DE2421721B2 - Vorrichtung zum optischen Abtasten eines Bildfeldes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum optischen Abtasten eines Bildfeldes mit einer um eine Drehachse drehbaren prismatischen Spiegelanordnung, deren Spiegel auf von der Drehachse ausgehenden und senkrecht dazu gerichteten, miteinander gleiche Winkel einschließenden Radialstrahlen senkrecht stehen, und einen im Lichtweg zwischen der Spiegelanordnung und dem Bildfeld angeordneten Schwingspiegel, der um eine zur Drehachse der Spiegelanordnung senkrechte Schwenkachse, die in einem Punkt einen Ort von Schwingungszeniren senkrecht schneidet, der in der Ebene der Zentralstrahlen liegt, die auf den Schwingspiegel einfallen und von ihm reflektiert werden, und mit dem reflektierten Zentralstrahl einen Winkel β bildet, der gleich dem Winkel ist. mit dem der einfallende Zentralstrahl auf den Schwingspiegel auftrifft, wenn der Schwingspiegel seine nominelle Mittelstellung einnimmt, schwenkbar gelagert und synchron zur Drehbewegung der Spiegelanordnung angetrieben ist, nach Patent 22 24 217.7.

Die aus dem Patent 22 24 217.7 bekannte Vorrichtung nach dem Hauptpatent ist dazu bestimmt, entweder ein im wesentlichen paralleles Strahlungsbündel, wie beispielsweise einen Strahl sichtbaren oder infraroten Lichtes, in Form eines Rasters projizieren oder aber solche Strahlung zu empfangen und ein Strahlungsfeld in Form eines fortlaufenden Rasters in solcher Weise abzutasten, daß die Vorrichtung in Verbindung mit in parallelen Reihen fest angeordneten Detektoren und mit avokaler Vergrößerung benutzt werden kann, wie sie bei Fernrohren mit festem oder veränderbaren Blickfeld angetroffen wird, ohne daß durch die Abtastung eine Bilddrehung oder astigniatische Verzerrung verursacht wird.

Die Vorrichtung umfaßt nur den zur Erzeugung des Abtastrasters optisch-mechanischen Teil. Eine für diese Vorrichtung »eeienete Elektronik ist in der US-PS 37 23 642 beschrieben.

Es ist eine Vielzahl verschiedener Arten von Vorrichtungen zur Erzeugung eines Abtastrasters sowohl zum Empfang als auch zur Projektion von Strahlung bekannt. Die US-PS 34 36 546 beschreibt eine Vorrichtung zum Ablenken des von einem Laser erzeugten Lichtstrahles, der nach Art eines Lichtpunktabtasters zur Bilddarstcllung benutzt wird. Die bekannte Vorrichtung lenkt den Laserstrahl zunächst an einem Schwingspiegel ab, von dem aus der Strahl zur Ablenkung in einer zweiten Richtung zu einer prismatischen, rotierenden Spiegeltrommel gelangt, von der aus wiederum der Strahl durch ein Projektionsobjekt auf einen Schirm gelangt. Ein ähnliches System für die Fernsehprojektion zeigt die US-PS 21 63 537. Ein Infrarot-Abtastsystem ist aus der US-PS 35 97 617 bekannt.

Es ist zu beachten, daß die bekannten Vorrichtungen nicht dazu bestimmt sind, mit einem avokalen Vcrgrüßcrungssystem zusammenzuwirken, wie beispielsweise einem Fernrohr, so daß es für die bekannten Vorrichtungen nicht wesentlich ist, daß die Abtastung sowohl im Azimut als auch in der Elevation von einem im wesentlichen gemeinsamen Punkt auf einer Spiegelfläche herzukommen scheint. Tatsächlich ist bei Jen bekannten Vorrichtungen die Anordnung so getroffen, daß die Abtastung nicht einen gemeinsamen Ursprung hat, und die Tatsache, daß der scheinbare Ausgangspunkt über die Flächen der prismatischen Spiegelanordnung hin- und herwandert, macht diese Vorrichtungen für die Verwendung in Verbindung mit einerr Uberwachungsfemrohr od. dgl. ungeeignet.

Eine Vorrichtung zum optischen Abtasten eines Bildfeldes, bei der der Ursprung der Abtastbewegung iowohl im Azimut als auch in der Elevation tatsächlich in einem gemeinsamen Punkt liegt und die daher in Verbindung mit einem Fernrohrsystem benutzt »verden kann, ohne astigmatische Verzerrungen einzuführen, ist aus der US-PS 36 26 091 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird sowohl für den Empfang als auch für die Darstellung die Azimutabtastung von einer rotierenden prismatischen Spiegelanordnung mit zwölf Spiegeln erzeugt, von denen jeder Spiegel eine kontinuierliche Azimutabtastung bewirkt. Die Elevationsabtastung erfolgt bei der bekannten Vorrichtung nicht mit einem Schwingspiegel, wie sie bei der Vorrichtung nach dem Hauptpatent verwendet wird, sondern dadurch, daß den zwölf Spiegeln der umlaufenden Spiegelanordnung unterschiedliche Schrägstellung zur Vertikalen erteilt werden. Infolgedessen gibt jeder Spiegel dem Strahl während aufeinanderfolgender Azimutabustungen einen »nderen Elevationswinkel. Diese Vorrichtung erzeugt zwar eine kontinuierliche Abtastung im Azimut, jedoch eine in diskreten Schritten oder digiial erfolgende Abtastung in der Elevation. Infolgedessen ist im Raster jede Horizontalzeile absolut horizontal, und es ist die nächste Zeile von der vorhergehenden um einen Betrag verschoben, der durch die Winkelubweichung der zugeordneten Spiegelfläche von der Vertikalen bestimmt ist. Eine solche Vorrichtung liefert bei der beabsichtigten Anwendung, die für jede vertikale Winkelabweichung einen genaj ausgerichteten, einzigen Detektor vorsieht, so daß jeweils nur ein Detektor eine in der Elevation übereinanderliegenden Zeilen liest, ausgezeichnete Ergebnisse, jedoch kann eine solche Vorrichtung nicht das verbesserte Signal-Rausch-Verhältnis und die erhöhte Zuverlässigkeit bieten, die sich aus der Redundanz ergibt, die eine Vorrichtung aufweist, die von mit parallelen Kanälen verbundene Detektorgruppen Gebrauch macht, von denen alle jede Abtastung einer Azimutzeile lesen. Weiterhin ist bei der bekannten Vorrichtung die in der Elevation erreichbare Auflösung durch die Anzahl der benutzten Spiegelflächen begrenzt, und es ist außerdem erforderlich, für die Bildwiedergabe die Rückseite des gleichen Spiegels zu benutzen, dessen Vorderseite für die Bildaufnahme verwendet wivd. Für ein praktisch brauchbares Parallelkanalsystem wird eine Vorrichtung nach dem Hauptpatent benötigt, die sowohl im Azimut als auch in der Elevation eine kontinuierliche Abtastung erzeugt. Obwohl die Vorrichtung nach der US-PS 36 26 091 keine astigmatische Verzerrung verursacht, ist sie zur Verwendung in Verbindung mit solchen Dctcktoranordnungen nicht geeignet, weil sie eine Bilddrehung erzeugt, die der Winkelabweichung der Spiegelflächen von der Rotationsachse proportional ist. Die notwendige Bedingung dafür, eine Bilddrehung zu vermeiden, besteht darin, daß die Spiegelflächen der prismatischen, zur Erzeugung der Azimutabtastung rotierenden Spiegelanordnung parallel 6c zu deren Drehachse sein müssen. Diese Bedingung erfordert wiederum die Anwendung eines zweiten Abtastspiegels, die bei den vor dem Prioritätstag des Hauptpatentes bekannten Vorrichtungen astigmatische Verzerrungen verursachten. 6;;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die für eine einfache Abtastung ausgebildete Vorrichtung nach dem Hauptpatent derart weiter zu entwickeln, daß es für eine gleichzeitige synchrone Bildaufnahme und -wiedergabe unter Verwendung eines Parallelkanal-Detektorsystems geeignet ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung nach dem Hauptpatent der Schwingspiegel zur gleichzeitigen synchronen Bildaufnahme und -wiedergabe in zwei Lichtwegen angeordnet ist, von denen der eine Lichtweg zur Übertragung der aus dem aufzunehmenden Blickfeld einfallenden Strahlung auf einen Strahlungsdetektor und der andere Lichtweg zur Übertragung der von einer örtlichen Lichtquelle erzeugten, in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Strahlungsdetektors intensitätsmodulierten Strahlung zu einem ein sichtbares Bild liefernden Darstellungsgerät eingerichtet ist.

