DE2401778A1 - Elektro-optische uebertragung von bildern - Google Patents

Description

9244-73/Dr.G/H/S

Piling date;
January 15, 1973

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Mass., Y.St.A. Elektro-optische Übertragung von Bildern

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sende- oder Empfangsvorrichtung für die elektro-optische Übertragung sichtbarer Bilder, wie Photografien, Dokumente oder dergleichen mit einer Schaltungsanordnung zur Verarbeitung von elektrischen Signalen, die der Modulation einer Lichtquelle entsprechen, mit einer . Einrichtung zur Festlegung eines abzutastenden Feldes, und mit einem optischen System, das einen Lichtstrahl von der Lichtquelle auf dieser abzutastenden Fläche fokussiert und das optische System einen um eine Abtastachse bewegbaren Reflektor zur Durchführung der Abtastung aufweist, wobei die Orte des vom Reflektor aufgrund seiner Bewegung um die Abtastachse reflektierten Lichtstrahls eine Abtastfläche festlegen. Die Erfindung eignet sich beispielsweise für die digitale Übertragung fotografischer Bilder mit hoher Geschwindigkeit.

Zum Senden und Empfangen fotografischer Bilder gebräuchliche optische Abtastvorrichtungen enthalten einen drehbaren Spiegel, der den von ihm reflektierten Lichtstrahl (der beispiels weise von einem Laser kommt) über einen bestimmten Winkel hinweg auslenkt. Eine Linse fokussiert den abtastenden Strahl auf den abzutastenden Gegenstand. Eine Abtastanordnung, die sich für den vorliegenden Anwendungsfall eignet, ist in allgemeiner Hinsicht im "Massachusetts Institute of Technology Quarterly Progress Report" vom 15.1.1972 beschrieben worden.

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Die Erfindung schafft eine sowohl zum Senden als auch zum Empfangen geeignete kompakte Vorrichtung für die elektro-optische Übertragung von Bildern, die sehr kleine Abmessungen hat, leicht einstellbar und bedienbar ist, wenig bewegliche Teile· aufweist und eine gute Bildwiedergabe mit geringem Aufwand und entsprechend geringen Kosten ermöglicht.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Sende- oder Empfangsvorrichtung der eingangs genannten Art aufgrund der Anordnung der Lichtquelle und des optischen Systems der Lichtstrahl auf den Reflektor längs einer Bahn auffällt, die mit der Abtastfläche einen spitzen Winkel bildet, und daß durch die Anordnung des Reflektors die Abtastachse bezüglich der Oberfläche des Reflektors und von der Seite der Abtastfläche aus, auf welcher der Lichtstrahl auf den Reflektor auffällt, gegen die Abtastfläche geneigt ist, mit der sie einen spitzen Winkel bildet, so daß die Abtastfläche mit vorbestimmter Annäherung eben ist.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei der Übertragung eine ausgezeichnete Bildqualität auch dann gewährleistet ist, wenn der Abtaststrahl sehr große Winkel (beispielsweise 60°) überstreicht.

Bei vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist die Achse bezüglich der Reflektor-Oberfläche mit dem gleichen spitzen Winkel geneigt, der durch den einfallenden Strahl und die Abtastfläche gebildet wird, wobei dieser spitze Winkel vorzugsweise kleiner als 30° ist. Das auf den Reflektor auffallende und von ihm reflektierte Licht kann in entgegengesetzter Richtung durch die gleiche 3?okussieroptik hindurchlaufen. Ein zwischen dem Reflektor und dem abzutastenden Feld angebrachter Umlenkspiegel ermöglicht es, daß die Anordnung noch kompakter und mit kleineren Abmessungen gebaut werden kann. Die Lichtquelle ist vorzugsweise ein Laser, dessen Mittelachse zur Abtastfläche parallel läuft, wobei eine Anzahl von Spiegeln derart angeordnet sein können, daß sie Licht in einer zur Abtast-

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fläche parallelen Ebene, in der auch die Achse des Lasers liegt, reflektiert, während ein weiterer Spiegel derart angeordnet ist, daß er das Licht vom letzten dieser zuvor genannten Spiegel aufnimmt und es aus der Ebene hinaus reflektiert, und ein zusätzlicher Spiegel so angeordnet ist, daß er von dem weiteren Spiegel auf ihn fallendes Licht zum Reflektor lenkt. Vor der Fokussieroptik kann eine Strahl-Expansionsoptik angebracht werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Bild-Sendevorrichtung, die Teile des optischen Systems/kenntlich macht,

Figur 2 einen 'schematischen Aufriß des gesamten optischen Systems der Sendevorrichtung nach Figur 1,

Figur 3 eine Draufsicht, die Figur 2 entspricht, und

Figur 4 eine schematische Darstellung, die, in ähnlicher Weise wie Figur 1, eine Empfangsvorrichtung darstellt, die mit der Sendevorrichtung gemäß den Figuren 1 bis 3 zusammen verwendet werden kann.

