DE2331012A1

DE2331012A1 - Vorrichtung zum abtasten der von einer szene ausgehenden strahlungsenergie

Info

Publication number: DE2331012A1
Application number: DE2331012A
Authority: DE
Inventors: Erwin Eugene Cooper; Howard Vernon Kennedy
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1972-06-19
Filing date: 1973-06-18
Publication date: 1974-01-17
Also published as: IT985689B; US3781559A; GB1423257A; SE387032B; DE2331012C3; JPS5852202B2; DE2331012B2; JPS4967635A

Description

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
13500 North Central Expressway
Dallas, Texas, V.St.A.

Vorrichtung zum Abtasten der von einer Szene ausgehenden Strahlungsenergie

Die Erfindung bezieht sich auf ein Nachtsichtsystem und insbesondere auf ein optisches System, zum Umwandeln einer ankommenden Strahlungsenergie mit unterschiedlichen Gesichtsfeldern in ein sichtbares Bild in Echtzeit.

Bei den meisten herkömmlichen Abtastsystemen werden Drehspiegel, Drehdetektoren und Schwingspiegel ohne elektro-optische Multiplexierung verwendet. Die Drehspiegelabtastung erfährt Einschränkungen durch die Schwierigkeiten bei der Kaltabschirmung des Detektorfeldes, den begrenzten Abjfcastarbeitszyklus und die durch die Abtastspiegelumlenkung .'-gegebenen Linsenkonstruktionsgrenzen. Die Drehdetektorabtastung ist nachteilig, weil dien Einbaumöglichkeiten wegen des Drehabschnitts begrenzt sind und weil bei einem Abtastarbeitszyklus von IOO56 und bei einem Kreisraster Schwierigkeiten auftreten. Bei der Schwingspiegelabtastung ist es schwierig, die Winkelstellung des Spiegels zur richtigen Wiedergabe

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des Bildes gleichlaufend abzutasten; ferner ist es schwierig, die Fokussierung bei dem Schwingspiegel in der Bildebene aufrecht zu erhalten und die Spiegelabtastung in zwei Richtungen zur Erzielung eines guten Abtastarberfcszyklus anzuwenden. Viele dieser Schwierigkeiten können durch Verwendung einer elektro-optischen Multiplexierung tiberwunden werden. Ferner erweist sich bei der Verwendung dieser Art von Abtastsystemen eine Änderung des Gesichtsfeldes der ankommenden Strahlungsenergie als schwierig, da auswechselbare Linsensysteme schwierig so auszuführen sind, daß eine Anpassung an die Parameter der Optik des Abtastsystems erzielt wird; gewöhnlich ist eine große Anzahl von optischen Elementen erforderlich. Auch ist es bei bisherigen Abtastsystemen schwierig, eine Fokussierurig während des ganzen Abtastzyklus aufrecht zu erhalten, wenn verschiedene Gesichtsfelder angewendet werden.

Wit"Hilfe der Erfindung soll ein einfach aufgebautes . Abtastsystem geschaffen werden, das eine Beibehaltung der Fokussierung nach einer Änderung des Gesichtsfeldes erlaubt. Ferner soll mit Hilfe der Erfindung ein Abtastsystem im kollimierten "Abschnitt der optischen Bahn zur Vereinfachung der optischen Konstruktion geschaffen werden. Das mit Hilfe der Erfindung zu schaffende optische Abtastsystem soll eine verringerte Zahl optischer Elemente aufweisen, die zur Änderung des Gesichtsfeldes des Systems erforderlich sind. Das mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Abbildungssystem soll ein verbessertes räumliches und thermisches Auflösungsvermögen aufweisen. Mit Hilfe der Erfindung soll vor dem Abtastsystem ein Optikabschnitt angebracht werden, so daß eine Bewegung des Abtastsystems auf der Strahlungsaussendeseite die gleiche Bewegung auf der Strahlungssenderabtastung hervorruft, wie sie von der Strahlungsenergieabtastvuig

in der Objektebene erzeugt wird. Das mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Abbildungssystem soll klein und leicht sein, es soll eineiniedrigen Energieverbrauch aufweisen und es soll bei einfachem Aufbau sehr zuverlässig sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Pig.1 eine vereinfachte perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Strahlungsenergie-Abtastsystems,

Fig.2 einen Schnitt durch die Abtast- und Antriebsvorrichtung des erfindungsgemäßen Abtastsystems,

Fig.3 ein Diagramm, in dem die Änderung des Abtastwinkels in Abhängigke.iti von der Zeit angegeben j..s.t,

Fig.4a bis 4f verschiedene Stellungen des afokalen Optikabschnitts des in Fig.1 dargestellten Abtastsystems,

Fig.5a und 5b die von der Abtastspiegelbewegung verursachte Strahlwinkeländerung durch den afokalen Optikabschnitt für die schmalen und weiten Gesichtsfelder,

Fig.6 eine vereinfachte Seitenansicht der räumlichen Anordnung des in Fig.1 dargestellten Abtastsystems,

Fig.7a und 7b eine andere Ausführungsform des afokalen Optikabschnitts und

Fig.8 eine weitere Ausführungsform eines afokalen Optikabschnitts, der gemäß der Erfindung verwendet werden kann.

