DE2436837A1

DE2436837A1 - Optische abtastvorrichtung

Info

Publication number: DE2436837A1
Application number: DE2436837A
Authority: DE
Inventors: Fernand Rene Loy
Original assignee: Telecommunications Radioelectriques et Telephoniques SA TRT
Current assignee: Telecommunications Radioelectriques et Telephoniques SA TRT
Priority date: 1973-08-07
Filing date: 1974-07-31
Publication date: 1975-02-27
Also published as: FR2245970A1; GB1479183A; SE402165B; FR2245970B1; US3934137A; NL7410451A; IT1017919B; SE7410010L

Description

Optische Abtastvorrichtung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Abtastvorrichtung, in der nacheinander Strahlungsbündel die von verschiedenen Zonen eine's Sehfeldes herrührend·; auf einem strahlungsempfindlichen Detektor konvergiert werden, der nacheinander ein Objektiv und einen drehbaren optischen Zylinder enthält, der am Umfang mit mindestens einem optischen Konvergenzsystem versehen ist₉ wobei der Detektor in dem Drehpunkt des Zylinders angeordnet ist,

. Eine derartige Vorrichtung wird insbesondere in Geräten zum Sichtbarmachen von Gebieten verwendet, die mit Hilfe von Infrarotstrahlung beobachtet" werden. Ein derartiges Gerät ist in der französischen. Patentanmeldung· 7 303 746 beschrieben. Diese Geräte liefern sichtbare Bilder in einem

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Tempo, das im allgemeinen möglichst hoch sein soll. Dieses Tempo wird im wesentlichen durch die Drehgeschwindigkeit des genannten Zylinders und die Anzahl optischer Konvei-genzsysteme bestimmt,' die an seinem Umfang angeordnet sind.

Eine optische Abtastvorrichtung der vorerwähnten Art, in der das Objektiv aus einem aphäri.sehen Spiegel besteht, ist in der französischen Patentschrift 1 kyk 885 beschrieben. Die bekannte Vorrichtung weist günstige optische Eigenschaften über ein sehr ausgedehntes Sehfeld bis zu etwa 180° auf.

Dagegen wirkt die bekannte Vorrichtung weniger befriedigend, wenn weit entfernt in dem Sehfeld liegende Gegenstände unter einem kleinen ¥inkel beobachtet werden müssen.

Dabei ist es nämlich wichtig, eine maximale Strahlungs menge, die von den weit entfernten Gegenständen emittiert wird, aufzufangen, was bedeutet, dass das Objektiv der Abtastvorrichtung eine möglichst grosse nützliche Apertur aufweisen muss.

In der bekannten Vorrichtung ist nun die Eintrittspupille kleiner als die Oberfläche des Objektivs, d.h., dass zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht die ganze Oberfläche des Objektivs benutzt wird.

Wenn trotzdem die Eintrittspupille vergrössert werden soll, kann nur zwischen zwei Lösungen gewählt werden.

Die erste Lösung besteht darin, dass die numerische Apertur des optischen Konvergenzsystems vergrössert wird.

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Dann lässt sich aber einerseits das optische Konvergenzsystem schwer entwerfen, weil sich Probleme ergeben, die durch optische Aberration herbeigeführt werden. Andererseits ist es dann nicht mehr möglich, eine Vielzahl dieser optischen Konvergenzsysterne am Umfang des Zylinders anzuordnen. Dies hat zur Folge, dass zum Erhalten eines hohen Abtastteinpos des ganzen Sehfeldes der optische . Zylinder mit einer grb*sseren Geschwindigkeit angetrieben werden muss.

Die zweite Lösung besteht darin, dass alle Abmessungen ι
der Vorrichtung proportional vergrössert werden. Diese Lösung hat den Nachteil, dass nicht nur der Umfang der Vorrichtung zu gross zu werden droht, sondern vor allem auch, dass das Trägheitsmoment des optischen Zylinders zu gross wird, um mit grosser Geschwindigkeit angetrieben werden

zu können, .

ι .

