DE2838362A1

DE2838362A1 - Strahlungsabtastvorrichtung

Info

Publication number: DE2838362A1
Application number: DE19782838362
Authority: DE
Inventors: Peter John Berry; Herbert Morrison Runciman
Original assignee: Thales Optronics Ltd
Current assignee: Thales Optronics Ltd
Priority date: 1977-09-13
Filing date: 1978-09-02
Publication date: 1979-03-22
Also published as: FR2402885A1; FR2402885B1; GB1586099A; DE2838362C2; US4210810A

Description

Beschreibung;

Die Erfindung geht von einer Strahlungsabtastvorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1 aus. Solche Vorrichtungen sind von besonderer Bedeutung, wo es auf eine hohe Abtastgeschwindigkeit in Verbindung mit einer konstanten Abtastgeschwindigkeit ankommt. Die Abtastvorrichtung gehört zu jener Gruppe von Abtastvorrichtungen, die ein Gesichtsfeld durch zwei Abtasteinrichtungen abtasten, von denen eine mit hoher Geschwindigkeit arbeitet und eine Abtastzeile erzeugt, während die andere mit geringerer Geschwindigkeit arbeitet und eine Bildabtastung bzw. ggfs. eine Halbbildabtastung bewirkt.

Zur Erzielung von Zeilenfrequenzen, die fernsehkompatibel sind, mit mechanischen Abtastvorrichtungen kommen wegen der hohen Abtastgeschwindigkeiten nur rotierende Abtasteinrichtungen infrage, deren optische Bauelemente klein und robust sein müssen. Am besten bewährt sich ein massiver Drehkörper mit mehreren Facetten auf seiner Umfangsfläche, aber auch ein solcher massiver Drehkörper muß so klein wie möglich sein, um die geforderte Leistung zu erhalten. Häufig wird auch verlangt, daß die Geschwindigkeit, mit der das vom Detektor entworfene Bild des Gesichtsfeldes abgetastet wird, konstant sein soll, besonders

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bei solchen Abtastvorrichtungen, bei denen derselbe Ausschnitt des Gesichtsfeldes auf aufeinanderfolgende Elemente einer Detektüranordnung abgebildet, dort abgetastet wird und die durch die Abtastung Gewonnenen Bildsignale in geeigneter Weise verzögert und addiert werden, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Damit die Abtastvorrichtung fernsehkompatibel ist, sollte ferner das Gesichtsfeld geradlinig abgetastet werden, weil sich sonst ein verzerrtes Bild ergibt«

Wenn ein Bildabtaster mit getrennten Zeilen- und Bildabtasteinrichtungen zur Abbildung des gewünschten Gesichtsfeldes ein afocales Teleskop benutzt, sollten die Zeilenabtastung und die Bildabtastung eine gemeinsame Pupille besitzen, die mit der Austrittspupille des Teleskops zusammenfällt. Da es nicht möglich ist, die beiden Abtasteinrichtungen zur Deckung zu bringen, muß zwischen die beiden Abtasteinrichtungen eine optische Einrichtung eingefügt werden, die die Pupille in geeigneter Meise abbildet.

Die im Anspruch 1 beschriebene Abtastvorrichtung genügt all diesen Anforderungen auf eine recht einfache Art und Weise. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.

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Die Drehachse des Rotors bildet mit dem Hauptstrahl zwischen der Übertragungslinse und dem Rotor einen solchen Winkel, daß der Durchgang der Strahlung durch die Abtastvorrichtung nicht behindert wird.

Die Blenäe der Abtastorrichtung kann sowohl durch den Rand der Übertragungslinse als auch durch die jeweilige Facette des Rotors der ersten Abtasteinrichtung gebildet werden.

Auf der Ortskurve des Abbildes des Detektors kann ein Objekt angeordnet werden, welches eine gleichbleibende oder bekannte Temperatur besitzt. Die Strahlung dieses Qbjekttkann als Strahlungsnormal dienen, indem sie zwischen aufeinanderfolgenden Abtastzyklen jeweils durch die erste Abtasteinrichtung abgetastet und auf den Detektor geleitet wirdo

Vorzugsweise wird der Rotor der ersten Abtasteinrichtung durch einen Gasmotor angetrieben und befindet sich in einem Gehäuse mit einem Fenster aus für die infrage kommend© Strahlung durchlässigem Werkstoff.

