DE2534695C2

DE2534695C2 - Optisch-mechanischer Abtaster

Info

Publication number: DE2534695C2
Application number: DE2534695A
Authority: DE
Inventors: Peter John Anniesland Glasgow 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: 1983-09-15
Also published as: DE2534695A1; US4037920A; GB1522139A

Description

Die Erfindung betrifft einen optisch-mechanischen Abtaster mit einem Objektiv, sich im Strahlengang anschließendem, nach innen reflektierenden Spiegelrad und mit einem ebenfalls rotierenden Strahlablenker sowie einem ortsfesten Strahlungsempfänger, wobei Spiegelrad und Strahlablenker um zueinander parallele Achsen derart rotieren, daß der Strahlungsempfänger stets aus derselben Richtung beaufschlagt wird.

Bei einem bekannten Abtaster dieser Art ist innerhalb eines rotierenden Spiegelrades mit nach innen reflektierenden Spiegelflächen ein rotierendes Prisma koaxial angeordnet. Das Licht wird über einen ortsfesten Spiegel auf eine der Spiegelflächen des Spiegelrades geworfen und zum Prisma reflektiert. Infolge der v/ Drehungen des Spiegelrades und des Prismas wird erreicht, daß die Strahlung auf einen im Strahlengang hinter dem Prisma angeordneten Strahlungsempfänger — unabhängig von den Drehstellungen der beiden rotierenden Teile — stets aus derselben Richtung auftritt. Diese Eigenschaft wird als Telezentrizität bezeichnet. Eine telezentrische Abbildung, also eine Abbildung, bei der die Strahlen von allen Punkten des abzubildenden Blickfeldes und unabhängig von der Drehstellung des Ablenksystems stets aus derselben Richtung auf den Strahlungsempfänger auftreffen, erhält man auch mit zwei koaxialen rotierenden Spiegelrädern, die untereinander gleiche Spiegelzahlen und gleiche Drehgeschwindigkeiten haben.

Bekannt ist ferner ein optischer Abtaster mit zwei koaxialen Spiegelrädern unterschiedlicher Spiegelzahlen. Die Drehgeschwindigkeiten der Spiegelräder sind unterschiedlich, so daß die miteinander zusammenwirkenden aktiven Spiegelflächen der beiden Spiegeh-äder sich im wesentlichen parallel durch das Abtastsegment hindurch bewegen.

Die bekannten Abtaster mit zwei koaxialen rotierenden Strahlablenkern haben den Nachteil, daß sie ein gekrümmtes Blickfeld erfordern, weil durch das Objektiv auf dem Strahlungsempfänger nur solche Punkte scharf abgebildet werden, die in einer bogenförmigen Bahn in einer senkrecht zu den Drehacasen der Strahlablenker liegenden Ebene angeordnet sind. Für ein ebenflächiges Objekt oder Abtastfeld bedeutet dies, daß entweder nur der Mittelbereich scharf auf dem Strahlungsempfänger abgebildet wird und die Randbereiche unscharf oder daiJ nur die Randbereiche scharf abgebildet werden, während der Mittelbereich unscharf abgebildet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optisch-mechanischen Abtaster der eingangs genannten Art zu schaffen, der imstande ist ein ebenes Abbildungsfeld verzerrungsfrei auf dem Strahlungsempfänger abzubilden, d. h. über eine gewisse Abtastbreite hinweg jeden Punkt des ebenen Abtastfeldes über das Objektiv scharf auf dem Strahlungsempfänger abzubilden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Strahlablenker ein zweites Spiegelrad ist dessin Achse gegenüber derjenigen des ersten Spiegelrades im Sinne einer Annäherung der aktiven Spiegelflächen versetzt ist

Dadurch, daß die beiden Spiegelräder nicht koaxial zueinander angeordnet sind, wird erreicht daß der gegenseitige Abstand der aktiven Spiegelflächen sich während des Oberstreichens des Blickfeldes oder Abtastfeldes verändert Der Abstand der (parallelen) aktiven Spiegelflächen ist zunächst am Rande des Abtastfeldes groß. Beim Durchlaufen der Mittellinie des Abtastfeldes nimmt der Abstand der aktiven Spiegelflächen seinen kleinsten Wert, um danach wieder größer zu werden. Hierdurch wird eine t.ahezu ebenflächige Abbildungsebene abgetastet und über das Objektiv scharf auf dem Strahlungsempfänger abgebildet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Spiegelräder synchron rotieren und daß der Abstand der aktiven Spiegelflächen der beiden Spiegelräder voneinander im wesentlichen gleich dem Abstand der Achsen der beiden Spiegelräder ist. Bei einer derartigen Gestaltung ergibt sich eine optimale Linearität des Abtastfeldes und somit eine größtmögliche Verzerrungsfreiheit der Abbildung, wobei vorzugsweise die Anzahl der Spiegel der beiden Spiegelräder gleich ist.

