DE2331012C3

DE2331012C3 - Vorrichtung zum Abtasten der von einer Szene ausgehenden Strahlungsenergie

Info

Publication number: DE2331012C3
Application number: DE2331012A
Authority: DE
Inventors: Howard Vernon Dallas Tex. Kennedy
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1972-06-19
Filing date: 1973-06-18
Publication date: 1986-04-17
Also published as: GB1423257A; US3781559A; DE2331012B2; SE387032B; IT985689B; JPS5852202B2; JPS4967635A; DE2331012A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abtasten der von einer Szene ausgehenden Strahlungsenergie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine solche Vorrichtung ist bererts bekannt (US-PS 29 89 643), Bei dieser bekannten Vorrichtung wird die von einer Szene kommende Infrarotenergie von einem Reflektor erfaßt und auf einen Spiegel geworfen, der in zwei Ebenen Schwingbewegungen ausführt Die vom Spiegel reflektierte Infrarotstrahlung trifft auf eine Fotozelle, deren Ausgangssignal verstärkt wird und eine Neonröhre ansteuert, die sichtbares Licht erzeugt Die· ses sichtbare Licht wird zu einem auf der Rückseite des zuerst genannten Spiegels befestigten zweiten Spiegel geworfen und von diesem auf einen Betrachtungsschirm gelenkt. Dabei kann konstruktionsbedingt nur ein bestimmtes Gesichtsfeld der zu betrachtenden Szene erfaßt werden. Variationsmöglichkeiten bestehen nicht. Es gibt aber häufig Anwendungsfälle, bei denen es erwünscht ist, aus einer Gesamtszene nur bestimmte Ausschnitte zu erfassen. Für diese Fälle ist die bekannte Vorrichtung nicht geeignet.

Aus »Hausmitteilungen, Jos. Schneider und Co., Optische Werke Kreuznach, Band 8, 1956, Doppelheft V₄, S. 44,45« ist es bekannt, einem feststehenden Grundobjektiv ein afokales Fernrohrsystem vorzuschalten. Dieses Fernrohrsystem kann dabei als vergrößerndes Fernrohr oder auch in Suchereinrichtungen von Kleinbildkameras in um 180° verschwenkbarer Form als verkleinerndes Fernrohr verwendet werden.

Aus der US-PS 36 10 930 ist ebenfalls eine Abtastvorrichtung bekannt, die zwei Linsenvorrichtungen enthält, mit deren Hilfe das Gesichtsfeld geändert werden kann. Diese Linsenvorrichtungen sind fokussierend, und sie können zur Erzielung von zwei unterschiedlichen Gesichtsfeldern abwechselnd aus dem oder in den Strahlengang geschwenkt werden. Sie sind jeweils an eigenen Halterungen befestigt, die räumlich voneinander getrennt sind und dadurch einen relativ großen Platzbedarf haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß die Veränderung des Gesichtsfeldes unter Verwendung einer möglichst geringen Anzahl optischer Elemente und bei geringem Platzbedarf erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs gelöst

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die gesamte afokale Optikeinrichtung mit ihrem gemeinsamen Halter in dem Raum untergebracht werden, der innerhalb eines vom Abstand der beiden Linsen bestimmten Rotationszylinders liegt Auch bei der Verdrehung des

!5 Halters wird nicht mehr Raum beansprucht da die Drehachse durch einen zwischen den Linsen liegenden Punkt geht

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt Darin zeigt

F i g. 1 eine vereinfachte perspektivische Ansicht der eiTiiidungsgernäßen Sirahiungsenergie-Abtastvorrichtung,

F i g. 2 einen Schnitt durch die Abtast- und Antriebsvorrichtung der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung, Fig.3 ein Diagramm, in dem die Änderung des Abtastwinkels in Abhängigkeit von der Zei? angegeben ist, F i g. 4a bis 4f verschiedene Stellungen des afokalen Optikschnitts der in F i g. 1 dargestellten Abtastvorrichtung,