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In Fig.1 ist eine Anordnung 10 zur Abtastung und Wiedergabe von Stiahlungsenergie dargestellt. Diese Anordnung wandelt ankommende Strahlungsenergie (von der zur Erläuterung angenommen sei, daß sie im infraroten Bereich des Spektrums liegt) in Echtzeit in ein Videosignal um, das seinerseits wieder in ein sichtbares Bild umgewandelt wird. Der Infrarotempfängerabschnitt der Anordnung 10 besteht aus einem afokalen Optikabschnitt 12, der in einer Ausführungsform aus zwei Linsen 14 und 16 besteht, die auf einer gemeinsamen (nicht dargestellten) Halterung so befestigt sind, daß sie um einen Punkt 18 zwischen den Linsen 14 und 16 in eine von drei Stellungen beweglich sind. Die mit gestrichelten Linien angegebenen Linsen 14a und 16a sowie 14b und 16b befinden sich jeweils in einer der beiden anderen Stellungen. Die von einem Objekt kommende Strahlungsenergie durchläuft den afokalen Optikabschnitt 12 längs der optischen Achse .22 .der Anordnung, und sie f.äll.t auf eine Abtasteinlieit 24, die aus einem Vdrderspiegel 26 und einem Hinterspiegel 28 aus einem gemeinsamen Spiegelträger 30 besteht; dieser Aufbau könnte in Form eines Glasträgers mit verspiegelten Flächen auf beiden Seiten ausgeführt sein. Eine genauere Beschreibung der Abtasteinheit 24 findet sich in der US-Patentanmeldung Serial Number 97 753 vom 14.Dezember 1970. Der Abtastspiegel 26 liegt nominell", in einem Winkel von 45° zur optischen Achse 22. Die ankommende kollidierte Strahlungsenergie aus dem afokalen Optikabschnitt 12 wird vom Abtastspiegel 26 durch ein konvergierendes Linsensystem 32 reflektiert, das aus einer oder aus mehreren Linsen bestehen kann. Das Linsensystem 32 wirft die ankommende Infrarotstrahlungsenergie konvergierend auf ein Feld von Detektoren 34. Das Detektorfeld 34 kann ein her~ kömmliches Detektorfeld sein; beispielsweise kann es ein

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lineares Feld aus Quecksilbercadmiumtellurid-Detektoren (HgCdTe) sein, die für Infrarotenergie im Bereich von 8 bis 14 tun empfindlich sind. Abhängig von dem besonderen Anwendungsfall können die einzelnen Detektoren im Abstand voneinander liegen 'oder sich unmittelbar aneinander anschliessen. Das von jedem einzelnen Detektor 34 erzeugte elektrische Signal wird mit Hilfe eines eigenen Kanals in einer Videoelektronikschaltung 36 verstärkt und dann an ein entsprechendes Feld von Emittern 38 angelegt. Das Emitterfeld 38 entspricht im allgemeinen hinsichtlich der Zahl der Emitter und des räumlichen Formats der Zahl der Detektoren im Detektorfeld 34. Wie bereits erwähnt wurde, koppelt die Videoelektronikschaltung 36 jeden Detektorkanal mit dem entsprechenden Emitter, und sie sorgti für die Signalverarbeitungsfunktionen und die zusätzlichen Funktionen 'zum Modulieren des Äusgangssignals jedes Emitterfeldes 38. Das Emitterfeld 38 kann beispielsweise aus Galliumarsenidphosphid -Dioden·(GaAsP-Diöden) bestehen, wie sie beispielsweise von der Firma Texas Instruments Incorporated hergestellt und vertrieben werden. Die Ausgangsenergie des Emitterfeldes 38 kann im sichtbaren Bereich liegen, und sie kann nach dem Durchlaufen eines Kollimatorlinsensystems 40 aus einer oder aus mehreren Linsen auf den Hinterspiegel 28 fallen. Das vom Hinterspiegel 28 reflektierte sichtbare kollimierte Licht kann mit Hilfe einer Fernsehkamera 44, die beispielsweise aus der robusten Version 4503A des Standardvidikons RCA 8507 bestehen kann, in ein Videoausgangssignal 42 umgewandelt werden, oder es kann direkt betrahhtet werden. Die Fernsehkamera 44 kann ebenfalls mit einer oder mehreren Kollimatorlinsen 46 ausgestattet sein, die mit dem Kollimatorlinsensystem 40 verträglich sind. Die Fernsehkamera44 kann von den Standardfernsehabtastgeschwindigkeiten oder von besonderen Abtastgeschwindigkeiten Gebrauch machen, damit ein Video-

