DE2451908B2

DE2451908B2 - Abtastanordnung zur optischen objektabtastung

Info

Publication number: DE2451908B2
Application number: DE19742451908
Authority: DE
Inventors: Stig Leopold Taby Ullstig (Schweden)
Original assignee: AGA AB
Current assignee: Pharos AB
Priority date: 1973-11-01
Filing date: 1974-10-31
Publication date: 1977-07-14
Also published as: FR2250125A1; US3956586A; JPS5085347A; GB1483118A; DE2451908A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abtastanordnung zur optischen Objektabtastung mit einem feststehenden, verhältnismäßig kleinflächigen Detektor für die vom Objekt kommende Strahlung und einer auf. ihrer Innenseite mit Spiegelflächen besetzten rotierenden Trommel.

Eine Abtastanordnung dieser Art ist bekannt. Bei dieser bekannten Abtästanordnung sind eine Reihe von fokussierenden Linsen vorgesehen, die innerhalb der Abtastanordnung fokussierte Bilder erzeugen. Zur Erzielung einer hinreichend genauen Widergabe des f>o abgetasteten Bildes bedarf es daher zum einen der genauen Einhaltung der geometrischen Beziehungen zwischen diesen Linsen und zum anderen eines erheblichen Aufwandes zur Kompensation ihrer optischen Abbildungsfehler. Außerdem weist die bekannte (>s Abtastanordnung aufgrund der inneren Strahlführung zur Erfassung des gesamten interessierenden Objekts eine sehr ausgedehnte Strahlungseinfallsfläche auf, was insbesondere dann sehr unbequem wird, wenn an dieser Stelle ein Abierikorgan oder ein Objektiv angeordnet werden soll, dessen Abmessungen dann entsprechend groß ausfallen müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtastanordnung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß sie bei weitgehendem Verzicht auf mit Abbildungsfehlern oder Kompensationsaufwand verbundenen Linsen eine solche Führung des Strahlenganges ermöglicht, daß dieser einerseits auf eine verhältnismäßig kleine Detektorfläche auftrifft und anderseits bei seiner Rückwärtsverfolgung unabhängig von der Drehstellung der die reflektierenden Spiegelflächen tragenden rotierenden Trommel stets eine Stelle mit verhältnismäßig kleinem Durchtrittsquerschnitt passiert.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Inneren der rotierenden Trommel ein mit dieser in festem Diehzahlverhältnis rotierendes Prisma angeordnet ist, das den von den Spiegelflächen kommenden Strahlen auf ihrem Wege zum Detektor eine Parallelverschiebung aufprägt, deren Größe im Verlauf der Trommelrotation derart variiert, daß die vom Objekt kommenden Strahlen vor ihrer Reflexion an den Spiegelflächen durch eine verhältnismäßig kleine, physikalisch zugängliche und feststehende Durchtrittsfiäche im Sinne einer entsprechend unveränderlich bleibenden Eintrittspupille hindurchgehen.

Die erhndungsgemäße Ausbildung führt zu einer Abtastanordnung, die bei unendlicher Abmessung des abgesetzten Bildes mit einer physikalisch zugänglichen Eintrittspupille arbeitet, die zwischen einem Bilde und einer Anordnung für die Isolierung von Lichtstrahlen von dem Bilde ohne Strahlfokussierung angeordnet ist, wodurch die mit einer Fokussierung verbundenen Aberrationen eliminiert werden können. Bei einer solchen Abtastanordnung hat die Eintrittspupille auf ihrer einen Seite ein abzutastendes Bild und auf ihrer anderen Seite eine Abtasteinrichtung. Die Eintrittspupille selbst ist definiert als die Querschnittsfläche des Strahlkegels senkrecht zum zentralen Hauptstrah! an der Stelle im Raum, wo die verschiedenen Hauptstrahlen einander schneiden.

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind im einzelnen in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des grundsätzlichen Aufbaus und der Arbeitsweise einer erfindungsgemäß ausgebildeten Abtastanordnung,

F i g. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine solche Abtastanordnung in einer Seitenansicht,

F i g. 3 die A.usführungsform von F i g. 2 in einer den Strahlengang veranschaulichenden schematisch gehaltenen Stirnansicht und

F i g. 4 und 5 den F i g. 2 und 3 entsprechende Darstellungen eines weiteren Ausführungsbeispiels.

D e allgemeine Arbeitsweise für eine Abtastanordnung; mit einer Eintrittspupille, die innerhalb des Systems physikalisch zugänglich ist, ist in F i g. 1 veranschaulicht.

