DE2235582B2 - Abtastsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Abtastsystem, insbesondere ein Infrarot- oder Wärmeabtastsystem, bei dem der Strahlenweg zwischen einer ortsfesten Objektivlinse und einem ortsfesten Detektor oder Okular, deren optische Achsen parallel zueinander verlaufen, durch zwei rotierende, optische Reflexionskörper mit ebenen, gegenüber den optischen Achsen geneigten Reflexionsflächen bestimmt ist, wobei die Reflexionsflächen so angeordnet sind, daß das Bild zeilenweise abgetastet wird.

Es ist eine Abtastvorrichtung bekannt, bei der zur Abtastung zwei Planspiegel dienen, die eine Neigung von 45° besitzen und parallel zueinander angeordnet sind sowie um zwei parallele, gegeneinander versetzte Achsen gegensinnig mit gleicher Geschwindigkeit umlaufen. Die Spiegelachsen weichen dabei von den Rotationsachsen geringfügig ab. Die Gefahr der Erzeugung von Störsignalen ist bei der bekannten Anordnung besonders groß, weil die Drehung der beiden Spiegel um zwei unterschiedliche, gegeneinander versetzte und geneigte Achsen erfolgt, denn bei einer solchen Anordnung können nicht nur Synchronisationsfehler auftreten, sondern es ist auch außerordentlieh schwierig, die geometrischen Beziehungen mit der erforderlichen Genauigkeit einzustellen und dann auch über längere Zeit während des Betriebes aufrechtzuerhalten.
Auch hinsichtlich der Leistungsaufnahme bietet die bekannte Anordnung keine günstige Lösung, denn da getrennte Mechanismen zur Erzeugung der Drehung um die zwei gegeneinander versetzten und geneigten Achsen erforderlich sind, werden zwangläufig auch die

Leistungsanforderungen größer, weil erhöhte Reibungsverluste durch eine entsprechend höhere Antriebsleistung ausgeglichen werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abtastsystem der zuvor beschriebenen Art mit ebenen s Reflexionsflächen so auszubilden, daß die mechanischen und optischen Schwierigkeiten beseitigt weruen, die durch die Verwendung von zwei drehbaren Mechanis men um verschiedene Achsen entstehen, so daß im Ergebnis ein System geschaffen wird, das alle der obengenannten Forderungen erfüllt.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die beiden Reflexionskörper auf einem gemeinsamen Rotor befestigt sind, dessen Achse parallel zu den optischen Achsen der Objektivlinse und des Detektors oder Okulars verläuft, daß die Reflexionskörper aus zwei ringförmig und koaxij zur Drehachse angeordneten Gruppen von reflektierenden Flächen bestehen, und daß der mittlere radiale Abstand der einen Gruppe dem radialen Abstand der optischen Achse der Objektivlinse und der mittlere radiale Abstand der anderen Gruppe dem radialen Abstand der optischen Achse des Detektors bzw. Okulars entspricht.

Durch die Erfindung ergibt sich gegenüber der bekannten Anordnung eine mechanisch erheblich einfachere, dabei aber wesentlich zuverlässigere und störunanfällige Anordnung, die zudem eine höhere Abtastfrequenz ermöglicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 und 2 schematische Seiten- und Vorderansichten einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abtastsystems,

Fig. 3 und 4 ähnliche Darstellungen einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 5 und 6 ähnliche Darstellungen einer dritten Ausführungsform,

Fig.7 und 8 ähnliche Darstellungen einer vierten Aueführungsform,

F i g. 9 und 10 mögliche Abwandlungen der vorhergehenden Ausführungsformen,

Fig. 11 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführiingsform und

Fig. 12 eine Abwandlung der Anordnung von Fig.ll.

Gemäß F i g. 1 und 2 enthält eine ortsfeste Trommel

11 als Rotor eine ständig umlaufende Spiegelanordnung 22, die von einem Motor 10 angetrieben wird und mehrere, aus jeweils einem inneren und einem äußeren geneigten, ebenen Spiegel 12,13 gebildete Spiegelpaare enthält. Die kleinste, noch brauchbare Anzahl sind vier Spiegelpaare und vorzugsweise werden wenigstens 8 Paare verwendet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind 10 Paare vorgesehen. Die inneren Spiegel $5

12 aller Paare bilden um die Trommelachse 15 eine Nabe 14 in Form eines massiven Pyramidenstumpfes, wobei der halbe Scheitelwinkel der Pyramide etwa 45° beträgt. Der Detektor 16 ist an der Trommel dicht neben der rotierenden Pyramidenfläche so befestigt, daß seine optische Achse parallel zur Drehachse der Spiegelanordnung verläuft. Somit ist an dieser Stelle der Durchmesser des konischen Gesichtsfeldes des Detektors, das von einer Sichtfeldblende 18 zugelassen wird, klein, und die Begrenzungskanten 17 zwischen benach- harten Spiegeln laufen schnell darüber hinweg. Der Zeitverlust zwischen den Zeilen ist daher klein und in der Regel geringer als 15% der Zeilendauer.