Bei der Beschreibung der Erfindung wird die horizontale Abtastung einer Rasterzeile als Azimutabtastung und die vertikale Verschiebung von Rasterzeile zu Rasterzeile als Elevationsabtastung bezeichnet. Es versteht sich, daß es sich hierbei um relative Bezeichnungen handelt, die lediglich zwei zueinander orthogonale Abtastrichtungen bezeichnen und nichts über die absolute Ausrichtung angeben, während der eine solche Vorrichtung verwendet werden soll.

Bei einer Vorrichtung nach der Erfindung ist demnach eine prismatische Spiegelanordnung vorhanden, die um die Azimutachse rotiert, die hier als vertikale Achse dargestellt ist. Dabei liegen benachbarte Flächen der Spiegelanordnung jeweils in einem der beiden Lichtwege, und es reflektieren die Spiegelflächen nacheinander die einfallende Strahlung. Die Größe, die Form und der geometrische Ort des Strahles, der von den im Empfangsweg liegenden Spiegelflächen reflektiert wird, ist durch die Öffnung und die Blenden des Objektivsystems bestimmt, das typischerweise eine Fernrohrvergrößerung aufweist. Der Nennschwenkpunkt des festen Strahles, der von der rotierenden Spiegelanordnung erzeugt wird, wird zum Zweck der Beschreibung als »Pupille« bezeichnet und liegt, wie es Fig. 1 zeigt, in der die Pupille durch einen Kreis P angedeutet ist, senkrecht zur optischen Mittellinie und zentrisch auf jeder Spiegelfläche der prismatischen Spiegelanordnung, wenn diese Spiegelfläche zur optischen Mittellinie senkrecht steht. Dies ist der Punkt oder der feste Bereich, von dem sowohl die Azimutabtastung als auch die Elevationsabtastung sowohl beim Bildempfang als auch bei der Bildwiedergabe in dem entsprechenden Lichtweg auszugehen scheinen. Wenn die benachbart angeordneten optischen Wege, die zur Erzeugung der Abtastungen dienen, in der richtigen Beziehung zueinander stehen, hat jeder von ihnen einen solchen festen Punkt, wie es nachstehend noch gezeigt werden wird. Bevor der im Empfangsweg von der prismatischen Spiegelanordnung reflektierte Strahl in die Detektorlinse eintritt, von der er auf einen Strahlungsdetektor oder eine Detektorgruppe fokussiert wird, trifft er auf den Schwingungsspiegel, der um einen bestimmten Winkel eine Schwenkbewegung um eine Achse ausführt, die parallel zu einer Ebene verläuft, die senkrecht auf der Rotationsachse der prismatischen Spiegelanordnung steht. Die Schwenkachse befindet sich auf einem kritischen Ort von Schwingungszentren und erzeugt eine kontinuierliche Ablenkung in der Elevation. Die Stellung der Schwenkachse des Schwingspiegels ist kritisch im Hinblick auf eine solche Anordnung der Pupille, daß sie den im wesent-

lichen testen Punkt des scheinbaren Ursprunges der Abtastbewegung der Strahlen in der Elevation und im Azimut enthält. Die Stellung der Schwenkachse des Schwingspiegels wird weiter unten im einzelnen beschrieben.

Der vorstehend beschriebene Lichtweg dient /um Empfang von Infrarotstrahlung aus einem Blickfeld und zur Umwandlung der empfangenen Signale in elektrische Signale. Bei einem Doppelsystem, wie es die erfindungsgemäße Vorrichtung darstellt, werden diese elektrischen Signale der Lichtquelle einer Darstellungseinrichtung zugeführt, die von lichtemittierenden Dioden oder anderen geeigneten Bauelementen gebildet werden kann. Das von dieser Lichtquelle gelieferte Licht wird dann über den zweiten Lieh:weg oder Darstellungsweg ausgesandt, der dem Empfangsweg benachbart ist und zu diesem symmetrisch verläuft, um eine synchrone und symmetrische Erzeugung eines sichtbaren Bildes an Hand der elektrischen Signale zu bewirken. Mit anderen Worten wird das von der Lichtquelle gelieferte Licht auf einen benachbarten Abschnitt des gleichen Schwingspiegel und von diesem auf eine benachbarte Flache der gleichen prismatischen Spiegelanordnung gerichtet, die auch dazu benutzt wird, die Empfangsabtastung zu bewirken. Das von der rotierenden Spiegelanordnung gelieferte Licht kann unmittelbar durch ein Okular betrachtet oder einer geeigneten Darstellungseinrichtung zugeführt werden. Dank der Geometrie der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch der Darstellungsweg eine geeignete Vergrößerung bewirken.

Durch die Erfindung wird demnach eine Vorrichtung geschaffen, die in Verbindung mit avokalen Vergrößerungssystemen und mit Parallelkanal-Detektoranordnungen benutzt werden kann, weil sie eine sowohl im Azimut als auch in der Elevation kontinuierliche Ablenkung erzeugt, deren scheinbarer Ursprung eine gemeinsame virtuelle Pupille ist. Dabei kann der eine Lichtweg zur Abtastung eines ersten Strahlungsfeldes und der zweite Lichtweg zur Projektion eines zweiten Strahlungsfelde·· mit einer Wellenlänge dienen, die verschieden Ki von der Weiienlänce des ersten Strahlungsfeldes. Dabei besteht zwischen der Abtastung des ersten Strahlungsfeldes und der Projektion des zweiten Strahlungsfeldes eine synchrone Beziehung.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden.

Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivisch schematische Darstellung der wirksamen Teile einer Einkanal-Vorrichtung nach dem Hauptpatent,

F i g. 2 teilweise in Seitenansicht und teilweise im Schnitt eine Abwandlung der Vorrichtung nach

Fig.3 teilweise in Seitenansicht und teilweise im Schnitt eine mehr ins einzelne gehende Darstellung der Vorrichtung nach F i g. 1, von der Rückseite der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung aus gesehen,

Fig.4 ein Zeitdiagramm einer Vertikalabtastung bei der Vorrichtung nach den F i g. 1 und 3.

F i g. 3 ein Zeitdiagramm einer 1 Iorizontalabtastung bei der Vorrichtung nach den Fig. 1 und 3,

Fig.fi und 7 /ur weiteren Erläuterung der Vorrichtung dienende Diagramme der Strahlenwege,
Fig. H und 9 Diagramme zur Erläuterung von geometrischen und trigonometrischen Beziehungen der Sirahlenwege nach den Fig. 6 und 7,

Fig. 10 und I 1 Diagramme des Strahlenwegs ahn lieh ilen Fig. Λ und 7 bei einer Vorrichtung nach

ίο der Erfindung,

Fi g. 12, 12 a, 13, 14, 15 und 16 schematische Darstellungen verschiede..er Einrichtungen, die mit Vorrichtungen nach der Einrichtung betrieben werden können und

Fi μ. 17 cine detaillierte perspektivische Darstellung der Einrichtung nach Fig. 12.

Da die in nur einer Betriebsart arbeitende Vorrichtung nach dem Hauptpatent, die in den Fig. 1 bis ^{) dargestellt ist, reziprok ist, kann sie entweder als Strahlungsprojektor oder als Strahlungsempfänger beschrieben werden, was bedeutet, daß sie als Vorrichtung beschrieben werden kann, die Licht oder Infrarotstrahlung in Form eines parallelen Strahles aussendet, der ein Raster beschreibt, oder aber als Vorrichtung, die ein von parallelem Licht gebildetes Strahlungsfeld rasterformig abtastet. Der Einfachheit halber wird die Vorrichtung im folgenden ebenso wie im Hauptpatent als Projektor beschrieben.

Es sei ferner darauf hingewiesen, daß das Abtastraster mit im wesentlichen horizontalen Zeilen beschrieben wird, die in Vertikal richtung einen im wesentlichen gleichen Abstand haben. Es versteht sich, daß die Bezeichnungen »horizontal« und »vertikal" nur zum Zwecke der Erläuterung verwendet werden und keinerlei beschränkende Bedeutung haben. Weiterhin wird davon die Rede sein, daß die beweglichen Spiegel um Azimut- und Elevationsaehsen drehbar sind. Auch diese Bezeichnungen sind nur der Einfachheit halber gewählt. Bei typischen An-Wendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es sich bei der sogenannten Azimutachse tatsächlich Uni eine Aimiuiaclibc und bei der sogenannten Eievalionsachse tatsächlich um eine Elevationsachse handeln. Das bedeutet, daß die Azimulachse vertikal ausgerichtet sein wird und eine Schwenkung um diese Achse zu einer Horizontalablenkung führt, während die EIc\ütionsachse horizontal gerichtet ist und eine Vertikalablenkung entstehen läßt. Es versteht sich jedoch, daß sich die Beschreibung auch auf solche Vorrichtungen bezieht, die im Vergleich zu der beschriebenen Vorrichtung auf die Seite gelegt sind.