Um den Aufbau der Abtasteinrichtung kompakt zu gestalten, können im Strahlengang an einer oder mehreren Stellen zusätzlich ebene Spiegel angeordnet werden»

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Die beim asphärischen Spiegel benutzte Bouwers-Korrekturlinse (Anspruch 4) ist vorzugsweise konzentrisch. Sie kann auch bei sphärischem Spiegel Verwendung finden.

Nachfolgend werden die in den beigefügten Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

F i g . 1 zeigt perspektivisch eine erste Abtastvorrichtung,

F i g . 2 zeigt eine andere Abtastvorrichtung von der

F i g . 3 zeigt die Abtastvorrichtung aus Fig. 2 teilweise geschnitten in Draufsicht,

F i g . 4 und 5 zeigen bei einer Abtastvorrichtung gemäß

Fig. 1 den Einfluß von Änderungen der relativen Größe einiger Bauelemente,

F i g . 6 und 7 zeigen die Wirkung optischer Korrektoren in

der Abtastvorrichtung,

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F i g - 8 zeigt eine dritte Abtastvorrichtung von der Seite, und

F i g . 9 zeigt die Abtastvorrichtung aus Fig. 8 teilweise geschnitten in Draufsicht.

Die Arbeitsweise der Abtastvorrichtung wird am besten verständlich, wenn man den Detektor als Strahlungsquelle auffaßt, dessen Strahlung durch die Abtastvorrichtung auf das Gesichtsfeld projiziert wird.

In den verschiedenen dargestellten Ausführungsbeispielen sind gleiche oder einander entsprechende Bauteile mit Uberd.ηstimmenden Bezugszahlen gekennzeichnet.

In den AusfUhrungsbeispielen dient eine Übertragungslinse 10 zum Erzeugen eines reellen Bildes eines Detektors 11, der sich in einem Gehäuse 11Λ befindet. Zwischen der Linse 10 und dem Detektorbild ist ein Rotor 12, der an seinem Umfang mit reflektierenden Facetten 12A versehen ist, derart angeordnet, daß bei Drehung des Rotors 12 um seine Achse 13 das Detektorbild sich entlang einer ungefähr kreisförmigen Ortskurve 14 bewegt. Die Ortskurve 14 befindet sich in der Brennfläche eines sphHrischon Spiegels 15, die ebenfalls ungefähr sphärisch ist,

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wenn die Blende sich in der NHhe des Krümmungsmittelpunktes befindet. Weil das Bild des Detektors 12 allezeit in der Brennfläche des Spiegels 15 liegt, faßt der Spiegel 15 alle durch einen gewissen Punkt der Ortskurve 14 gehenden Strahlen zu einem Bündel paralleler Strahlen zusammen, wobei sich der Winkel zwischen diesem Strahlenbündel und der Achse der Abtastvorrichtung durch die Drehung des Rotors 12 ändert, da ja das Detektorbild sich entlang der Ortskurve 14 bewegt.

Sobald der Rotor 12 mittels eines Antriebs 16 gedreht wird, schwenkt der das Detektorbild bildende Hauptstrahl um einen Punkt 18 herum, der die Lage der Pupille für die Zeilenabtastung definiert. Durch den konkaven Spiegel 15 wird ein reelles Bild dieses Punktes 18 im Punkt 19 entworfen, sodaß bei sich drehendem Rotor 12 der Hauptstrahl stets auch durch diesen zweiten Punkt 19 hindurchgeht, der somit die Lage einer zur Pupille für die Zeilenabtastung konjugierten Pupille bestimmt, nämlich die Pupille für die Bildabtastung. Am Ort des Punktes 19 befindet sich ein Spiegel 20, der - durch einen Antrieb 21 angetrieben - um eine zur Rotorachse 13 senkrechte Achse 22 oszilliert, sodaß der Zeilenabtastung durch den Rotor 12 eine Bildabtastung überlagert wird. (Die Bildabtastung könnte auch durch einen zweiten Rotor, durch gegensinnig rotieren-