Die äußeren Spiegel 13 der Spiegelpaare bilden einen Ring um die Nabe 14 und haben die Form eines hohlen Pyramidenstumpfes 19. Diese Spiegel 13 befinden sich auf der Innenseite des hohlen Pyramidenstumpfes 19 und verlaufen parallel zu den inneren Spiegeln 12. Im Betrieb projizieren sie ein Abbild des Detektors 16, das sie durch Reflexion von den Spiegeln 12 erhalten, entlang einer optischen Achse, die stets parallel zur optischen Achse des Detektors selbst verläuft Bei Drehung der Abtastvorrichtung um ihre Achse 15 beschreibt dieses Bild einen flachen Bogen, der in einer ortsfesten, zur Detektorachse senkrechten Ebene liegt. Dieser Bogen 20 ist in F i g. 2 dargestellt. Diese Ebene kann so gelegt werden, daß sie mit der Brennebene eines ebenen Feldobjektivs 21 zusammenfällt, das an der Trommel 11 befestigt ist. Somit wird die gesamte Strahlung, die auf das Objektiv fällt, in allen Stellungen des Abtasters auf den Detektor fokussiert. Wenn der Detektor aus einer Reihenanordnung besteht, bewegt sich sein Abbild parallel.

Durch Änderung des Abstandes und der Winkel der Spiegel derart, daß alle Spiegelpaare 12, 13 sich voneinander unterscheiden, können mehrere benachbarte Abtastbahnen gebildet werden, die insgesamt das vollständige Bild im Gesichtsfeld wenigstens einmal pro Umdrehung der Abtastvorrichtung erfassen.

F i g. 3 und 4 zeigen eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 1 und 2. mit der Ausnahme, daß die äußeren Spiegel 13 nicht parallel zu den inneren Spiegeln 12 sondern im rechten Winkel zu diesen angeordnet sind. In diesem Falle verschiebt sich das Detektorabbild in einem gekrümmten, im allgemeinen nicht kreisförmigen Bogen 23 und bleibt nicht parallel, sondern kippt um den doppelten Abtastdrehwinkel.

In F i g. 5 und 6 sind die äußeren Spiegel 13 der F i g. 1 und 2 jeweils durch ein Paar von zwei Spiegeln 24a und 24b ersetzt, die zueinander im rechten Winkel angeordnet sind und dadurch einen dachförmigen Spiegel bilden, dessen Dachkante 26 mit der Mittellinie des ursprünglichen ebenen Spiegels zusammenfällt.

Die Reflexion des einfallenden Strahls von der Spiegelfläche 24a zur Spiegelfläche 24b führt zu einer größeren Abtastamplitude bei einer gegebenen Spiegelposition und einem gegebenen Drehwinkel in Vergleich mit dem in F i g. 1 und 2 dargestellten Abtaster, wodurch entweder die Abtastvorrichtung kleiner oder die Abtastung selbst größer gemacht werden kann, was beides bei Miniatursystemen erwünscht ist.

F i g. 7 und 8 zeigen die Anordnung von F i g. 3 und 4, wobei ebenfalls die äußeren Spiegel 13 durch dachförmige Spiegel 24 ersetzt sind.

Fig.9 und 10 zeigen eine Abwandlung der zuvor beschriebenen Anordnungen, bei der der Detektor 16 nicht mehr dicht neben dem inneren Pyramidenstumpf 14 sondern weiter entfernt angeordnet ist, wobei mit Hilfe einer Übertragungsoptik ein Abbild des Detektors auf den Pyramidenstumpf projiziert wird. Hierdurch kann der Abtastwirkungsgrad verbessert, die Größe der Abtastvorrichtung vermindert und die Bestimmung der Strahlspur verbessert werden, was sich auf die Bemessung und die anschließende Arbeitsweise de: optischen Systems auswirkt. Die Übertragungsoptil· braucht ,nicht unbedingt auf den inneren Pyramiden stumpf 14 fokussiert zu werden.