Wie aus den Fig. 1, 3. 6 und 7 ersichtlich, fällt das Licht einer im wesentlichen punktförmigen Licht- oder sonstigen Strahlungsquelle 32 auf eine Blende 31 und wird dann von einer Collimatorlinse30 parallelisiert. Der parallele Lichtstrahl wird dann von einem Spiegel 28 auf die Spiegelflächen einer rotierenden Spiegelanordnung 10 geworfen. Ein Motor 11 dreht die Spiegelanordnung 10 mit hoher Geschwin- digkeit. Die Spiegelanordnung 10 hat eine Vielzahl im wesentlichen ebener Spiegelflächen 10a, 10 b, 10c..., die gleichmäßig um die Drehachse 307 der Spiegelanordnung 10 verteilt sind und senkrecht zu Radialstrahlen stehen, die von der Achse der Spiegelanordnung ausgehen. Die rotierende Spiegelanord nung 10 erzeugt die Zeilen des Rasters. Ein Zahnrad, beispielsweise ein Spiralrad 12, treibt ein damit in Eingriff stehendes Zahnrad 14 an, dessen Drehachse

Z 4 Z I / £ ι

Crallel zu einer Ebene verläuft, die senkrecht auf r Drehachse der Spiegelanordnung 10 steht. Eine Clit dem Zahnrad 14 verbundene Welle 16 trägt eine ockenscheibe 18, an deren Umfang ein Folgeglied 24 Imliegt, das um eine Achse 25 schwenkbar ist, die !ebenfalls parallel zu einer Ebene verläuft, die auf der (Drehachse der Spiegelanordnung 10 senkrecht steht. Pas Folgeglied 24 weist eine Rolle 26 auf, die an dem (Umfang der Nockenscheibe 18 anliegt. Auf dem anderen Ende des Folgegliedes 24 ist ein Spiegel 28 befestigt. Die Spiegel 10a, 106, 1Oo ... der Spiegel- »nordnung 10 werden im folgenden als Azimut-Ab-Itstspiegel bezeichnet, wogegen der auf dem Folge-Jlied 24 befestigte Spiegel 28 Elevations-Abtastspiegel genannt wird.

Die Nockenscheibe 18 ist ein im wesentlichen line-Hrer Nocken, was bedeutet, daß die Nockenscheibe das Folgeglied 24 veranlaßt, eine zur Drehung der Hockenscheibe im wesentlichen proportionale Schwenkung auszuführen, bis eine Umkehrstelle erreicht ist. Der lineare Abschnitt der Nockenscheibe 18 erstreckt sich über etwa 85°/o der Nockenfläche. Die übrigen 15 ⁰Zo werden dazu benötigt, das Folgeglied in seine Ausgangsstellung zurückzubringen. Die Linearität der Nockenscheibe kann bei Bedarf so korrigiert werden, daß geringe Variationen im Zeilenabstand des Rasters kompensiert werden. Das erzeugte Raster ist in dem Bereich 34, 36, 38, 40 der F i g. 1 dargestellt. Es versteht sich, daß jede geeignete Einrichtung zum Antrieb des Spiegels 28 um die Schwenkachse 25 benutzt werden kann, um dieses Raster zu erzeugen, solange die oben beschriebene Geometrie des Systems gewahn ist.

Die Geometrie des für eine Betriebsart ausgebildeten optischen Systems lassen am besten die F i g. 6 bis 9 erkennen. Wie F i g. 6 zeigt, wird mit Hilfe der punktförmigen Strahlungsquelle 32 der Collimatorlinse 30 ein paralleler Lichtstrahl erzeugt, dessen Querschnittsdimensionen durch die Blende 31 bestimmt werden. Der eine Schwingbewegung ausführende Elevations-Abtastspiegel oder Schwingspiegel 28 ist in F i g. 6 in seinen Extrernstellur.gen gestrichelt und in seiner Mittelstellung durch eine durchgehende Linie dargestellt. Die Mittelstellung des Schwingspiegels 28 wird für Konstruktionszwecke benutzt, und es wird das optische System so aufgebaut, daß es bei der Mittelstellung des Schwingspiegels 28 genau justiert ist, wogegen in den Extremstellungen des Schwingspiegels geringe Abweichungen von der genau richtigen Position vorliegen, die aber so klein sind, daß Verzerrungen oder Nichtlinearitäten bei der Abtastung innerhalb gegebener Toleranzen bleiben. Wenn auch die Wahl der Mittelstellung des Schwingtpiegels28 für die Konstruktion des optischen Systems vorzuziehen ist, liegt es im Rahmen der Erfindung, jede andere Stellung des Schwingspiegels 28 als Grundstellung für Konstruktionszwecke unter Beachtung der Nichtlinearitäten zu wählen, die sich bei der Schwingbewegung des Spiegels aus dessen Abweichung von der Grundstellung ergeben. Nachdem eine solche Grundstellung gewählt ist, müssen die resultierenden Nichtlinearitäten des Systems innerhalb der Toleranzen bleiben, die für den speziellen Anwendungszweck erforderlich sind.

Weiterhin beträgt der Einfallswinkel ß. mit dem das von der Collimatorlinse 30 ausgehende parallele Licht den Schwingspiegel 28 trifft, wenn er sich in seiner Grundstellung befindet, gewöhnlich 45 . In der Zeichnung ist ein von 45° abweichender Winkel dargestellt, um den allgemeinen Charakter der Erfindung zu veranschaulichen.

Wenn der Schwingspiegel 28 in seiner Grundstellung ist, trifft das von der Collimatorlinse 30 ausgehende parallele Licht den Schwingspiegel 28 unter einem Einfallswinkel ß. Der Reflexionswinkel ist dem Einfallswinkel/? gleich. Die Drehachse307 der Spiegelanordnung 10 steht senkrecht auf dem am Schwingo spiegel 28 reflektierten parallelen Licht, wenn der Schwingspiegel 28 seine Grundstellung einnimmt. Da die azimutale Drehachse 307 als vertikal angenommen wird, folgt aus der senkrechten Anordnung zum reflektierten Hauptstrahl 303, daß bei der Grundstellung des Schwingspiegels 28 der Reflexionswinke' zwischen dem horizontalen Zentralstrahl 303 und der normalen auf die Fläche des Schwingspiegels 28 den Wert ß, bei dem es sich auch um den Einfallswinkel des von der Lichtquelle 32 kommenden Strahles 315 auf die Fläche des Schwingspiegels 28 handelt, wie es F i g. 6 zeigt. Die Winkel zwischen dem Schwingspiegel 28 und den Strahlen 315 und 303 ist dann gleich den Komplementwinkeln zu ß, d. h. 90° — /J. Das von dem Schwingspiegel 28 reflektierte Licht trifft die Spiegelflächen 10a, 10b, 10c ... der rotierenden Spiegelanordnung 10.

Es existiert eine Gerade 301, die den Ort mehrerer Zentren bildet und die den Hauptstrahl 303, der von dem seine Grundstellung einnehmenden Schwingspiegel 28 reflektiert wird, in einem Abstand A cosec² β schneidet. Dieser Abstand wird in dem Normalfall, daß β = 45°, einfach zu 2/1, weil cosec²45° = 2 ist. Dieser Abstand wird gemessen von dem Punkt N', in dem der Hauptstrahl 303 auf den Schwingspiegel 28 auftrifft, bis zum Schnittpunkt der Geraden 301 mit dem Hauptstrahl 303. Der Abstand A ist der Abstand N'P vom Auftreffpunkt auf den Schwingspiegel 28 bis zur Pupille P auf der Spiegelanordnung 10. Dieser Abstand A ist ein willkürlich gewählter Konstruktionparameter, der zur Grundlage für alle anderen Abmessungen der Vorrichtung dient.