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ausgangs signal 42 erzeugt wird, das dann zum Betreiben einer herkömmlichen Fernsehbildröhre 48 zur sichtbaren Miedergabe des Objekts 20 verwendet werden kann. Die Fernsehkamera 44 und die Bildröhre 48 können über ein Kabel oder eine Funkverbindung unter Anwendung eines herkömmlichen Systems gekoppelt sein«

Das Gesichtsfeld des von der Fernsehbildröhre 48 wiedergegebenen Bildes hängt von der Stellung der Linsen 14 und 16 im afokalen Optikabschnitt 12 ab. Ein afokaler Optikabschnitt ist als ε :i Optiksystem definiert, das eine kollimierte Strahlungsenergie mit einem Strahlenbündeldurchmesser in eine kollimierte Strahlungsenergie mit einem anderen Strahlungsbündeldurchmesser umsetzt; dieses System kann zur Veränderung, des Gesichtsfeldes der Abtastanordnung 12 angewendet werden. Wenn sich der afokale Optikabschnitt 12 in der von den Linsen 14 und 16 gebildete Lagen befindet, gibt die Bildröhre 48 ein schmales Gesichtsfeld entsprechend dem Gesichtsfeld 50 wieder. Wenn der afokale Optikabschnitt 12 um den Punkt 18 so gedreht wird, daß sich die Linsen in den von den Linsen 14a und 16a und dann von den Linsen 14b und 16b angegebenen Lagen befindet, dann wird das von der Bildröhre 48 wiedergegebene Gesichtsfeld in ausgewählter Weise in das weite Gesichtsfeld 54 bzw. in das mittlere Gesichtsfeld 52 geändert. Dies wird im Zusammenhang mit den Figuren 4a bis 4f noch genauer erläutert.

In Fig~2 ist zu erkennen, daß der Abtastspiegel 24 um eine erste Achse, die Abtastachse 56, und um eine zweite Achse, die Verschachtelungsachse 58, beweglich ist. Die Verschachtelungsachse 58 verläuft in eine» Winkel Q. zur Abtastachse 56, der kleiner als 90° i«t. Wie bereits erwähnt wurde, liegen die Abtastspiegel 26

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und 28 in einem Winkel von etwa 45° zur optischen Achse 22. Die Abtasteinheit 24 sorgt sowohl für die Abtastung des Infrarotanteilfe und des sichtbaren Anteils der Anordnung 1Θ {von Fig.1), Die Abtastung und die Wiedergabe in vertikaler Richtung werden in wirksamer Weise mit Hilfe der vertikal ausgerichteten geradlinigen Felder aus Infrarotdetektoren '34 und aus lichtemittierenden Dioden 38 erzielt. Diese Elemente sind so im Abstand voneinander angebracht, daß eine durch Kippen des Abtastspiegels um einige Milliradiant um die Verschachtelungsachse 58 erzielte 2:1 Verschachtelung eine Verringerung der Zahl der in der Anordnung 10 erforderlichen Kanäle im Verhältnis von 2:1 ermöglicht. Wenn andrerseits kontinuierliche Detektoren und Emitter verwendet werden, dann werden dadurch ein erhöhtes thermisches Auflösungsvermögen und eine erhöhte Zuverlässigkeit erreicht.

Die Horizontalabtastung des Spiegels 26 erfolgt um Abtastachse 56. Typischerweise wird der Spiegel 26 für· eine horizontale Gesamtabtastung von 15° um 7»5° gedreht. Der Spiegel kann sich mit konstanter Geschwindigkeit während der 7,5°.-r-Horizontalabtastung drehen, so daß etwa zwischen 80 und 90% der Zeit des Abtastzyklus davon beansprucht werden. Die verbleibende Zeit in jedem Zyklus (die mit Totzeit bezeichnet wird) kann für das Umkehren der Bewegungsoder Drehrichtung des Spiegels vorgesehen sein. Das Kippen des Spiegels zur Erzielung der Verschachtelung kann ebenfalls während dieser Totzeit erfolgen. Der Spiegel 26 ist an einem Kardanrahmen 60 befestigt. Ein kleiner bürstenloser Gleichstrommotor mit konstanten Drehmoment sorgt für den Antrieb um die Abtastachse 26. Der Gleichstrommotor 62 beeteht aus einem Stator 64 und aus einem Rotor 66.Mit dem Rotor 66 ist eine Spiegelklammer 68 einstückig verbunden, die einen Spiegel 26 am Rotor 66 festklemmt. Eine Schraubverbindung 70 verbindet den Rotor 66 sicher mit einem Lager 72.