Die Darstellung in Fig. 1 zeigt eine Eintrittspupille 10, auf deren in der Zeichnung linker Seite der Bildraum angenommen ist, in dem sich ein abzutastendes Bild befindet. Der Gesichtsfeldwinkel im Bildraum, also der Gesichtsfeldwinkel auf der in der Zeichnung linken Seite der Eintrittspjpille 10 ist in Fig. 1 mit φ

IO

bezeichnet. Die Eintrittspupille 10 selbst besitzt einen Durchmesser Φ, der als der Durchmesser des Querschnitts senkrecht zum zentralen Hauptstrahl definiert ist. Die durch die Eintritlspupille 10 hindurchgehende Strahlung wird von einem Abtaster 12 aufgefangen, der s diese Strahlung abtastet und der Reihe nach zu einem Detektor 14 weitergibt, der aus einem L.nsensystem und einer Fotodiode oder einem Infrarotdetektor od. dgl. besieht. Der Detektor 14 kann außerdem eine Aperturblende enthalten. Verschiedene Bauarten für Abtaster, die sich im Rahmen der Erfindung verwenden lassen, sind weiter unten im einzelnen beschrieben. Zwischen einem abzutastenden Objekt und dem Abtaster kann ein afokales Objektiv angeordnet werden, wobei dieses Objektiv bevorzugt in die is Eintrittspupille 10 gelegt wird.

Mit einer Abtastanordnung der dargestellten Art läßt sich eine große Energieauflösung erzielen. Dies liegt daran, daß die Energieauflösung A e eines Abtastsystems für den Fall unfokussierter Strahlung mit dem Gesichtsfeldwinkel φ und dem Pupillendurchmesser φ gemäß der nachstehenden Beziehung zusammenhängt;

Ae- !/(Φ tgr/j)

Auf diese Weise läßt sich durch eine Abtastung mit einem großen Gesichtsfeldwinkel ψ dann ein kleiner Wert für die Energieauflösung Ae erhalten, wenn der Pupillendurchmesser Φ einen kleinen Wert besitzt.

Weiterhin lassen sich ohne weiteres Abbildungssysteme, selbst in extremer Weitwinkelausführung, erhalten, \a die ebene Objekte ohne Verzerrung wiedergeber.

Die Abtastanordnung läßt sich in einfacher Weise von Aberrationen befreien, da in einem solchen System nur ein begrenzter Bedarf an Linsen besteht. Wenn in der Nachbarschaft der Eintrittspupille ein zusätzlicher Abtaster, beispielsweise ein Kippspiegel, angeordnet wird, läßt sich eine Abtastanordnung erhalten, die von den meisten Aberrationen frei ist.

In F i g. 2 und 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform für eine solche Abtastanordnung schematisch veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform treten von einem Bild 44 kommende Strahlen durch eine öffnung 4b eines Gehäuses 48 in dessen Inneres ein. Die durch die öffnung 46 hindurchgehenden Strahlen fallen auf einen Kippspiegel 50, der das ihm zugeführte Licht nach oben zu drehbar angeordneten Dachkantenprismen 52 umlenkt, die auf einem kreisförmigen Wege angeordnet sind, der seine Rotationsachse bei 54 hat. Ein Kippspiegel ist vorzugsweise an der Stelle im Raum angeordnet, wo die Hauptstrahlen einander schneiden, d. h. in der Eintrittspupille. Die Dachkantenprismen 52 sind auf einer in geeigneter Weise drehbar gelagerten Trommel 66 angeordnet, die sich von einem Motor 56 über Zahnräder 58 und 60 in Drehung versetzen läßt, die über einen Zahnkranz 64 mit der Trommel 66 in Antriebseingriff stehen. Die Dachkantenprismen 52 bewirken eine Parallelverschiebung der vom Kippspiegel 50 kommenden Strahlen und geben diese in entgegengesetzter Richtung und mit Abstand zu den einfallenden Strahlen weiter. Anstelle solcher Dachkantenprismen können selbstverständlich auch Spiegel vorgesehen werden. Von den Dachkantenprismen 52 werden die Strahlen in Richtung auf ein in eine Drehbewegung versetzbares Prisma 68 umgelenkt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieses Prisma 68 mit vier Seitenflächen gezeichnet, während es acht Dachkantenprismen 52 gibt. Das Prisma 68 muß daher mit der doppelten Drehzahl rotieren wie die Trommel

