegenstand in einem bestimmten Bereich dadurch
abzutasten, daß in der Mitte einer Ebene, in der ein Bild des Gegenstandes von einem
Objektiv erzeugt werden soll, eine Bildenöffnung von geeigneter Größe angeordnet
und ein Bildempfänger vorgesehen wird, zweischen der Abbildungsebene und der Objektiv
ein ebener Spiegel und/oder ein polyederförmiger Reflektor angeordnet werden, und
dem ebenen Spiegel eine hin- und hergehende Bewegung bzw. dem polyederförmigen Reflektor
eine Drehbewegung erteilt wird. in dem üblichen Verfahren treten jedoch Schwierigkeiten
im Zusammenhang mit der Ebenflächigkeit des Bildes aufO Ferner muß das rotierende
polyederförmige Element unerwünscht groß sein, wenn das Bild in einem relativ großen
Bereich abgetastet werden soll.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Systems,
das einen Bildenfanger zum empfang eines fokassierten Bildes besitzt und in dem
selest beim Astasten des Bildes in einem relativ großen Bereich keinerlei Schwierigkeiten
hinsichtlich der Ebenflächigkeit des Bildes auftreten.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines
derartigen Systems, in dem ein kleineres rotierendes Element verwendet werden und
daher ganze System kreinere Abmessungen haben kann.
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Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Erh@-hung der
Drehzahl des rotierenden Polyeders und eine Vergrößerung der Abtastzeilenfrequenz
oderder Bildfrequenz zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wira in einem Verfahren zum mechanischen Abtasten
eines von einem Objektiv erzeugter Bildes durch Drehen eines polyederförmingen,
reflektierenden Elements ein von einem Gegenstand kommendes Strahlenbündel von einem
Tei@ des optischen Systems in ein Parallelstrahlenbündel amgewandelt, in dessen
Strahlengang das polyederförmingen Element angeordnet ist, welches das darauffallende
Parallelstrahlenbündel reflektiert, das dann von einen Abbildungsobjektiv Fomussiert
wird. Auf diese Weise kann die Ebenflächigkeit des erzeugten Bildes verbessert und
die Größe des polyederförmingen Elements beträchtlich herabgesetzt werden.
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Zum besseren Verständnis des Erfindungsgegendtandes wird dieser nachstehend
anhand der beigefügten Zeichnungen aus-Führlich beschrieben. In diesen zeigt Fig.
1 in einer Seitennansicht schematisch ein übliches System und
Fig.
2 das System nach fig. 1 in einer Draufsicht.
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Fig. 3 und 4 zeigen in großeren @aßstab in Draufsicht einen Teil des
System nach fig 1 und 2 zur Erläuterung seiner Wirchesweisse.
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Fig. 5 erlantert in einer schematischen Darstellung das Füinzig eines
erfindungsgenäß verwandeten afokalen Systems.
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Fig. 6 zeigt schematisch in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung, Fig. 7 ebenfahis schematischen Draufsicht ein weiteres Ausfürungsbeispiel
der Erfindung und Fig. 8 schematisch in Draufsicht ein drttes Ausfürungsbeispielder
Erfindung.
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Fig. 1 und 2 zeigt ein bekanntes reflektierendes optisches System,
doch kann ansselbe Prinzip auch auf ein lichtbrechendes optisches System angewandet
werden. Das in Fig. 1 und 2 carrastellte optische System besitzt einen Hohlspiegel
1 a und einen ersten Spiegel 1 mit einer Blendenöffnung 4.