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Der Spiegel ist an seinem oberen Ende mit Hilfe einer SOiegelklammer 74 mit einem Tachometer 76 verbunden, der ein Rückkopplungssignal liefert, das zur Geschwindigkeitsabtastung verwendet wird. Der Tachometer 76 besteht aus einem Stator 78 und aus einem Rotor 80, an dem die Spiegelklammer 74 befestigt ist. Eine Schraubverbindung hält den Rotor 80 in Eingriff mit dem Lager 84.

Der Kardanrahmen 60 kann zu einer vorbestimmten Zeit während des Abtastzyklus (d.h. während der Totzeit des Abtastzyklus) um die Verschachtelungsachse 78 gekippt werden. Der Kardanrahmen 60 ist mit Hilfe von zwei Lagern 88 und 90 in einem Gehäuse 86 angebracht. Diese Biegezapfen bildende Lager bestehen aus gekreuzten Blattfedern, die in kennzeichnender Weise kräftig sind und eine niedrige Reibung sowie ein niedriges Gewicht aufweisen. Die Lager 88 und ermöglichen es dem Kardanrahmen 60 ( und daher, dem Spiegel 26) um die Verschachtelungsachse 58'zu kippen. Zwei Elektromagnete 92 und 94 (von denen der Elektromagnet 94 nicht dargestellt ist) sind vorgesehen, die die Verschachtelungsantriebsbewegung dadurch erzeugen, daß sie es dem Kardanrahmen 60 und dem Spiegel 66 ermöglichen, bei Betätigung des Elektromagnets 92 oder des Elektro-'magnets 94 um die Verschachtelungsachse zu kippen. Die Wellen der Elektromagnete 92 und 94 sind mit dem Kardanrahmen 60 verbunden (wobei nur die dem Elektromagnet 92 zugeordnete Welle 96 dargestellt ist). Wenn die Elektromagnete 92 oder 94 betätigt werden, üben ihre Wellen eine Zugkraft auf den Kardanrahmen 60 aus, so daß dieser veranlaßt wird, um einen vorbestimmten Betrag (in der Größenordnung von wenigen Milliradiant ) um die Verschachtelungsachse 58 zu kippen.

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Fig.3 zeigt die Abhängigkeit der Abtastwinkeländerung des Spiegels 26 von der Zeit. Aus Fig.3 ist zu erkennen, daß sich der Spiegel 26 um 3,75° aus seiner Nullgrad-Stellung dreht, die nominell bei einem Winkel von 45° zur optischen Achse 22 liegt. D.h. mit anderen Worten, daß sich der Spiegel 26 in einem Winkelbereich zwischen 41,25° und 48,75° bezüglich der optischen Achse 22 bewegt. Wie in F^g.3 angegeben ist, entspricht die für eine Bewegung des Spiegels um + 3,75° erforderliche Zeit der wirksamen Zeit t₀, während die für das Kippen (Verschachtelung) des Spiegels 26 erforderliche Zeit als Totzeit t^ bezeichnet ist. Die wirksame Zeit der Abtasteinheit kann etwa 80% des gesamten Arbeitszyklus betragen. Wie in Fig.3 zu entnehmen ist, wird während der wirksamen Zelt der Abtasteinheit eine lineare Abtastung (konstante Winkelgeschwindigkeit oder Abtastgeschwindigkeit) angewendet. Die. Totzeit (-t_d)3edes Zyklus ist für dieUmkehrung" des Drehrichtung des Spiegels 26 und für das Kippen der Spiegels 26 zur Verschachtelung vorgesehen. Bei der Abtasteinheit von Fig.2 können auch andere Antriebsfunktionen angewendet werden.

In den Figuren 4a und 4b ist die Stellung des afokalen Optikabschnitts 12 für ein enges Gesichtsfeld 50 dargestellt, die Figuren 4c und 4d zeigen die Stellung des afokalen Optikabschnitts 12 für das weite Gesichtsfeld und die Figuren 4e und 4f zeigen die stellung des afokalen Optikabschnitts 12 für das mittlere Gesichtsfeld 52. Die Figuren 4b, 4d und 4f gleichen den Figuren 4a, 4c bzw. 4e mit der Ausnahme, daß das Konvergenzlineensystem 32 und de Detektorfeld 34 in der Abtasteinheit 24 zur Vereinfachung der Erklärung in der optischen konfiguration ohne Umlenkung dargestellt sind.

