DE2605837A1

DE2605837A1 - Optische abtasteinrichtung

Info

Publication number: DE2605837A1
Application number: DE19762605837
Authority: DE
Inventors: George Heftman; William Thomas Moore
Original assignee: Rank Organization Ltd
Current assignee: Rank Taylor Hobson Ltd
Priority date: 1975-02-13
Filing date: 1976-02-13
Publication date: 1976-08-26
Also published as: NL7601417A; DE2605837C2; NL182915B; FR2301026B1; GB1537483A; NL182915C; FR2301026A1

Description

Brit. Anm. 6233/75
vom 13.2.1975

The Rank Organisation Limited Millbank Tower, Millbank, London, S.W.I., England

Optische Abtasteinrichtung

Die Erfindung betrifft optische Abtasteinrichtungen, und insbesondere die Abtastung mit Infrarotstrahlung.

Es ist bekannt, mechanische Abtasteinrichtungen zu verwenden, um Licht von aufeinanderfolgenden Bereichen einer Szene, die betrachtet wird, auf einen Strahlungsdetektor oder ein Feld von Detektoren zu richten, d.h. es ist bekannt, die Szene durch den Detektor abzutasten. Solch eine Abtastung wird gewöhnlich in einer Folge von parallelen Zeilen durchgeführt, die ein Einzelbild bilden, wobei jedes Einzelbild aus einer vorgegebenen Zahl von Zellen aufgebaut wird, und jede Bildabtastung in bestimmten Zeitintervallen wiederholt wird, um eine im wesentlichen kontinuierliche Abtastung der Szene zu erhalten.

Ein Problem bei mechanischen Abtasteinrichtungen der Art, wie sie für Infrarotstrahlung verwendet werden, ist im Vergleich

_{0RiG{NAL |NSpECTED}

zu den elektronischen Abtasteinrichtungen, die im sichtbaren Bereich des Spektrums, beispielsweise in Fernsehkameras, eingesetzt werden, liegt in den außerordentlich hohen Drehzahlen der mechanischen Teile, die erforderlich sind, um eine annehmbare Abtastrate zu erzielen. Beispielsweise ist für ein Bild aus 240 Zeilen (das sind erheblich weniger Zeilen als in einem Fernsehbild), das mit einer Geschwindigkeit von 25 Einzelbildern pro Sekunde abgetastet wird, eine Zeilenabtastrate von 6000 Zeilen pro Sekunde erforderlich. Um eine solche Abtastrate mechanisch zu erreichen, ist es üblich, ein quer angeordnetes Feld von Detektoren zu verwenden, die ein Band, das aus mehreren Zeilen besteht, statt einzelne Zeilen abtasten, so daß ein aus den Bändern bestehendes Bild aufgebaut werden kann. In der Praxis hat dieser Lösungsweg eine Grenze in der Abstimmung der nebeneinanderliegenden, abgetasteten Bänder des Bildes und in der Abstimmung der einzelnen Detektoren in dem Detektorfeld. Aus diesem Grund hat man Überlegungen angestellt, um mechanische Abtasteinrichtungen mit hoher Geschwindigkeit zu entwerfen, die einzelne Zeilen mit einer annehmbaren Geschwindigkeit abtasten können. Die Erfindung bezieht sich auf solche Abtasteinrichtungen .

Erfindungsgemäß ist eine optische Abtasteinrichtung vorgesehen, in der aufeinanderfolgende Zeilenabtastungen der Szene durch einen Strahlungsdetektor gemacht werden, der die von aufeinanderfolgenden Flächen eines sich drehenden Polygons reflektierte Strahlung empfängt, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Strahlung von der Szene auf jede der aufeinanderfolgenden Fläche des Polygons in einem im wesentlichen parallelen Strahl durch ein afokales, optisches System gerichtet wird, welches die optische Bildfeldwölbung eliminiert.

Die Verwendung eines sich drehenden Polygons zur mechanischen Abtastung ist bekannt. Je größer die Zahl der Flächen auf dem Polygon ist, desto größer ist die Zeilenabtastgeschwindigkeit, die erreicht werden kann. In der Praxis führt jedoch eine große Zahl von Polygonflächen zu einem Polygon mit einem großen Durch-

6Q98-35/0760

messer, was wiederum der erreichbaren Drehzahl des Polygons Grenzen setzt. Um zu ermöglichen, daß das Polygon mit einer hohen Geschwindigkeit gedreht werden kann, ist es bevorzugt, das Polygon aus einem einzigen Materialstück, beispielsweise durch Maschinenbearbeitung, herzustellen.

