DE2535018A1

DE2535018A1 - Abtast- und abbildungseinrichtung

Info

Publication number: DE2535018A1
Application number: DE19752535018
Authority: DE
Inventors: Donald Robert Barron
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1974-08-08
Filing date: 1975-08-06
Publication date: 1976-02-19
Also published as: US4008371A; FR2281583A1

Description

DIPL.CHEM. W. RÜCKER DIFL.-ING. S. LEINE PATENTANWÄLTE

3 HANNOVER. BURCKHARDTSTR. 1 TELEFON (OS ID 62 84 73

Unser Zeichen 1OO/ 439

EMI Limited ^Datum 4. August 1975

Abtast- und Abbildungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Abtast- und Abbildungseinrichtung.

Ein bekanntes Verfahren zur Abtastung eines Gesichtsfeldes zu Abbildungszwecken verwendet eine rotierende Trommel mit vielen Facetten. Bei Geräten, die eine solche Trommel verwenden, können sich Nachteile aus den großen Abmessungen der Trommel ergeben. Es ist ebenfalls bekannt, ein Gesichtsfeld mittels des sogenannten Risley-Prismenabtasters abzutasten und solch ein Abtaster kann hinsichtlich der angesprochenen Trommelabtaster mit relativ geringen Abmessungen gebaut werden. Risley-Prismenabtaster zeigen jedoch eine charakteristische Gesichtsfeldbegrenzung, da es schwierig ist, die Linearität der Abtastung über mehr als zwei Drittel des vollen Gesichtsfeldes auszudehnen. Die großen Ausmaße der bisher vorgeschlagenen Trommeln machen es schwierig, diese in begrenzten oder beengten Räumen zu verwenden, wie sie beispielsweise in einem Fahrzeug zu finden sind, während

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die für brauchbare Informationsgeschwindigkeit bzw. Informationsmenge große Rotationsgeschwindigkeit bezüglich der Ausmaße der Trommel eine mechanisch stabile und daher sperrige und schwere Konstruktion bzw. Bauweise erfordert. Bei gewissen Anwendungen, bei denen das Fahrzeug mit dem System durch dicke Panzerplatten geschützt werden soll, ist die Apertur oder Öffnung, die für die Trommel erreichende Strahlung erforderlich ist, so groß, daß der dem Fahrzeug durch die Panzerplatte gegebene Schutz wieder zunichte gemacht wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Abbildungssystem zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Objektiv- bzw. Aufnahmelinse, die ein erstes Bild mit einer aus einem Gesichtsfeld aufgenommenen Strahlung erzeugt, und eine Abtasteinrichtung vorgesehen sind, die Strahlung von dem ersten Bild über einen Detektor zur Erzeugung eines abgetasteten Bildes abtastet, daß eine Kollimationslinse zwischen dem Objektiv- bzw. Aufnahmeelement und einem Abtastelement angeordnet ist, das kleiner ist als das für das erste Bild erforderliche und das von dem ersten Bild ein zweites vergrößertes Bild des Gesichtsfeldes erzeugt, das die aus dem Gesichtsfeld aufgefangene Strahlung durch eine Austrittspupille der Kollimationslinse kleinerer Apertur als die Strahlungsauffangapertur gelenkt wird und auf den Detektor durch das Abtastelement abgelenkt wird, das zwischen der Kollimationslinse und deren Austrittspupille hindurchbewegt wird.

Eine andere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist da-

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durch gekennzeichnet, daß eine Abtasteinrichtung in Form einer Facettenspiegeltrommel und ein Planspiegel zur Abtastung eines Bildes in einer bestimmten Strahlung über einen Detektor vorgesehen sind, welcher auf diese Strahlung anspricht, daß eine Einrichtung zum Zuführen eines Folgeausgangssignales des abgetasteten Bildes vom Detektor zu einer lichtemittierenden Einrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von der Intensität der Strahlung im abgetasteten Bild fortlaufend Licht emittiert über eine KoIlimationslinse zum Zuführen von im wesentlichen parallelem Licht zu dem Planspiegel und der Facettenspiegeltrommel, um das in der Strahlung abgetastete Bild wieder bzw. neu zu erzeugen, und daß eine Einrichtung zum Projizieren des Bildes von der Trommel vorgesehen ist, die eine Objektivlinse und ein Okular aufweist zum Reduzieren des Winkels, der dem durch die winklige Verrückung der Facetten der rotierenden Trommel wiedererzeugten Bild gegenüberliegt.