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de Prismen oder sonst zu diesem Zweck bekannte Einrichtungen bewirkt werden, jedoch hat sich der oszillierende Spiegel in der Praxis als besonders bequem bewährt.) Zur Abbildung des gewünschten Gesichtsfeldes dient ein afokales Teleskop 24, welches so angeordnet ist, daß seine Austrittspupille in der Ebene der konjugierten Pupille 19 liegt, denn dadurch können für das Teleskop 24 optische Bauteile mit kleinstmöglichem Durchmesser verwendet werden.

Um eine für eine Hochleistungsvorrichtung unerwünschte Verdunkelung zu vermeiden, verläuft der vom Detektor 11 in Fig. ausgehende Hauptstrahl nicht senkrecht zur Drehachse 13, sondern ist demgegenüber um einen kleinen Winkel geneigt, und da alle Facetten 12A des Rotors 12 parallel zu seiner Drehachse angeordnet sind, liegt die Ortskurve 14 des Detektorbildes in einer ungefähr senkrecht aur Drehachse 13 verlaufenden Ebene, und nach der Reflexion des Hauptstrahls durch den Spiegel 15 liegt auch dieser in jeder Abtastlag® in einer ungefähr senkrecht zur Drehachse 13 verlaufenden Ebene. Aus diesem Grund sind trotz des nicht streng axialen Aufbaus dsr Abtastvorrichtung die abgetasteten Zeilen in der Szene geradlinig..

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Bei dem in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft der Hauptstrahl im Bereich des Rotors 12 senkrecht zur Rotorachse 13, und zwar hat man dies dadurch erreicht, daß das Lichtstrahlenbündel durch die beiden ebenen Spiegel 26 und 27 abgelenkt (gefaltet) wird. Außerdem ist ein weiterer ebener Spiegel 28 zwischen der Übertragungslinse 10 und dem Rotor 12 in der Weise vorgesehen, daß die Übertragungslinse 10 und der Detektor 11 die auf den Rotor 12 auftreffende Strahlung nicht auffangen? der Spiegel 28 besitzt einen langgestreckten Spalt 29, der auf die Ortskurve 14 ausgerichtet ist, um. die Strahlung zwischen dem Rotor 12 und dem konkaven Spiegel ungehindert durchzulassen. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Rotor 12 durch einen Gasmotor angetriebers und befindet sich im Gehäuse 30. Das Gehäuse 30 besitzt ein Fenster 31, durch welches die Strahlung vom und zum Rotor 12 ungehindert hindurchtreten kann. Diese Abtastvorrichtung weist einen gewissen Verdunkelungsgrad auf, der aber toleriert werden kann, wo es auf eine besonders kompakte Bauweise ankommt.

Die Lage der Pupille 18 für die Zeilenabtastung und der dazu konjugierten Pupille 19 hängt davon ab, welchem von zwei Auswahlkriterien man beim Aufbau der Abtastvorrichtung folgtj jedes dieser Kriterien führt zu Vor- und Nachteilen. Im <s.in@n Fall, der in Fig. 4 dargestellt ist, bildet der Rar .^r Über-

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tragungslinse 10 zugleich die Blende 35 der Abtastvorrichtung, und bei einem derart gewählten Aufbau empfängt der Detektor nur Strahlung aus dem Gesichtsfeld, wodurch unerwünschte Schatteneffekte mit Sicherheit vermieden werden. Der einzige Nachteil des in Fig. 4 dargestellten Aufbaus besteht darin, daß, weil die das Detektorbild erzeugenden Strahlen als ein stationärer Konus aufgefaßt werden können, der Rotor 12 hinreichend groß sein muß, damit keine Abschattierung (Vignettierung) auftritt, wenn sich während des Abtastvorgangs die Facetten des Rotors 12 .am ruhenden Strahlenkonus vorbeibewegen. In diesem Fall liegt die Pupille 18 für die Zeilenabtastung unmittelbar auf der Oberfläche des Rotors 12, und da die Oberfläche des Rotors 12 nicht mit dem Krümmungsmittelpunkt der Ortskurve 14 (der zugleich Krümmungsmittelpunkt des Spiegels 15 ist) zusammenfällt, ist das Abbild der Pupille für die Zeilenabtastung am Ort deri Pupille 19 beträchtlich vergrößert und ist der Winkel, unter dem das parallele Strahlenbündel durch den Rotor 12 abgetastet wird, im Vergleich mit dem Winkel, unter dem der Hauptstrahl in der Nähe des Rotors abgetastet wird, verkleinert. Beide Effekte sind grundsätzlich erwüncht, denn der erste erlaubt es, bei vorgebener Weite der Austrittspupdille des Teleskops den Rotor 12 zu verkleinern, während der zweite Effekt den Strahlenwinkel verkleinert, der