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Das von den ersten Spiegel 1 fokussierte Strahlenbündel R wird von
einen ebanen zweiten Spiegel 2 reflektiert und tritt durch die Blendenöffnung4 des
ersten Spiegels 1. In dem Strahlengang des durch die Blendenöffnung 4 getreten Strahlenbündels
ist ein polyederförmiges Element 5 angeordnet, das von menrenen ebenen reflektierenden
Flachen 6 umgeben ist. Das von einer der reflektierenden Flachen 6 reflektierenden
Strahlenbündel erzeugt in einer geeignet bemessenen Öffnung 7 ein Billä, das von
einem Bildempfänger 8 empfangen
wird. Der zweite Spiegel 2 schwingt
um eine horizontale Achse 3, die durch den Schnittpunkt der optischen Achse mit
der reflektierenden Fläche dieses Spiegels 2 geht und zu der optischen Achse rechtwinklig
ist0 Das polyederförmige Element 5 dreht sich in der Richtung des Pfeils um eine
vertikale Achse 5 aO lIa-n erkennt daher, daß das von dem Gegenstand kommende Strahlenbündel
in der vertikalen und horizontalen Richtung abgetastet wird.
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Wenn in einem derartigen optischen System der optische Abstand zwischen
der Blendenöffnung 4 in dem ersten Spiegel 1 und der Öffnung 7, in welcher das BilCt
erzeugt wird, zu groß wird, muß der zweite Spiegel 2 sehr groß oder der Abstand
zwischen dem ersten Spiegel 1 und dem zweiten Spiegel 2 klein sein, wenn das System
eine hohe Lichtstärke hat, bzw.
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die zentral in dem gewölbten Spiegel 1 angeordnete Blendenöffnung
relativ groß ist. Daher müssen die Blendenöffnung 4 des ersten Spiegels 1 und die
Öffnung 7 in einem relativ kurzen Abstand voneinander angeordnet werden und müssen
die reflektierende fläche 6 des rotierenden Elemente 5 uns die Öffnung 7 in einem
noch kleineren Abstand voneinander angeordnet werden, Bei einem so kleinen Abstand
zwischen der reflektierenden Fläche 6 des rotierenden Elements 5 und der Öffnung
7 treten folgende Nachteile auf: Aus der Big. 3 geht hervor, daß das optische Bild
9 eines Objekts vor seiner Reflexion auf der reflektierenden Fläche o des rotierenden
Elements 5 die erforderliche Ausdehnung hat und der reflektierte mittlere Strahl
10 dieses optischen B des 9 in aer Öffnung 7 ein Bild erzeugt, wenn die reflektierende
Fläche o unter einem Winkel von 45° zu der optischen Achse geneigt ist. Zum Reflektieren
des an dem horizontalen Rand des optischen Bildes 9 vorhandenen Randstrahls 11 derart,
daß
dieser zum Erzeugen eines scharfen Bildes in der Öffnung 7 verwendet wird, wie cies
in Fig. 4 gezeigt ist, muß die reflektierende Fläche 6 um einen Winkel e gedreht
werden0 Dieser Verdrehungswinkel # muß natürlich bei zunehmendem Bildwinkel bzwO
bei zunehmendem Abstand zwischen dem mittleren Strahl 10 und dem Randstrahl 11 und
bei abnehmendem Abstand a zwischen der Reflexionsstelle auf der reflektierenden
Fläche 6 und der Öffnung 7 kleiner werden. Wenn die reflektierende Fläche 6 um einen
Winkel e gedreht worden ist, liegt aer der Öffnung 7 zugeordnete Punkt nicht am
Ort des Randstrahls 11, sondern gemäß Fig, 4 an dem Ort 12. In einem Koordinatesytem,
dessen Nullpunkt auf dem mittleren Strahl 10 liegt, wird die Lage dieses Punktes
12 mit Hilfe der Koordinaten x, y wie folgt angegeben: x = - 2 a sin² # y = 2 a
ein # cos e Infolgedessen wird aer Punkt 12 in der Öffnung 7 scharf abgebildet,
während der Randstrahl 11 in der Öffnung 7 nur ein unscharfes Bild erzeugt. Wenn
der Winkel # groß ist, wie vorstehend angegeben wurue, wird der Wert x beträchtlich
groß und überschreitet er die praktisch zulässige Grenze.
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Zusätzlich zu dem vorstehena angegebenen Problem tritt noch ein weiteres
auf. Damit der Randstrahl 11 verlustfrei reflektiert wird, muß die reflektierende
Fläche ö so groß sein, daß sie das ganze optische Bild 9 aufnehmen kann, wie aies
aus der Fig. 4 deutlich hervorgeht.