Die Erfindung bezweckt, eine optische Abtastvorrichtung zu schaffen, deren Sehfeld in der Grössenordnung · von einigen Grad liegt, deren Auflösungsvermögen Werte erreichen kann, die praktisch durch die Beugung beschränkt sind, und in der der Durchmesser der Eintrittspupille von den Eigenschaften der optischen Konvergenzsysteme unabhängig ist. '

Die Abtastvorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlungsgang von dem Objektiv zu dem Zylinder ein optisches Projelctionssystem angeordnet ist, das ein durch das Objektiv hindurchtretendes Strahlungsbündel auf den Detektor richtet.

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In der Vorrichtung nach der Erfindung kann dann.

in bezug auf den Entwurf des genannten Zylinders der günstigste Kompromiss zwischen der Anzahl am Umfang des Zylinders angeordneter Konvergenzsysteme und dem Trägheitsmoment dieses Zylinders gewählt werden, so dass das Tempo, mit dem die Bilder vom Gerät wiedergegeben werden, möglichst hoch ist, ungeachtet der gewünschten Apertur des Objektivs,

Veiter können beliebige Objektive (Linsen, sphärische Spiegel, parabolische Spiegel, usw.) verwendet werden.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer optischen Abtastvorrichtung nach der Erfindung,'

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer optischen Abtastvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3 eine Ausführungsform eines optischen Projektionssystems, und

Fig. h eine optische Abtastvorrichtung mit einem Mechanismus zum Durchführen der Abtastung in einer zweiten Richtung,

In der Vorrichtung nach Fig. 1 dreht sich der optische Zylinder 1 in Richtung des PfeilesJ Am Umfang des Zylinders sind Konvergenzsysteme 2 angebracht, von denen der Einfachheit halber nur eines dargestellt ist. In dieser Ausführungsform besteht das optische Konvergenzsystem aus

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einer Linse, die in zwei Lagen P- und P*des Zylinders 1 dargestellt ist. ·■■--.-.

Durch Drehung des Zylinders kann das Feld in einer Richtung abgetastet werden. · ^: ·

Ein strahlungsempfindlicher Detektor 3 t der eine Anzeige Über die Strahlungsintensität gibt, die er empfängt, wird als punktförmig betrachtet"'und fällt mit dem Drehpunkt 0 des Zylinders 1 zusammen. Die' Linse ki ist ein Objektiv, das die von dem Sehfeld herrührende Strahlung auffängt. Die optische Mitte dieses Objektivs ist mit 0' bezeichnet. Das einfallende mittlere Bündel,"dessen Ränder zu der optischen Achse 00' parallel sindj konvergiert im Punkt S, Dieses Bündel beleuchtet die Linse 2,' die sich dann in der Lage P- befindet. Von der Linse 2 wird das'¹"- ' Bündel auf dem Detektor 3 konvergiert.

In Fig. 1 ist mit der gestrichelten Linie SF die "■ Brennebene des Objektivs h* dargestellt,' Die^: Kurve' RB stellt die Sammlung der geometrischen Stellen der von der Linse 2' ' während der Umdrehung des Zylinders 1 erzeugten Bilder des Detektors 3 dar.

Nach der Erfindung ist im Strahlungsweg zwischen dem Objektiv h* und dem Zylinder 1 ein Optisches Projektionssystem angeordnet. Dieses Pro j eict'ions sy stern richtet die Bündel, die von praktisch der ganzen Apertur des'"Objektivs begrenzt werden und von verschiedenen Feldzonen herrühren, auf den Detektor 3» - : ■

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In der Ausführungsform nach Fig, 1 besteht das optische Projektionssystem aus einer Feldlinse 5{ι die in der Nähe der Brennebene SF des Objektivs h* angeordnet ist, welche Brennebene in S die Kurve RB berührt; Die Brennweite der Linse 5·ι ist derartig, dass die Mitte 0^f des Objektivs und der Drehpunkt 0 des Zylinders 1 von dieser Linse konjugiert werden.

Die Vorrichtung nach der Erfindung wirkt wie folgt. Ein Bündel, das von einer der abgetasteten Feldzonen her-

rührt und einen Winkel Δ mit der Achse 00* einschliesst, konvergiert im Punkt T, der auf der Brennebene SF liegt.