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bei einem vorgegebenen Drehwinkel des Rotors 12 dem Teleskop angeboten wird, wodurch der Aufbau des Teleskops vereinfacht wird.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem sich der Aufbau der Abtastvorrichtung an dem zweiten Auswahlkriterium orientiert hat, und zwar ist die jeweilige Facette des Rotors die Blende 36 der Abtastvorrichtung. In diesem Fall muß die Übertragungslinse 10 im Durchmesser beträchtlich vergrößert werden, damit der Strahlenkonus, der das Detektorbild erzeugt, so weit ist, daß sich die Facette des Rotors 12 während des gesamten Abtastzyklus vollständig in diesem Konus befindet. Die vom Detektor 11 empfangene, aus dem Gesichtsfeld stammende Strahlung bildet einen kleineren Konus, der durch die Facetten des Rotors 12 aus dem weiten Strahlenkonus ausgeblendet wird, so daß der Winkel unter dem dieser ausgeblendete Strahlenkonus auf den Detektor 11 auftrifft, zeitlich veränderlich ist; ferner empfängt der Detektor 11 noch Strahlung von anderen Teilen des Abtasters. Der Hauptvorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß der Rotor 12 wesentlich kleiner ausgeführt und die Abtastleistung wesentlich erhöht werden kann. Die Pupille 18 für die Zeilenabtastung liegt in diesem Fall ungefähr um den halben Rotordurchmesser hinter der jeweiligen Facette des Rotors 12.

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Es läßt sich zeigen, daß bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 4 und 5 bei konstanter Drehzahl des Rotors 12 auch die Zeilenabtastgeschwindigkeit konstant und unabhängig von der Lage des Abtastpunktes in der Bildabtastung ist.

Die erfindungsgemäße Abtastvorrichtung läßt sich sehr kompakt aufbauen. Der kompakte Aufbau stößt vor allem wegen der Aberration des konkaven Spiegels 15 auf Grenzen, weil eine Herabsetzung der Lichtstärke unter Blendenzahlen von ungefähr f/3,5 zu einer zu starken Bildverschlechterung führt. Dem kann man mit optischen Korrekturen begegnen; zum Beispiel kann man eine konzentrische Bouwers-Korrektürlinse 40 verwenden, die entweder in den Strahlengang zwischen dem Spiegel und der Pupille 19 für die Bildabtastung eingesetzt wird (Fig.6), wo sie vom parallelen Strahlenbündel durchsetzt wird, oder in den Strahlengang des konvergenten Strahlenbündels in der Nähe der Ortskurve des Detektorbildes, wie in Fig. 7 dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel in Fig. 8 und 9 hat wegen der Verwendung von zwei Spiegeln 41,42, die den Strahlengang ähnlich den Spiegeln 26 und 27 in Fig. 2 und 3 gleichsam falten, einen besonders kompakten Aufbau.

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Insbesondere bei Abtastvorrichtungen, die im Infrarotbereich arbeiten sollen, sollte der Detektor periodisch Strahlung von einem Objekt mit gleichbleibender oder bekannter Emission empfangen. Ein solches Objekt läßt sich bequem an der Ortskurve 14 des Detektorbildes anordnen, und zv/ar in solcher Lage, daß es vor oder nach dem Abtasten des Gesichtsfeldes abgetastet wird. Ein solches Normalobjekt 44 ist in Fig. 1 dargestellt.