Ein afokales, optisches System und auch das Vermeiden der optischen Bildfeldwölbung eliminieren auch im wesentlichen die "Pupillenabtastung", die sonst auftreten würde, wenn kein Linsensystem verwendet wird, um einen schmalen Blickwinkel an dem Polygon zu erreichen.

Vorzugsweise weist das afokale, optische System ein Teleskop auf, das bei einem effektiv unendlichen Bildabstand arbeitet. Das Teleskop kann eine Frontlinse und eine hintere Linse haben, die die freie öffnung der Prontlinse auf jede der aufeinanderfolgenden Flächen des Polygons abbildet. Vorzugsweise sind beide Linsen asphärisch und auf ein flaches Bildfeld optimiert.

Alternativ kann das afokale, optische System ein Spiegelteleskop aufweisen, das sowohl in Bezug auf Bildfeldwölbung als auch in Bezug auf Astigmatismus korrigiert sein kann. Solch ein Spiegelteleskop kann einen ersten konkaven Spiegel aufweisen, der die einfallende Strahlung auf einen zweiten Spiegel mit kleinerer öffnung richtet, der seinerseits die Strahlung in einem Strahl durch eine mittige öffnung in dem ersten Spiegel auf jede der aufeinanderfolgenden Flächen des sich drehenden Polygons richtet. Der zweite Spiegel kann flach, konvex oder konkav sein, oder es kann sich um einen Mangin-Spiegel handeln, dem ein Korrekturlinsenelement - zugeordnet ist. Ein Linsenelement kann auch vorgesehen sein, um die von dem zweiten Spiegel reflektierte Strahlung in einem im wesentlichen parallelen Strahl auf das Polygon zu richten. Dieses Linsenelement kann vorzugsweise in der mittigen öffnung des ersten Spiegels liegen. Eine Linse oder eineKorrekturplatte kann in dem Strahlengang der Strahlung angeordnet sein, die von der abgetasteten Szene auf den ersten Spiegel.auftrifft. Wenigstens drei der

60 9 835/0760

-H-

Flächen in dem optischen System des Spiegelteleskops sollten asphärisch sein, um die gewünschte Aberationskorrektur zu erreichen.

Da bei der Erfindung ein Polygon mit einer verhältnismäßig kleinen Zahl von Flächen verwendet wird, das mit einer hohen Geschwindigkeit gedreht werden kann, kann die "Bild"-Abtastung der Szene in der Praxis nicht dadurch erreicht werden, daß die aufeinanderfolgenden Flächen des Polygons gegenüber einer Achse senkrecht zu der Drehachse des Polygons in fortschreitendem Maße winkelmäßig verändert werden. Bei der Erfindung wird daher die "Bild"-Abtastung, die mit geringeren Geschwindigkeiten als die Zahlenabtastung von dem Polygon durchgeführt wird und die quer zu der Richtung der Zeilenabtastung erfolgt, durch einen Spiegel bewirkt, der Drehschwingungen um eine Achse senkrecht zu der Drehachse des Polygons durchführt, und es ist eine optische übertragungseinrichtung vorgesehen, die die von den aufeinanderfolgenden Flächen des Polygons reflektierten Strahlen auf den schwingenden Spiegel und von dort auf den Detektor richtet, ohne erhebliche Aberationen hervorzurufen.

Die optische übertragungseinrichtung kann ein konkaver Abbildungsspiegel sein, der so angeordnet ist, daß sein Krümmungsmittelpunkt im wesentlichen mit der Mitte jeder Polygonfläche zusammenfällt," wenn die'letztere in der Mitte einer Zeilenabtastung die Strahlung auf den Spiegel reflektiert, und sie kann ferner einen Strahlablenkspiegel aufweisen, der im wesentlichen an der Brennebene des Abbildungsspiegels angeordnet ist und eine Verlängerung parallel zu der Drehachse des Polygons aufweist, um den Strahl, der von dem Abbildungsspiegel reflektiert wird, auf den schwingenden Spiegel zu richten, der von dem Abbildungsspiegel um im wesentlichen die gleiche optische Weg länge entfernt angeordnet ist, wie die Polygonfläche. Eine Linse kann vorgesehen sein, um den von dem schwingenden Spiegel reflektierten Strahl auf den Detektor abzubilden.

