DE2841777A1 - Image field scanning system - uses rotating scanning element having several pairs of reflective surfaces at right angles - Google Patents

Image field scanning system - uses rotating scanning element having several pairs of reflective surfaces at right angles

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DE2841777A1 DE19782841777 DE2841777A DE2841777A1 DE 2841777 A1 DE2841777 A1 DE 2841777A1 DE 19782841777 DE19782841777 DE 19782841777 DE 2841777 A DE2841777 A DE 2841777A DE 2841777 A1 DE2841777 A1 DE 2841777A1
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Abstract

The scanning system for an infrared viewfinder uses an input lens(L3) directing the beam onto a rotating scanning element(S1) which has pairs of reflective surfaces each pair enclosing a right angle arranged around the periphery of a cylinder. This element (S1) is used for scanning in a first direction and a pivoted planar mirror(S2) is used for scanning in a perpendicular direction. The planar mirror is carried by an arm(A2) pivoted about an axis(Z) perpendicular both to the rotational axis of the first scanning element(S1) and to the optical axis of the input lens(L3). Pref. a further lens(L1) between the rotating scanning element(S1) and the photodetector(D) is used to image the latter at a point(D') on the circumference of the rotating scanning element(S1).

Description

Svstem zur Abtastung von StrahlungsenergieSystem for scanning radiant energy

Die Erfindung betrifft ein System zur Abtastung von Strahlungsenergie, insbesondere zur Abtastung des Bildfeldes eines optischen Sichtgerätes, mit einem rotierenden Abtastelement, das jeweils paarweise einen rechten Winkel zwischen sich einschließende reflektierende Flächen aufweist, einem die Strahlung auf diese Flächen richtenden Linsensystem als Eingangsoptik und einer Detektoranordnung.The invention relates to a system for scanning radiant energy, in particular for scanning the image field of an optical viewing device, with a rotating scanning element, which in pairs form a right angle between them having enclosing reflective surfaces, one the radiation on these surfaces directing lens system as input optics and a detector arrangement.

Es ist bekannt, zur Abtastung der von einer Szene ausgehenden Strahlungsenergie, d.h. zur Betrachtung einer Szene, optisch-mechanische Abtasteinrichtungen zu verwenden. Damit wird Licht von aufeinanderfolgenden Bereichen einer Szene auf einen einzelnen Strahlungsdetektor oder ein Detektorfeld gerichtet. Bei derartigen Einrichtungen bestehen die Abtastelemente meist aus schwenkbaren Spiegeln und/oder rotierenden prismatischen Körpern, z.B. aus Polygontrommeln. Beim Einsatz und bei der Kombination derartiger Abtastelemente bereitet die Anpassung der von den einzelnen Abtastelementen erzeugten Bildfeldwölbungen häufig gewisse Schwierigkeiten.It is known to scan the radiant energy emanating from a scene, i.e. to use optical-mechanical scanning devices to view a scene. This means that light from successive areas of a scene is directed onto a single one Radiation detector or a detector field directed. With such facilities the scanning elements usually consist of pivoting and / or rotating mirrors prismatic bodies, e.g. from polygon drums. In use and in combination such scanning elements prepares the adaptation of the individual Scanning elements often created some difficulties with curvature of field.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem System der eingangs genannten Art einen Weg aufzuzeigen, der eine Anpassung der verwendeten Abtastelemente im Hinblick auf die von ihnen erzeugte Bildfeldwölbung auf einfache Weise ermöglicht.The invention is based on the object in a system of To show a way mentioned at the beginning, an adaptation of the used Sensing elements with regard to the field curvature generated by them to simple Way allows.

Diese Aufgabe wird bei einem System der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das rotierende Abtastelement zur Abtastung in einer ersten Richtung aus einem sternförmigen Körper mit 0 90 -Spiegelpaaren besteht, deren Dachkanten auf einem Zylinder angeordnet sind und daß zur Abtastung in einer zu der ersten Richtung senkrechten Richtung ein schwenkbarer, ebener Spiegel vorgesehen ist, der an einem Arm um eine Schwenkachse senkrecht zur Rotationsachse des Abtastelementes und senkrecht zur optischen Achse des Linsensystems schwenkbar ist.This task is in accordance with a system of the type mentioned the invention achieved in that the rotating scanning element for scanning in a first direction consists of a star-shaped body with 0 90 mirror pairs, whose roof edges are arranged on a cylinder and that for scanning in a a pivotable, plane mirror is provided in the direction perpendicular to the first direction is on an arm about a pivot axis perpendicular to the axis of rotation of the scanning element and is pivotable perpendicular to the optical axis of the lens system.