Eine weitere Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine per Hand festhaltbare Einrichtung vorgesehen ist, die eine drehbare Bildabtasttrommel und einen zielbaren Plan-Kippspiegel aufweist, der ein Bild in einer ausgewählten Strahlung eines Gesichtsfeldes über einen Detektor abtastet, ferner eine Einrichtung, die Licht in Abhängigkeit von der Strahlungsintensität des abgetasteten Bildes erzeugt und dieses als Parallelstrahl dem Spie gel und der Trommel zum Abtasten des Strahles zuführt, um das Bild zur Betrachtung mittels Auge wieder oder neu zu erzeugen mit Hilfe einer Linsenanordnung, um den dem wiedererzeugten Bild gegenüberliegenden Winkel zu reduzieren, und eines weiteren Linsensystems, das wahl-

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weise zwischen Trommel und Gesichtsfeld gebracht werden kann, um das Bild eines Teiles des Gesichtsfeldes zu vergrößern, daß das weitere Linsensystem ein Objektiv zum Sammeln der vom Gesichtsfeld und vom ersten Bild kommenden Strahlung und eine Kollimationslinse aufweist, die ein zweites vergrößertes Bild der Feldstrahlung erzeugt, die aus dem Teil des Gesichtsfeldes über eine Kollimationslinsen-Austrittspupille geringerer Apertur oder öffnung als die Strahlungsauffangsapertur oder -öffnung im Umkreis der Abtasttrommel aufgefangen wird.

Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispieles, das in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 eine Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 2 eine' schematische Darstellung der grundlegenden optischen Verhältnisse bei der erfindungsgemäßen Abtast- und Abbildungseinrichtung.

Die Fig. l zeigt ein typisches Beispiel des erfindungsgemäßen Systems. Strahlung von einem Gesichtsfeld, angezeigt durch ein entferntes Objekt OBJ, fällt auf einen Spiegel Ml und wird zu einer Objektivlinse Ll und dann über ein an der Innenfläche total reflektierendes Prisma P entlang der Achse OX über eine Kollimationslinse L2 reflektiert. Die Wirkung der Kollimations-

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linse L2 besteht darin, eine Austrittspupille eines Bildes des Objektivs bei S (s.Fig.2) innerhalb des Umkreises der Facetten der mit vielen Facetten versehenen Trommel SD zu erzeugen. Diese Wirkung kann man klarer der Fig. 2 entnehmen, in der Ll und L2 die Objektiv- und Kollimationslinse sind und der Abstand zwischen diesen Linsen gleich der Summe der entsprechenden Fokuslängen ist.

Die Strahlung,die Infrarotstrahlung sein kann, wobei geeignete Linsen und andere optische Elemente Verwendung finden, wird durch die Linse Ll fokussiert, um ein Bild des betrachteten Feldes oder Bereiches bzw. des betrachteten Objektes zu erzeugen, und die Kollimationslinse L2 erzeugt ein vergrößertes Bild dieses Bereiches, wobei die Strahlung über eine Austrittspupille bei S weitergeleitet wird, die kleiner ist als die Strahlungsauffangapertur der Linse Ll. Die Kollimationslinse L2 sorgt dafür, daß Lichtstrahlen von irgendeinem Punkt des vergrößerten Bildes im wesentlichen parallel die Austrittspupille durchsetzen. Die kleinere Austrittspupille erlaubt die Verwendung einer Trommel SD mit kleineren Facetten als für eine Trommel an der Austrittspupille der Linse Ll allein erforderlich wären, und obgleich die Austrittspupille S sehr nahe der Linse L2 ist, etwa 2o mm, kann die schmalere Trommel, etwa 5o mm im Durchmesser, hier, ohne an die Linse L2 anzustoßen, rotieren. Die kleinere Trommel ist mechanisch wesentlich steifer und leichter als eine Trommel von etwa I2o mm Durchmesser, wie sie für die Linse Ll allein notwendig wäre, wodurch die Lagerungs- und Rotationsprobleme der