In den Figuren 1-3 ist eine Übertragungeanordnung zum Erzeugen und Verarbeiten von Video-Signalen, beispielsweise von einer Fotografie oder einem Geschäftsdokument und zur Bereitstellung eines amplitudenmodulierten 2 kHz-Trägers zur Übertragung des Bildes gezeigt.

Die Fotografie 10 wird für die vertikale ,Bewegung mittels Rollen 12, die durch einen Motor angetrieben werden, geführt und an einem durch die öffnung 14 festgelegten Abtastfeld vorbeigezogen. Ein (Helium-Neon-) Laser 18 wird mittels einer 10 kHz-Rechteck-Schwingung von der vollen Helligkeit bis zum Abschalten moduliert. Der Laserstrahl wird über ein optisches System auf die Fotografie projiziert. Eines der Teile in dem optischen System ist ein von einem Galvanometer 21 angetriebener Spiegel 20, der bewirkt, daß der Laserstrahl eine Standardlinie

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von 30 cm Länge im rechten Winkel zu der Eichtung abtastet, in der das Papier bei der öffnung 14 vorbeigeführt wird. Das reflektierte Licht wird von einer Anordnung von fotoempfindlichen Solarzellen 22 aufgefangen, deren Ausgangsströme parallel zu einem Vorverstärker 23 geführt werden, der den Strom verstärkt und auf eine Bandbreite von 8-12 kHz begrenzt. Da dieses Bildsignal einen 10 kHz-Träger moduliert, ist der Vorverstärker 23 immun gegen die Umgebungshelligkeit und gegen eine Gieichstrom-Verschiebung.

Das Vorverstärker-Ausgangssignal liegt auf einem Pegel, der so hoch ist, daß er nicht durch Rauschen gestört werden kann, und wird einer Analog-Verarbeitungsschaltung 24 zugeführt, in der das Video-Signal von 10 kHz mit einer Sinuswelle von 8 kHz multipliziert wird, wozu eine in integrierter Bauweise aufgebaute Präzessions-Multiplizierschaltung benutzt wird. Das Ausgangssignal von der Multiplizierschaltung wird gefiltert, so daß ein Zweiseitenband-moduliertes Signal von 2 kHz entsteht, das dann verstärkt und mittels des Transformators 26 an eine Telefonleitung gelegt wird.

Sowohl das Rechteck-Signal von 10 kHz als auch die Schwingung von 8 kHz werden von einem genauen Kristall-Oszillator 28 abgeleitet, der mit 1,44 mHz arbeitet. Das Taktsignal wird auch auf einen Puls mit einer Frequenz von 100 Perioden oder Impulsen pro Minute heruntergesetzt, der den Kippgenerator 29 synchronisiert, der den vom Galvanometer angetriebenen Spiegel auslenkt. Der Taktgeber ist Teil der digitalen Schaltung 30, die auch das Start- und das Stopp-Programm enthält.

Nach Einschaltung wird.der Multiplizierschaltung anstelle des amplitudenmodulierten 10 kHz-Signals von der Lichtabtastschaltung ein nicht moduliertes Bezugssignal von 10 kHz zugeführt.

Das Ausgangssignal dieser Sendeanordnung ist daher ein genauer Odbm^kHz-VorbeHLtungston. Nach 30 Sekunden wird der Vorbereitungston zweimal durch -32-db-Austast-Impulse unter-

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brochen. Diese letzteren Impulse treten mit 100 Impulsen pro Minute synchron mit dem Abtast-Rücklaufintervall des Galvanometers auf. Mach diesen beiden Impulsen schaltet der Eingang der Multiplizierschaltung auf das Lichtsignal über und es wird ein moduliertes, dem Bild entsprechendes Ausgangssignal über die Leitung übertragen. Genaue -32 db-Austast-Impulse treten während des Abtastrücklaufes fortlaufend auf.