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

F i g. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel,

F i g. 2 eine Draufsicht von Fig. 1.

F i g. 3 schematische Darstellungen zur Erläuterung der optischen Wirkungsweise des Abtasters,

F i g. 4 ein Strahlendiagramm zur weiteren Erläuterung des Abtasters.

Fig.5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels und

Fig.6 eine perspektivische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels, teilweise geschnitten.

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 Obiekt 12

zeilenweise über den Strahlungsempfänger 10 geleitet wird. Die Einrichtung 11 enthält ein erstes Spiegelrad 13, das um eine Achse 14 rotiert und aus sechs planaren Spiegeln 15 besteht, von denen alle den gleichen Normalenabstand η von der Achse 14 haben. Um eine Achse 17 herum rotiert ein zweites Spiegelrad 16, das aus sechs an ihrer Außenseite reflektierenden pianaren Spiegeln 18 besteht, die alle den gleichen Normalenabstand Γ2 von der Achse 17 haben. Die Achsen 14 und 17 sind um die Entfernung dgegeneinander versetzt ι ο

Aufgrund theoretischer Überlegungen kann man zeigen, daß bei synchroner Rotation der Spiegelräder 14 und 16 in jeweils gleichem Drehsinn eine telezentrische und verzerrungsfreie Abtastung erzielt wird. »Telezentrizität« beschreibt den Zustand, daß die Strahlung von einem Punkt des Blickfeldes unter einem Winkel auftrifft, der unabhängig von der Position des Punktes in dem Gesamtblickfeld ist Fine telezentrische Abtastung wird erzeugt, wenn d:s Trommeln synchron rotieren und zusätzlich wird eine verzerrungsfreie ebenflächige Abtastung des Blickfeldes erzeugt, wenn der Abstand der aktiven Spiegelflächen voneinander gbich dom Abstand der Achsen der beiden Spiegelräder ist

Zur Verdeutlichung der Wirkung des Versatzes der Drehachsen der beiden Spiegelräder 13 und 16 wird nachstehend auf Fig.3A und 3B Bezug genommen. Wären die beiden Spiegelräder 13 und 16 koaxial zueinander angeordnet und würden sie sich synchron mit gleichen Drehzahlen drehen, dann hätten jeweils zwei zusammengehörende Spiegelflächen 15, 18 über die gesamte Drehung denselben unveränderlichen Abstand d. Infolge des Versatzes der Drehachsen 14 und 17 bleiben die einander zugeordneten Spiegelflächen 15 und lfc zwar parallel, jedoch ändert sich ihr Abstand d während der Drehung.

In den F i g. 3A und 3B ist der Strahlungsempfänger 10 mit D bezeichnet. Zur Erläuterung des Prinzips der Abbildung sei der Strahlengang in umgekehrter Richtung erläutert. Dabei wird angenommen, daß der Strahl von dpTi Strahlungsempfänger D ausgeht. Von der Spiegelfläche 18 wird ein virtuelles Bild D₁ des Strahlungsempfängers D erzeugt. Dieses Bild Di hat von der Spiegelfläche 18 denselben Abstand wie der Strahlungsempfänger D. Von der Spiegelfläche 15 wird wiederum ein Bild D₂ des Bildes D₁ erzeugt, und zwar derart, daß die auf entgegengesetzten Seiten der Spiegelfläche 15 liegenden Bilder D₁ und D₂ gleiche Abstände von der Spiegelfläche 15 haben.

In Fig.3A ist der Zustand dargestellt, bei dem die Spiegelflächen 15 und £* den geringsten Abstand d > <> voneinander haben. In diesem Zustand liegen die Spiegelnornalen in derselben vertikalen Ebene E wie der Strahlungsdetektor Dund die Achsen Hund 17.

In Fig. 3B ist der Zustand dargestellt, den die Spiegelräder 13 und 16 anschließend an den Zustand der Fig.3A einnehmen. Dadurch, daß der Abstand der aktiven Spiegelflächen 15 und 18 nunmehr den Wert d' iiat. der größer ist als der Wert d, wird erreicht, daß sich das Bild D₂ des Detektors D nicht auf einer Kreisbahn oder einer bogenförmigen Bahn bewegt, sondern auf einer annähernd geradlinigen Bahn B.

Wenn man an die Stelle der Bahn B ein ebenflächiges Objekt oder Bild setzt, dann werden alle Punkte dieses Bildes durch die rotierenden Spiegelräder scharf, d. h. verzerrungsfrei, auf dem Strahlungsempfänger D abgebildet.

