DE2534695A1

DE2534695A1 - Vorrichtung fuer die bildzerlegung oder bildabtastung

Info

Publication number: DE2534695A1
Application number: DE19752534695
Authority: DE
Inventors: Peter John Berry; Herbert Morrison Runciman
Original assignee: Thales Optronics Ltd
Current assignee: Thales Optronics Ltd
Priority date: 1974-10-26
Filing date: 1975-08-02
Publication date: 1976-04-29
Also published as: US4037920A; DE2534695C2; GB1522139A

Description

Vorrichtung für die Bildzerlegung oder Bildabtastung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Bildzerlegung oder Bildabtastung, mit einem Strahlungsdetektor und einer optischen Einrichtung, die die von einem Blickfeld her eintreffende Strahlung über den Strahlungsdetektor leitet.

Derartige Vorrichtungen bestehen aus optomechanischen Reflektoren, die im Wellenbereich des sichtbaren Lichtes und/oder im Infrarot-Wellenbereich verwendet werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine konstruktiv einfache Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, die eine weitgehend verzerrungsfreie Bildzerlegung ermöglicht. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die optische Einrichtung zwei Gruppen planarer reflektierender Flächen aufweist, von denen die eine Gruppe relativ zur anderen bewegbar ist, daß eine der Gruppen planarer reflektierender Flächen an einer um eine Rotationsachse rotierenden Einrichtung befestigt ist, daß

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der Strahlungsdetektor in bezug auf die optische Einrichtung so angeordnet ist, daß die Strahlung nach sequentieller Reflektion von den reflektierenden Flächen der beiden Gruppen auf den Detektor trifft, daß-die die —sequentielle- Reflektion bewirkenden Flächen einen vorbe— stimmten Abstand voneinander haben und in bezug auf die Rotationsachse der drehbaren Einrichtung so angeordnet sind, daß der Einfallswinkel der Strahlung am Detektor unabhängig von der Position der Strahlung in dem Blickfeld ist.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die rotierende Einrichtung aus einer ersten Trommel, die um eine erste Rotationsachse drehbar ist, und einer zweiten Trommel, die um eine zweite Rotationsachse drehbar ist, besteht, und daß zwei Gruppen planarer reflektierender Flächen vorgesehen sind, von denen die eine an der ersten Trommel und die andere an der zweiten Trommel befestigt ist, und daß die reflektierenden Flächen so angeordnet und bemessen sind, daß die abgetastete Strahlung nach sequentieller Reflektion von den reflektierenden Flächen auf den Detektor trifft. Zweckmäßigerweise haben die Trommeln jeweils die gleiche Anzahl planarer reflektierender Flächen und rotieren synchron in derselben Richtung. Alternativ können die Trommeln unterschiedliche Zahlen planarer reflektierender Flächen aufweisen und asynchron in derselben Drehrichtung rotieren.

Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß die rotierende Einrichtung aus einer einzigen rotierenden Trommel besteht,

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an der eine der beiden Gruppen planarer reflektierender Flächen befestigt ist, daß diese Gruppe aus zwei Folgen planarer reflektierender Flächen besteht, daß die andere Gruppe aus einer stationären Dach-Reflektoranordnung besteht, die so ausgebildet ist, daß die Strahlung nach sequentieller Reflektion von einer der beiden Folgen planarer reflektierender Flächen auf das Dach-Reflektorelement und von dort auf die andere Folge planarer reflektierender Flächen geleitet wird, und von dort zum Strahlungsdetektor gelangt. Zweckmäßigerweise ist eine der beiden Folgen planarer reflektierender Flächen auf der Trommel mit einem anderen Normalenabstand von der Rotationsachse der Trommel angeordnet als die andere der beiden Folgen planarer reflektierender Flächen.