Der Ort der Schwingungszentren, von denen einer der Schwenkpunkt für den Schwingspiegel 28 ist, ist in den Fig. 6, 8 und 9 als Gerade 301 und für den Sonderfall, daß β -= 45°, durch die Gerade 301 α dargestellt. Der für den Winkel β gewählte Wert ist ebenfalls ein Konstruktionsparameter. Die Gerade 301 ist gegenüber dem Hauptstrahl 303 um den Winkel β in der gleichen Richtung, und zwar in der Zeichnung nach oben, verdreht, in der der Hauptstrahl 303 gegenüber dem Schwingspiegel 28 verdreht ist. Wie Fig. 6 zeigt, kann in äquivalenter Weise festgestellt werden, daß dann, wenn der einfallende Strahl 315 mit der Normalen N zur Oberfläche des Schwingspiegels einen Winkel β bildet, um den die Normale .V entgegen dem Uhrzeigersinn geschwenkt werden muß, um sie mit dem einfallenden Strahl 315 zur Deckung zu bringen, dann muß auch der reflektierte Hauptstrahl 303 entgegen dem Uhrzeigersinn um einen Winkel β geschwenkt werden, um den Schnittwinkel zwischen dem Hauptstrahl 303 und dem Ort 301 dei Schwingzentren, zu denen auch die Schwenkachs« des Schwingspiegels 28 gehört, zu definieren. Da! Rotationszenrum für den Schwingspiegel 28 kann ii jedem Punkt der Geraden 301 liegen, beispielsweisi in einem der Punkte 300, 302, 304, 306 oder 308 wenn die Gerade 301 den Hauptstrahl 303 unter die sem Winkel β und im Abstand A cosec² β vom Re

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flexionspunkt N' des einfallenden Strahles 315 am Schwingspiegel 28 schneidet. In jeder dieser Stellungen wird der von der Quelle 32 gelieferte, parallele Strahl im wesentlichen auf einen einzigen Punkt P' im Zentrum der Pupille P reflektiert und in diesem Punkt bleiben, wenn der Schwingspiegel 28 aus seiner ausgezogen wiedergegebenen Stellung um den EIevationswinkcl ;.· in die zwei in F i g. 6 gestrichelt dargestellten Stellungen geschwenkt wird. Die Abweichung oder das Auswandern des Punktes P' von dem mathematisch genauen festen Punkt hängt auch von der Konstruktion des Systems ab und kann in vorbestimmten Grenzen gehalten werden.

Der spezielle Punkt 300 auf dem Ort 301 der Schwingungszentren hat den Vorteil, daß er den kleinsten Schwenkradius für den Schwingspiegel 28 bietet, so daß auch der Schwingspiegel 28 selbst die geringste Auslenkung erfährt und zur Uberdeckung des gewünschten Blickfeldes das kleinste Trägheitsmoment entsteht. Dieser Punkt 300 ist auf der Geraden 301 so gewählt, daß der Schwingspiegel 28 bei seiner Schwenkbewegung die rotierende Spiegelanordnung 10 gerade nicht berührt, daß er den reflektierten Strahl gerade vorbeiläßt und daß der Punkt N', in dem der einfallende Strahl 315 von dem Schwingspiegel 28 in der nominellen Mittelstellung in einem Abstand von dem Punkt P' in der Mitte der virtuellen oder reflektierten Pupille reflektiert wird, der den Betrag A hat. Die vorstehend an Hand F i g. 6 behandelte Geometrie ist so geschaffen, daß die aktive Fläche 10« der rotierenden Spiegelanordnung 10 in diesem gleichen Abstand A angeordnet wird, um die virtuelle Pupille P in den Rest des Systems zu reflektieren.

Die F i g. 8 und 9 veranschaulichen die in F i g. 6 dargestellten geometrischen Beziehungen unter einem etwas anderen Gesichtspunkt. Sie geben die geometrischen Beziehungen in der gleichen Ebene wieder wie F i g. 6, jedoch um 90° gedreht. Demgemäß ist die Kante der Spiegelfläche 10 a, die in Fig. 6 vertikal erscheint, in den F i g. 8 und 9 horizontal dargestellt. Es sei bemerkt, daß F i g. 8 den Fall veranschaulicht, in dem β = 45°, weil es sich hierbei um den häufigsten Fall handelt. Sie zeigt, wie der von der Quelle 32 kommende und sich in der Zeichnung von rechts nach links bewegende Strahl mit der optischen Mittellinie 315 von dem Elevationsspiegel 28 reflektiert wird, wenn der Spiegel drei verschiedene Stellungen einnimmt, nämlich seine Mittelstellung und die beiden Extremstellungen seiner Schwenkbewegung. Der Strahl wird längs der Achse 303 auf die Oberfläche der Spiegelanordnung 10 geworfen, wobei die Schwenkbewegung dc5. Schwingspiegels 28 den Blickwinkel in der Elevation ergibt. Der Abstand A von der optischen Mittellinie 315 zur Spiegelfläche ist in dieser Ansicht klarer erkennbar. Die den Ort der Schwingungszentren bildende Gerade 301 α in F i g. 8 entspricht der Geraden301 in Fig.6, unterscheidet sich jedoch von dieser auf Grund der Tatsache, daß Fig. 6 einen von 45° verschiedenen Winkel β zeigt, während in F i g. S der Winkel β = 45° ist. Der in F i g. 8 dargestellte Abstand B ist der Abstand zwischen der optischen Mittellinie 315 und dem Schnittpunkt des Ortes 301 α der Schwingungszentren mit der Projektion der Achse 303, die so das Rotationszentrum für die Spiegelanordnung 10 definiert, ist, wie der Geometrie der Fig. 8 entnehmbar, --- Λ/sin² ß. was wiederum = /lcosec² β ist.

ίο

Den Grund für diese Beziehungen macht Fig. 9 besser verständlich. In Fig. 9 ist der Wert für /' - 45 ' als der mittlere von fünf verschiedenen, möglichen Werten für β dargestellt. Es ist zu bemerken, daß für jeden Wert von β bei jeder für die Konstruktion gewählten Normalstellung die Verlängerung des Schwingspiegels 28 den Ort 301 der Punkte, um den der Schwingspiegel schwenken kann, stets ein rechter Winkel ist. Dies beruht auf der Tatsache, daß bei

ίο einer Änderung von β auch der Winkel zwischen den Geraden 301 und 303, der dem Winkel β gleich sein soll, sich ebenfalls ändert.

In Fig.9 ist der Abstand von der Achse315 bei einem Wert des Winkels β von 45° zum obersten Rand der Fläche 10a gleich dem oben beschriebenen Konstruktionswert A. Der Abstand von diesem obersten Rand der Fläche 10a bis zum Schnittpunkt des Ortes 301 der Schwingungszentren mit der Achse 303 ist mit dem Buchstaben y und einem Index bezeichnet, der den Wert des betrachteten Winkels/? angibt. Für jeden Wert von β gilt allgemein, daß der oben angegebene Abstand B der Summe A -f y gleich ist. Die Betrachtung der in F i g. 9 dargestellten Dreiecke läßt die Gültigkeit der folgenden Gleichungen erkennen:

A-Vy h

sin 90° sin β h = (A + y) sin β .

(2)

Wie in F i g. 9 dargestellt, ist in den vorstehenden Gleichungen h die in gerader Verlängerung der Fläche des Elevationsspiegels 28 gemessene Strecke von der Stelle, an der die optische Mittellinie 315 auf den EIevationsspiegel 28 auftrifft, bis zum Ort 301 der Schwingungszentren.

Aus Fig. 9 ist ferner ersichtlich, daß die folgenden Gleichungen gelten:

/1
sin 90°

A
sin β

sin β

Aus der Kombination der Gleichungen (1) und (3) folgt weiterhin

oder

oder

sin β sin β

(5)

{A + y) = -. ^r-₂ .- = /1 cosecS/i (6)

y = /!(cosec²/?- 1).

Die Bedeutung des Abstandes /lcosec²/? ist demnach den F i g. 6 und 9 klar zu entnehmen.

Das von dem Schwingspiegel 28 reflektierte parallele Licht trifft die Spiegelflächen der rotierenden Spiegelanordnung 10. Wie in Fig.7 beispielsweise dargestellt, trifft das in Form des Hauptstrahles 303 dargestellte parallele Licht die Spiegelfläche 10 α und wird von hier durch e^:.n Fenster 70 reflektiert. Es ist zweckmäßig, einen Nenn-Einfallswinkel d zu definieren, unter dem der Hauptstrahl 303 auf die Spiegelfläche 10 α auftrifft, wenn er im wesentlichen auf die

Mitte der Abtastlinie reflektiert wird, wie es in F i g. 7 durch den Strahl 309 dargestellt ist. Für diesen Nenn-Winkel ist die Optik genau. Ist der Nenr, Winkel so gewählt, daß der Strahl 309 im wesentlichen auf die Mitte der Abtastzeile fällt, sind die Nichtlinearitäten, die unter einem Winkel λ zu beiden Seiten der Mitte entstehen, auf ein Minimum reduziert. Es versteht sich jedoch, daß auch ein anderer Winkel als der Nenn-Winkel für die Konstruktion gewählt werden kann, so daß dann die Nichtlinearitäten in einer Extremstellung der Abtastzeile größer und in der anderen Extremstellung kleiner sind als bei der dargestellten Anordnung. Es ist daher nicht wesentlich, auch wenn es vorzuziehen ist, daß der Nenn-Winkel Λ für einen Strahl gilt, der zur Mitte der Abtastzeile geht. Der Winkel λ wird groß genug gewählt, um die gewünschte nutzbare Zeilenlänge abtasten zu können, und klein genug, um eine Überschneidung mit dem Schwingspiegel 28 zu vermeiden. Der Wert des Winkels λ ist durch die Größe der aktiven horizontalen Abtastperiode bestimmt, wie es die F i g. 4 und 5 veranschaulichen. Diese ist wiederum durch die Taktgebung bestimmt.