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Trommel bei der hohen Geschwindigkeit von etwa Io ooo U/min, verringert werden zum Vorsehen einer befriedigenden Zeilenabtastgeschwindigkeit. Unter Bezug auf die Figuren tastet die im Uhrzeigersinn rotierende Trommel SD die Austrittspupille S ab.

Die durch die Linse L2 geführte Strahlung hin zur Austrittspupille S wird durch die Facetten der Trommel SD entlang OX abgelenkt. In der Fig. 2 ist der Spiegel M2 nicht berücksichtigt und diese Figur zeigt, daß jede Facette der Austrittspupille zugeführte Strahlung ablenkt und über eine Linse L3 streichen läßt, die die Strahlung auf den Detektor D fokussiert, um ein Ausgangssignal am Detektor zu erzeugen, der jede Intensitatsänderung der über ihn hinwegstreichenden Strahlung anzeigt. Die aufeinanderfolgenden Facetten lassen die gesamte Austrittspupille über die Linse L3 streichen. Durch Zwischenschaltung eines Spiegels M2, der zunehmend auf oscillierende Art und Weise geschwenkt wird, streichen verschiedene Teile der Austrittspupille über den Detektor D und das Ausgangssignal des Detektors wird Zeile für Zeile eine Folge von Intensitätsänderungen sein, eine Zeile für jedes überstreichen, wobei ein Raster aufeinanderfolgender Zeilen für eine Kippschwingung des Spiegels M2 gebildet wird. Die Oscillationsachse des Spiegels M2 liegt in der Ebene ihrer Oberfläche und parallel zu der· optischen Achse OX des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Systems. Dieses System ergibt eine Bildabtasteinrichtung bzw. Rastertasteinrichtung mit sofortigem Rücklauf, da eine neue Zeile über den Spiegel M2 abgetastet wird, jedesmal wenn eine andere Facette abzutasten beginnt. Jede Facette benötigt

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eine Austast- bzw. Abtastlücke von etwa 3o %.

Der Detektor D wird vorzugsweise durch eine Reihe von Detektoren gebildet/ die so angeordnet sind, daß sie im Parallelbetrieb arbeiten (d.h. senkrecht zu OX in einer zu L3 parallelen Ebene) und in Spalten entlang dem Spiegel M2 abgetastet wird. Die Ausgangssignale der Detektoren bei OPl müssen dann elektronisch verarbeitet werden, wobei bekannte Umwandlungs- bzw. Umsetzungsverfahren in einer signalverarbeitenden Einrichtung SP verwendet werden, die über den Eingang ISP von OPl versorgt wird, damit das Ausgangssignal auf einem herkömmlichen Videoröhren-Wiedergabegerät DISP wiedergegeben werden kann. Alternativ dazu kann das Ausgangssignal OPl des Detektors dazu verwendet werden, ein Feld lichtemittierender Einrichtungen LD anzutreiben bzw. zu speisen oder zu erregen. Die Ausgangsstrahlung dieser Einrichtungen wird in einer Linse L4 ausgeblendet und von dem Spiegel M2 und der Trommel SD zur Videoröhre VT hin reflektiert.Die Ausgangsstrahlung wird in der Videoröhre gespeichert und dann nach einer geeigneten Verzögerung abgelesen, wodurch die parallele Eingabe ermöglicht wird, die direkt in ein Serienausgangssignal konvertiert wird, das bei OP2 zur Verbindung an eine direkte Eingabe ID zur Wiedergabeeinrichtung DISP zugeführt wird.