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Es sei bemerkt, daß für jedes (in denFiguren 4b, 4d und 4f dargestellte) Gesichtsfeld der gleiche Strahlenbündeldurchmeseer A, der Austrittsenergie vorliegt, der von der Konvergenzlinse 32 festgelegt ist, und daß der Strahlenbündelwinkel von der Bewegung des Spiegels 26 eingestellt ist. Dies wird im Zusammenhang mit den Figuren 5a und 5b noch näher erläutert. Die ankommende Strahlungsenergie in allen drei Gesichtsfeldern wird kollimiert, und sie ist parallel zur optischen Achse 22 (nach Fig.1) dargestellt. D.h. mit anderen Worten, daß die ankommende kollimierte Energie mit einem Strahlenbündeldurchmesser B_n in den afokalen Optikabschnitt 12 eintritt und aus diesem immer noch im kollimierten Zustand jedoch mit einem Strahlenbündeldurchmesser A austritt, der für alle drei Gesichtsfelder (_v das enge, das mittlere und das weite Gesichtsfeld) konstant und dabei von der Konvergenzlinse 32 festgelegt ist. Das Gesichtsfeld einer Optik steht •in umgekehrtem Verhältnis zur effektiven Brennweite'der Optik. Ferner steht das Gesichtsfeld einer Optik in umgekehrtem Verhältnis zum Verhältnis aus dem Strahlenbündeldurchmesser der ankommenden Energie zum Strahlenbündeldurchmesser der abgehenden Energie (d.h. in umgerkehrtem Verhältnis zu B_n/A).

Aus Fig.4b ist zu erkennen, daß die einen Strahlenbündeldurchmesser B.J aufweisende ankommende Strahlungsenergie beim Durchlauf durch den afokalen Optikabschnitt 12 aus den Linsen 14 und 16 konvergiert und aus dem afokalen Optikabschnitt 12 mit einem Strahlenbündeldurchmesser A austritt. Die effektive Brennweite dieses optischen SyÄtems kann dadurch bestimmt werden, daß die Strahlen vom Detektorfeld,34 verlängert werden, bis ein Strahlenbündeldurchmesser erreicht ist, der gleich dem Strahlenbündeldurchmesser B,j ist. Auf andere Weise betrachtet ergibt sich, daß das Verhältnis aus dem Strahlenbündel-

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durchmesser B-. zum Strahlenbtindeldurchme sser A (B^/A) größer als 1 ist.

Aus Fig.4d ist ζμ erkennen» daß die ankommende Strahlungsenergie mit einem Strahlenbündeldurchmesser B₂ den afokalen Optikabschnitt 12 durchläuft, durch die Linsen 16a und 14a divergiert und schließlich mit einem Strahlenbündeldurchmesser A aus dem afokalen Optikabschnitt 12 austritt. Zur Bestimmung der effektiven Brennweite des in Fig.4d dargestellten optischen Systems werden die Strahlen 98 vom Detektorfeld 34 verlängert, bis der Strahlenbündeldurchme sser den Wert B₂ erreicht. Da der Strahlenbündeldurchmesser B₂ kleiner als der Strahlenbündeldurchmesser B₁ (Fig.4b) ist, ist die effektive Brejanwe^te des in Fig.4d dargestellten optischen Systems kleiner als die des in Fig.4b dargestellten Systems. Das heißt also, daß das Verhältnis aus den Strahlenbündeldurchmessern B₉ und A (B₂/A) kleiner als 1 ist. Da wie oben bereits erwähnt wurde,die effektive Brennweite dem Gesichtsfeld umgekehrt proportional ist, ist das Gesichtsfeld des in Fig.4d dargestellten Systems größer als die des in Fig.4b dargestellten Systems.

Wenn der afokale Optikabschnitt 12 weitergedreht wird, ergibt sich eine dritte Stellung, die in Fig.4f dargestellt ist, bei der der afokale Optikabschnitt 12 völlig aus der optischen Bahn des Systems entfernt ist. In dieser Stellung hat die ankommende kollimierte Strahlungsenergie einen Strahlenbündeldurchmesser B^, der gleich dem austretenden . Strahlenbündeldurchmesser A ist, so daß das Verhältnis dieser zwei Strahlenbündeldurchmesser demnach genau d?n Wert 1 hat. Die effektive Brennweite (d.h. der zur Erzielung eines Strahlenbündeldurchme ssers B, erforderliche Abstand der Strahlen 98) ist der Abstand zwischen der Konvergenzlinse 32 und dem Detektorfeld 34. Demnach liegt die effektive Brennweite

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des in Fig.4f dargestellten optischen Systems zwischen den in den Figuren 4b und 4d dargestellten Brennweiten, so daß auch das Gesichtsfeld des in Fig.4f dargestellten Systems zwischen den in den Figuren 4b und 4d gegebenen Gesichtsfeldern liegt; das sich in Fig.4f ergebende Gesichtsfeld entspricht dem Gesichtsfeld 52 (nach Fig.1).