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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel, Fig. 2 zeigt eine Draufsicht von Fig. 1,

Fig. J5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Prinzipien, nach denen die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet,

Fig. 4 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel in detaillierterer Form,

) Fig. 6 zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 zeigt das dritte Ausführungsbeispiel in detaillierterer Form,

Fig. 8 zeigt schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel, Fig. 9 zeigt schematisch ein fünftes Ausführungsbeispiel,

Fig. 10 zeigt eine erste Modifizierung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 9,

Fig. 11 zeigt eine zweite Modifizierung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 9, und

Fig. 12 zeigt eine detailliertere Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels.

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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel des Strahlungsabtasters ist ein Detektor 10 und eine rotierende Einrichtung 11 vorgesehen, durch die Strahlung von einem in einem Blickfeld befindlichen Objekt 12 zeilenweise über den Detektor 10 geleitet wird. Die Einrichtung 11 enthält eine erste Trommel IJ, die um eine Achse 14 rotiert und aus sechs planaren Spiegeln 15 besteht, von denen jeder den gleichen Normalenabstand r-, von der Achse 14 besitzt. Um eine Achse 17 herum rotiert eine zweite Trommel 16, die aus sechs an ihrer Außenseite reflektierenden planaren Spiegeln 18 besteht, die alle einen Normalenabstand r₂ von der Achse 17 haben. Die Achsen 14 und 17 sind um die Entfernung d gegeneinander versetzt.

Aufgrund theoretischer Überlegungen kann man zeigen, daß für eine bestimmte Anordnung der Bauteile bei diesem Ausführungsbeispiel eine telezentrische und verzerrungsfreie Abtastung bei synchroner Rotation der Trommeln IJ und in jeweils gleichem Drehsinn für beide Trommeln erzielt wird. "Telezentrizität" beschreibt den Zustand, daß die Strahlung von einem elementaren Blickfeld, das dem Detektor dargeboten ist, unter einem Winkel eintrifft, der unabhängig von der Position des Blickfeldes in dem Gesamtblickfeld ist. Eine telezentrische Abtastung wird erzeugt, wenn die Trommeln synchron rotieren und zusätzlich wird eine verzerrungsfreie ebenflächige Abtastung erzeugt, wenn die folgende algebraische Gleichung erfüllt ist:

2d = V₁ - V₂.

Dabei werden die in Fig. 2 eingezeichneten Koordinatenachsen vorausgesetzt. Dies gilt für den Bereich der Ab-

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taststelle, die um denjenigen Punkt herumliegt, der der Position der Trommeln entspricht, für die die Abweichung der Spiegel 15, 18 ihren Minimalwert erreicht und die Spiegel rechtwinklig zu derjenigen Ebene stehen, in der die Rotationsachsen 14, 17 liegen, wobei der genannte Minimalabstand gleich d ist.

Fig. 3 zeigt sieben unterschiedliche Anordnungen (A bis G) der drehbaren Einrichtung, wobei die vorstehend beschriebenen Kriterien erfüllt sind. Die Anordnung A von Fig. 3 entspricht derjenigen, die anhand der Fig. 1 und 2 in detaillierter Form beschrieben ist. Die verschiedenen Anordnungen A bis G von Fig. 3 zeigen die relativen Abmessungen der Trommeln 13 und 16, wenn die Größe der größeren Trommel 13 sich verringert. Wenn die Trommel 13 > ausgehend von dem Zustand A, über den Zustand B die Größe C annimmt, muß die Größe der Trommel 16 auf Null reduziert werden. Wird die Trommel 13 noch kleiner gemacht, wie dies bei D und dann weiter bei E, F und G angedeutet ist, so muß die kleinere Trommel 16 immer größer werden, jedoch müssen die Reflektoren nun innen angebracht werden, um die Kriterien für verzerrungsfreie Abtastung zu erfüllen. Die Anordnung G zeigt die Situation in dem Fall, daß die Trommeln I3 und l6 gleich groß sind.