Auf der Nockenscheibe 18 ist ein leitender Stift angebracht, und es ist neben der Nockenscheibe 18 eine stationäre Elektrode 22 angeordnet, um Synchronisationsimpulse zu erzeugen. Wenn der Stift 20 die Nähe der stationären Elektrode 22 erreicht, wird ein elektrischer Impuls erzeugt. Dieser Impuls kann beispielsweise durch die Änderung der elektrischen Kapazität zwischen dem Stift 20 und der Elektrode 22 erzeugt werden, wenn an diese beiden Glieder eine Spannung angelegt ist. Eine hierfür geeignete Spannungsquelle ist in der Zeichnung nicht dargestellt.

In gleicher Weise kann eine Elektrode 42 neben der rotierenden Spiegelanordnung 10 vorgesehen werden. Indem wenigstens ein Abschnitt der Spiegelanordnung 10, der den Spiegelflächen benachbart ist, aus einem leitenden Material hergestellt wird, werden der Elektronik 60 elektrische Impulse zugeführt, wenn sich die Ecken der Spiegelanordnung 10 an der Stoßstelle zwischen zwei benachbarten Spiegelflächen der Elektrode 42 nähern. Einzelheiten der Elektronik 60 sind nicht dargestellt. Vorzugsweise wird die Spiegelanordnung 10 vollständig aus Metall hergestellt, auch wenn eine solche Maßnahme nicht erforderlieh ist.

Die beschriebene Vorrichtung kann als eine Anordnung charakterisiert werden, die wenigstens fünf definierte Achsen aufweist, einschließlich der Rotationsachsen für die Azimut- und Elevationsspiegel sowie der optischen Mittellinien die von den Zentralstrahlen gebildet werden, wenn die Elemente in der in den Fig.6 und 7 dargestellten Normalstellungen sind. Wie ersichtlich, weist die erste Achse 315 einen Einfallswinkel β und die zweite Achse 303 einen Reflexionswinkel β in bezug auf den Schwingspiegel 28 auf, wenn der Schwingspiegel 28 seine Grundstellung einnimmt. Die Beziehung zwischen der zweiten Achse 303 und der ersten Achse 315 kann auch so ausgedrückt werden, daß die zweite Achse gegenüber der ersten Achse um den Punkt N' als Schwenkpunkt um einen Winkel von 180°— 2 β entgegen dem Uhrzeigersinne gedreht wird. Die dritte Achse 301 ist der Ort der Schwingungszentren, also der Stellungen, an denen die Schwenkachse des Schwingspiegels 28 die Zeichenebene der Fig.6 schneiden kann. Diese Ortslinie 301 liegt in der gleichen Ebene wie die erste; und die zweite Achse 315 bzw. 303. Die dritte Achse 301 schneidet die zweite Achse 303 in einem Abstand 2 A von dem Schnittpunkt zwischen der ersten und der zweiten Achse, wenn der Winkel β den bevorzugten Wert von 45° aufweist. Allgemein liegt der Schnittpunkt in einer Entfernung cosec²/? von dem Schnittpunkt N' zwischen der ersten und der zweiten Achse. Die dritte Achse 301 ist gegenüber der zweiten Achse 303 um einen Winkel β in denn gleichen Sinn, also entgegen dem Uhrzeigersinn verdreht, wie die zweite Achse gegenüber der ersten Achse verdreht ist. Die Drehachse 307 der Spiegelanordnung 10 ist die vierte Achse und verläuft parallel zu der Ebene, in der die ersten drei Achsen liegen. Gewöhnlich ist die Drehachse 307 der Spiegelanordnung 10 gegenüber der zweiten Achse 303 versetzt. Die fünfte Achse 309 schneidet die zweite Achse 303 in einem Abstand A von dem Schnittpunkt zwischen den ersten beiden Achsen 315 und 303. Die fünfte Achse 309, die, wie aus Fig.7 ersichtlich, die Fläche 10 α der Spiegelanordnung 10 im Zentrum P' der Pupille P schneidet, liegt in einer Ebene, die zu der Ebene der ersten drei Achsen senkrecht steht, und bildet mit der zweiten Achse 303 einen Winkel δ, wenn sich die Spiegelanordnung 10 in ihrer Grundstellung befindet.

Der brauchbare Abschnitt der Azimut-Abtastbewegung jeder der Spiegelflächen 10«, 10b, 10c ... liegt innerhalb eines Winkelbereiches 2« um die fünfte Achse 309. Wenn sich die Spiegelanordnung 10 um einen Winkel -* dreht, erfolgt die optische Abtastung über einen Winkelbereich 2 ». Ebenso findet eine optische Abtastung in einem Elevations-Winkelbereich 2 7 statt, wenn der Schwingspiegel 28 um einen Winkel ;· verschwenkt wird. Der Schwingspiegel 28 schwenkt um eine Achse, welche die dritte Achse im Punkt 300 in Fig.C schneidet und zu der durch die ersten drei Achsen definierten Ebene senkrecht steht. Vorzugsweise liegt die Schwenkachse des Schwingspiegels 28, die in F1 g. 1 als die Längsmittelachse der Welle 25 dargestellt ist, so nahe wie möglich am Schwingspiegel 28, um das Trägheitsmoment des Schwingspiegels so klein wie nur möglich zu halten. Die Anordnung der Schwenkachse für den Schwingspiegel 28 senkrecht zu einem beliebigen Punkt der dritten Achse oder des Ortes 301 der Schwingungszentren ist jedoch eine notwendige und ausreichende Bedingung dafür, daß der Strahl mit der Mittellinie 315 bei jeder Schwenkstellung des Schwingspiegels 28 durch eine einzige virtuelle Pupille P reflektiert wird, deren Zentrum im Punkt P' liegt.

Das links der ersten Achse 315 auf den Schwingspiegel 28 projezierte parallele Licht wird durch die Schwenkung des Schwingspiegels 28 über einen Winkel 2 γ abgelenkt. In gleicher Weise wird die auf die Spiegelflächen 10 a, 10 b, 10 c ... der Spiegelanord nung 10 gerichtete Strahlung um einen Winkel abgelenkt, der wenigstens die Größe 2 α hat. Das Ab lenken um den Winkel 2 tx erzeugt eine Rasterzeile wogegen das Verschwenken im Winkelbereich 2 eine Verschiebung der Rasterzeilen zur Folge hat.

Es versteht sich ferner, daß das Fenster 70 nich bei allen Ausführungsformen solcher Vorrichtungei notwendig ist. Bei manchen Ausführungsformen, ins besondere bei der Ablenkung von Infrarotstrahlung ist es wichtig, daß das Innere der Vorrichtung en1

weder evakuiert ist oder eine vorbestimmte Atmosphäre enthält. Unter solchen Bedingungen wird ein Fenster 70 benutzt. Wenn ein Fenster 70 vorhanden ist, insbesondere bei dei Ablenkung von Infrarotstrahlung, steht das Fenster 70 nicht notwendig senk- recht zur fünften Achse 309, sondern ist voi zugsweise gegenüber dieser Achse um einen Winkel von beispielsweise etwa 18° oder mehr gekippt, um den sogenannten »Narziß-Effekt« zu vermeiden, der darin besteht, daß Reflexionen eines Strahlungsdetektoren am Fenster 70 wiederum erfaßt werden. Durch Kippen des Fensters 70 werden Reflexionen des Strahlungsdetektors nicht mehr festgestellt. Die beschriebene Vorrichtung kann anstatt zum Projezieren eines parallelen Lichtstrahles auch zum Empfang von parallelem Licht dienen. Es sei angenommen, daß das Licht in einem Blickfeld einfällt, das durch das Raster in F i g. 1 veranschaulicht wird, in der die Abtastflächen 34, 36, 38 und 40 in den Ecken des Blickfeldes dargestellt sind. Die Vorrichtung gestattet das Abtasten von Bereichen der einfallenden Strahlung in Form von Strahlenbündeln oder Bleistihstrahlen, wie sie an den Stellen 34, 36, 38 und 40 dargestellt sind, und es wird dann das Blickfeld in Form eines Rasters abgetastet. Die einfallende Strahlung trifft die rotierende Spiegelanordnung 10 und wird von deren Spiegelflächen 10 a, Wb, 10 c ... auf den Schwingspiegel 28 und dann auf die Linse 30 reflektiert, von der sie durch die Blende 31 auf einem anstatt der Strahlungsquelle 32 angeordneten Strahlungsdetektor fokussiert wird, der ein für die Strahlungsintensität charakteristisches Signal an die Elektronik 60 liefert. Die von den Elektroden 22 und 42 gelieferten Signale werden von der Elektronik 60 dazu benutzt, auf einem Kathodenstrahl-Oszillographen 62 ein Bild zu erzeugen, das für die Intensität der eintreffenden Strahlung und dem gerade abgetasteten Bereich charakteristisch ist. Bei den in den Fig. 12 bis 17 dargestellten Vorrichtungen werden diese Impulse statt dessen dazu benutzt, lichtemittierende Dioden zu aktivieren, deren Licht dann auf eine Darstellungseinrichtung projiziert wird.