Bei einer Weiterentwicklung der in F i g. 7 und ! dargestellten Anordnung sind die drei getrenntei Spiegel durch ein Tripelprisma ersetzt. In Fig. 11 sini gleich ausgebildete Tripelprismen 28 so angeordnet, dal

ihre Scheitel (die an der Verbindung der drei inneren reflektierenden Flächen gebildet werden) radial versetzt sind und individuelle Abtastbahnen erzeugen. Die Prismen können so ausgebildet sein, daß sie aneinanderstoßen und einen fortlaufenden Ringraum bilden, so daß s zwischen den Abtastungen kein toter Raum verbleibt. Hierdurch wird die mechanische Stabilität der rotierenden Anordnung erhöht, und wenn für die Prismen ein Material verwendet wird, das in bezug auf Infrarotübertragung einen hohen Brechungsindex aufweist, ζ. Β. ίο Silizium oder Germanium, wird die rückwärtige Brennlänge der Objektivoptik verringert.

Das System erfordert wenigstens einen Umlenkspiegel für jedes Prisma, um die eingehenden und ausgehenden Strahlen zu trennen, und dieser kann zwischen dem Objektiv und dem Tripelprisma bei 29 in F i g. 11 oder zwischen der Detektor-Übertragungsoptik und dem Tripelprisma bei 30 in F i g. 12 angeordnet werden. In weiterer Abwandlung können die Tripelprismen so angeordnet werden, daß der Rücken 31 radial einwärts von der ebenen Fläche 32 und nicht auswärts, wie dargestellt, liegt.

In Fig. 11 ist noch eine weitere Gruppe von Tripelprismen 33 dargestellt, die die gleiche Form haben, aber aus Glas bestehen. Diese Prismen sind auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors angeordnet und bilden eine Anzeigeoptik. Der Eingang ist mit einer statischen Halbleiter-Lampenanordnung 34 versehen, z. B. in Form einer Reihe kleiner Neonlampen, deren Leitfähigkeit entsprechend der Größe der angelegten Spannung schwankt und deren Lichtausgang durch die Ausgangsspannung der Detektoranordnung 16 moduliert wird. Der über einen Umlenkspiegel 35 gewonnene Ausgang wird unmittelbar mittels einer binokularen Optik 36 betrachtet, der stirnseitig ein an der Trommel f 1 vorgesehenes Gummikissen 37 zugeordnet ist.

Wenn auf der Infrarotseite das äußere Element der Gbjektivoptik an einer telezentrischen Begrenzung des Systems, die durch das oder die übrigen Elemente der Objektivoptik gebildet wird, angeordnet wird, befindet sich die Lage der Eintrittspupille des gesamten Systems am äußeren oder größten Teil des Objektivs. Das Gesichtsfeld des Detektors kann dann vor dem Abtaster auf einen Konus abgeblendet werden, der die gesamte Eintritispupille während der Rasterabtastung erfaßt. Während des Abtastprozesses wird somit der gesamte Sammelbereich der Linse ausgenutzt, jedoch empfängt der Detektor niemals Strahlung von inneren Flächen der die Optik enthaltenden Anordnung. Hierdurch wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht, und Störsignale von der die Linse enthaltenden Anordnung sind nicht vorhanden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Infrarotdetektor sich nicht selbst im Abtastmechanismus reflektiert sieht, was ein wichtiger Gesichtspunkt dann ist, wenn der Detektor — was häufig der Fall ist — auf eine niedrige Temperatur gekühlt wird.

Es sind weitere Abwandlungen der beschriebenen Anordnungen möglich, ohne die Erfindung zu verlassen. So können beispielsweise bei allen, in den F i g. 1 bis 8 dargestellten Anordnungen die ebenen, reflektierenden Flächen des Abtasters durch Prismen ersetzt werden.

Die Verwendung von Prismen ergibt die folgenden Vorteile:

(a) Der verringerte äquivalente optische Weg in der Luft erleichtert die optische Bemessung;

(b) die verringerte Divergenz des Strahls im Prismenkörper macht die reflektierenden Flächen kleiner, was zu einem kleineren Abtaster führt

Geeignete Prismenformen für die Anordnungen in F i g. 1 und 2, F i g. 3 und 4, F i g. 5 und 6 und F i g. 7 und 8 sind jeweils rhombisch, Porro, Amici und tripeiförmig oder tetragonal.

Die Begrenzung, die den divergenten Strahleinfall auf den Detektor bestimmt, kann an anderen Stellen angeordnet werden, beispielsweise zwischen den rotierenden inneren und äußeren Spiegelanordnungen.

Der Abtaster kann in Verbindung mit jeder Art von elektromagnetischen Strahlungssensor verwendet werden, oder umgekehrt mit einer sichtbaren Lichtquelle als Mittel zur Erzeugung einer Anzeige wie in Fig. 11, unter Verwendung mechanischer Mittel anstatt elektronischer Mittel in Form einer Anzeige mit Kathodenstrahlröhre.