Mit den verschiedenen Konstellationen der Fig. 3 rotieren die beiden Trommeln synchron, so daß die entsprechenden Spiegel auf den Trommeln parallel bleiben und Telezentrizität sichergestellt ist. Da die Form des Abtastpunktes (scan locus) unabhängig von der Detektorposition ist, ist die Nähe des Detektors 10 zu der rotierenden Einrichtung 11 ohne Bedeutung für die Telezentrizität oder die Verzerrung, so daß zwischen der rotierenden Einrichtung 11

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und dem Detektor 10 eine Übertragungsoptik 20 angeordnet werden kann, wie Fig. 4 und 5 zeigen. In dem speziellen Fall, daß der Detektor 10 auf der Oberfläche des zweiten Spiegels der rotierenden Einrichtung 11 abgebildet wird, erhält man gute Schaltcharakteristiken zwischen aufeinanderfolgenden Überstreichungen, weil die Zeitspanne, während welcher einer Verwaschung der abgetasteten Strahlung bei dem Realbild des Detektors eintritt, minimal ist.

Eine Folge der Verwendung der Übertragungsoptik 20 ist, daß die Anordnung C von Fig. J die Grundlage für einen praktischen Bildabtaster oder Bildzerleger bilden kann. Man erhält Telezentrizität, wenn die innere Trommel auf eine außen verspiegelte Stange mit minimalem Durchmesser reduziert wird, auf die der Detektor 10 durch die Übertragungsoptik 20 abgebildet wird. Die Optik 20 kann entweder eine Reflektionsoptik oder eine Beugungsoptik sein.

Bei der in Fig. 5 abgebildeten Ausführungsform treibt eine von einem (nicht dargestellten) Antriebsmotor angetriebene Welle 21 die äußere Trommel Ij5 und über ein Getriebe auch die Trommel 16. Die Ausführungsform von Fig. 5 enthält ferner ein optisches Abbildungselement 22, das die einfallende Strahlung auf dem Detektor 10 abbildet. In dem Fall, daß das Element 22,bei dem es sich entweder um ein reflektierendes oder um ein strahlungsbeugendes Element handeln kann, eine relativ kurze Brennweite hat, kann der Strahlungskonus, der das Bild eines bestimmten Punktes in einem Blickfeld bildet, während der Abtastung des Blickfeldes beträchtlich verschwenkt werden, was bedeutet, daß die in den Detektor eintretende Strahlung das gleiche unter einem veränderbaren Einfallswinkel tut. Die

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"Telezentrizität" wird auf diese Weise Valoren. Zur Korrektur dieses Phänomens kann eine modifizierte Form einer drehbaren Einrichtung verwendet werden, bei der die innere und die äußere Trommel unterschiedliche Anzahlen von Spiegeln haben, und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren. Man kann zeigen, daß man ein großes Maß an Telezentrizität und verzerrungsfreier Abtastung unter der Bedingung erhält, daß die Position des Detektors in einer Beziehung zu der radialen Weite der beiden Trommeln im Abstand der Rotationsachsen und dem Verhältnis der Spiegelzahl steht. Wenn der Detektor in einer Entfernung a von der Achse 14· angeordnet ist und die Trommel vom Radius r-^ eine Anzahl von n.. Spiegeln und die Trommel vom Radius r_g eine Anzahl n_? Spiegel besitzt, lautet die gewünschte Bedingung:

^ 1 n

2d

= 2r-

In Fig. 3 ist die Anordnung G so, daß die Abmessungen der beiden Trommeln gleich sind, und daß beide Trommeln innen reflektieren. Die Reflektionsflachen der einen Trommel laufen durch die Rotationsachse der anderen Trommel hindurch. Man kann zeigen, daß diese Anordnung optisch durch die Verwendung einer Dach-Reflektionsanordnung simuliert werden kann, und zwar entweder in Form eines Prismas oder eines Spiegels, der in bestimmter Position innerhalb einer innen reflektierenden Trommel angeordnet ist. Insbesondere der Scheitel des Daches muß in einer dem halben Trommelradius entsprechenden Entfernung von der Trommelachse liegen. Die beiden rotierenden Trommeln, die anhand von Fig. J5 erläutert worden sind, können demnach durch eine einzige rotierende Trommel in Kombination mit einem stationären

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Reflektor ersetzt werden. Die Anordnung muß so getroffen sein, daß die Strahlung während jeder Abtastung (scan) zweimal von der rotierenden Trommel reflektiert wird.