In den Figuren 5a und 5b ist die von der Bewegung des Abtastspiegels 26 verursachte Strahlenwinkeländerung durch den afokalen Optikabschnitt 12 für enge bzw. weite Gesichtsfelder dargestellt. Ih beiden Figuren 5a und 5b ist der Abtastspiegel in zwei Stellungen dargestellt, die mit ausgezogenen Linien bei 26 und mit gestrichelten Linien bei 26' dargestellt sind, so daß das Verständnis des Vorgangs einschließlich des Auftretens achsenferner Strahlen erleichtert wird*· Ferner sei angenommen, daß die vom Spiegel 26 in der mit ausgezogenen Linien angegebenen Stellung abgetastete "infrarote Strahlungsenergie in den Figuren 5a und 5b parallel zur optischen Achse verläuft. Ferner jsb der Durchmesser des den afokalen Optikabschnitt 12 verlassenden und vom Abtastspiegel reflektierten Strahlenbündels ein konstanter Strahlenbündeldurchmesser A in beiden dargestellten Gesichtsfeldern.

Fig.5a zeigt, daß der Strahlenbündeldurchmesser der in den afokalen Optikabschnitt 12 eintretenden Energie den Wert B^ hat. Wenn sich der Abtastspiegel von der Stellung 26 in die Stellung 26« bewegt, tastet er einen Winkel ab, der von den Strahlen 100 angegeben ist. Der Winkel a^ , den der Strahl 100 beim Verlassen der Linie 16 bezüglich der optischen Achse einnimmt, ist kontant; er hat den zweifachen Wert des Winkels, den der Abtastspiegel bei der Bewegung von der Stellung 26 in die Stellung 26« durchläuft. Die Größe des Winkels a₂, den der Energiestrahl 100 bezüglich der optischen Achse(für kleine Winkel) einnimmt, hängt von

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der folgenden Beziehung ab!

J. - -1 (1)

Wie Fig.5b zeigt, hat der Durchmesser des Strahlenbündels der beim afokalen Optiksystem 12 ankommenden Energie den Wert B₂, während der Strahlenbündeldurchmesser der abgehenden Energie den Wert A hat. Bei der Bewegung des Abtastspiegels von der Stellung 26 zur Stellung 26· beschreiben die Energiestrahlen 102 einen Winkel α, bezüglich der optischen Achse an der Linse 16a, während bei der Linse 14a der gleiche Winkel a^ bezüglich der optischen Achse beschrieben wird. Die Beziehung zwischen den durchlaufenen Winkeln und der Strahlenbündelgröße bei der Anordnung mit weitem Gesichtsfeld läßt sich folgendermaßen ausdrücken:

-1

^α3

Beispielsweise sei angenommen, daß der Strahlenbündeldurchme sser B^ den doppelten Wert des Durchmessers A hat (B₁ a 2A) und daß der Strahlenbündeldurchmesser B₂ die Hälfte des Werts des Durchmessers A hat (B₂ = 1/2A). UnterEinsetzen dieser zwei Annahmen indie Gleichungen (1) und (2) ergibt sich :

2 -■■?■ (3)

(4)

Eine Auflösung der Gleichungen (3) und (4) nach α ergibt

^a—^⁰ (5)

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In anderen Worten heißt das,däß bei der gleichen Bewegung des Abtastspiegel von der Stellung 26 in die Stellung 26* der im weiten Gesichtsfeld (Fig.5b) 'abgetastete Winkel a^ viermal so groß wie der im schmalen Gesichtsfeld (Fig.5a) abgetastete Winkel ^α2 *·⁸*· Somit ist klar zu erkennen, wie die Bewegung des Abtastspiegels den Strahlenwinkel entsprechend der bestimmten Stellung des afokalen Optikabschnitts (entweder im weiten oder im schmalen Gesichtsfeld) ändert.

In Fig.6 ist ein typischer mechanischer Aufbau der hier beschriebenen Strahlungsen* eieabtastanordnung dargestellt» Eine (nicht dargestellte) stationäre Linse bildet ein Betrachtungsfenster für ein abgeschlossenes sphärisches Gehäuse 110. Das Gehäuse ist so angebracht, daß es sowohl ünrdieNick-Achse als auch auch um die* Gier-Achse eines Flugzeugs gekippt werden kann, damit das Anvisieren eines gewünschten Ziels mit der optischen Achse 22 erleichtert wird. Der afokale Optikabschnitt 12 ist in der Anordnung bei engem Gesichtsfeld in der aktiven Stellung (entsprechend den Figuren 4a und 4b) dargestellt. Die Stellungen bei mittlerem und weitem Gesichtsfeld sind mit gestrichelten Linien angegeben. Die den afokalen Optikabschnitt 12 bildenden Linsen 14 und 16 sind auf einem (nicht dargestellten) einfachen Träger befestigt, der um einen Punkt 18 zwischen den Linsen in jede der drei oben bewchriebenen Stellungen gedreht werden kann. Es sei bemerkt, daß sich die Linsen 14 und 16 innerhalb eines Rotationszylinders.112 drehen. Die aus dem afokalen Optikabschnitt 12 austretende kollimierte Infrarotenergie fällt auf den oszillierenden Vorderspiegel 26, und sie wird von diesem durch das konvergierende Linsensystem 32 aus drei Infrarotlinsen 114, 116 und 118 reflektiert; diese Linsen können aus Germanium; 1173-Glas (von der Firma

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Texas Instruments Incorporated hergestellt und vertrieben) bzw. aus Germanium bestehen. Das Linsensystem 32 konvertiert und fokussiert die infrarote Strahlungsenergie vom Vorderspiegel 26 auf das Detektorfeld 34.Die Linsen und 16 sind konvergierend, bzw. divergierend, und sie können aus Germanium hergestellt sein. Die Linse 16 ist zwar als divergierende Linse dargestellt, doch kann sie auch eine konvergierende Linse sein, wenn sie hinter dem Brennpunkt der konvergierenden Linse 14 angebracht wird.