Wenn die Abtasttrommel SD schnell genug gedreht wird, kann das Aufsuchen oder die Erfassung seriell erfolgen. Der Detektor D wird gebildet von einer Reihe von Detektoren, die entlang einer Linie (d.h. parallel zu OX) angeordnet sind mit einer geeigneten Zeitverzögerung zwischen aufeinanderfolgenden Detektoren. Das Aus-

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gangssignal der Detektoren wird einer einzigen lichtemittierenden Einrichtung zugeführt, die in einer der parallelen Betriebsart ähnlichen Weise arbeitet, welche Strahlung liefert, die von der Röhre VT aufgenommen wird und dem Eingang ID der Wiedergabeeinrichtung DISP ohne die Verzögerung zugeführt wird, auf die oben Bezug genommen wurde. Bei diesem Betrieb sind Abtast-Konversionsprozesse eliminiert, da die Abtastung bei Videogeschwindigkeiten erfolgt. Dies ergibt eine Haupteinsparung bezüglich Kosten und Größe bzw. Ausmaße*!. Weitere Vorteile dieser Detektoranordnung bestehen darin, daß einige Detektoren ausfallen können, ohne daß Leerzeilen erscheinen, und daß sich ein besseres Signal/Rauschverhältnis ergibt.

Es kann eine weitere Modifizierung vorgenommen werden, um Auflösungsverluste aufgrund von Vibration zu kompensieren. Wenn das System in einem sich bewegenden Fahrzeug verwendet wird, das Vibrationen ausgesetzt ist, so würden diese Vibrationen auf das Beobachter-Wiedergabegerät übertragen werden und Auflösungsverluste bewirken. Dies kann dadurch kompensiert werden, daß die Ausgangssignale der lichtemittierenden Einrichtung auf die Stirnfläche eines elektronischen Bildverstärkers abgebildet werden, der als Röhre VT angeordnet ist, die so ausgeführt ist, daß die Ströme in ihren Ablenkspulen durch Vibrationssensoren VS über den Erregungs- bzw. Energiezuführungsweg VIP gesteuert werden. Auf diesem Wege kann das Bild des Ausgangssignales der Bildröhre stationär wiedergegeben werden. Dieses Bild kann durch ein herkömmliches Vidikon (nicht gezeigt) betrachtet bzw. aufgenommen

werden und dem Wiedergabegerät DISP zugeführt werden.

In diesem vorhergehenden Beispiel ist lediglich ein optisches System beschrieben worden, obgleich natürlich jedes System, das eine kleinere Austrittspupille ergibt, geeignet ist. Wenn die Einrichtung für Infrarotlicht verwendet wird, müssen die lichtdurchlassenden Einrichtungen aus Materialien hergestellt sein, die das Infrarotlicht durchlassen.

Die Erfindung kann auch an einer Handeinrichtung bzw. Handanordnung verwendet werden, um eine Ansicht im Licht eines Bereiches zu schaffen, von dem ein Bild mit einem bezüglich ausgewählter Strahlung, die Infrarotstrahlung sein kann, empfindlichen Detektor getastet wurde und in ein abgetastetes Bild sichtbaren Lichtes konvertiert wurde durch die von der Trommel und dem Spiegel durchgeführten Abtastungen. Unter Bezug auf Fig. 1 und Weglassen der optischen Elemente Ml, Ll, P und L2 wird die Trommel SD einen Bereich unter einem Winkel von etwa 60° sehen und ein Bild dieses Bereiches über den Detektor D über den Spiegel M2 und die Linse L3 streichen lassen. Das Signal am Ausgang OPI wird so eine Wellenform aufweisen, die die Folge der Strahlungsintensität bei der Zeilen- und Bildabtastung darstellt. Dieses falls notwendig verstärkte Signal, das der lichtemittierenden Einrichtung LD zugeführt wird, erzeugt ein Licht geeigneter Intensität, das der Linse L4 zugeführt wird und zu einem im wesentlichen parallelen Lichtstrahl umgeformt wird für die Ablenkung durch den Spiegel M2 und die Trommel SD. Diese Ablenkung erzeugt eine Abtastung in einer zur Achse OX transversalen Ebene, wobei diese Abtastung ein Lichtbild des Bereiches ist, der in der ausgewählten Strahlung