Bei einem derartigen System läßt sich die erforderliche Anpassung in einfacher Weise dadurch realisieren, daß als zweites Abtastelement ein Spiegel verwendet ist, der an einem Arm um eine zur Rotationsachse senkrechte Achse schwenkbar ist. Durch die Kombination eines als Spiegelstern ausgebildeten rotierenden Abtastelementes mit einem schwenkbaren ebenen Spiegel läßt sich außerdem ein Abtastsystem verwirklichen, das eine hohe Leistungsfähigkeit bei Maximierung der Detektivität und Minimierung der optischen Aberrationen aufweist.In such a system, the necessary adaptation realize in a simple manner that a mirror is used as the second scanning element is used, which is pivotable on an arm about an axis perpendicular to the axis of rotation is. By combining a rotating scanning element designed as a mirror star A scanning system can also be implemented with a swiveling flat mirror, that high efficiency while maximizing and minimizing detectivity which exhibits optical aberrations.

In vorteilhafter Weise ist bei einem erfindungsgemäßen System zwischen dem rotierenden Abtastelement und der Detektoranordnung im Reflexionsweg des Abtastelementes eine ffbertragungsoptik derart angeordnet ist, daß die Detektoranordnung an einem Ort auf dem Umkreis des Abtastelementes abgebildet ist. Dadurch wird erreicht, daß der Abtastwirkungsgrad des Spiegelsterns nahezu 100 % ist und daß die durch die Rotation des Spiegelsterns bewirkte Parallelverschiebung der optischen Achse der vom ebenen Spiegel auf den Spiegelstern gerichteten Strahlung ohne Winkeländerung der optischen Achse der vom Spiegelstern auf die Detektoranordnung reflektierten Strahlung erzeugt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Detektoranordnung optimal abzublenden, wodurch ihre Detektivität erhöht wird.In a system according to the invention, there is advantageously between the rotating scanning element and the detector arrangement in the reflection path of the scanning element a transmission optics is arranged such that the Detector arrangement is mapped at a location on the perimeter of the sensing element. This achieves that the scanning efficiency of the mirror star is almost 100% and that the through the rotation of the mirror star caused parallel displacement of the optical axis the radiation directed from the plane mirror onto the mirror star without changing the angle the optical axis of the reflected from the mirror star on the detector arrangement Radiation is generated. In this way it is possible to optimize the detector arrangement fade out, which increases their detectivity.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems sind zwischen dem rotierenden Abtastelement und der Detektoranordnung im Reflexionsweg ein Feldspiegel und eine die Detektoranordnung an einem Ort auf dem Feldspiegel abbildende Ubertragungsoptik angeordnet und ist der Feldspiegel mechanisch derart an dem Arm gekoppelt , daß er eine Schwenkbewegung um den Ort der Detektorabbildung ausführt. Bei einem derartigen System läßt sich die Detektivität noch weiter verbessern.In an advantageous embodiment of a system according to the invention are in the reflection path between the rotating scanning element and the detector arrangement a field mirror and the detector arrangement at one location on the field mirror arranged imaging transmission optics and the field mirror is mechanically such coupled to the arm to pivot about the location of the detector image executes. With such a system, the detectivity can be further improved.

Weitem vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems ergeben sich aus den Merkmalen der Unt eransprüche.Far advantageous embodiments of the system according to the invention result from the features of the sub-claims.

Vorteilhafte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Systems sind anhand der schematischen Darstellungen in den Figuren 1 und 2 im folgenden näher beschrieben.Advantageous embodiments of a system according to the invention are with reference to the schematic representations in Figures 1 and 2 in more detail below described.

Die Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Abtastsystem mit zwei Abtastelementen, wobei das eine Abtastelement jeweils paarweise einen rechten Winkel zwischen sich einschließende Flächen aufweist. Hierbei ist dieses Abtastelement als sternförmiger Körper, d.h. als soge- nannter Spiegelstern S1 ausgebildet. Dieser Spiegelstern ist in Fig. 1 auch herausgeklappt in Draufsicht gezeichnet und bewirkt eine Abtastung einer Szene senkrecht zur Zeichenebene, indem er um seine Achse Al rotiert. Der Spiegelstern besteht aus n900 -Spiegelpaaren, z.B. aus acht Spiegelpaaren, deren Dachkanten auf einem Zylinder mit dem Innenkreis-Radius r1 angeordnet sind. Als zweites Abtastelement in einer zu der ersten Abtastrichtung senkrechten Abtastrichtung dient ein schwenkbarer ebener Spiegel S2. Außerdem besitzt diese Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems noch ein Linsensystem L3 als Eingangsoptik sowie eine Linsenanordnung L2, eine Übertragungsoptik L1 und eine Detektoranordnung D.Fig. 1 shows a scanning system according to the invention with two scanning elements, wherein the one scanning element in pairs a right angle between them has enclosing surfaces. Here, this scanning element is a star-shaped one Body, i.e. as a so-called called mirror star S1 formed. This Mirror star is shown in Fig. 1 also folded out in plan view and effected a scan of a scene perpendicular to the plane of the drawing by moving it about its axis Al rotates. The mirror star consists of n900 pairs of mirrors, e.g. eight pairs of mirrors, whose roof edges are arranged on a cylinder with the inner circle radius r1. As a second scanning element in a scanning direction perpendicular to the first scanning direction a swiveling flat mirror S2 is used. In addition, this embodiment has a system according to the invention nor a lens system L3 as input optics as well a lens arrangement L2, a transmission optics L1 and a detector arrangement D.