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

F i g. 6 eine vereinfachte Seitenansicht der räumlichen Anordnung der in F i g. 1 dargestellten Abtastvorrichtung.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 10 zur Abtastung und Wiedergabe von Strahlungsenergie dargestellt Diese Vorrichtung 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 Vorrichtung 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 14/b und 166 befinden sich jeweils in einer der beiden anderen Stellungen. Die von einem Objekt 20 kommende Strahlungsenergie durchläuft den afokalen Optikabschnitt 12 längs der optischen Achse 22 der An-Ordnung und sie fällt auf eine Abtasteinheit 24, die aus einem Vorderspiegel 26 und einem Hinterspiegel 28 auf einem gemeinsamen Spiegelträger 30 besteht; dieser Aufbau könnte in Form eines Glasträgers mit verspiegelten Flächen auf beiden Seiten ausgeführt sein. Der Abtastspiegel 26 liegt nominell in einem Winkel von 45° zur optischen Achse 22. Die ankommende kollimierte 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 herkömmliches Detektorfeld sein; beispiels-

weise kann es ein lineares Feld aus Quecksilbercadmiumtellurid-Detektoren (HgCdTe) sein, die für Infrarotenergie im Bereich von 8 bis 14 μηι 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 Videoelektronikschiitung 34 verstärkt und dann an ein entsprechendes Feld von Emittern 38 angelegt. Das Emitterfeld 38 entspricht im allgemeinen hinsichtlich der Zahl der Emitter und des räumliehen Formats der Zahl der Detektoren im Detektorfeld 34. Wie bereits erwähnt wurde, koppelt die Videoelektronikschaltung 36 jeden Detektorkana! mit dem entsprechenden Emitter, und sie sorgt für die Signalversrbeitungsfunktionen und die zusätzlichen Funktionen zum Modulieren des Ausgangssignals jedes Emitterfeldes 38. Das Emitterfeld 38 kann beispielsweise aus Galliumarsenidphosphid-Dioden (GaAsP-Dioden) bestehen. Die Ausgangsenergie des Emitterfeides 38 kann im sichtbaren Bereich Hegen, und sie kann nach dem Durchlaufen eines Kollinratorlinsensystems 40 aus einer oder aus mehreren Linsen auf den Hinterspiegel 28 fallen. Das vom Hinterspiegel 28 reflektierte sichbare kollimierte Licht kann mit Hilfe einer Fernsehkamera 44 in ein Videoausgangssignal 42 umgewandelt werden, oder es kann direkt betrachtet werden. Die Fernsehkamera 44 kann ebenfalls mit einer oder mehreren Kollimatorlinsen 46 ausgestattet sein, die mit dem Kollimatorlinsensystem 40 verträglich sind. Die Fernsehkamera 44 kann von den Standardfernsehabtastgeschwindigkeiten oder von besonderen Abtastgeschwindigkeiten Gebrauch machen, damit ein Videoausgangssignal 42 erzeugt wird, das dann zum Betreiben einer herkömmlichen Fernsehbildröhre 48 zur sichtbaren Wiedergabe 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 ein 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 gebildeten Lage 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 \4b und 166 angegebenen Lagen befindet, dann wird das von der Bildröhre 43 wiedergegebene Gesichtsfeld in ausgewählter Weise in das weite Gesichtsfeld 54 bzw. in das mittlere Gesichtsfeld 52 geändert, Dies wird im Zusammenhang mit den F i g. 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 Verschachlerrngsachse 58 verläuft in einem Winkel θ zur Abtastachse 56, der kleiner als 90° ist. Wie bereits erwähnt wurde, liegen die Abtastspiegel 26 und 28 in einem Winkel von etwa 45° zur optischen Achse

22. Die Abtasteinheit 24 sorgt sowohl für die Abtastung des Infrarotanteils und des sichtbaren Anteils der An Ordnung 10 (von F i g. 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 andererseits 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 die 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°-Hori.<:onialabiastung 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 Bewegungs- oder 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 bürsenloser Gleichstrommotor mit konstantem Drehmoment sorgt für den Antrieb um die Abtastachse 56. Der Gleichstrommotor 62 besteht 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 P.otor 66 sicher mit einem Lager 72.