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abgetastet worden ist. Um einen Benutzer, der diese Einrichtung hält, in die Lage zu versetzen, dieses Bild zu betrachten, sind optische Linsenelemente ähnlich wie Ll und L2 vorgesehen, wobei L2 nahe der Trommel SD angeordnet ist und Ll in einer Entfernung die den zusammengenommenen Fokuslängen der Linsen Ll und L2 gleich ist. Diese Elemente erzeugen ein Bild unter einem Winkel, der kleiner ist bzw. schmaler ist als der, der sich bezüglich des von der Trommel SD direkt sichtbaren und von der Nähe der Trommel SD abgenommenen Bildes ergibt. Die Anordnung aus Trommel SD^, Spiegel M2, Linse L3, Detektor D, Einrichtung LD, Linse L4 und aus den Betrachtungselementen kann eine Handeinrichtung sein und so gestaltet sein, daß sie auf eine zu betrachtende Szene gerichtet werden kann, wobei sie, falls erforderlich, mittels eines Kabels an eine Energieversorgung und an jede gesonderte signalverarbeitende Einrichtung angeschlossen werden kann.Die Verwendung der Betrachtungselemente erlaubt, ähnlich wie bezüglich Ll und L2 die Verwendung einer kleinen Trommel und erzeugt ein Bild schmaler Apertur, das zur Betrachtung mittels Auge geeignet ist, während die kleine Trommel hohe Trommelgeschwindigkeiten und geringe Gesamtausmaße der Einrichtung gestattet, um so brauchbare Zeilentastungen hoher Geschwindigkeiten nud Handbetrieb zu ermöglichen. Selbstverständlich können die optischen Elemente Ll und L2, wenn gefordert, hinzugefügt werden, z.B. indem sie auf einem Turm vor der Trommel SD angebracht werden, um die Prüfung eines Teiles des Gesichtsfeldes in vergrößerter Form zu gestatten.

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Claims

Patentansprüche

lJ Abtast-Abbildungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Objektivlinse (Ll), die ein erstes Bild mit einer aus einem Gesichtsfeld aufgefangenen Strahlung "erzeugt, und eine Abtasteinrichtung (SD) vorgesehen sind, die Strahlung von dem ersten Bild über einen Detektor (D) zur Erzeugung eines abgetasteten Bildes abtastet, daß eine Kollimatorlinse (L2) zwischen der Objektivlinse und einem Abtastelement angeordnet ist, das kleiner ist als das für das erste Bild erforderliche und von dem ersten Bild ein zweites vergrößertes Bild des Gesichtsfeldes erzeugt,- daßdie von dem Gesichtsfeld aufgefangene Strahlung durch eine Austrittspupille der Kollimatorlinse kleinerer Apertur als die Strahlungsauffangapertur gelenkt wird und zum Detektor (D) durch das Abtastelement abgelenkt wird, das zwischen der Kollimatorlinse (L2) und deren Austrittspupille hindurchläuft.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abtastelement in Form einer Trommel von etwa 5o mm Durchmesser vorgesehen ist, die zwischen 12 und 2o Facetten aufweist und die drehbar ist, derart, daß die Facetten zwischen der Kollimator linse und deren Austrittspupille hindurch bewegbar sind.

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3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung hinter einer dicken Schutzschicht angebracht ist, daß das Tragwerk für das Objektiv an der Außenseite der Schicht angeordnet ist, daß ein Strahlenweg in der Schicht zur Kollimatorlinse hin vorgesehen und das Abtastelement an der Innenfläche angeordnet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Abtastelement für eine zu der Abtastung des genannten Abtastelementes transversale Abtastung vorgesehen ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtast-Konvertierungseinrichtung einer lichtemittierenden Einrichtung vorgesehen ist, die fortlaufend mit Informationen vom Detektor gespeist ist, um die abgetastete aufgefangene Strahlung darstellendes paralleles Licht der Reihe nach durch das weitere Abtastelement und das Abtastelement hindurchzuleiten zur Wieder — Schaffung bzw. Neu—Schaffung eines abgetasteten Bildes in dem Licht des Gesichtsfeldes.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Aufnahme des wiedererzeugten Bildes und eine Vorrichtung vorgesehen sind, die die Aufnahmevorrichtung in Abhängigkeit von den Vibrationen, denen das System ausgesetzt ist, in Vibrationen versetzt, um den Auflösungsverlust in der angezeigten abgetasteten Strahlung zu reduzieren.

