DE2333774A1

DE2333774A1 - OPTICAL SCAN ARRANGEMENT

Info

Publication number: DE2333774A1
Application number: DE19732333774
Authority: DE
Inventors: David Patrick Searle Forse
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1972-06-30
Filing date: 1973-06-27
Publication date: 1974-01-10

Description

Optische Abtastanordnung Die Erfindung betrifft eine optische Abtastanordnung unter Verwendung eines Risley-Prismas, bei dem zwei Prismen um eine gemeinsame Achse drehbar sind. Optical scanning arrangement The invention relates to an optical scanning arrangement using a Risley prism, in which two prisms around a common axis are rotatable.

Ein Prisma lenkt einen auf eine seiner Flächen fallenden Lichtstrahl ab, und bei Drehung des Prismas um eine beispielsweise zum auftreffenden Lichtstrahl parallele Achse hat der geometrische Ort des abgelenkten Strahls konische Form. Wenn man bei einem dünnen Prisma eine zur Rotationsachse orthogonale A Ebene betrachtet, ist die Ablenkung des Strahls in dieser Ebene etwa kreisförmig und kann in den orthogonalen Richtungen in Sinus- und Kosinuskomponenten aufgelöst werden. A prism directs a beam of light falling onto one of its surfaces from, and upon rotation of the prism around one, for example, to the incident light beam parallel axis, the locus of the deflected beam has a conical shape. If one considers an A plane orthogonal to the axis of rotation for a thin prism, the deflection of the beam in this plane is approximately circular and can be in the orthogonal Directions are resolved into sine and cosine components.

Es ist bekannt, daß ein Risley-Prisma aus zwei Prismen besteht, die um etwa die gleiche Achse rotieren. Bei einer Äusführungsform eines Risley-Prismas mit gleichen Brechungswinkeln treten bei Rotation mit gleicher,aber entgegengesetzt gerichteter konstanter Winkelgeschwindigkeit Ablenkkomponenten auf, die sich in der einen orthogonalen Richtung aufheben. und in der anderen addieren, so daß ein auftreffender Lichtstrahl eine lineare räumliche Ablenkung erfährt, die sinusförmig mit der Zeit schwankt. Eine Änderung der Rotationsgeschwindigkeiten kann zu einem komplizierteren Ablenkort führen (siehe Rosell F. Prism Scanner J.O.S.A, Vol. 50 Xr. 6, Seiten 521 bis 526 vom Juni 1960). Eine solche Prismenanordnung kann daher zur Abtastung eines Obaektbereiches verwendet werden, aber oft ist die Erzeugung einer räumlich linearen Abtastung erwünscht, die sich linear mit der Zeit ändert, beispielsweise eine Hin- und Rücklauf-Abtastwellenform.It is known that a Risley prism consists of two prisms consists, which rotate about the same axis. In one embodiment of a Risley prism with the same angles of refraction occur with rotation with the same, but opposite directed constant angular velocity on deflection components that are in cancel the one orthogonal direction. and add in the other so that one The incident light beam experiences a linear spatial deflection that is sinusoidal fluctuates over time. A change in the rotational speeds can lead to a more complicated deflection location (see Rosell F. Prism Scanner J.O.S.A, Vol. 50 Xr. 6, pages 521-526 of June 1960). Such a prism arrangement can therefore can be used to scan an object area, but often the generation a spatially linear scan is desired that changes linearly with time, for example, a roundtrip scan waveform.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Abtastanordnung zu schaffen, die eine solche Abtastwellenform ermöglicht. The invention is based on the object of an optical scanning arrangement to provide such a sampling waveform.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß wenigstens ein weiteres, um die gemeinsame Achse drehbares Prisma vorgesehen ist, und daß Mittel vorgesehen sind, um die Prismen des Risley-Prismas mit gleicher, aber entgegengesetzt gerichteter Winkelgeschwindigkeit und das oder die weiterenPrismm mit einem Vielfachen dieser Winkelgeschwindigkeit anzutreiben Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert. The object set is achieved according to the invention in that at least one further prism rotatable about the common axis is provided, and that means are provided for the prisms of the Risley prism with the same, but opposite angular velocity and that or the further prism to drive at a multiple of this angular velocity the The invention is explained in more detail below with reference to the drawing.