Die den jeweiligen Spiegelanordnungen zugeordneten Rotationswinkel brauchen nicht gleich zu sein, sondern können so bemessen werden, daß jede beliebige Abtastamplitude erreicht wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Abtastsystem, insbesondere Infrarot- oder Wärmeabtastsystem, bei dem der Strahlenweg zwischen einer ortsfesten Objektivlinse und einem ortsfesten Detektor oder Okular, deren optische Achsen parallel zueinander verlaufen, durch zwei rotierende, optische Reflexionskörper mit ebenen, gegenüber den optischen Achsen geneigten Reflexionsflächen bestimmt ist, wobei die Reflexionsflächen so angeordnet sind, daß das Bild zeilenweise abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reflexionskörper auf einem gemeinsamen Rotor befestigt sind, dessen Achse (15) parallel zu den optischen Achsen der Objektivlinse (21) und des Detektors (16) oder Okulars verläuft, daß die Reflexionskörper aus zwei ringförmig und koaxial zur Drehachse (15) angeordneten Gruppen von reflektierenden Flächen (12, 13) bestehen, und daß der mittlere radiale Abstand der einen Gruppe dem radialen Abstand der optischen Achse der Objektivlinse und der mittlere radiale Abstand der anderen Gruppe dem radialen Abstand der optischen Achse des Detektors bzw. Okulars entspricht.

2. Abiastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Gruppe der reflektierenden Flächen (12) in Form eines Pyramidenstumpfes um die Drehachse (15) und von dieser abgekehrt so angeordnet ist, daß die Drehachse durch den Pyramidenscheitel verläuft und der halbe Scheitelwinkel etwa 45° beträgt.

3. Abtastsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Gruppe der reflektierenden Flächen (13) ebenfalls in Form eines Pyramidenstumpfes um die Drehachse (15), jedoch dieser zugekehrt so angeordnet ist, daß sie mit den Flächen der inneren Gruppe jeweils zusammenwirkende Paare bildet, und daß die Flächen der äußeren Gruppe entweder parallel oder im rechten Winkel zu den Flächen der inneren Gruppe angeordnet sind.

4. Abtastsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Gruppe aus dachförmigen Spiegeln (24) besteht, die individuell mit entsprechenden Flächen der inneren Gruppe gepaart sind, wobei die reflektierenden Flächen auf der Innenseite des Daches angeordnet sind und die Dachkanten (26) entweder parallel oder im rechten Winkel zu den Oberflächen (12) der inneren Gruppe verlaufen.

5. Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere und äußere Gruppe der reflektierenden Flächen durch drei innere Würfeleckflächen einer ringförmigen Anordnung von Tripel-Prismen gebildet sind, wobei die erste Fläche eines jeden Prismas in einer um 45° zur Rotationsachse (15) geneigten Ebene liegt, und die gemeinsame Kante der zweiten und dritten Fläche ebenfalls 45° gegenüber der Rotationsachse geneigt ist, und wobei die eine Gruppe aus den ersten Prismenflächen und die andere Gruppe aus den zweiten und dritten Prismenflächen gebildet wird.

6. Abtastsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Infrarot-Detektor (16) in unmittelbarer Nähe oder entfernt unter Zwischenschaltung einer Übertragungsoptik von der inneren Gruppe der reflektierenden Oberflächen (12) angeordnet ist, und daß der äußeren Gruppe ein Infrarot-Objektivlinsensystem zugeordnet ist

7. Abtastsystem nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umlenkspiegel für den

S Strahl im optischen Weg zwischen den Tripel-Prismen und dem Objektivlinsensystem oder im Weg zwischen den Tripel-Prismen und dem Infrarotdetektor (16) angeordnet ist

8. Abtastsystem nach einem der vorhergehenden ίο Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Reflexionsflächen einer oder beiden Gruppen der reflektierenden Flächen gegeneinander leicht versetzt oder leicht unterschiedlich geneigt sind, so daß mehrere verschiedene, aneinander angrenzende Streifen oder Bänder des Abbildes durch die wiederholten Abtastungen während eines Umlaufes der Abtastvorrichtung abgetastet werden.

9. Abtastsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede

Gruppe der reflektierenden Flächen aus einem Ring von acht oder mehr aneinander angrenzenden Flächen besteht.

10. Abtastsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Detektor zusammenwirkenden Tripel-Prismen an einer Seite des Rotors angeordnet sind, dessen andere Seite eine zweite Gruppe von rotierenden Tripel-Prismen enthält, die zum zeilenweisen Aufbau eines analogen, über ein Okular betrachtbaren Bildes unter Verwendung eines vom Detektor gesteuerten Gebers für sichtbare Strahlungdienen.