Diese Anordnung ist schematisch in Fig. 6 dargestellt, wo eine um eine Achse 31 rotierende Trommel JO zahlreiche planare Spiegel 32 trägt. Die aus einem Blickfeld 33 kommende Strahlung wird ein erstes Mal von einem Spiegel 32 auf einen stationären Reflektor 3^ reflektiert, der die Form zweier Spiegel hat, deren Scheitel 35 parallel zur Achse 31 liegt. Nach Reflektion vom Reflektor 34 wird die Strahlung ein zweites Mal von demselben Spiegel 32 reflektiert, und zwar auf den Detektor 10, der zur Verhinderung von Verdunkelung von der Übertragungsoptik 36 als in der Trommel 30 liegendes reelles Bild abgebildet wird. Die Gruppe der Spiegel 32 bildet effektiv zwei Folgen von reflektierenden Flächen. Die erste Folge unterbricht die Strahlung vor der Reflektion durch den Reflektor 3²J- und die zweite Folge unterbricht die Strahlung nach der Reflektion durch den Reflektor 34.

Eine praktische Ausführungsform des Beispiels nach Fig. 6 ist in Fig. 7 dargestellt und umfaßt die Trommel 30, die von einer über einen Riementrieb 38 angetriebenen zentralen Nabe 37 getragen ist. Der Detektor 10, die Ubertragungsoptik 36 und der Reflektor 34 sind sämtlich an einem stationären Rahmen 39 befestigt, wobei die Optik 36 abnehmbar ist, um Linsensysteme mit unterschiedlichen Charakteristiken anbringen zu können, wie dies bei 36' angedeutet ist. Im Strahlenweg zu dem Detektor 10 ist ein Zerhacker oder Ausblendelement 40 angeordnet, das die Strahlung in denjenigen Perioden, in denen die oben

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erwähnte Verwaschung der abgetasteten Strahlung auftritt, unterbricht. Fig. 7 enthält ferner ein Abbildungselement 41.

Bei einer modifizierten Anordnung des in Fig. 6 dargestellten Systems besitzt die Trommel zwei Gruppen planarer Spiegel, die in unterschiedlichen Normalenabständen von der Drehachse der Trommel angeordnet sind. Dies ist in Fig. 8 dargestellt, wobei die ankommende Strahlung von einem Spiegel 42 der ersten Spiegelgruppe auf den Reflektor 34 und von dort auf einen Spiegel 4j5 der zweiten Spiegelgruppe reflektiert wird. Danach wird die abgetastete Strahlung durch die Optik 36 dem Detektor 10 zugeführt. Mit dieser Anordnung ist es möglich, Trommeln mit unterschiedlichen Durchmessern zu simulieren, die die Bildung praktischer Anordnungen zur Faltung des Lichtstrahles ermöglichen.

Telezentrizität und verzerrungsfreie Abtastung erhält man, wenn das Dach der Winkelspiegelanordnung auf der Hälfte des mittleren Radius der beiden Gruppen ebener Spiegel angeordnet ist.