Der Detektor 11 kann ein einzelnes Detektorelement . sein oder auch - wie es bei Infrarotabtastern bekannt ist - eine Anordnung aus solchen Detektorelementen.

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Claims

PATENTANWÄLTE

DR. RUDOLF BAUER ■ DIPL.-1NG. H=ELMUT HUBBUCH DIPL.-PHYS. ULRICH TWELMEIER

WESTLICHE 29-31 (AM LEOPOLDPLATZ)

D-7S3O PFORZHEIM, (WEST-SERMANY)

'S (O7231) 1O22B0/70

28. August 1978 III/Wa

Barr & Stroud Limited, Glasgow (Schottland U.K.)

Strahlungsabtastvorrichtung

Patentansprüche:

Strahlungsabtastvorrichtung enthaltend

a) einen Detektor (11) für die Strahlung,

b) eine Übertragungslinse (10), die derart angeordnet ist, daß sie ein reelles Bild des Detektors (11) erzeugt,

c) eine erste Abtasteinrichtung (12), bestehend aus einem Rotor mit mehreren ebenen reflektierenden Facetten (12A), die gleichförmig am Umfang des Rotors(12) verteilt sind und deren Normalen senkrecht . auf der Drehachse (13) des Rotors (12) stehen,

el) wobei der Rotor (12) zwischen der Übertragungslinse (10) und dem durch die Übertragungslinse (10) entworfenen Bild des Detektors (11) angeordnet ist,

c2) und seine Drehachse (13) die optische Achse der Übertragungslinse (10) schneidet und so angeordnet ist, daß sich bei drehendem Rotor (12) das Bild des Detektors (11) entlang einer kreisförmigen Ortskurve (14) bewegt

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d) einen konkaven, im wesentlichen sphärischen Spiegel (15), der mit der Ortskurve (14) den Krümmungsmittelpunkt gemeinsam hat,

dl) wobei die Ortskurve (14) in der Brennfläche des konkaven Spiegels (15) verläuft, sodaß die vom Detektor

(11) ausgehenden Strahlen nach der Reflexion am konkaven Spiegel (15) bei allen Drehlagen des Rotors

(12) zu einem parallelen Strahlenbündel vereinigt werden,

U) eine zweite Abtasteinrichtung (20) zur Ablenkung des parallelen Strahlenbündels in eine Richtung senkrecht zur Ablenkungsrichtung der ersten Abtasteinrichtung (12),

el) wobei die zweite Abtasteinrichtung (20) am Ort jener Pupille (19) angeordnet ist, deren Lage durch den Schnittpunkt der vom Detektor (11) ausgehenden, für die verschiedenen Drehlagen des Rotors (12) unterschiedlichen parallelen Strahlenbündel . .definiert ist,

wobei die Merkmale a, b, c und e den Oberbegriff bilden.
2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Abtasteinrichtung (20) einen um eine Achse (22) oszillierenden ebenen Spiegel umfaßt.

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3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Abtasteinrichtung einen zweiten Rotor

umfaßt, der an seinem Umfang mehrere ebene Facetten aufweist, die parallel zu seiner Drehachse liegen.
4. Abtastvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der konkave Spiegel (15)

asphärisch ist und im Strahlengang zwischen dem konkaven Spiegel (15) und einer der beiden Abtasteinrichtungen (12,20) eine Bouwers-Korrekturlinse (40) vorgesehen ist.
5. Abtastvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Übertragungslinse (10) und dem Rotor (12) ein ebener Spiegel derart (28) angeordnet ist, daß die Drehachse (13) des Rotors (12) im wesentlichen senkrecht zum zwischen der Übertragungslinse (10) und dem Rotor (12) verlaufenden Hauptstrahl in der Nähe des Rotors (12) liegt,

und daß dieser ebene Spiegel (28) ziemlich genau an der Ortskurve (14) angeordnet ist und eine längliche Öffnung (29) besitzt, die die Strahlung zwischen dem Rotor (12) und dem konkaven Spiegel (15) ungehindert passieren läßt.

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