Der Spiegel ist an seinem oberen Ende mit Hilfe einer Spiegelklammer 74 mit einem Tachometer 76 verbunden, der ein Rückkopplungssignal liefert, das zur Geschwi.idigkeitsabtastung verwendet wird. Der Tachometer 76 besteht aus einem Stator 78 und aus einem Rotor 80, an dem die Spiegelklammer 74 befestigt ist. Eine Schraubverbindung 82 hält den Rotor 80 im 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 58 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 rim! und eine niedrige Reibung sowie ein niedriges Gewicht aufweisen. Die Lager 88 und 90 ermöglichen es dem Kardani ahmen 60 (und daher dem Spiegel 26) um die Verschachtelungsachse 58 zu kippen. Zwei Elektromagnete 92 und 94 (von denen der Elektromagnet 94 nicht dargsstellt ist) sind vorgesehen, die die Verschachtelungsantriebsbewegung dadurch erzeugen, daß sie es dem Kardanrahmen 60 und dem Spiegel 66 ermöglichen, bei Betätigung des Elektromagneis 92 oder des Elektromagnets 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 % 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 Müliradiant) um die Verschachtelungsachse 58 zu kippen.

F i g. 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. Das heißt mit anderen Worten, daß sich der Spiegel 26 in einem Winkelbereich zwischen 4125° und 48,75° bezüglich der optischen Achse 22 bewegt. Wie in Fig. 3 angegeben ist, entspricht die für eine Bewegung des Spiegels um ± 3,75° erforderliche Zeit der wirksamen Zeit to, während die für das Kippen (Verschachtelung) des Spiegels 26 erforderliche Zeit als Totzeit td bezeichnet ist. Die wirksame Zeit der Abtasteinheit kann etwa 80% des gesamten Arbeitszyklus betragen. Wie in F i g. 3 zu entnehmen ist, wird während der wirksamen Zeit der Abtasteinheit eine lineare Abtastung (konstante winkelgeschwindigkeit oder Abtastgeschwindigkeit) angewendet. Die Totzeit (tj) jedes Zyklus ist für die Umkehrung der Drehrichtung des Spiegels 26 und für das Kippen des Spiegels 26 zur Verschachtelung vorgesehen. Bei der Abtasteinheit von Fig. 2 können auch andere Antriebsfunktionen angewendet werden.

In den Fig.4a und 4b ist die Stellung des afokalen Optikabschnitts 12 für ein enges Gesichtsfeld 50 dargestellt, die F i g. 4c und 4d zeigen die Stellung des afokalen Optikabschnitts 12 für das weite Gesichtsfeld 54 und die F i g. 4e und 4f zeigen die Stellung des afokalen Optikabschnitts 12 für das mittlere Gesichtsfeld 52. Die F i g. 4b, 4d und 4f gleichen den F i g. 4a, 4c bzw. 4e mit der Ausnahme, daß das Konvergenzlinsensytem 32 und das Detektorfeld 34 in der Abtasteinheit 24 zur Vereinfachung der Erklärung in der optischen Konfiguration ohne Umlenkung dargestellt sind.

Es sei bemerkt, daß für jedes (in den F: g. 4b-, 4d und 4f dargestellte) Gesichtsfeld der gleiche Strahlenbündeldurchmesser A der Austrittsenergie vorliegt, der von der Konvergenzlinse 32 festgelegt ist, und daß der Strahlenbündelwinkd von der Bewegung des Spiegels 26 eingestellt ist. Dies wird im Zusammenhang mit den F i g. 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. Das heißt 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 (das enge, daß 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 Strahienbündeldurchmesser der abgehenden Energie (d. h. in umgekehrtem Verhältnis zu B_nZA).