609835/0760

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines optischen Teleskopsystems im Zusammenhang mit einem sich drehenden Polygon in einer optischen Abtasteinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figur 2 den Strahlengang in einer schematischen Anordnung mit einem reflektierenden, asphärischen, optischen System im Zusammenhang mit einem sich drehenden Polygon in einer optischen Abtasteinrichtung nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figur 3 eine Ausführungsform der optischen übertragungseinrichtung, die dem sich drehenden Polygon in dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 zugeordnet ist, um die "Bild"-Abtastung zu bewirken; und

Figur 4 eine schematische Darstellung der optischen übertragungseinrichtung von Figur 3 mit Blickrichtung entlang dem Pfeil IV, wobei das sich drehende Polygon weggelassen ist.

In Figur 1 ist ein sich drehendes Polygon 1, in diesem Beispiel ein Sechseck, gezeigt, das um seine Längsachse 0 drehbar montiert ist, um eine Zeilenabtastung einer Szene zu bewirken, die von dem Detektor (nicht gezeigt) mit Hilfe von Infrarotstrahlen "gesehen" wird. Die Strahlung von der Szene wird auf eine Fläche des Polygons 1 durch ein afokales Teleskopsystem gerichtet, das in dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 eine Frontlinse Ll und eine hintere Linse L2 aufweist. Die hintere Linse L2 bildet den Durchmesser der Frontlinse Ll auf die Polygonfläche ab, so daß das Problem der "Pupillenabtastung", d.h. die Bewegung eines Leuchtpunktes auf der Fläche des Polygons in entgegengesetzter Richtung zu der Drehrichtung des Polygons, effektiv eliminiert wird. Beide Linsen Ll und L2 sind asphärisch, wobei die Kombination so optimiert ist, daß entweder ein flaches Bildfeld auf der Polygonfläche oder ein Null-Astigmatismus erreicht wird. In der Praxis ist die Kombination so optimiert, daß ein im wesentlichen flaches Bildfeld auf der Polygonfläche erzeugt

609835/0760

wird, da sich daraus ein Minimum an Bildaberation ergibt.

In Figur 1 ist die innere Brennebene des Linsensystems durch eine strichpunktierte Linie F angedeutet, und der Strahlengang von einem außerhalb der Achse liegenden Objektpunkt ist in unterbrochenen Linien dargestellt.

Um sowohl die Bildfeldkrümmung als auch den Astigmatismus zu korrigieren, sollte ein reflektierendes Lichtsammelsystem verwendet werden, wie es in Figur 2 gezeigt ist. Die einfallende Strahlung wird von einem ersten konkaven Spiegel Ml mit einer weiten öffnung gesammelt, der die Strahlung auf einen zweiten Spiegel M2 mit engerer öffnung richtet, der ein flacher, konvexer oder konkaver Spiegel oder ein Mangin-Spiegel sein kann, dem ein korrigierendes Linsenelement zugeordnet ist. Der Spiegel M2 reflektiert die Strahlung durch eine mittige öffnung in dem Spiegel Ml. Eine Linse L2 liegt in dieser öffnung, um einen im wesentlichen parallelen Strahl zu erzeugen, der auf jede der aufeinanderfolgenden Flächen des sich drehenden Polygons 1 gerichtet wird. In dem reflektierenden System von Figur 2 sollten drei der optischen Oberflächen asphärisch sein, um die erforderliche Aberationskorrektur zu erreichen. Eine Korrekturplatte oder -linse Ll kann als weiteres Aberationskorrekturelement vorgesehen sein.

Die optischen Teleskopsysteme aus den Figuren 1 und 2 verkleinern effektiv die Abtastung des Polygons, wobei eine Abstimmung der Pupille des Systems erfolgt, die effektiv bei der Polygonfläche ist.