Papierabfühleinrichtungen (die nicht dargestellt sind) sind direkt oberhalb und unterhalb der Abtastöffnung vorgesehen. Wenn das Bild in die Papierführung eingesetzt wird,wird der Startknopf gedrückt, und ein Motor 32 mit hoher Geschwindigkeit bewegt das Bild nach unten, bis es an der Abtastöffnung ist. Nachdem der Vorbereitungston zu Ende ist, entweder am Ende der 30 Sekunden oder wenn der Vorbereitungs-Knopf gedrückt wurde, wird ein Motor 34 mit niederer Geschwindigkeit angeschaltet, und das Papier wird mit einer Geschwindigkeit von etwa 2,5 cm pro Minute an der Abtastöffnung vorbeigeführt. Wenn die hintere Kante des Bildes nur noch einen gerhgen Abstand .von der Abtastöffnung hat, so fühlt einer der Papierabfühlanordnungen diesen Zustand ab, unterbricht die Übertragung, schaltet den mit kleiner Geschwindigkeit laufenden Motor ab und schaltet den mit hoher Geschwindigkeit laufenden Motor an, bis das Papier aus der Papierführung herausgleitet.

Im nachfolgenden soll insbesondere das optische System beschrieben werden. Die Mittelachse 31 des Lasers 18 liegt waagerecht und parallel zur Ebene der Öffnung 14. Der Laserstrahl wird durch die Spiegel 40 und 42 zweimal unter einem rechten Winkel in der waagerechten Ebene reflektiert, er gelangt in waagerechter Richtung durch"die Strahl-Auf weitungslinse 44 zum Spiegel 46, der den Strahl in senkrechter Richtung zum Spiegel 48 reflektiert. Der Spiegel 48 reflektiert den Strahl unter einem spitzen Winkel oc (beispielsweise unter 15°, und vorzugsweise unter einem kleineren Winkel als 30°) bezüglich der Horizontalen schräg nach oben in die Fokussieroptik 50 (z.B.

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ein Kameraobjektiv mit guter Bildfeldebnung, beispielsweise mit einer Apertur von 3 Zoll und f/3,5). Die Fokussieroptik 50 kollimiert das Iichtbündel unter Mithilfe der Auf weitungsoptik, das danach parallelgerichtet auf den Abtastspiegel 20 fällt. · Der Spiegel 20 ist so geneigt, daß der von ihm reflektierte Strahl horizontal durch die Eokussieroptik 50 zurückläuft und durch den Klapp- oder Umlenkspiegel 52 zur Öffnung 14 reflektiert wird. Da der Spiegel 20 um seine Abtast-Rotationsachse hin und her schwingt, nähert sich der Ort der Positionen des vom Spiegel 20 reflektierten Strahls einer waagerechten Ebene an, und da der Strahl auf diese Weise diese nahezu ebene Abtastflache überstreicht und vom Spiegel 52 umgelenkt wird, tastet er über der Öffnung 14 horizontal ab.

Die Abtastachse 54 ist aus der Ebene des Spiegels 20 heraus zur Abtastfläche hin von der Seite her geneigt, von der der Strahl auf den Spiegel 20 auflcifft, so daß die Achse mit der Abtastfläche einen spitzen Winkel einschließt. Durch Steuerung des Winkels zwischen dem Spiegel 20 und der Achse 54 kann die Abtastfläche mit hoher Genauigkeit einer Ebene angenähert werden, was wichtig ist, wenn die über der Öffnung 14 abgetastete Linie gerade sein soll (wenn die Achse 54 in der Ebene des Spiegels liegt oder zu ihr parallel angeordnet ist, würde die abgetastete Linie eine Hyperbelform haben, mit den Enden nach unten). Insbesondere liegt ein Merkmal der Erfindung darin, daß dann, wenn der Spiegel 20 einen Winkel gleich cc mit der Abtastachse einschließt, die abgetastete Linie innerhalb der Meßfehlertoleranzen auch für sehr große Ausschlagswinkel des Spiegels 20 gerade ist. Daher kann der Spiegel 20 beispielsweise auch um einen Winkel von 30° ausgelenkt v/erden, d.h. der von dem Spiegel reflektierte Strahl hat dabei eine Auslenkung von 60°. Dies ermöglicht das Abtasten einer breiten Fotografie auch mit einem Spiegel 42, der relativ nahe an der Öffnung 42 angebracht ist. Die Möglichkeit eines großen Abtastwinkels ohne Einbuße an Genauigkeit und zusätzlich die Umlenkungswirkung des Spiegels 52, sowie die übrigen Teile des optischen Systems ermöglichen eine äußerst kleine und kompakte Bauweise.

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Indem man den Strahl entweder zur waagerechten oder senkrechten Hauptachse des Systems parallel hält, bis er vom Spiegel 48 reflektiert wird, vereinfacht man die Einstellung der Spiegel 40, 42 und 46, ¹UHd die Anordnung braucht nicht so genau ausgeführt werden, da jeder der Spiegel nur einen Freiheitsgrad erfordert.