Der Deutlichkeit halber ist der Wert des Winkels is übertrieben gross dargestellt und weiter ist vom Punkt T an nur die Fortsetzung des mittleren Strahls Rm, der durch den Punkt 0* geht, gezeichnet,

Dieser Strahl Rm wird von der Linse 5« auf die Mitte

gerichtet, so dass die Punkte 0 und O¹ von dieser Linse konjugiert werden. Das Bündel, zu dem der Strahl gehört, wird von der Linse 2 im Punkt 0 konvergiert.

Das scharfe Sehfeld dieser Vorrichtung wird durch den optischen Weg zwischen dem Punkt T und dem Punkt XJ bestimmt, wobei letzterer durch den Schnittpunkt des mittleren Strahls Rm mit der Kurve RB bestimmt wird; wenn dieser optische Weg zu lang ist, wird das von der Linse 2 herrührende Bündel schlecht auf dem Element 3 konvergiert. Der Abstand T-U ist umso grosser, je grosser der Winkel Δ ist. Das

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Sehfeld dei- Vorrichtung nach Fig. 1 ist für bestimmte Anwendungen genügend.

Obgleich in Fig. 1 die Kurven SF und RB derart eingestellt sind, dass sie sich in S berühren, ist es in der Praxis von Bedeutung, dafür zu sorgen," dass sich diese Kurven schneiden, so dass die Weglängenunterschiede TU verteilt werden. Im letzteren Fall wird TU gleich Null beim Einfallen unter einem Winkel gleich der Hälfte des maximalen Sehwinkels,

Beim Entwerfen einer derartigen Vorrichtung wird von den an den Zylinder zu stellenden Anforderungen ausgegangen. Dieseji Anforderungen werden durch die Eigenschaften des Gerätes bestimmt, von dem die Vorrichtung einen Teil bildet. Um z.B. mit diesem Gerät in einem hohen Tempo sichtbare Bilder wiederzugeben, ist es erforderlich, eine Vielzahl von Linsen über den Umfang des Zylinders zu verteilen, so dass die Drehgeschwindigkeit nicht zu hoch wird, ohne dass dadurch das Trägheitsmoment zu stark "vergrSssert wird.

Nach dem Entwerfen des Zylinders sind dann die

Oeffnung der Linse 2 (welche Oeffnung durch den Durchmesser d der Pupille bestimmt wird) und der Abstand f zwischen der Kurve RB und der Linse 2 bekannt.

Wenn die Eintrittspupille des Objektivs k«, die die Oeffnung dieser Linse bestimmt, einen Durchmesser D aufweisen soll, wird ein Objektiv gewählt, dessen Brennweite F

^istj ν _ f P,

^x d '

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Die Linse 5. wird das Bild des Objektivs 4.. im Punkt erzeugen; dieses Bild wird -Ln Fig. 1 mit hl bezeichnet.

Obwohl das ganze voni Objektiv begrenzte Bündel im Punkt O konvergiert, wird dieses Bündel nicht von der Oeffnung der Linse 2 geblendet.

Fig« 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung nach der* Erfindung, die ein ausgedehnteres Sehfeld liefert. In Pig, 2 sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet. In der Vorrichtung nach Fig. 2 besteht das optische Projektionssystem aus einem sphärischen Feldspiegel 5r>* Die reflektierende Fläche dieses Spiegels berührt im Punkt S sowohl die Kurve RB als auch die Kurve SF.

Ein einfallendes Bündel mit parallelen Rändern, das mit der Achse 00^r einen Winkel A einschliesst, und auf die Linse 4- einfällt, konvergiert, im Punkt V dex· Brennebene SF, Der Spiegel 5o erzeugt von V ein Bild 17, das der Oberfläche RB umso näher liegt, je kleiner der ¥inkel A ist. Die Brennweite des Feldspiegels 5o wird auf gleiche ¥eise wie die Brennweite der Linse 5·ι in Fig. 1 bestimmt.

Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung weist ein ausgedehnteres Sehfeld als die Vorrichtung nach Fig. 1 auf« weil die Kurven RB und SF in Fig. 2 ja besser als in Fig. 1 nebeneinander liegen, Das Sehfeld der Vorrichtung nach Fig. liegt in der GrSssenordnung von. einigen Grad.