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Das Problem der Ebenflächigkeit des Bildes kann dadurch gelöst werden,
daß die reflektierende Fläche nicht an einer
Stelle, an der die
Lichtstrahlen konvergieren, sondern an einer Stelle, an der die Lichtstrahlen parallel
sind, gedreht oder hin- und herbewegt wird. An einer Stelle, an der die Lichtstrahlen
parallel sind, ist namlich kein Bild vorhanden und wird der Abstand eines außerhal
er optischen Achse angeordneten Gegenstandpunktes von der optischen Achse nur durch
den Meigungswinkel des von dem außerhalb der optischen Achse liegenden Gegenstandpunkt
ausgesendeten Strahls gegenüber der optiscnen Achse bemtimmt.
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Fig. 5 zeigt ein afokales optisches System, in dem ein Parallelstrahlenbündel
verwendet wird.
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Gemäß Fig. 4 wird von einem auf der optischen Achse liegenden Punkt
eines entfernten Gegenstandes ein Strahlenbündel 13 ausgesendet, das durch das afokale
optische System hindurchgeht und als Parallelstahlenbündel 13' projiziert wird.
Ein von einem außerhalb der optischen Achse liengenden Punkt ausgesendetse Strahlenbündel
14 wird als Parallelstrahlenbündel 14' projiziert. Wenn daher das vorstenen @nannte
rotierende Polyeder vor oder hinter den afokalen optischen System angeordnet ist,
erfolgt die Abtastung eines Gegenstandes mit bestimmten Ausdehnung nur daren die
Veränderung der Winkelstellung der reflektierenden Fläche, so daß die Ebenflächigkeit
des Bildes verbessert warden kann.
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Eine Anordnung der reflektierenden Fläche vor dem Objektiv hat jedoch
im allgemeinen den Hachteil, daß die reflektierende Fläche relativ groß sein muß,
wodurch eine schnelle Abtastung erschwert und bei einem relativ nahc dei dem System
angeordneten Gegenstand die Parallelitat der Strahlen beeinträchtigt wird.
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In bevorsugten Ausfünrungsformen der Erfindung wird daher ein afokales
Objektiv verwendet, auf dessen Austrittsseite ein rotierendes Polyeder angeordnet
ist, das zum Abtasteinient.
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Fig. 6 zeigt ein Ausfünrungsbeispiel der Erfindung. Das optische System
nach Fig. @ besitzt ähnlich wie das System nach Fig. 1 und 2 einen ersten Spiegel
1 mit einer konkaven reflektierenden Fläche 1 a und einer Blendenöffnung 4. Das
Stralenbündel R wird von der reflektierenden Fläche 1 a des ersten Spiegels 1 auf
einen zweiten Spiegel 2 reflektiert, der eine ebene reflektierende Fläche besitzt,
und zum Erzeugen eines Bildes 15 an Brennpunkt durch verwendet. Von dem Bild 15
tritt das Strahlenbündel durch die Blendenöffnung 4 in dem ersten Spiegel 1 und
wird von einem der Blendenöffnung 4 benachbarten Objektiv 16 in ein Parallelstrahlenbündel
umgewandelt. In dem Strahlengang des von dem Objektiv 16 abgegebenen Parallelstrahlenbündels
ist ein rotierendes polyederförmiges Element 17 angeordnet, das mehrere reflektierende
Flächen 18 hat. Das Parallelstrahlenbündel wird von einer der reflektierenden Flächen
18 reflektiert und tritt durch ein Abbildungsobjektiv 19, das in der Öffnung 7 ein
Bild erzeugt, das von einem Bildempfänger 8 empfangen wird.