Die einen Teil des konvergierenden Linsensystems 32 bildende Linse 118 ist innerhalb eines kryogenen Kühler,'! 120 mit geschlossenem Zyklus angebracht. Die konvergierende infrarote Strahlungsenergie 122 wird vom konvergierenden Linsensystem 32 auf das an der D.etektorhaltening 12^ 'befestigte Detektorfeld 34 fokussiert.

Der Ausgang des Detektorfeldes 34 ist über die (nicht dargestellte) Videoelektronikschaltung an das auf einem Kühlkörper 126 befestigte Emitterfeld 38 angekoppelt. Dieses Bnitterfeld strahlt Energie mit einem Wert ab, der auf die auf das Detektorfeld 34 fallende Energie bezogen ist. Die Strahlungsenergie 128 ,die in einem sichtbaren Bereich des Spektrums liegen kann, durchläuft ein Emitterfenster 130, und sie wird vom Umlenkspiegel 132 reflektiert. Die umgelenkte Strahlungsenergie durchläuft das kollimierende Linsensystem 40, das aus mehreren optischen Elementen zusammengesetzt ist, so daß ein parallel gerichtetes Licht erzeugt wird, das auf den Hinterspiegel 28 fällt. Da der Vorderspiegel 26 und der Hinterspiegel 28 auf einem gemeinsamen Träger 30 befestigt sind, gibt es keine Synchronisierungsabweichungen zwischen der Abtastung auf der Vorderseite (mit der Infrarotenergie vom Objekt 20 von Fig.1) und auf

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der Rückseite (mit dem Sichtwiedergabeteil des Systems). Das abgetastete, parallel gerichtete Licht vom Hinterspiegel 28 durchläuft das kollimierende Fernsehlinsensystem 46^ wo mit Hilfe der Fernsehkamera 44 ein Videosignal erzeugt wird.

In den Figuren 7a und 7b sind andere Ausführungsformen eines afokalen Optikabschnitts 150 dargestellt. Der afokale Optikabschnitt 150 besteht aus zwei ortsfesten Linsen 52 und 54, die konvergierend bzw. divergierend sind. Ein beweglicher Weitwinkeleinsatz 156 enthält zwei Linsen 158 und 16O, die divergierend bzw. konvergierend sind. Die Linsen 158 und 160 können um einen Punkt 162 in eine zweite Stellung ( mit weitem Gesichtsfeld) gedreht werden, die inFIg.7b dargestellt ist. In der in Fig.7a dargestellten Stellung konvergiert die ankommende Strahlungsenergie längs der optischen Achse durch die Linse 152, und sie verläßt die Linse 154 mit,einem Strahlenbündeldurchmesser, der kleiner als der in die Linse 152 eintretende Strahlenbündeldurchmeseer ist. Die Strahlungsenergie fällt auf die Vorderseite des Spiegels 162a, der die Abtastung ausführt. Die aus der divergierenden Linse 154 austretende Strahlungsenergie wird zwar vom Abtastspiegel 162a nach unten umgelenkt, doch ist sie zum Zweck der Erläuterung in gerader Richtung fortgesetzt dargestellt. Die abgetastete kollmierte Energie wird dann durch das Linsensystem 164 reflektiert und konvergiert, das sie auf Detektoren 166 fokussiert. Die effektive Brennweite des konvergierenden Lineensystems 164 ist ebenfalls dargestellt.

Fig.7 zeigt die Anordnung der Optik, wenn der Weitwinkeleiasatz 156 um den Punkt 162 in seine Stellung gedreht ist. Bei dieser Anordnung ist die effektive Brennweite der in Fig.7b dargestelltenOptik kürzer als die effektive Brennweite der in Fig.7a dargestellten Optik. Da sich die

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Brennweiten um umgekehrten Verhältnis zum Gesichtsfeld ändern, sei bemerkt, daß das Gesichtsfeld der in Fig.7b dargestellten Optik weiter als das der in Fig.7a dargestellten Optik ist.