In der Zeichnung bedeuten: Fig. 1 eine Darstellung eines idealisierten Abtastschemas, das mit einer erfindungsgemäßen optischen Abtastanordnung erzielt wird, wobei das idealisierte Schema als durchgehende Linie und das tatsächliche Schema als gestrichelte Linie eingezeichnet ist und Sig. 2 ein Ausfthrungsbeispiel einer optischen Abtastanordnung gemäß der Erfindung. In the drawing: FIG. 1 shows an illustration of an idealized Scanning scheme achieved with an optical scanning arrangement according to the invention is, with the idealized scheme as a solid line and the actual one Scheme is shown as a dashed line and Sig. 2 an exemplary embodiment an optical scanning arrangement according to the invention.

Wie oben erwähnt wurde, erzeugt ein mit der Winkelgeschwindigkeit w rotierendes Prisma Ablenkungen eines Lichtstrahls, die in der horizontalen und vertikalen Richtung der Objektebene proportional sinkt und cos W t sind. Da eine Verdoppelung der Rotationsgeschwindigkeit der Prismen die Geschwindigkeit der Strahlablenkung verdoppelt, haben die rotierenden Prismen die Fähigkeit, ein Fourier-Spektrum von strahlablenkenden Komponenten zu erzeugen. As mentioned above, a generated with angular velocity w rotating prism deflections of a beam of light occurring in the horizontal and vertical direction of the object plane decreases proportionally and cos W t are. There one Doubling the speed of rotation of the prisms, the speed of beam deflection doubled, the rotating prisms have the ability to produce a Fourier spectrum of generate beam deflecting components.

Das in Fig. 1 dargestellte Hin- und Rtoklauf-Abtastschema in einer Objektebene kann hinsichtlich der Zeit als dreieckige Wellenform in horizontaler Richtung und als rechteckige Wellenform in vertikaler Richtung betrachtet werden. The forward and reverse scanning scheme shown in FIG. 1 in one Object plane can be viewed in terms of time as a triangular waveform in horizontal Direction and as a rectangular waveform in the vertical direction.

Somit können unter Anwendung der Fourier-Analyse die gewünechten Wellenformen durch die folgenden Gleichungen dargestellt werden. Thus, using Fourier analysis, the desired waveforms can be represented by the following equations.

Fig. 2 zeigt eine-Prismenanordnung zur Synthese der Fourier-Komponenten von [V(t) + iH(t)]. Die Prismen 1, 2, 3 und 4 haben jeweils entsprechende Scheitelwinkel ctr und sind drehbar um eine gemeinsame Achse 5 gelagert. Die Prismen können aus Glas bestehen, oder falls die Anordnung zur Infrarotabtastung bestimmt ist, können sie aus Germanium hergestellt sein, wobei die Prismen jeweils auf einem Kugellagerkäfigring 7 gelagert sind, der auf einer Welle 8 befestigt ist. Alle Prismen haben einen kreisförmigen Umfang und können durch nicht dargestellte Getriebemittel, die mit ihrem Umfang in Eingriff stehen, in Drehung versetzt werden. Das Prisma 1 wird mit einer Winkelgeschwindigkeit < , das Prisma 2 mit einer Winkelgeschwindigkeit S in entgegengesetztem Sinn angetrieben. Fig. 2 shows a prism arrangement for synthesizing the Fourier components of [V (t) + iH (t)]. The prisms 1, 2, 3 and 4 each have corresponding vertex angles ctr and are rotatably mounted about a common axis 5. The prisms can be made from Glass exist, or if the arrangement is intended for infrared scanning, can they be made of germanium, the prisms each on a ball bearing cage ring 7, which is mounted on a shaft 8. All prisms have a circular one Scope and can by not shown transmission means with their scope are engaged, are set in rotation. The prism 1 is moving at an angular velocity <, the prism 2 with an angular velocity S in the opposite sense driven.