Die Zeitdiagramme nach den Fig.4 und 5 sollen veranschaulichen, wie die von den Elektroden 22 und 42 gelieferten Impulse dazu benutzt werden, die Elektronik 60 zu steuern. Eine zur Verwendung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignete Elektronik ist in der bereits obenerwähnten US-PS 37 23 642 beschrieben.

Wie in Fig. 4 dargestellt, werden von der Elektrode 22 Abtastimpulse 2101 erzeugt, die dazu verwendet werden, Synchronisationsimpulse 204 für den Kathodenstrahl-Oszillographen 62 zu erzeugen. Die Signale 203 und 205 sind Sperrimpulse, die verhindern, daß das Ausgangssignal des Strahlungsdetektors vom Kathodenstrahl-Oszillographen 62 dargestellt wird. Die zeitliche Lage der Sperrimpulse 203 und 205 stimmt mit der Rückbewegung des Folgegliedes 24 überein, also mit der Rückkehr des Schwingspiegels 28 in seine Ausgangsstellung, was dem Zurückspringen von der untersten zur obersten Zeile des Rasters oder umgekehrt entspricht, je nachdem, in welcher Richtung die Abtastung erfolgt.

Die in der Vorrichtung nach den Γ i g. 1 und 3 von der Elektrode 42 erzeugten Impulse 206 sind in Fig. 5 dargestellt. Diese ImpuKe werden dazu benutzt, ein Austast-Verzögerungssienal 209 /u erzeugen. Dieses Austast-Vcrzögerungssignal dient da/u.

der Elektronik eine ausreichende Zeit zum Begina des Arbeitszyklus zu lassen. Am Ende des Austast-Verzögerungssignals 209 wird ein Austastsignal 210 erzeugt, welches das Ausgangssignal des Strahlungsdetektors unterdrückt. Nach einer vorgegebenen Zeitspanne, die es den Spiegelflächen 10 a, 10 h, 1Or... ermöglicht, sich in die zur Abtastung richtige Stellung zu bewegen, wird das Austastsignal 210 beendet und es kann das Abtasten einer Zeile beginnen. Es ist wünschenswert, daß dem Kathodenstrahl-Oszillographen zur Zeit des Rücksprunges nach Abtasten einer Zeile ein Synchronisationssignal 212 zugeführt wird. Da der Rücksprung eine bestimmte Zeitspanne andauert, muß das Synchronisationssign?l in einer für den Rücksprung ausreichenden Zeit vor Ende des Austastsignals 210 auftreten. Ein Synchronisations-Verzöt;erungssignal 211 ist so eingestellt, daß das Synchronisationssignal 212 zur rechten Zeit erscheint.

Bei der in F i g. 2 dargestellten modifizierten Vorrichtung weist die rotierende Spiegelanordnung 110 zwei Sätze Spiegelflächen 110a, 1106, HOc und 112«, 112ft, ¹.l2c ... auf, die in Axialrichtung der Spiegelanordnung nebeneinander liegen und zusammen rotieren. Die beiden Sätze von Spiegelflächen sind um die halbe Länge einer Spiegelfläche gegeneinander verdreht, so daß die Stoßstelle zwischen zwei benachbarten Spiegelflächen 112 α und 112 t des einen Satzes etwa mit der Mittellinie der benachbarten Spiegelfläche 110 b fluchtet. Jedem Satz Spiegelflächen HOa, UOb, UOc ... und 112«, IUb, 112 c ... ist ein eigenes Linsensystem und ein eigener Strahlungsdetektor zugeordnet. Beispielsweise richten die Spiegelflächen 110 α, 110 b, 110 c... das von dem Schwingspiegel 28 einfallende Licht auf die Linse 130 und dann auf den Detektor 132. Die Spiegelflächen 112ο, 112b, 112c ... des anderen Satzes richten das vom Schwingspiegel 28 eintreffende Licht auf die Linse 130 und den Detektor 133. Bei dieser Vorrichtung ist die Elektronik so eingerichtet, daß dann, wenn der Detektor 132 ausgetastet ist, der Detektor 133 arbeitet und umgekehrt. Im übrigen ist die Vorrichtung nach F i g. 2 mit der Vorrichtung nach F i g. 1 im wesentlichen identisch. Es versteht sich jedoch, daß wegen der versetzten Anordnung der beiden Sätze von Spiegelflächen HOa, UOb, UOc ... und 112a. 112 6, 112c ... die Elektrode 42 die doppelte Anzahl Synchronisationssignale erzeugt und die Syndironisationssignalc beispielsweise zur Steuerung eines Flipflops verwendet werden können, dessen Ausgangssignale das Austasten der Detektoren 132 und 133 steuern. Die geometrischen Beziehungen zwischen den Detektoren 132 und 133, den Linsen 130 und 131, dem Schwingspiegel 28 und den Sätzen von Spiegelflächen der Spiegelanordnung HO sind im wesentlichen identisch zu denen, die an Hand det Vorrichtung nach den F i g. 1 und 3 beschrieben worden sind.

Bei einer typischen Ausführungsform einer solchen Vorrichtung umfaßt die Spiegelanordnung einen odei zwei Sätze von jeweils sieben Spiegeln. Der Motor 11 hat eine typische Drehzahl von 67 500 U min. Eir typischer Wert für den Winkel (5 ist 65', währenc 1 21,6", /i - ■■ 45' und γ = 16,2° ist. iiei eine: Drehzahl des Motors von 67 500 U/min und sieber Spiegelflächen auf der Spiegelanordnung 10 wird eii Wirkungsgrad der Azimut-Abtastung von 4 2 ⁰Zo er zielt, und es werden 525 Azimut-Abtastungen pn

lildfeld und 60 Elevations-Abtastungen pro Sekunde »ei einem Wirkungsgrad der Elevations-Abtastung 'on 85 °/o erreicht.

Die Bildfolge beträgt 15 Bilder pro Sekunde, die "eldbedeckung 32,4 auf 43,2° und die Überlappung interlace) 4.

In dem Diagramm nach F i g. 4 beträgt die Zeit wischen den Abtastimpulsen 201 16,667 ms. Die teitliche Verzögerung zwischen dem Empfang der /\btastimpulse und dem Ende der Sperrimpulse 205 beträgt 205 μ%. Die Aktivzeit der Spiegel beträgt 14,167 ms. Die Länge des Sperrimpulses 203 beträgt 2,500 ms. Die Länge des Synchronisationsimpulses 204 ist 240 μ5.

In dem Diagramm nach F i g. 5 liegt zwischen den Ablastimpulsen 206 eine Zeitspanne von 126,98 με. Die Dauer der Austastverzögerung beträgt 2,47 μ5. Die Dauer des Sperrimpulses 207 beträgt 73,65 μ5. Die Zeitdauer einer aktiven Spiegelabtastung 208 beträgt 53,33 μ5. Die Länge des Synchronisations-Verzögerungssignals 211 beträgt 4,47 μ5. Die Länge des Synchronisationssignals 212 beträgt 2 μ5. Diese Zehgebung wird erzielt, indem eine Reduktion der EIevationsgeschwindigkeit in bezug auf die Azimutgeschwindigkeit im Verhältnis von 18,75:1 angewendet wird.

Bei der Vorrichtung nach dem Hauptpatent wird demnach der von der Linse 30 und der Blende 31 gebildeten Pupille eine solche Abtastbewegung erteilt, daß ein paralleles Strahlungsbündel ein Raster beschreibt, das sowohl im Azimut als auch in der Elevation von einer einzigen virtuellen Pupille P zu stammen scheint, welche das Bild der von dem Schwingspiegel 28 reflektierten Pupille der Linse 30 ist und ihrerseits von der Spiegelanordnung 10 reflektiert wird, weil die Drehachse der Spiegelanordnung 10 so angeordnet ist, daß die Spiegel der Spiegelanordnung sich am Ort der virtuellen Pupille P befinden. Statt dessen kann die Vorrichtung auch ein Feld kollimierten Lichtes nach einem Rastermuster abtasten und Strahlung aus dem abgetasteten Bereich einem Sensor 32 in umgekehrtem Sinne zuführen und dadurch ein Bild des abgetasteten Blickfeldes erzeugen, das dank der beschriebenen Anordnung der Pupille P frei von einer Drehung und astigmatischen Verzerrungen ist und das infolgedessen mit Hilfe einer geeigneten, sphärischen Vergrößerungslinse abgeleitet werden kann, deren optische Achse mit der Achse 309 zusammenfällt.