In Fig.8 ist eine in Bezug auf Fig.1 leicht geänderte Ausführungsform dargestellt, die zwei Gesichtsfelder aufweist, nämlich ein weites Gesichtsfeld (WFOV)und ein schmales Gesichtsfeld (NFOV). Afokale Linsenelemente und 172 können gemeinsam in den optischen Weg 174 und aus diesem Weg bewegt werden, wie durch die Pfeile in der Bewegungsrichtung für das enge Gesichtsfeld (NFOV) und das weite Gesichtsfeld (WFOV) dargestellt ist. Wenn sich die Linsenelemente 170 und 172 (die divergierend bzw. konvergierend sind) in der dargestellten Lage befinden, wird die längs der optischen Achse 174 ankommende Strahlungsenergie vom Umlenkspiegel 176 reflektiert und vom Abtastspiegel 178 abgetastet. Die abgetastete Strahlungsenergie durchläuft dann ein konvergierendes Linsensystem 180, und sie trifft auf ein Detektorfeld 182. Die Theorie der Arbeitsweise gleicht der im Zusammenhang mit Fig.4f erläuterten Theorie. Wenn die Linsenelemente 170 und 172 in den optischen Weg 174 bewegt werden, wird ein weites Gesichtsfeld erzielt.' Dies entspricht der im Zusammenhang mit Fig.4d erläuterten Situation.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zum Abtasten der von einer Szene ausgehenden Strahlungsenergieι gekennzeichnet durch eine afokale Optikeinrichtung zum Verändern des Gesichtsfeldes der von einer Szene kommenden Strahlungsenergie, wenigstens einen Abtastspiegel zum Empfangen der ankommenden Strahlungsenergie von der afokalen Optikeinrichtung und eine Detektorvorrichtung zum Empfangen der Strahlungsenergie von dem Abtastspiegel.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine konvergierende Linseneinrichtung zum Fokussieren der Strahlungsenergie auf die Detektorvorrichtung.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorvorrichtung die abgetastete und fokussierte Strahlungsenergie empfängt und ein Ausgangssignal erzeugt, das sich mit der auftreffenden Strahlungsenergie ändert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine mit der Detektorvorrichtung gekoppelte Emittervorrichtung, die in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal Strahlungsenergie erzeugt, die mit der auf die Detektorvorrichtung fallenden Strahlungsenergie in Beziehung steht, und wenigstens einen der Emittervorrichtung zugeordneten Spiegel, der sich zur Reflexion der von der Emittervorrichtung ausgehenden Strahlungsenergie synchron mit dem Abtastspiegel bewegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastspiegel und der der Emittervorrichtung zugeordnete Spiegel zwei auf einem gemeinsamen Befestigungselement angebrachte Spiegel sind.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5_f dadurch gekennzeichnet, daß die Emittervorrichtung Energie in sichtbarem Bereich des Spektrums ausstrahlt.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Emittervorrichtung aus GaAsP-Dioden besteht,
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Umwandeln des Ausgangssignals der Emittervorrichtung in ein Videosignal.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlungseinrichtungen aus einer Fernsehkamera bestehen, die auf das Ausgangssignal der Emittervorrichtung anspricht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9»dadurch gekennzeichnet,daß die Urawandlungseinrichtungen eine- kollimierende Linsenanordnung zwischen der Emittervorrichtung und der Fernsehkamera enthalten.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Fernsehwiedergabevorrfchtung zur Erzeugung eines sichtbaren Bildes aus dem von der Fernsehkamera erzeugten Videosignal.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die afokale Optikanordnung ankommende kollimierte Strahlungsenergie mit einem ersten Strahlenbündeldurchmeseer empfängt und abgehende Kollimierte Strahlungsenergie mit einem zweiten Strahlenbündeldurchmesser erzeugt.

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13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsenergie im Infrarotbereich liegt.
14. Vorrichtung· nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarotbereich im Bereich von 8 bis 14 lim liegt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorvorrichtung mehrere Infrarotdetektoren enthält, daß mehrere Lichtemitter vorgesehen sind, deren Zahl im wesentlichen der Zahl der Infrarotdetektoren entspricht, daß die Lichtemitter derart mit den Infrarotdetektoren gekoppelt sind,, daß sie sichtbares Licht erzeugen, das mit der auf die Infrarotdetektoren fallenden Infrarotenergie in Beziehung steht, und daß den Lichtemittern zum Reflektieren des von ihnen ausgehenden sichtbaren Lichts wenigstens ein Spiegel optisch zugeordnet ist, der mit dem Abtastspiegel mechanisch verbunden ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren aus HgCdTe bestehen.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die afokale Optikanordnung wenigstens zwei Linsen enthält.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Linsen zur Veränderung des Gesichtsfeldes beweglich sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch zusätzliche Linseneinrichtungen, die zwischen die zwei Linsen zur Veränderung des Gesichtsfeldes einschiebbar sind.

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20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Linsen aus Germanium bestehen«
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine der zwei Linsen konvergierend
ist und daß die andere divergierend ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß beide Linsen konvergierend sind.

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