während die Prismen 3 und 4 mit Winkelgeschwindigkeiten 3w und 5 # angetrieben werden. Für ein dünnes Prisma wie das Prisma 1 ist der Beitrag zur Ablenkung des Lichtstrahls 6 im Objektbereich in komplexer Form gegeben durch 61= P coswt + i P sinkt wobei P eine dem Scheitelwinkel α 1 proportionale Konstante ist. Der geometrische Ort von a1 ist - wie oben beschrieben -ein Kreis, In gleicher Weise gilt für die Prismen 3, 4, 5 62= iQ sinwt - Q costat #3 = R ccs 3# t + iR sin 3t 5 4 = S cos 5ut + iS sin 5 #t wobei Q, R und S Konstante sind, die jeweils den Scheitelwinkeln α2, α3 und α4 proportional sind. Somit ist die c J e von dem Prismensystem erzeugte Gesamtablenkung in der Form von# V(t) + iH(tgaus drei harmonischen Funktionen. Durch Einstellung der Scheitelwinkel der Prismen können die Konstanten P, Q, R und S so eingestellt werden, daß die Synthese der Abtastfunktion aus ihren Harmonischen optimiert werden kann. Bei dem vorgegebenen Beispiel werden die Scheitelwinkel so gewählt, daß Ao = 2 Q A1 = B1 = P-Q A2 = B2 = R A3 = B3 = S Es hat sich herausgestellt, daß gegenwärtig Unvollkommenheiten bei der Herstellung der Prismen und Verluste innerhalb des Systems eine brauchbare Verbesserung verhindern, wenn noch mehr Prismen hinzugefügt werden um weitere Harmonische zu erzeugen. Falls jedoch sclrhe Unvollkommenheiten durch zukünftige Herstellungstechniken vermindert werden können, kann die Hinzufügung ncch weiterer Prismer wünschenswert sein, und die Erfindung schlIeßt auch solche Anordnungen mit ein, Durch eine Änderung der relativen Phase der rotierenden Prismen wird die Orientierung des Abtastschemas verändert.while the prisms 3 and 4 are driven at angular speeds 3w and 5 #. For a thin prism like prism 1, the contribution to the deflection of the light beam 6 in the object area is given in complex form by 61 = P coswt + i P decreases, where P is a constant proportional to the apex angle α 1. The geometric location of a1 is - as described above - a circle, in the same way applies to the prisms 3, 4, 5 62 = iQ sinwt - Q costat # 3 = R ccs 3 # t + iR sin 3t 5 4 = S cos 5ut + iS sin 5 #t where Q, R and S are constants which are proportional to the vertex angles α2, α3 and α4, respectively. Thus the c J e is the total deflection produced by the prism system in the form of # V (t) + iH (tg from three harmonic functions. By adjusting the vertex angles of the prisms, the constants P, Q, R and S can be adjusted so that the synthesis of the scanning function from its harmonics can be optimized In the example given, the vertex angles are chosen so that Ao = 2 Q A1 = B1 = PQ A2 = B2 = R A3 = B3 = S It has been found that presently imperfections in the manufacture of the prisms and losses within the system are a useful improvement If more prisms are added to create more harmonics, however, if future manufacturing techniques can reduce some imperfections, the addition of more prisms may be desirable, and the invention includes such arrangements by changing the relative phase of the rotating prisms, the orientation of the scanning scheme is changed.

Die in Fig. 1 dargestellte Abtastung kann verwendet werden, um in horizontaler Richtung eine Hin- und Rücklaufabtastung mit einer sprungweisen Abtastung in vertikaler Richtung vorzusehen, so daß die obere Hälfte eines Bildes von links nach rechts und die untere Hälfte von rechts nach links abgetastet wird. The scan shown in Fig. 1 can be used in horizontal direction a back and forth scan with a jump scan in the vertical direction so that the top half of an image is from the left to the right and the lower half is scanned from right to left.