Die Rotation des Spiegelsterns S1 um seineAchse A1 bewirkt eine Parallelverschiebung der optischen Achse O* senkrecht zur Zeichenebene. Diese Verschiebung bewirkt zusammen mit der Eingangsoptik L3 eine Abtastung der Szene. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems wird nun der Strahlungsdetektor D, der aus einem oder mehreren Einzelelementen besteht, durch ein die Ubertragungsoptik L1 darstellendes Relais-Linsensystem in D' abgebildet. Der Ort D' liegt hier auf einem Umkreis des Spiegelsterns S1 mit dem Außenkreis-Radius r2. Dadurch wird erreicht, daß der Abtastwirkungsgrad des Spiegelsterns S1 nahezu 100 96 ist und daß die Parallelverschiebung von 0* ohne Winkeländerung der optischen Achse 0 durch D erzeugt wird, d.h. es ergibt sich eine stationäre Lage von 0. Bei diesem Verfahren bewegt sich jedoch das virtuelle Bild D" des Detektors nicht auf einer Geraden, sondern auf einem Kreis, dessen Mittelpunkt rechtsvon D" liegt, d.h. das Abtastsystem erzeugt eine negative Bildfeldwölbung. Wird diese jedoch nicht toleriert, so ist man gezwungen, D' an eine andere Stelle, d.h. nicht mehr auf den Umkreis von S1, zu legen. Damit muß man aber auf einen Teil der Vorteile des Spiegelsterns 51 verzichten, namlich auf den hohen Abtastwirkungsgrad und die stationäre Lage von 0. Das erfindungsgemäße System toleriert jedoch die negative Bildfeldwölbung, wie im folgenden erklärt wird, und nutzt somit alle Vorteile von 51. Ein Hauptgrund für die Notwendigkeit, die negative Bildfeldwölbung zu vermeiden, ist die Tatsache, daß bei der im allgemeinen nötigen Kombination des beschriebenen Systems mit einem zweiten Abtastsystem für die Abtastung in der Zeichenebene eine Anpassung der Bildfeldwölbungen der beiden Ablenksysteme auf Schwierigkeiten stößt. Bei dem erfindungsgemäßen System wird diese Anpassung dadurch erreicht, daß als zweites Ablenksystem ein Spiegel S2 verwendet wird, der an einem Arm A2 um eine Achse Z geschwenkt wird. Bei diesem System ist eine Ausführung möglich, bei der Z den Krtimmungskreismittelpnkt, A2 den Krümmungskreisradius, S2 die Tangente und Dt bzw. der Schnittpunkt von L3 mit 0** die Brennpunkte einer Ellipse bilden. Dieses System hat eine positive Bildfeldwölbung. Nun gelingt es, durch Verlängerung von A2 und Verschiebung von Z eine negative Bildfeldwölbung des Ablenksystems S2 - A2 zu erreichen, die an die Bildfeldwölbung des Systems S1 angepaßt werden kann. Die gemeinsame, etwa sphärische Bildfeldwölbung kann nun durch eine entsprechende Wölbung des Bildfeldes der Eingangsoptik L3 kompensiert werden.The rotation of the mirror star S1 about its axis A1 causes a parallel shift the optical axis O * perpendicular to the plane of the drawing. This shift works together a scan of the scene with the input optics L3. In the case of the one shown in FIG The radiation detector is now an exemplary embodiment of a system according to the invention D, which consists of one or more individual elements, through a transmission optics Relay lens system representing L1 shown in D '. The place D 'lies on here a circumference of the mirror star S1 with the outer circle radius r2. This achieves that the scanning efficiency of the mirror star S1 is almost 100 96 and that the parallel shift from 0 * without changing the angle of the optical axis 0 through D, i.e. it yields a stationary position of 0. With this method, however, the virtual one moves Image D "of the detector is not on a straight line, but on a circle, its center point to the right of D ", i.e. the scanning system produces a negative curvature of field. If this is not tolerated, however, one is forced to give D 'to another Job, i.e. no longer to be placed in the vicinity of S1. But with that you have to go to a part do without the advantages of the mirror star 51, namely the high scanning efficiency and the stationary position of 0. However, the system according to the invention tolerates the negative field curvature, as will be explained in the following, and thus uses all the advantages of 51. A major reason for needing to avoid negative field curvature is is the fact that in the generally necessary combination of the described System with a second scanning system for scanning in the plane of the drawing Adjustment of the field curvature of the two deflection systems encounters difficulties. In the system according to the invention, this adaptation is achieved in that as Second deflection system, a mirror S2 is used, which is attached to an arm A2 around a Axis Z is pivoted. With this system, an implementation is possible in which Z the center point of the circle of curvature, A2 the radius of the circle of curvature, S2 the tangent and Dt or the intersection of L3 with 0 ** form the focal points of an ellipse. This System has a positive field curvature. Now it is possible by extending A2 and shift of Z a negative field curvature of the deflection system S2-A2 to achieve, which can be adapted to the curvature of field of the system S1. the common, roughly spherical field curvature can now be achieved by a corresponding curvature of the image field of the input optics L3 can be compensated.