In der Anordnung nach Fig, 2 können Aenderungren

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BAD ORIGINAL

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vorgenommen werden. So kann die reflektierende Oberfläche des Spiegels 5? ^¹¹ einem erheblichen Abstand von S angebracht werden, ¥eiter können sich' die Kurven RB und SF schneiden. In diesem Falle wird das Sehfeld auf Kosten der Güte des Bildes in der Mitte des Feldes vergr'dssert,

In Fig, 3 besteht das Projektionssystem 5o ^aus einem reflektierenden Spiegel 8 ₉· der auf einer Linse 7 festgekittet ist (ein sogenannter katadioptrischer Spiegel). Durch passende Wahl der Krümmungsradien der Oberflächen der Linse und der Dicke derselben kann das Sehfeld noch vergr'dssert werden»

In Fig₀ h ist eine Vorrichtung gezeigt, mit der ein Feld in zwei Richtungen abgetastet werden kann. Die Teile, die denen der vorangehenden Figuren entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen,,

Das Objektiv der Vorrichtung nach Fig. k besteht aus einem parabolischen Spiegel 4₂„ Ein auf diesen Spiegel einfallendes Bündel wird über einen flachen reflektierenden Spiegel 11 zu dem Spiegel 5₂ reflektiert. Das von dem·Feldspiegel 5o herrührende Bündel erreicht über einen zweiten flachen Spiegel 12 die Linse 2» Diese Linse konvergiert das Bündel über einen dritten flachen Spiegel 13 auf dem Detektor 3.

Durch Drehung des Zylinders 1 mit Hilfe eines Motors kann eine schnelle Abtastung in einer ersten Richtung erfolgen. Eine langsame Abtastung in e'iner zweiten Richtung

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wird dadurch erhalten, dass man den parabolischen Spiegel 4_ Über kleine Winkel um eine Achse XX¹ durch die Spitze der Parabel schwingen lässt. Diese Schwingung wird mit einem linearen Motor 15 und einem Hebel 16 erhalten, der einen Teil des Gestells das parabolischen Spiegels k_o bildet.

ORIGINAL INSPECTED

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Claims

PATENTANSPRÜCHE!

Optische Abtastvorrichtung, in der nacheinander Strahlungsbündel j die von verschiedenen Zonen eines Sehfeldes herrühren, auf einem strahlungsempfindlichen Detektor konvergiert werden, der nacheinander ein Objektiv und einen drehbaren optischen Zylinder enthält, der am Umfang mit mindestens einem optischen Konvergenzsystem versehen ist, wobei der Detektor im Drehpunkt des Zylinders angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlungsweg von dem Objektiv zu dem Zylinder ein optisches Projektionssystem angeordnet ist, das ein durch das Objektiv hindurchtretendes Strahlungsbündel auf den Detektor richtet«

2, Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Projektionssystem aus einer Linse besteht, die in der Nähe der Brennebene des Objektivs und der geometrischen Stellen der Sammlung der Bilder des Detektors angeordnet ist, welche Bilder von dem optischen Konvergenzsystem während der Drehung des Zylinders erzeugt werden, wobei die Brennweite der Linse derartig ist, dass die Mitte des Objektivs und der Drehpunkt des Zylinders von dieser Linse konjugiert werden.

3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Projektionssystem aus einem sphärischen Hohlspiegel besteht, der in der Nähe der Brennebene des Objektivs und der geometrischen Stellen der Sammlung der Bilder des Detektors angeordnet ist, welche

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Bilder von dem optischen Konvergenzsystem während der Drehung des Zylinders erzeigt werden, wobei die Brennweite des sphärischen Hohlspiegels derartig ist, dass die Mitte des Objektivs und der Drehpunkt des Zylinders von diesen Spiegel konjugiert werden,

k» Abtastvorrichtung nach Anspruch ,1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Projektionssystem aus einem katadioptrisehen Spiegel bestoht, der in der Nähe der Brennebene des Objektivs und der geoineti'ischen Stellen der Sammlung der Bilder des Detektors angeordnet ist, welche Bilder von dem optischen Konvergenzsystem während der Drehung des Zylinders erzeugt werden.

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