Auch andere Ausführungsbeispiele von Abtastwellenformen liegen im Bereich der Erfindung. Eine Annäherung an eine geradlinige Sägezahn-Hinlaufabtastung kann durch eine ähnliche Anordnung wle in Fig. 2 erreicht werden. Bei diesem Beispiel haben die Prismen 2 und 3 gleiche Scheitelwinkel, während die Prismen 3 und 4 gleiche,aber gegenüber den Prismen 2 und 3 unterschiedliche Scheitelwinkel besitzen. Other sample waveform embodiments are also included Scope of the invention. An approximation of a straight sawtooth trace can be achieved by a similar arrangement as shown in FIG. In this example prisms 2 and 3 have the same vertex angle, while prisms 3 and 4 have the same but have different vertex angles compared to prisms 2 and 3.

Die Prismen 2 und 3 werden gegensinnig gedreht, und zwar mit einer Winkelgeschwindigkeit X , während die Prismen 3 und 4 mit einer Winkelgeschwindigkeit von jeweils 2 oJ gegensinnig in Drehung versetzt werden. Somit erzeugen die Prismen 2 und 3 eine lineare Ablenkung, die mit sinkt schwankt, während die Prismen 3 und 4 eine sin 2wt-Fourier-Komponente erzeugen. Es wurde gefunden, daß durch Einstellung der relativen Phase und der Scheitelwinkel der beiden Prismenpaare die resultierende Auslenkung der Abtastung hinsichtlich der Zeit zu 60 % linear ist gegenüber nur 37,5 % bei einem einzelnen Risley-Prisma.The prisms 2 and 3 are rotated in opposite directions, namely with an angular velocity X, while the prisms 3 and 4 have an angular velocity are rotated in opposite directions by 2 oJ each. Thus the prisms generate 2 and 3 have a linear deflection which fluctuates with decreasing, while the prisms 3 and 4 generate a sin 2wt Fourier component. It was found that by recruitment the relative phase and the vertex angle of the two prism pairs the resulting The deflection of the scanning in terms of time is 60% linear compared to only 37.5% for a single Risley prism.

Zahlreiche andere Ausführungsbeispiele liegen innerhalb des Bereiches der Erfindung. Bei Verwendung einer optischen Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung mit mehreren fotoleitenden Detektoren, die in einer vertikalen Linie in der Brennebene einer Linse angeordnet werden, kann ein im Objektbereich einer Linse erzeugtes Bild in einer horizontalen Richtung durch die Detektoren abgetastet werden. Numerous other embodiments are within the scope the invention. When using an optical scanning device according to the invention with several photoconductive detectors in a vertical line in the focal plane A lens can be arranged, an image generated in the object area of a lens scanned in a horizontal direction by the detectors.

-PatentansprUche--Patent claims-

Claims

Claims Optical scanning arrangement using a Risley prism, in which two prisms can be rotated about a common axis, characterized in that that at least one further prism rotatable about the common axis is provided is, and that means are provided to the prisms of the Risley prism with the same, but opposite angular velocity and that or the further prisms to drive at a multiple of this angular velocity.

2. Optical scanning arrangement according to claim 1, characterized in that that two further prisms are provided which can be rotated about the common axis.

3. Optical scanning arrangement according to claim 2, characterized in that that the means for rotation are designed so that the prisms of the Risley prism with opposite angular velocity w, which is one of the other prisms with a speed 5 X and the other of the further prisms with an angular speed 5to is rotated.

4. Optical scanning arrangement according to claim 2, characterized in that that the means for rotation are designed so that the prisms of the Risley prism in opposite directions with an angular velocity w and the other two prisms in opposite directions be rotated at an angular velocity 2 X.

5. Optical scanning arrangement according to claim 1, characterized in that that the prisms are made of germanium.

6. Optical scanning arrangement according to claim 1, characterized in that that the prisms are made of glass.

7. Optical scanning arrangement according to claim 3, characterized in that that the circumference of the prisms is approximately circular, and that the rotation means one Gear is assigned, which zasammenwellt with the prisms that these a torque is granted.

8. Optical scanning arrangement according to claim 1, characterized by that the rotation means are designed so that the prisms with each constant Angular velocity are rotatable, Blank page