Aus F i g. 4b ist zu ersehen, daß die einen Strahlenbündeldurchmesser ßi aufweisende ankommende Strahlungsenergie beim Durchlauf durch den afokalen Optikabschnitt 12 aus den Linsen 14 und 16 konvergiert und aus dem afokaien Optikabschnitt 12 mit einem Strahlenbündeldurchmesser A austritt Die effektive Brennweite dieses optischen Systems kann dadurch bestimmt werden, daß die Strahlen 98 vom Detektorfeld 34 verlängert werden, bis ein Strahlenbündeldurchmesser erreicht ist, der gleich dem Strahlenbündeldurchmesser B\ ist. Auf andere Weise betrachtet ergibt sich, daß das Verhältnis aus dem Strahlenbündeldurchmesser B\ zum Strahlenbündeldurchmesser A(B\/A) größer als 1 ist.

Aus Fig.4d ist zu erkennen, daß die ankommende Strahlungsenergie mit einem Strahlenbündeldurchmesser Bi den afokalen Optikabschnitt 12 durchläuft, durch ίο 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 Strahlenbündeldurchmesser den Wert Bj erreicht. Da der Strahlenbündeldurchmesser B2 kleiner als der Strahlenbündeldurchmesser B\ (F i g. 4b) ist, ist die effektive Brennweite des in F i g. 4d dargestellten optischen Sysienis kleiner als die des in Γ i g. 4b dargestellten Systems. Das heißt also, daß das Verhältnis aus den Strahlenbündeldurchmesser Bj und A(BjZA) 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 F i g. 4b dargestellten Systems.

Wenn der afokale Optikabschnitt 12 weitergedreht wird, erg.bt sich eine dritte Stellung, die in Fig.4f dargestellt ist, bei der der afokale Optikabschr.itt 12 völlig aus der optischen Bahn des Systems entfernt ist. In dieser Stellung hat die ankommende kollimierte Strahlungsenergie einen Strahlenbündeldurchmesser S3, der gleich dem austretenden Strahlenbündeldurchmesser A ist, so daß das Verhältnis dieser zwei Strahlenbündeldurchmesser demnach genau den Wert 1 hat. Die effektive Brennweite (d. h. der zur Erzielung eines Strahlenbündeldurchmessers S3 erforderliche Abstand der Strahlen 98) ist der Abstand zwischen der Konvergenzlinse 32 und dem Detektorfeld 34. Demnach liegt die effektive Brennweite des in Fig.4f dargestellten optischen Systems zwischen den in den F i g. 4b und 4d dargestellten Brennweiten, so daß auch das Gesichtsfeld des in F i g. 4f dargestellten Systems zwischen den in den Fig.4b und 4d gegebenen Gesichtsfeldern liegt; das sich in Fig.4f ergebende Gesichtsfeld entspricht dem Gesichtsfeld 52 (nach F i g. 1 )·

In den Fig.5a und 5b ist die von der Bewegung des Abtastspiegels 26 verursachte Strahlenwinkeländerung durch den afokalen Optikabschnitt 12 für enge bzw. weite Gesichtsfelder dargestellt. In beiden F i g. 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 F i g. 5a und 5b parallel zur optischen Achse verläuft. Ferner ist der Durchmesser des den afokalen Optikabschnitt 12 verlassenden und vom Abtastspiegel reflektierten Strahlenbündels ein konstanter Strahlenbündeldurchmesser Λ in beiden dargestellten Gesichtsfeldern.

Fig.5a zeigt, daß der Strahlenbündeldurchmesser der in den afokalen Optikabschnitt 12 eintretenden Energie den Wert B_x 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 λι, den der Strahl 100 beim Verlassen der Linse 16 bezüglich der optischen Achse einnimmt, isi konstant; 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 λ 2. den der Energiestrahl 100 bezüglich der optischen Achse (für kleine Winkel) einnimmt, hängt von de.· ,olgenden Beziehung ab:

A
A

(1)

Λ\

_ 3'

Λ3 = 4*2.