Bei allen oben beschriebenen Anordnungen tritt die Strahlung in die drehbare Einrichtung schräg in bezug auf die Rotationsachse ein und verläßt die Einrichtung auch wieder schräg. Wenn die Strahlung in die drehbare Einrichtung entweder parallel oder rechtwinklig zur Rotationsachse eintreten oder aus ihr heraustreten soll, kann jeder ebene Spiegel durch einen Winkelspiegel oder ein Dachprisma ersetzt werden. Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist in Fig. 9 gezeigt. Die rotierende Einrichtung 50 enthält

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eine erste Trommel, an der mehrere untereinander gleiche Spiegelpaare 51 befestigt sind, die einen Winkelspiegel bilden, und eine zweite Trommel, an der mehia^e untereinander gleiche Spiegel 52 befestigt sind, die ebenfalls einen Winkelspiegel bilden. Die in die Richtung der Rotationsachse 5^ gehende Strahlung wird von einem planaren Spiegel 55 in die rotierende Einrichtung 50 geleitet und läuft unter einem rechten Winkel zur Achse 5^ iⁿ den Detektor 10 hinein.

Fig. 10 zeigt eine der Fig. 9 entsprechende Anordnung unter Verwendung von Prismen. Die verspiegelte Fläche 53' ist an einem Prisma 5J5A vorgesehen, die Spiegelpaare 51' sind an Prismen 5IA vorgesehen und die Spiegelpaare 52' sind an Prismen 52A vorgesehen. Fig. 11 zeigt eine alternative Ausführungsform der Prismen 5IA und 52A, die es ermöglicht, daß Strahlung in Richtung der Rotationsachse einfällt und parallel hierzu in den Detektor 10 eintritt.

Alle oben beschriebenen Anordnungen verursachen eine Abtastung eines Blickfeldes in lediglich einer Dimension. Zur Erzielung einer Abtastung In einer zweiten Dimension können die Anordnungen nach Fig. 1 bis 8 in Kombination mit einem Klappspiegel verwendet werden. Alternativ kann ein verschiebbarer Eckkubus benutzt werden, wie unter Bezugnahme auf Fig. 12 noch erläutert wird, oder in einigen Fällen kann es praktisch sein, aufeinanderfolgende Spiegel in bezug auf die Trommelachse anzuwinkeln. Die Anordnungen der Fig. 9 und 10 schaffen eine verzerrungsfreie Abtastung in einer Seitenrichtung, wie dies für einen Streifenabtaster notwendig ist, wenn aufeinanderfolgende Spiegelpaare oder Dachprismen an einer der Trommeln in einer Rich-

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tung parallel zur Rotationsachse verstellt werden. Dies kann auch bei der Anordnung nach Fig. 11 geschehen, wobei die Bewegung für die Sekundärabtastung (in der zweiten Richtung) in radialer Richtung erfolgt, wobei jedoch Verzerrungen auftreten.

Die in Fig. 12 dargestellte Anordnung enthalt eine Trommel 60, die von einem an die Ausgangswelle eines Motors 63 angekuppelten Riementrieb 62 in Rotation versetzt wird. Der Motor 6j5 ist an einer stationären Stütze 64 montiert, die eine Gruppe von Spiegeln 65, die einen Eckkubus bilden, trägt. Die in die Anordnung eintretende Strahlung wird von einem verschiebbaren Eckkubus 66 auf einen Spiegel 67, der Bestandteil der Trommel 60 ist, reflektiert. Nach Reflektion von dem Spiegel 6¹J und dem Spiegelpaar 65 tritt die Strahlung durch das Übertragungslinsensystem 68 hindurch in den Detektor 10 ein. Um eine Abtastung des Bildfeldes in einer zweiten Richtung zu erhalten, ist der verschiebbare Eckkubus 66 auf einem Träger 69 montiert, der mittels einer Steuernocke 71, die einen Nockenfolger treibt, entlang einer Gleitbahn 70 verschiebbar ist. Der Steuernocken wird über ein Getriebe von dem Motor 63 angetrieben, so daß Synchronismus mit der primären Abtastbewegung, die der Trommel 60 in Form von Rotation erteilt wird, besteht.