Wie insbesondere aus Fig. 11 ersichtlich, erlaubt die Tatsache, daß der optische Weg in beiden Richtungen durchlaufen werden kann, so daß eine solche Vorrichtung wahlweise als Empfänger oder als Projektor benutzt werden kann, eine solche Vorrichtung unter Beachtung zusätzlicher Bedingungen, die im folgenden noch angegeben werden, so weiter zu bilden, daß sie gleichzeitig Empfangs- und Wiedergabefunktionen ausführt. Bei einer solchen Weiterbildung wird der Empfangs-Lichtweg vorzugsweise so angeordnet, daß er von einer Fläche der Spiegelanordnung 10 Gebraucht macht, die einer Fläche der Spiegelanordnung unmittelbar benachbart oder von einer solchen Fläche nur wenig entfernt ist, die für die Projektion oder die Wiedergabe benutzt wird. Auf diese Weise kann dann der Schwingspiegel 28 eine einzige mechanische Anordnung sein, bei der verschiedene Abschnitte der Spiegelfläche in den beiden Lichtwegen benutzt werden, so daß eine vollständige Synchronisation erzielt wird. Die Vorrichtung nach den Fig. 10 und 11 besteht demnach aus einer optischen Abtastvorrichtung, die aus einem Blickfeld einfallende Infrarotstrahlung feststellt, die empfangenen Signale in sichtbares Licht umwandelt und für den Betrachter der Abtastvorrichtung ein sichtbares Bild der aufgenommenen Szene erzeugt. Die Fig. 10 und 11 zeigen die Geometrie der optischen Wege bei diesem Doppelsystem in verallgemeinerter Form.

to Diese Figuren bilden eine Erweiterung der in den F i g. 6 und 7 veranschaulichten geometrischpn Verhältnisse bei der nur für eine Betriebsart e'.ügerichteten Vorrichtung. Wo die gleichen oder einander entsprechende Teile vorkommen, wurden die gleichen Bezugsziffern benutzt. Sie werden von Buchstaben α und b gefolgt, um die Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung hervorzuheben, welche die doppelte Betriebsart ermöglichen. Beispielsweise sind in F i g. 11 Achsen 303 α und 303 b anstatt einer einzigen Achse 303 dargestellt, wie sie in F i g. 7 vorhanden ist.

Die optischen Wege für den Empfang und die Wiedergabe verlaufen in der Azimutebene unter einem Winkel von 2 6, wenn ό = 360° geteilt durch die Anzahl der Flächen der Spiegelanordnung 410 ist und unmittelbar benachbarte Flächen benutzt werden, so daß die Elevationsabtastung mittels eines gemeinsamen Schwingspiegels 428 erfolgen kann, dessen Schwenkachse auf der Geraden 301 die den Ort der Schwingungszentren definiert, liegt. Die Abtastvorrichtung kann unmittelbar einen Bereich unter einem Blickwinkel von 2 a · 2 γ übersehen, obwohl manche Anwendungen eine Vergrößerung oder Verkleinerung dieses Basisbereiches erfordern. Der gemeinsame Ursprung für die Winkel 2 \ und 2 γ macht die Vorrichtung speziell für die Anwendung avokaler und galileischer optischer Systeme geeignet.

Allgemein sollte zwischen dem Empfangs-Lichtweg und dem Wiedergabe-Lichtweg ein Winkel 2 (n+1) ö existieren, wenn ό = 360° geteilt durch die Anzahl der Spiegel der Spiegelanordnung und η gleich der Anzahl der Spiegelflächen ist, die sich zwischen den Flachen befinden, die in den beiden Lichtwegen benutzt werden. Wenn benachbarte Flächen benutzt

\5 werden, ist /1 = 0 und der Winkel zwischen den beiden Wegen 2 ό. Wenn die Flächen durch eine inaktive Fläche getrennt sind, ist η = 1 und der Winkel 4 A. Liegen zwei Flächen dazwischen, ist η = 2 und der Winkel zwischen den Lichtwegen 6 d usw.

Die Fig. 12 und 12a zeigen zwei Ausführungen einer typischen afokalen Infrarot-Vorrichtung, die zwischen zwei Blickfeldern umschaltbar ist, für die starke Vergrößerungen benötigt werden. Eine schematische perspektivische Darstellung des optischen Systems der Vorrichtung nach den Fig. 12 und 12a ist in Fig. 17 dargestellt. Fig. 13 gibt schematisch eine Vorrichtung mit einem Teleskop mit engem Blickfeld als Beobachlungssystem wieder, die von der erfindungsgcmäßen Vorrichtung zur Bildaufnahme und -wiedergabe Gebrauch macht. Bei der Vorrichtung nach Fig. 14 handelt es sich um ein vom Beobachter entfernt angeordnetes System mit engem Blickfeld, das in Verbindung mit den optischen Einrichtungen nach den Fig. 10 und 11 von einen Vidicon Gebrauch macht. Fig. 15 gibt das Sehern; einer optischen Einrichtung wieder, die für den Ein· bau in ein Handgerät mit nur einem Blickfeld untc Verwendung einer galileischen Optik geeignet ist

509 527 30

Fig. 16 gibt das optische Schema einer Vorrichtung wieder, die der Vorrichtung nach F i g. 14 ähnlich ist, jedoch ein Fernrohrsystem mit großem Blickfeld aufweist, in all diesen Ausführungsformen erzeugt die Einrichtung, welche die Elevationsabtastung ausführt, einen annähernd festen Schwenkpunkt, der mit dem Schwenkpunkt für die Azimutabtastung zusammenfällt, um die Vorteile zu erhalten, die im Fehlen einer Bilddrehung und astigmatischer Verzerrungen liegen, die oben an Hand der in nur einer Betriebsart arbeitenden Vorrichtung erläutert worden sind.

Zurückkehrend zu den Fig. 10 und 11 ist festzustellen, daß Fig. 10 im wesentlichen der Fig.ti und F i g. 11 im wesentlichen der F i g. 7 entspricht. Die Fig. 10 und 11 zeigen jedoch für Empfang und gleichzeitige Wiedergabe eingerichtete Vorrichtungen anstatt der nur für eine Betriebsart ausgebildeten Vorrichtung nach den F i g. 6 und 7. Wo in den beiden Vorrichtungen einander entsprechende Bauteile vorkommen, wurden die Bezussziffern in den Fig. 10 und 11 um 400 erhöht. Demgemäß entspricht die Spiegelanordnung 410 nach Fig. 10, welche die Azimutabtastung um den Winkel 2 Λ bewirkt, der Spiegelanordnung 10 nach Fig. 6, und es entspricht der Schwingspiegel 428 nach den Fig. 10 und 11 dem Schwingspiegel 28 nach den F i g. 6 und 7. Die Bezugsziffern, welche die optischen oder geometrischen Achsen des Systems bezeichnen, wurden in den beiden Vorrichtungen insoweit unverändert belassen. wie sie das gleiche Prinzip verkörpern. Wo, wie in Fig. 11, das Doppelsystem zwei Achsen von der Art aufweist, von der in F i g. 7 nur eine vorhanden ist. werden diese beiden Achsen durch die nachgestellten Buchstaben α und /1 bezeichnet. So befindet sich die Achse 303 « im Empfang^-Lichtweg, während die Achse 303 b im Wiedergabe-Lichtweg angeordnet ist. Entsprechendes gilt für die Achsen 309« und 309 b. Die Pfeilspitzen an den optischen Mittellinien geben die Richtung des Energieflusses an.

Aus F i g. 11 ist ersichtlich, daß der Schwingspiegel 428 eine Länge hat, die wenigstens der Länge einer Fläche der Spiegelanordnung 410 gleich ist. so daß die beiden optischen Wege über den gleichen Spiegel geführt und im wesentlichen auf die Mittelpunkte benachbarter Flächen der Spiegelanordnung 410 gerichtet sein können. Es ist weiterhin erkennbar, dnß die optischen Wege 303 λ und 303 h. auf denen die den beiden Betriebsarten zugehörenden Lichtstrahlen in entgegengesetzten Richtungen zwisehen dem Schwingspiegel 428 und der Spiegelanordnung 410 verlaufen, parallel zueinander sowie zu einem Radius 411 der Spiegelanordnung 4JO gerichtet sind. Die optischen Wege 309« und 309/'. längs denen die Lichtenergie auf die Spiegelanordnung 410 einfällt bzw. von der Spiegelanordnung reflektiert wird, bilden in entgegengesetzten Richtungen einen Winkel Λ mit den parallelen Achsen 303« bzw. 303 b. so daß die Achsen 309« und 309 b miteinander einen Winkel 2/) bilden. Wie oben angegehen. ist die CiriWe des Winkels Λ gleich 3CiO" geteilt durch die Anzahl tier Flächen der Spiegelanordnung 410.