Figur 4 zeigt einen Empfänger, der die gleiche, zuvor beschriebene optische Anordnung aufweist, die daher nicht nochmals dargestellt ist.

Das von der Leitung kommende Signal wird über einen Transformator einer Analog-Verarbeitungsschaltung 60 zugeführt. In ihr wird das Signal verstärkt und gleichgerichtet. Die weiteren Vorgänge der Signalgleichrichtung, die Entstörung gegenüber ebenfalls übertragenen Sprachsignalen, die automatische Verstärkungsregelung und das Unterbrechen der Übertragung werden ebenfalls in der Analog-Verarbeitungsschaltung durchgeführt. Das Ausgangssignal der Verarbfifitungsschaltung ist ein zweiweggleichgerichtetes Signal, das danach ein Filter 62 durchläuft, welches die 4 kHz-Komponente und höhere Komponenten entfernt und nur das Modulationsfrequenzbandsignal durchläßt. Dieses Signal wird dann einem nichtlinearen Verstärker 64- zugeführt, der als Gleichstromverstärker ausgebildet ist und eine Charakteristik aufweist, bei der die Ausgangsspannung irgendeinem Pegel des Eingangssignals entspricht und proportional zur Mchtmenge ist, die nötig ist, um das im Empfänger verwendete trockene Silberpapier zu belichten, und gegebenenfalls genau die richtige Schwärzungsdichte entwickelt. Die benötigte Charakteristik des nichtlinearen Verstärkers erhält man durch sorgfältige Messung der D/log Ε-Kurve des Papiers unter den bei der Bearbeitung auftretenden Verhältnissen. Dann arbeitet man in umgekehrter Richtung, um die Abhängigkeit zwischen dem Licht, das für eine bestimmte Schwärzungsdichte auf dem Papier benötigt wird, und dem Signal aufzufinden, das von der Sendevorrichtung beim Abtasten einer speziellen Schwärzungsdichte erzeugt wird. Das Ausgangssignal des nicht-linearen Verstärkers wird einem Entzerrer 66

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zugeführt, der als Filter zur Hochfrequenzanhebung ausgebildet ist. Der Entzerrer gleicht einen Teil der Hoehfrequenz-Leistungsverluste aus, die in den Sende- und Empfangseinrichtungen sowie in der Telefonleitung auftreten. Eine zusätzliche Entzerrung bzw. ein zusätzlicher Ausgleich kann dazu verwendet werden, das Bild etwas härter zu kontrastieren, als es durch eine "weiche™ Frequenzwiedergabe im Originalbild erreicht werden kann. Die Analog-Verarbeitungsschaltung erzeugt weiterhin einen Phasenabgleich-Impuls am Ende des Vorbereitungstones. Dieser Impuls synchronisiert einen Taktgeber 68 in Form eines Digitalzählers, der das Signal eines Kristalloszillators von 1,44 mHz heruntersetzt. Der Taktgeber erzeugt Impulse mit einer Polgefrequenz von 100 Impulsen pro Minute, die dazu benutzt werden, das Galvanometer 70 anzutreiben, das den Abtastspiegel 72 hin und her bewegt. Zu Eichungszwecken erzeugt der Taktgeber weiterhin Taktsignale, die vom Generator 73 zum Bereitstellen eines Graukeiles aus 14 Schritten verwendet wird, das nach Detektion des Bildes und vor dem Ende des Vorbereitungstones automatisch eingetastet wird. Auf diese Weise weist jedes empfangene Bild einen Graukeil auf, mit dem die fehlerfreie Laser-Modulation und die Wärmeentwicklung des Papiers beurteiltwerden können.

Das selektierte Video-Signal wird einem Potentiometer 74 zugeführt. Das Licht, das suf das Papier auffällt, ist dem Video-Signal, das durch die Einstellung des Potentiometers 74 vergrößert werden kann, direkt proportional.

. Damit das Licht, das auf das Papier auffällt, genau proportional zum Video-Signal ist, wird eine Licht-Rückkopplung verwendet. Ein Lichtverzweiger oder Strahlenteiler 76 spaltet von dem vom Laser 78 kommenden Licht etwa 656 ab. Diese Komponente wird mit einer lichtempfindlichen Solarzelle 80 abgetastet und verstärkt. Das Signal wird mit dem Video-Eingangssignal verglichen. Tritt ein Unterschied auf, so wird der Laser-Modulator 82 betätigt. Da die Rückkopplungsschleifen-Verstärkung recht hoch ist, ist sichergestellt, daß das Rückkoppelsignal

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praktisch gleich dem Video-Signal ist.