Das rotierende Polygon 1 (Figuren 1 und 2) liefert eine Abtastung der einfallenden Strahlung in nur einer Richtung, d.h. in der Zeilenabtastrichtung. Um ein Bild aufzubauen, ist bei jeder vollständigen Abtastung des Detektors oder des Detektorfeldes eine ⁿBild"-Abtastung erforderlich, die mit einer geringeren Geschwindigkeit und quer zu der Richtung der Zeilenabtastung erfolgt. Um diese "Bild"-Abtastung zu bewirken, ist ein flacher

609835/0760

Abtastspiegel vorgesehen, der Drehschwingungen um eine Achse senkrecht zu der Drehachse des Polygons 1 ausführt. Nach der Reflexion an jeder der aufeinanderfolgenden Flächen des rotierenden Polygons wird die Strahlung auf den hin- und hergehenden Spiegel durch eine optische Übertragungseinrichtung gerichtet, die so aufgebaut ist, daß sie keine Aberationen einführt. Eine Ausfuhrungsform solch einer Einrichtung ist in den Figuren 3 und 4 gezeigt. Die übertragungseinrichtung weist einen konkaven Abbildungsspiegel M3 auf, der so angeordnet ist, daß sein Krümmungsmittelpunkt auf der Mitte der reflektierenden Fläche des Polygons liegt, wenn dieses sich an der Mitte einer gegebenen Zeilenabtastung befindet. Ein flacher Ablenkspiegel M4 liegt an der Brennebene des konkaven Spiegels M3, d.h. um die Hälfte des Radius des Spiegele M3 von der Oberfläche desselben entfernt, wobei seine Länge parallel zu der Drehachse O des Polygons 1 verläuft. Der Spiegel M¹J reflektiert die Strahlung auf den schwingenden Spiegel M5, dessen Drehschwingungen um eine Achse P (Figur 3) erfolgen. Die von dem schwingenden Spiegel M5 reflektierte Strahlung wird von einer Linse L3 gesammelt und auf einen Detektor oder ein Detektorfeld D abgebildet.

Die Schwingungsgeschwindigkeit des Spiegels M5 steht in einem solchen Verhältnis zu der Drehzahl des Polygons 1, daß die Kombination der Schwingung des Spiegels 5 und der Drehung des Polygons 1 bewirkt, -daß der Detektor aufeinanderfolgende Bereiche der abgetasteten Szene in einer Folge von Zahlenabtastungen "sieht", die jeweils ein Teilbild einnehmen, so daß ein Bild durch die aufeinanderfolgenden Teilbilder gebildet wird. Die Geschwindigkeit der Bildabtastung wird durch die Schwingungsgeβchwindigkeit des Spiegels 5 bestimmt, und die Geschwindigkeit der Zeilenabtastung durch die Drehzahl des Polygons 1.

Die Anordnung ist so getroffen, daß die optische Weglänge zwischen dem konkaven Spiegel M3 und dem schwingenden Spiegel M5 im wesentlichen, gleich groß wie die optische Weglänge zwi-

$09835/0760

sehen dem konkaven Spiegel M3 und dem schwingenden Spiegel M5 im wesentlichen gleich groß wie die optische Weglänge zwischen dem Spiegel M3 und der reflektierenden Fläche des Polygons 1 ist. Mit anderen Worten ist der Abstand von dem Spiegel M¹I zu dem Spiegel M5 gleich der Hälfte des Radius des konkaven Spiegels M3. Auf diese Weise werden optische Aberationen erster Ordnung eliminiert, da die effektive Pupille an dem Krümmungsmittelpunkt des Spiegels M3 liegt, so daß kein Koma und kein Astigmatismus erzeugt wird. Der Spiegel M3 erzeugt doch eine Bildfeldkrümmung, die jedoch durch den schwingenden Spiegel M5 kompensiert wird. Eine restliche, sphärische Aberation in dem reflektierenden System kann entweder durch eine geeignete Asphärizität einer Fläche in dem zugehörigen Teleskop von Figur 1 oder Figur 2 oder durch die Asphärizität der Linse L3 korrigiert werden.

Die F-Zahl des Detektorsystems wird durch den Konvergenzwinkel des Strahles gegeben, der von der Linse L3 auf den Detektor D gerichtet wird.