F i g. 4 zeigt sieben unterschiedliche Anordnungen (A bis G)der drehbaren Einrichtung, wobei die vorstehend beschriebenen Kriterien erfüllt sind. Die Anordnung A von F i g. 4 entspricht derjenigen, die anhand der F i g. 1 und 2 in detaillierter Form beschrieben ist Die verschiedenen Anordnungen A bis G von F i g. 4 zeigen die relativen Abmessungen der Spiegelräder 13 und 16, wenn die Größe des größeren Spiegelrades 13 sich verringert Wenn das Spiegelrad 13, ausgehend von dem Zustand A, über den Zustand B die Größe C annimmt muß die Größe des Spiegelrades 16 auf Null reduziert werden. Wird das Spiegelrad 13 noch kleiner gemacht wie dies bei D und dann weiter bei E, F und G angedeutet ist so muß das kleinere Spiegelrad 16 immer größer werden, jedoch müssen die Spiegel nun innen angebracht werden, um die Kriterien für verzerrungsfreie Abtastung zu erfüllen. Die Anordnung G zeigt die Situation in dem Fall, daß die Spiegelräder 13 und 16 gleich groß sind.

Mit den verschiedenen Konstellationen der F i g. 3 rotieren die beiden Spiegelräder synchron, so daß die entsprechenden Spiegel auf den Spie^elrädern parallel bleiben und Telezentrizität sichergestellt ist. Da die Form des Abtastpunktes unabhängig von der Position des Strahlungsempfängers ist, ist die Nähe des Strahlungsempfängers 10 zu der rotierenden Einrichtung 11 ohne Bedeutung für die Telezentrizitäi oder die Verzerrung, so daß zwischen der rotierenden Einrichtung 11 und dem Strahlungsempfänger 10 eine Übertragungsoptik 20 angeordnet werden kann, wie Fig.5 und 6 zeigen. In dem speziellen Fall, daß der Strahlungsempfänger 10 auf der Oberfläche des zweiten Spiegelrades 16 abgebildet wird, erhält man gute Übergangscharakteristiken zwischen aufeinanderfolgenden Überstreichungen, weil die Zeitspanne, während welcher eine Verwaschung der abgetasteten Strahlung bei dem Realbild des Strahlungsempfängers eintritt, minimal ist.

Bei Verwendung der Übertragungsoptik 20 kann die Anordnung C von Fig.4 die Grundlage für einen praktischen Bildabtaster oder Bildzerleger bilden. Man erhält Telezentrizität, wenn das innere Spiegelrad mög^l;chst kleinen Querschnitt hat Die Optik 20 kann entweder eine Reflexionsoptik oder eine refraktive Optik sein.

Bei der in F i g. 6 abgebildeten Ausführungsform treibt eine von einem (nicht dargestellten) Antriebsmotor angetriebene Welle 21 das äußere Spiegelrad 13 und über ein Getriebe auch das innere Spiegelrad 16. Die Ausführungsform von Fig.6 enthält ferner ein optisches Abbildungselement 22, das die einfallende Strahlung auf dem Strahlungsempfänger 10 abbildet. Es kann auch eine modifizierte Form einer drehbaren Einrichtung verwendet werden, bei der die Spiegelräder unterschiedliche Anzahlen von Spiegeln haben und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren. Man kann zeigen, daß man ein großes Maß an Telezentriiität und verzerrungsfreier Abtastung unter der Bedingung erhält, daß die Position des Strahlungsempfängers in einer Beziehung zu der radialen Weite der Spiegelräder, dem Abstand der Rotationsachsen und dem Verhältnis der Spiegelzahl steht. Wenn der Strahlungsempfänger in einer Entfernung a von der Achse 14 angeordnet ist und das Spiegelrad vom Radius η eine Anzahl von nt Spiegeln und das Spiegelrad vom Radius r₂ eine Anzahl n₂ Spiegel besitzt, lautet die Bedingung:

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optisch-mechanischer Abtaster mit einem Objektiv, sich im Strahlengang anschließendem, nach innen reflektierenden Spiegelrad und mit einem ebenfalls rotierenden Strahlablenker sowie einem ortsfesten Strahlungsempfänger, wobei Spiegelrad und Strahlablenker um zueinander parallele Achsen derart rotieren, daß der Strahlungsempfänger stets aus derselben Richtung beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlablenker ein zweites Spiegelrad (16) ist, dessen Achse (17) gegenüber derjenigen des ersten Spiegelrades (13) in Sinne einer Annäherung der aktiven Spiegelflächen versetzt ist

2. Abtaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelräder (13, 16) synchron rotieren und daß der Abstand der aktiven Spiegelflächen der beiden Spiegelräder voneinander im wesentliche gleich dem Abstand der Achsen (14, !7) der beiden Spiegelräder (13,16) ist.

3. Abtaster nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Spiegel (15,18) der beiden Spiegelräder (13,16) gleich ist.

4. Abtaster nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Spiegelrad (16) ein außen reflektierendes Spiegelrad ist

5. Abtaster nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß im Strahlengang zwischen dem zweiten Spiegelrad (16) und dem Strahlungsempfänger (10) eine denselben auf das zweite Spiegelrad (16) abbildende Übertragungsoptik (20) angeordnet ist