10

Wie F i g. 5b zeigt, hat der Durchmesser des Strahlenbündel 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 Λ3 bezüglich der optischen Achse an der Linse 16a, während bei der Linse 14a der gleiche Winkel rti bezüglich der optischen Achse beschrieben wird. Die Beziehung zwischen den durchlaufenden Winkeln und der Strahlenbündelgröße bei der Anordnung mit weitern Gesichtsfeld läßt sich folgendermaßen ausdrücken:

25

(2)

Beispielsweise sei angenommen, daß der Strahlenbündeldurchmesser B\ den doppelten Wert des Durchmessers A hat (B\ = 2A) und daß der Strahlenbündeldurchmesser B₂ die Hälfte des Werts des Durchmessers A hat (B₂ = 1/2A). Unter Einsetzen dieser zwei Annahmen in die Gleichungen (1) und (2) ergibt sich:

35

(3)

(4)

40

Eine Auflösung der Gleichungen (3) und (4) nach Λ3 ergibt

(5)

In anderen Worten heißt das, daß bei der gleichen Bewegung des Abtastspiegels von der Stellung 26 in die Stellung 26' der im weiten Gesichtsfeld (F i g. 5b) abgetastete Winkel Λ3 viermal so groß wie der im schmalen Gesichtsfeld (Fig.5a) abgetastete Winkel ac₂ ist. 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 Gesichtfeld) ändert.

In Fig.6 ist ein typischer mechanischer Aufbau der hier beschriebenen Strahlungsenergieabtastanordnung dargestellt Eine (nicht dargestellte) stationäre Linse bildet ein Betrachtungsfenster für ein abgeschlossenes sphärisches Gehäuse 110. Das Gehäuse ist so angebracht, daß es sowohl um die Nick-Achse als 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 (ensprechend den F i g. 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 beschriebenen 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 Texas Instruments Incorporated hergestellt und vertrieben) bzw. aus Gemanium bestehen. Das Linsensystem 32 konvergiert und fokussiert die infrarote Strahlungsenergie vom Vorderspiegel 26 auf das Detektorfeld 34. Die Linsen 14 und 16 sind konvergierend bzw. divergierend, und sie können aus Germanium hergestellt sein. Die Linse iö ist zwar ais divergierende Linse dargesteiit, 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 Kühlers 120 mit geschlossenem Zyklus angebracht. Die konvergierende infrarote Strahlungsenergie 122 wird vom konvergierenden Linsensystem 32 auf das an der Detektorhalterung 124 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 Emitterfeld 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 Spektums liegen kann, durchläuft ein Emitterfenster 130, und sie wird vom Umlenkspiegel J32 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 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.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zum Abtasten der von einer Szene ausgehenden Strahlungsenergie, mit einer Abbildungsvorrichtung, enthaltend einen in zwei verschiedenen Richtungen in Schwingbewegungen versetzbaren, drehbar gelagerten Abtastspiegel, eine Strahlungsenergie-Emitteranordnung, die sichtbares Licht mit Intensitätsänderungen erzeugt, die den Intensitätsänderungen des mittels einer Fokussierungsvorrichtung auf eine Strahlungsenergie-Detektoranordnung fokussierten Abbildes der Szene entsprechen, einen zweiten Spiegel, der Rücken an Rücken am Abtastspiegel befestigt ist, und eine Betrachtungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsvorrichtung eine afokale Optikeinrichtung (12) mit zwei Linsen (14, 16) enthält, die auf einem gemeinsamen Halteri>efestigt ist, der um einen zwischen den Linsen (14, 16) llCgCllUClI iUlllVl ^1OJ CXU3 ClIlCl CEAlClI OLCllUIIg, 111 UCl sich beide Linsen (14,16) im Strahlengang befinden, um 90° in eine zweite Stellung, in der die Linsen (14, 16) aus dem Strahlengang entfernt sind, und um 180° in eine dritte Stellung, in der sich die Linsen (14,16) in umgekehrter Reihenfolge im Strahlengang befinden, verdrehbar ist.