Es ist zu beachten, daß, da die Oberfläche des Polygons von dem konkaven Spiegel M3 auf den schwingenden Spiegel M5 abgebildet wird, der Spiegel M5 ebenfalls bei einer effektiven Pupille des Systems liegt. Daher tritt keine "Pupillenabtastung¹¹ an dem schwingenden Spiegel M5 oder an dem Detektor D auf.

609835/0760

Claims

Patentansprüche

1/ Optische Abtasteinrichtung, um eine Szene in aufeinanderfolgenden Zeilenabtastungen mit einem Strahlungsdetektor abzutasten, der so angeordnet ist, daß er die von aufeinanderfolgenden Flächen eines rotierenden Polygons reflektierte Strahlung aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung von der Szene auf die aufeinanderfolgenden Flächen des Polygons (1) in einem im wesentlichen parallelen Strahl durch ein afokales, optisches System (Ll, L2) gerichtet wird, das die optische Bildfeldwölbung eliminiert.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das afokale, optische System ein Teleskop aufweist, das bei effektiv unendlichem Objektabstand arbeitet, und das eine Frontlinse (Ll) und eine hintere Linse (L2) aufweist, die die effektive öffnung der Frontlinse auf jede der aufeinanderfolgenden Flächen des rotierenden Polygons (1) abbildet.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Linsen (Ll, L2) asphärisch und entweder auf ein flaches Bildfeld oder Null-Astigmatismus optimiert sind.
k. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das afokale, optische System ein Spiegelteleskop aufweist, das in b,ezug auf Bildfeldkrümmung und Astigmatismus korrigiert ist und das einen ersten, konkaven Spiegel (Ml) aufweist, der die einfallende Strahlung auf einen zweiten Spiegel (M2) mit engerer öffnung richtet, der seinerseits die Strahlung in einem Strahl durch eine mittige öffnung in dem ersten Spiegel (Ml) auf jede der aufeinanderfolgenden Flächen des rotierenden Polygons (1) richtet.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spiegel (M2) ein flacher, konvexer oder konkaver Spiegel oder ein Mangin-Spiegel ist, dem ein Korrekturlinsenelement zugeordnet ist.

609835/0760

- ίο -
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Linsenelement (L2) vorgesehen ist, das in der mittigen Öffnung des ersten Spiegels (Ml) liegt und die von dem zweiten Spiegel (M2) reflektierte Strahlung in einem im wesentlichen parallelen Strahl auf das Polygon (1) richtet.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei Oberflächen des optischen Systems asphärisch ausgebildet sind.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine"Bild"-Abtastung mit geringerer Geschwindigkeit als die Zeilenabtastung, die durch das rotierende Polygon (1) bewirkt wird, und quer zu der Richtung der Zeilenabtastung durch einen Spiegel (M5) erzeugt wird, der Drehschwingungen um eine Achse senkrecht zu der Drehachse des Polygons (1) ausführt, und daß eine optische übertragungseinrichtung (M3, M4) vorgesehen ist, die die von den aufeinanderfolgenden Flächen des Polygons reflektierte Strahlung über den schwingenden Spiegel (M5) ohne Einführung erheblicher Aberrationen auf den Detektor

(D) richtet.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Übertragungseinrichtung einen konkaven Abbildungsspiegel (M3), der so angeordnet ist, daß sein Krümmungsmittelpunkt im wesentlichen mit der Mitte jeder der Flächen des rotierenden Polygons zusammenfällt, wenn das letztere die Strahlung in den Spiegel an der Mitte einer Zeilenabtastung reflektiert, und einen Strahl-Ablenkspiegel (M^) aufweist, der im wesentlichen an der Brennebene des Abbildungsspiegels angeordnet ist und der in einer Richtung parallel zu der Drehachse des Polygons verlängert ist, um die von dem Abbildungsspiegel (M3) reflektierte Strahlung auf den schwingenden Spiegel (M5) zu richten, wobei der letztere von dem Abbildungsspiegel (M3) im wesentlichen unter derselben optischen Weglänge wie die Polygonfläche angeordnet ist.

6O9835/076Q
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Linse (L3) derart angeordnet ist, daß der von dem schwingenden Spiegel (M5) reflektierte Strahl auf den Detektor (D) abgebildet wird.

609835/0760