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7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor mit einer Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Elementen und eine auf das Ausgangssignal der einzelnen Elemente ansprechbare Vorrichtung vorgesehen sind, um die zeitlich versetzten Ausgangssignale eines Elementes entsprechend dem gleichen Teil des Gesichtsfeldes zuzuordnen, und daß eine Vorrichtung zur Wiedergabe der koordinierten bzw. zugeordneten Ausgangssignale als abgetastetes Bild des Gesichtsfeldes vorgesehen ist.
8. Abtast-Abbildungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtasteinrichtung in Form einer Facettenspiegeltrommel und ein Planspiegel zur Abtastung eines Bildes in einer bestimmten Strahlung über einen Detektor vorgesehen sind, welcher auf diese Strahlung anspricht, daß eine Einrichtung zum Zuführen eines Folgeausgangsi gnales des abgetasteten Bildes vom Detektor zu einer lichtemittierenden Einrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von der Intensität der Strahlung im abgetasteten Bild fortlaufend Licht emittiert durch eine Kollimatorlinse zur Zufuhr von im wesentlichen parallelem Licht zu dem Planspiegel und zu der Facettenspiegeltrommel, um das in der Strahlung abgetastete Bild wieder bzw. neu zu erschaffen, und daß eine Einrichtung zum Projizieren bzw. Ablesen des Bildes von der Trommel vorgesehen ist, die eine Objektivlinse und ein Okular aufweist zur Verkleinerung des Winkels unter dem durch die winklige Verrückung der Facetten der rotierenden Trommel

wiedererzeugten Bild.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet/ daß eine Objektivlinse und eine Kollimatorlinse vorgesehen sind, die die Strahlung aus einem kleineren Blickwinkel bzw. Bildwinkel sammeln als eine Trommelfacette und die die Strahlung als im wesentlichen parallele Strahlen durch eine Austrittspupille der Kollimatorlinse leiten, die in dem Umkreis der Trommelfacetten fällt.
10. Abtast-AbbiHingseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Handvorrichtung vorgesehen ist, die eine drehbare Bildabtasttrommel und einen zielbaren Plan- bzw. Kippspiegel aufweist, der ein Bild in einer ausgewählten Strahlung eines Gesichtsfeldes über einen Detektor abtastet, ferner eine Einrichtung, die Licht in Abhängigkeit von der Strahlungsintensität des abgetasteten Bildes erzeugt und dieses als Parallelstrahl dem Spiegel und der Trommel zum Abtasten des Strahles zuführt, um das Bild zur Betrachtung mit dem Auge mit Hilfe einer Linsenanordnung wieder zu erzeugen, um den Winkel unter dem wiedererzeugten Bild zu redu zieren, und mit Hilfe eines weiteren Linsensystems,das wahlweise zwischen die Trommel und das Gesichtsfeld gebracht werden kann, um das Bild eines Teiles des Gesichtsfeldes^ vergrößern, daß das weitere Linsensystem ein Objektiv zum Sammeln der von dem Gesichtsfeld und vom ersten

Bild kommenden Strahlung und eine Kollimatorlinse aufweist zur Erzeugung eines zweiten vergrößerten Bildes des Feldes, dessen Strahlung aus dem Teil des Gesichtsfeldes über eine Kollimatorlinsen-Austrittspupille geringerer Apertur alsdie Strahlungsauffangapertur innerhalb des Umkreises der Abtasttrommel aufgefangen wird.

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