66. Wenn das Prisma 68 acht Seitenflächen aufweist, könnte es mit der gleichen Drehzahl betrieben werden wie die Trommel 66. Die entsprechenden Drehzahlübersetzungen werden durch das Zahnrad 60 bewirkt, und die gesamte Getriebeanordnung hat den Zweck, die Trommel 66 und das Prisma 68 miteinander zu bynchronisieren. Das Prisma 68 ist für die verwendete Strahlung transparent, und die darauf auftreffenden Strahlen gehen durch das Prisma 68 hindurch zu einem 45° -Spiegel 70, der diese Strahlen dann zu einem geeigneten Detektor 72 umlenkt. Angemerkt sei, daß gegenüberliegende Oberflächen des Prismas 68 parallel zueinander verlaufen, um eine angemessene Umlenkung der Strahlen durch das Prisma 68 zu erhalten. Die rotierende Trommel 66 wirkt für die durch die an der Stelle des Kippspiegels 50 liegende Eintrittspupille eintretenden Hauptstrahlen wie ein sphärischer Spiegel. Die Aufgabe des rotierenden Prismas 68 besteht darin, den Hauptstrahl in der Weise zu richten, daß er durch den Brennpunkt des durch die Spiegelanordnung geschaffenen sphärischen Spiegels hindurchgeht.

Dazu müssen nachstehende Beziehungen befriedigt sein:

fjfp = lij"n

und

1 = d · sin (», ■ .V«_v)/(sin (_(/ · rr/n_p)
- tg (aresin (sin (», · r,/n_p)/n) cos (,, ■ n/n_pj)

In diesen Beziehungen stehen

/', für die Drehzahl der Spiegelanordnung,
^ n, für die Anzahl der reflektierenden Flächen in der

Spiegelanordnung,
n_p für die Anzahl der Seitenflächen des rotierenden Prismas 68,

fp für die Drehzahl des rotierenden Prismas 68 und
⁴⁰ ?/ für den Wirkungsgrad der Abtastung.

Der Maximalwert für den Durchmesser Φ, der durch eine Vignettierung im Prisma 68 begrenzt wird, berechnet sich für eine kreisförmige Aperturöffnung zu:

Φ = t (tg(.7/iip) cos (// ■ .-7/Hp) - sin (1, ■ rr/Mp))

Aus der Kenntnis des für die Energieauflösung Ae bestehenden Zusammenhanges

I e ~ l/('/>tg(v) |i/)

ergibt sich, daß die Fälle von praktischem Interesse in erster Linie die folgenden sind:

n_s = n_n
n·, = n_n

III. n_s

8 und rip = 4

Die Ebene der Hauptstrahlen zwischen dem 45°-Spiegel 70 und den Dachkantenprismen 52 kann so geneigt werden, daß sie nicht wie in der Darstellung in F i g. 2 orthogonal zur Drehachse für das Prisma 68 verläuft. Dies kann damit kombiniert werden, daß die

(\5 Drehachse für das Prisma 68 in entsprechendem Ausmaß in bezug c.if die Rotationsachse für die Spiegelanordnung mit den Dachkantenprismen 52 geneigt wird. Auf diese Weise läßt sich eine Rotation

von Detektoren mit einer Vielzahl von Detektorelementen entbehrlich machen. Außerdem ist es nicht notwendig, das Prisma 68 in der Mitte der Trommel 66 anzuordnen. Der in Fig.2 dargestellte Aufbau kann kompakter gehalten werden, wenn das Prisma 68 gefolgt von dem 45°-Spiegel 70 in Richtung auf das in der Zeichnung obere Dachkantenprisma 52 verschoben wird. Eine solche Anordnung ermöglicht eine Verminderung des Durchmessers für die Trommel 66.

In Fig.4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel veranschaulicht, das nur in Einzelheiten von der in F i g. 2 und 3 dargestellten Anordnung abweicht.