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Wenn das auf der Austrittsseite eines afokalen optischen Systems angeordnete
Objektiv aus einer konvexen linse besteht, sieht man hinter dieser Linse eine Austrittspupille
vor, durch die das ganze Strahlenbündel tritt. Man kann den Durchmesser der Austrittspupille
verkleinern, wenn das Verhältnis zwischen der Brennweite des Eintrittsobjektivs
und der Brennweite des Objektivs auf der Austrittsseite des Systems groß ist. Diese
Austrittspupille ist in Fig. 5 mit 20
bezeichnet. In der Anordnung
nach Fig. 8 ist die reflektierende Fläche 18 eines rotierenden polyederförmigen
Elements 17 an dem Ort der Austrittspupille eines afokalen Systems angeordnet, das
aus einem ersten Spiegel 1, einem nächsten Spiegel 2 und einen Objektiv 1 6 besteht,
und ist das Verhältnis zwischen den Brennweite des ersten Spiegels 1 und des Objektivs
16 groß, so daß das rotierende polyederförmigr Element 17 relativ klein sein ann.
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Das afokale System hat außerdem folgende Vorteile: Selbst wenn das
Strahlenbündel an aer Austrittspupille in sei eder mehrere kleinere Teilstrahlenbündel
geteilt wird, können alle diese kleineren Teilstrahlenbündel an einem Punkt scharf
abgebilast werden, wenn sie gleichzeitig und unterdemselben Einfallswinkel in das
Objektiv eintreten. Diese Naßnahme ermöglicht die Durchführung eines Verfahrene,
in dem das Strahlenbündel durch gleichzeitige Verwendung von zwei oder mehreren
reflektierenden Flächen des rotierenden polyederförmigen Elements anstatt nur einer
reflectierenden Fläche in zwei oder mehrere Teilstrahlenbündel geteilt werden, die
dann wieder vereinigt werden. Bei gleichzeitinger Verwendung von zwei oder mehreren
reflektierenden Flächen für ein Strahlenbündel testgelegter Größe kann die einzelne
reflektierende Fläche natürlich kleiner sein, so caß das rotierende polyederförmige
Element beträchtlich kleiner ausgeführt werden kann. Dadurch wird die räumliche
Auslegung des ganyen optischen Systems erleichtert und wird es ermöglicht, das rotieende
polyederförnige Element mit Hille eines nur schwachen Motors mit einer so hohen
Drehzahl zu drehen, wie sie bei einem großen rotierenden Element nicht ersielt werden
konnte.
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Dadurch wird die Abtastgeschwindigkeit erhöht. Man kann daher den
Vorteil erzielen, daß die Abtast-Zeilenfrequenz oder die Bildfrequenz erhöht werden
kann.
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Ein Ausführungsbeispiel mit diesen vorteilhaften Merkmalen ist in
Fig. 7 gezeigt. Hier wird das von aen Objektiv 16 abgegebene, parallele Strahlenbündel
von den reflektierenden Flächen 21 und 22 eines kleinen rotierenden polyederförmigen
Elements 17' in zwei reflektierte Strahlenbündel geteilt, die von den ortsfesten
Spiegeln 23, 24- und 25 reflektiert und wieder zu einem einzigen Strahlenbündel
vereinigt wercen, das von den Abbildungsobjektiv 19 zum Erzeugen eines Bildes in
der Öffnung 7 verwendet wird.
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In den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 6 und 7 haben cie rotierenden
polyederförmigen Elemente die Form von Tetraeiern, doch versteht es sich, daß das
vorstehend angegebene Merkmal auch in Systemen angewendet werden kann, in denen
das polyederförmige Element eine andere Form, zO Bo gemäß Fig. 8 die Form eines
Hexaeders, hat.
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Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, aaß beim mechanischen
Abtasten eines optischen Bildes die Ebenflächigzeit des Bildes verbessert und ein
etwas kleineres rotierendes polyederförmiges Element verwendet werden kann, wenn
man ein afokales optisches System verwendet, Ferner versteht es sich, daß die Größe
des rotierenden polyederförmigen Elemente betrachtlich herabgesetzt und seine Drehzahl
erhöht werden kann, wenn man zwei oder mehrere reflektierende Flächen dieses Elements
gleichzeitig zur Teilung des Strahlenbündels verwendet.