Dem Modulator werden als Eingangssignale Austast- und Steuersignale vom Taktgeber und von der Analog-Verarbeitungsschaltung zugeführt. Diese Signale haben den Zweck, den Laser abzuschalten, wenn kein Bild aufgenommen werden soll. Der Strahl wird auch während des Spiegelrücklaufes ausgetastet, und der Grautonkeil mit den Grauschritten wird automatisch eingetastet, bevor das Bild beginnt.

Die Impulse mit der Folgefrequenz von 100 Impulsen pro Minute werden dem Kippgenerator 84 zugeführt, der eine Sägezahnspannung erzeugt. Diese Sägezahnspannung wird ihrerseits einem Ablenkverstärker 86 zur Bereitstellung eines proportionalen Stromes zugeführt. Der Strom treibt das Galvanometer 70 an.

Der modulierte Strahl tastet lichtempfindliches Papier ab, das von einem vom Motorrelais 94 gesteuerten Motor über eine Rolle 92 angetrieben wird.

Weitere Ausführungsformen (beispielsweise solche, bei denen die Achse des Abtastspiegels den Abtastspiegel nicht kreuzt,usw.) können im Rahmen der Erfindung ohne weiteres realisiert werden.

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Claims (9)

Patentansprüche

1. Sende- oder Empfangsvorriehtung für die elektro-optische Übertragung sichtbarer Bilder wie Fotografien, Dokumente oder dergleichen mit einer Schaltungsanordnung zur Verarbeitung von elektrischen Signalen, die der Modulation einer Lichtquelle entsprechen, mit einer Einrichtung zur Festlegung eines abzutastenden Feldes, und mit einem optischen System, das einen Lichtstrahl von der Lichtquelle auf dieser abzutastenden Fläche fokussiert und das optische System einen um eine Abtastachse bewegbaren Reflektor zur Durchführung der Abtastung aufweist, wobei die Orte des vom Reflektor aufgrund seiner Bewegungen um die Abtastachse reflektierten Lichtstrahls eine Abtastfläche festlegen, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund der Anordnung der Lichtquelle (18) und des optischen Systems der Lichtstrahl auf den Reflektor (20) längs einer Bahn auffällt, die mit der Abtastfläche einen spitzenwickel (pe) bildet, und daß durch die Anordnung des Reflektors (20) die Abtastachse (54) bezüglich der Oberfläche des Reflektors (20) und von der Seite der Abtastfläche aus, auf welcher der Lichtstrahl auf den Reflektor (20) auffällt, gegen die Abtastfläche geneigt ist, mit der sie einen spitzen Winkel (pe) bildet, so daß die Abtastfläche mit vorbestimmter Annäherung eben ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastachse (54) bezüglich der Oberfläche des Reflektors (20) unter dem spitzen Winkel (⁰O geneigt ist.

3. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (18) ein Laser ist.

4. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine nahe

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beim Reflektor (20) angeordnete Fokussierungsoptik (50) vorgesehen ist, durch die das auf dem Reflektor (20) auffallende und das reflektierte Licht hindurchgeht.

5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umlenkspiegel (52) vorgesehen ist, auf den Licht vom Reflektor (20) einfällt, und der das Licht reflektiert und unter einem Winkel auf das Feld (H) lenkt.

6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (18 ) ein Laser ist, dessen Achse parallel zur Abtastfläche liegt, daß eine Anzahl von Spiegeln (40, 42) so angeordnet sind, daß sie das Licht vom Laser in einer zur Abtastfläche parallelen Ebene, in der auch die Mittelachse des Lasers liegt, reflektieren, und daß ein weiterer Spiegel (46) derart angeordnet ist, daß auf ihn Licht vom letzten der Spiegel"(40, 42) auffällt und er das Licht aus dieser Ebene herausreflektiert, und daß schließlich ein weiterer Spiegel (48) so angeordnet ist, daß auf ihn vom weiteren Spiegel (46) her Licht auffällt und er das Licht zum Reflektor (20) reflektiert.

7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bie 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Strahl-Aufweitungsoptik (44) bezüglich der Lichteinfallsrichtung unmittelbar vor dem weiteren Spiegel (46) befindet, und daß eine Fokussierungsoptik (50) neben dem Reflektor (20) angebracht ist, durch die das auf den Reflektor (20) auftreffende und von ihm reflektierte Licht hindurchgeht.

8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel (cc) kleiner als 30° ist.

9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8,

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dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (20) um die Abtastachse (54) mit einem Winkel von wenigstens 30° drehbar ist, wodurch eine Abtastung über dem abzutastenden Feld (14) von wenigstens 60° erreicht wird.

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