Bei dem in F i g. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind Spiegel 101, die aus zwei zueinander senkrechten reflektierenden Flächen 102 bestehen, auf einer Trommel 100 angeordnet. Von einem abzutastenden Objekt kommende Strahlen fallen durch ein afokales Objektiv 103 auf einen durch einen Motor 112 angetriebenen Kippspiegel 104. Dieser Kippspiegel 104 ist in der in der obigen Weise definierten Eintrittspupille angeordnet. Vom Kippspiegel 104 werden die Strahlen zu jeweils einem der Spiegel 101 umgelenkt, an dem sie eine Umlenkung um 180° und eine Parallelverschiebung erfahren. Diese umgelenkten und parallel verschobenen Strahlen treffen sodann auf ein rotierendes Prisma 105, das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine der Anzahl der Spiegel 101 entsprechende Anzahl von Seitenflächen 106 aufweist. Mit Rücksicht auf diesen Umstand sollten die Drehzahl für die Rotation der Trommel 100 mit den Spiegeln 101 einerseits und die Drehzahl für die Rotation des Prismas 105 anderseits miteinander übereinstimmen. Das Prisma 105 ist deshalb auch an der Trommel 100 befestigt und gemeinsam mit dieser durch einen Motor 114 rotierend antreibbar.

Auf der anderen Seite des Prismas 105 ist ein Detektor anzuordnen. Wenn der verfügbare Platz dazu

^s nicht ausreicht, kann ein Spiegel 107 für eine Umlenkung um 45° vorgesehen werden, der die Strahlen durch eine Aperturblende 108 und ein Sammellinsensystem 109 hindurch zu einem Detektor 110 umlenkt. Wie die Darstellung in Fig.5 zeigt,

ίο können die Spiegel 101 auf der Trommel 100 mit gegenseitigem Abstand angeordnet werden, da jeweils nur eine kleine Fläche jedes Spiegels nahe der Normalen von diesem Spiegel zur Rotationsachse für die Umlenkung der Strahlen verwendet wird.

is Wenn in einer Anordnung gemäß Fig.5 eine ungerade Anzahl von Spiegeln 101 verwendet wird, sollte der Detektor außerhalb der Trommel 100 hinter den Spiegeln 101 an einer Stelle angeordnet werden, die der Stelle, wo sich in der Darstellung gemäß den F i g. 4 und 5 der Spiegel 107 befindet, am nächsten liegt. Wenn sich nämlich ein Spiegel 101 gerade an der dem Kippspiegel 104 nächsten Stelle befindet, gibt es keinen gegenüberstehenden Spiegel, und es kann auf den Spiegel 107 für die Strahlumlenkung verzichtet werden.

Abschließend sei nochmals hervorgehoben, daß die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele deswegen, weil sie ohne eine Strahlungsfokussierung auskommen, einen Aufbau ermöglichen, bei dem es anders als bei den bisher bekannten Anordnungen gleicher ArI

.ίο nicht erforderlich ist, auf eine genaue Einhaltung dei räumlichen Abstände zwischen den einzelnen ßauele menten zu achten.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Abtastanordnung zur optischen Objektabtastung mit einem feststehenden, verhältnismäßig ι kleinflächigen Detektor für die vom Objekt kommende Strahlung und einer auf ihrer Innenseite mit Spiegelflächen besetzten rotierenden Trommel, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der rotierenden Trommel (66; 100) ein mit dieser in festem Drehzahlverhältnis rotierendes Prisma (68; 105) angeordnet ist, das den von den Spiegelflächen (52; 101) kommenden Sitrahlen auf ihrem Wege zum Detektor (72; 110) eine Parallelverschiebung aufprägt, deren Größe im Verlauf der Trommelrotation derart variiert, daß die vom Objekt kommenden Strahlen vor ihrer Reflexion an den Spiegelflächen (52; 101) durch eine verhältnismäßig kleine, physikalisch zugängliche und feststehende Durchtrittsfiäche im Sinne einer entsprechend unveränderlich bleibenden Eintrittspupille hindurchgehen.

2. Abtastanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (68; 105) eine gerade Anzahl von Eintritts- und Austrittsflächen (106) für die Strahlung aufweist, die einander paarweise parallel gegenüberliegen, wobei für die Anzahl n_p dieser Eintritts- bzw. Austrittsflächen, die Anzahl n_s der Spiegelflächen (52; 101) der Trommel (66; 100), die Drehzahl /,, des Prismas und die Drehzahl /",derTrommel die Beziehung gilt:

fjf,,= njn,,

3. Abtastanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der die Einlrittspupille bildenden Durchtrittsfiäche ein weiteres Ablenkorgan (50; 104) für eine zweite Abtastdimension angeordnet ist.

4. Abtastanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Ablenkorgan ein Kippspiegel (30; 104) oder ein kippbar angeordnetes Reflexionsprisma ist.

5. Abtastanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der die Eintrittspupille bildenden Durchtrittsfiäche ein Objektiv angeordnet ist.