In den Fig. 12 und 12a ist die Verwendung einer solchen, gleichzeitig in zwei Betriebsarten arbeitenden Vorrichtung mittels optischer Wegdiagramme schematisch dargestellt. Bei diesem Beispiel empfängt ein zweigliedriges Objektiv 50fl Infrarotstrah

_ und leitet sie an ein Schaltgiied 501 weiter, das zurUmschaltung des Bildfeldes dient. Das Schaitglied 501 ist in einer seiner beiden möglichen Stellungen mit durchgehenden und in der anderen mit gestrichelten Linien dargestellt. Das Schaltglied ist auf einem schwenkbaren Träger befestigt, wie es Fig. 17 deutlicher zeigt. In einer Stellung des Schaltgliedes 501 hat das Fernrohr ein enges Blickfeld, während es in der anderen Stellung ein weites Blickfeld hat. In jeder der beiden Stellungen gelangt die empfangene Strahlung an eine Infrarot-Zwischenlin.se 503 und dann auf die rotierende Spiegelanordnung 410. In Fig. 12 befindet sich zwischen der Zwischenlinse 503 und der Spiegelanordnung 410 ein Ablenkspiegel 502. Bei der Vorrichtung nach F i g. 12 a wird der Spiegel 502 durch die Anwendung einur Prismenanordnung 520 eingespart. Von der Spiegelanordnung 410 wird die Strahlung zum Schwingspiegel 480 retlektiert und von dort auf eine Detektoranordnung 504, wie es Fig. 17 zeigt. Die Detektoranordnung erzeugt elektrische Signale, die dazu benutzt werden, eine Anordnung 505 aus lichtemittierenden Dioden zu aktivieren, die ihrerseits die Lichtquelle für die Bildwiedergabe oder den Projektions-Liehlweg bildet. Von der Anordnung 505 lichtemittierender Dioden gelangt das Licht zu dem zugeordneten Abschnitt des Schwingspiegels 428, von dem es auf die nächste oder unmittelbar benachbarte Fläche üsr Spiegelanordnung reflektiert wird. Von dort gelangt das Licht über eine Betrachtungs- oder Projektionslinse 506 zu einem geeigneten optischen System oder einem Okular 507. damit es von einem Beobachter wahrgenommen werden kann.

F i g. 17 ist zu entnehmen, daß das zweigliedrige Objektiv 500 von dem schwenkbaren Schaltglied 501 gefolgt wird, das auf einer Schwenkanordnung 501 b gehalten wird. Danach folgt das Infrarot-Zwischenglied 503, das die Strahlung zur Spiegelanordnung 410 überträgt, von der sie zum Elevationsspiegel 428 gelangt. Die Detektoranordnung 504 und die Anordnung Üchtemittierender Dioden 505 sind mit einer Vorverstärker-Treiberanordnung 510 verbunden. Ein Cryostat 511 ist zur Aufnahme von Kühlgas vorgesehen. Eine Batterie 514 dient dazu, das System mit elektrischer Energie zu versorgen. Ein Antriebsmotor 520 steht in geeigneter Weise mit der Azimut-Spiegelanordnung und dem Elevations-Sehwingspiegel in Antriebsverbindung.

Fig. 13 veranschaulicht ein Periscopsystem, das ein Schaltglied 501. ein zweigliedriges Objektiv 500 und einen Umlenkspiegel 600 umfaßt, der auf einer Achse 601 schwenkbar befestigt ist, so daß der das Objektiv 500 durchlaufende, vertikal angeordnete I ichtweg in die gewünschte Horizontalrichtung umgelenkt werden kann.

Bei der Anordnung nach Fig. 14 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in ein System zur Fernbeobachtung eingebaut. Dieses System weist eim: Bildröhre 700 an Stelle eines Okulars 507 auf, den' bei der Ausführungsform nach Fig. 12 ein Umkehrprisma 525 vorangestellt ist. Die Bildröhre 700 erzeugt ein nach Fernsehnormen abgetastetes Bild de Ausgangssignals der Vorrichtung, das in übliche Weise an eine entfernte Beobachtungsstation über tragen werden kann.

F i g. 1 5 veranschaulicht die Verwendung der Spie i'clanordnung 410 und des Schwingspiegels 428 ii einem Handgerät, das von einer galileischcn OpIiI

Gebrauch macht und nur ein Blickfeld aufweist. Demgemäß ist das Schaltglied 501 kein wesentliches Element des Systems und bei dem Gerät nach F i g. 15 fortgelassen. Das zweigliedrige Objektiv 500 führt die Strahlung unmittelbar der Spiegelanordnung 410 zu. Das erzeugte Bild wird über eine Zwischenltnse 506 einem Umlenkspiegel 530 und dem Okular 507 zugeführt.

Fig. 16 zeigt eine Anordnung mit nur einem Blickfeld, bei dem ein Weitwinkel-Aufnahmesystem mit einera Vidicon-Wiedergabesystem für eine Überwachung von einem entfernten Ort aus kombiniert ist. Ein solches System ist für viele Übenvachungsaufgaben zweckmäßig. Das Objektiv 500 Strahlung unmittelbar zur Spiegelanordr und weiter zum Schwingspiegel 428. Das Vi empfängt die Wiedergabe über dasZwischer Das Ausgangssignal des Vidicon wird als signal an einen entfernten Ort übertragen.

Es ist demnach ersichtlich, daß die erfi mäße Vorrichtung, die zur gleichzeitige! nähme und -wiedergabe dient, in vielen \ ίο nen Systemen eingesetzt weiden kann, w wohl bei der Bildaufnahme als auch bei wiedergabe mit allen afokalen Vergröße: men zusammenwirken kann.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum optischen Abtasten eines Bildfeldes mit einer um eine Drehachse drehbaren prismatischen Spiegelanordnung, deren Spiegel iuf von der Drehachse ausgehenden und senkfecht dazu gerichteten, miteinander gleiche Winkel einschließenden Radialstrahlen senkrecht Itehen, und einem im Lichtweg zwischen der Spiegelanordnung und dem Bildfeld angeordneten Schwingspiegel, der um eine zur Drehachse der Spiegelanordnung senkrechte Schwenkachse, die in einem Punkt einen Ort von Schwingungslentren senkrecht schneidet, der in der Ebene der Zentrabtrahlen liegt, die auf den Schwingspiegel einfallen und von ihm reflektiert werdei, und mit «Sem reflektierten Zentralstrah! einen Winkel ,i bildet, der gieich dem Winkel ist, mit dem der einfallende Zentralstrahl auf den Schwingspiegel «uftrifft, wenn der Schwingspiegel seine nominelle Mittelstellung einnimmt, schwenkbar gelagert und $ynchron zur Drehbewegung der Spiegelanordnung angetrieben ist, nach Patent 22 24 217, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingspiegel (428) zur gleichzeitigen synchronen Bildaufnahme und -wiedergabe in zwei Lichtwegen (303 a. 309« bzw. 303~6. 309/)) angeordnet 1st, Von denen der eine zur Übertragung der aus dem aufzunehmenden Blickfeld einfallenden Strahlung auf einen Strahlungsdetektor (504) und der andere Lichtweg zur Übertragung der von einer örtlichen Lichtquelle (505) erzeugten, in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Strahlungsdetektors (504) lintensitätsmodulierten Strahlung zu einem ein sichtbares Bild liefernden Darstellungsgerät (507) eingerichtet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtwege (303λ, 309« und 303 b, 309 b) für die Bildaufnahme bzw. -wiedergabe in jedem Augenblick verschiedene Spiegel der prismatischen Spiegelanordnung (410) zur Erzeugung der Azimut-Abtastung und auch verschiedene Abschnitte der gleichen Oberfläche des Schwingspiegels (428) zur Erzeugung der EIevations-Abtastung umfassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Spiegel der prismatischen Spiegelanordnung (410) einander unmittelbar benachbart und die beiden Lichtwege so angeordnet sind, daß der auf einen Spiegel einfallende Strahl (303/;) des einen Lichtweges parallel zu dem von dem anderen Spiegel reflektierten Strahl (303 λ) des anderen Lichtweges verläuft, die einfallenden und reflektierten Strahlen (303 ft, 309 b bzw. 309«, 303a) jedes Lichtweges in einer gemeinsamen Ebene einen Winkel Λ einschließen der gleich 360° geteilt durch die Anzahl der Spiegel der Spiegelanordnung (410) ist, und die Winkel in der gemeinsamen F.bene auf entgegengesetzten Seiten der zueinander parallelen Strahlen (303« und 303/1) der beiden Lichtwe«e liegen.