Die oben beschriebenen Strahlungsabtaster sind von relativ einfacher mechanischer Konstruktion und können mit relativ hohen Rotationsgeschwindigkeiten angetrieben werden. Der verwendete Detektor hat zweckmäßigerweise die Form einer linearen Reihe von Detektorelementen. Diese Reihe kann entweder parallel oder rechtwinklig zur Abtastrichtung

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angeordnet sein. In dem Fall, daß auf den Detektorelemen- -ten sequentiell derselbe Teil des Blickfeldes abgebildet wird, ist es nicht nötig, die Ausgangssignale vor ihrer Summierung zu verzögern.

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Claims

Ansprüche

Vorrichtung für die Bildzerlegung oder Bildabtastung, mit einem Strahlungsdetektor und einer optischen Einrichtung, die die von einem Blickfeld her eintreffende Strahlung über den Strahlungsdetektor leitet, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung zwei Gruppen planarer reflektierender Flächen (15* 18) aufweist, von denen die eine Gruppe relativ zur anderen bewegbar ist, daß eine der Gruppen planarer reflektierender Flächen (15, 18) an einer um eine Rotationsachse (14, 17) rotierenden Einrichtung (11) befestigt ist, daß der Strahlungsdetektor (10) in bezug auf die optische Einrichtung (13, 15, 16, 18) so angeordnet ist, daß die Strahlung nach sequentieller Reflektion von den reflektierenden Flächen (15, 18) der beiden Gruppen auf den Detektor (10) trifft, daß die die sequentielle Reflektion bewirkenden Flächen einen vorbestimmtenAbstand voneinander haben und in bezug auf die Rotationsachse (14) der drehbaren Einrichtung (11) so angeordnet sind, daß der Einfallswinkel der Strahlung am Detektor (10) unabhängig von der Position der Strahlung in dem Blickfeld ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Einrichtung (11) aus einer ersten Trommel (16), die um eine erste Rotationsachse (17) drehbar ist, und einer zweiten Trommel (13), die um eine zweite Rotationsachse (14) drehbar ist, besteht, und daß zwei Gruppen planarer r^lektierender Flächen vorgesehen sind,

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von denen die eine an der ersten Trommel und die andere an der zweiten Trommel befestigt ist, und daß die reflektierenden Flächen so angeordnet und bemessen sind, daß die abgetastete Strahlung nach sequentieller Reflektion von den reflektierenden Flächen (15, 18) auf den Detektor (10) trifft (Fig. 3).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Trommeln (13* 16) jeweils die gleiche Anzahl planarer reflektierender Flächen (15, 18) aufweien und so angetrieben sind, daß sie synchron in derselben Richtung rotieren.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommeln (I3, 16) unterschiedliche Anzahlen planarer reflektierender Flächen (15, 18) aufweist, und so angetrieben sind, daß sie asynchron in derselben Richtung rotieren (Fig. 5).
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t , daß die rotierende Einrichtung (11) aus einer einzigen rotierenden Trommel (30) besteht, an der eine der beiden Gruppen planarer reflektierender Flächen befestigt ist, daß diese Gruppe aus zwei Folgen (32) planarer reflektierender Flächen besteht, daß die andere Gruppe aus einer stationären Dach-Reflektoranordnung (3^) besteht, die so ausgebildet ist, daß die Strahlung nach sequentieller Reflektion von einer der beiden Folgen planarer reflektierender Flächen (32) auf das Dach-Reflektorelement (3²O und von dort auf die andere Folge (32)

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planarer reflektierender Flächen geleitet wird, und von dort zum Strahlungsdetektor (10) gelangt (Fig..6).

Vorrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzei chnet , daß eine der beiden Folgen (42, Kj>) planarer reflektierender Flächen an der Trommel mit einem anderen Normalenabstand von der Rotationsachse als die andere Folge planarer reflektierender Flächen angeordnet ist (Fig. 8).

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