Weiterhin enthält das erfindungsgemäße System eine Hilfslinse L2. Die Funktion einer derartigen Linse ist folgende: Die von S1 bewirkte Parallelverschiebung von 0* führt zu einer Parallelverschiebung von O** und erzeugt dadurch entweder Vignettierung des Strahlengangs in L3 oder zwingt dazu, L3 im Durchmesser größer als an sich nötig zu machen. Wenn nun L2 eine Brennweite hat, die etwa dem Abstand L2 - L3 entspricht, wird die Parallelverschiebung von 0* in eine Schwenkbewegung von O** um deren Schnittpunkt mit L3 verwandelt, so daß die Pupille des Systems in L3 liegt.The system according to the invention also contains an auxiliary lens L2. The function of such a lens is as follows: The parallel displacement caused by S1 of 0 * leads to a parallel shift of O ** and thereby generates either Vignetting of the beam path in L3 or forcing L3 to be larger in diameter than to do in itself necessary. If now L2 has a focal length that corresponds approximately to the distance L2 - L3, the parallel shift is from 0 * to a Pivoting movement of O ** around its intersection with L3 transformed so that the pupil of the system is in L3.

Die Fig. 2 zeigt eine Modifikation des den gleichen grundsätzlichen Aufbau aufweisenden Systems, die zwar die mechanische Komplexität vergrößert, jedoch die Leistungsfähigkeit weiter erhöht. Das Ablenksystem S2 -A2, wie es im Vorhergehenden beschrieben ist, ist zwar bei geeigneter Dimensionierung der optischen Elemente vignettierungsfrei, aber die Achsen 0**, 0* und 0 bewegen sich, wenn man A2 um Z schwenkt, so, daß 0 um D eine Winkelbewegung in der Zeichenebene ausführt. Deshalb kann man den Detektor für diese Ablenkeinrichtung nicht optimal abblenden und somit nicht die höchstmögliche Detektivität erreichen.Fig. 2 shows a modification of the same basic one System having a structure that increases the mechanical complexity, however the efficiency further increased. The deflection system S2 -A2, as in the previous one is described, is with suitable dimensioning of the optical elements vignetting-free, but the axes 0 **, 0 * and 0 move when you move A2 around Z pivots so that 0 about D performs an angular movement in the plane of the drawing. That's why one can not optimally mask the detector for this deflection and thus do not achieve the highest possible level of detectivity.

In Fig. 2 ist nun ein ebener Feldspiegel S3 im Reflexionsweg eingefügt, auf dem der Detektor D' abgebildet wird. Dieser Spiegel ist mechanisch so an den Arm A2 gekoppelt, daß er eine Winkelbewegung um den Punkt D' ausführt, die durch geeignete Wahl des Ubersetzungsverhältnisses und der Drehrichtung die lfinkelbewegung von O* kompensiert, so daß 0 keine Bewegung um D mehr ausführt. Dadurch läßt sich der Detektor optimal abblenden und die Detektivität voll ausnützen. D' kann in diesem Fall nicht mehr auf dem Umkreis von Si liegen. Dadurch verringert sich der Abtastwirkungsgrad von S1, jedoch bleibt die Reduzierung gering, da der Abstand von D' zum Umkreis klein bleibt. Der Verlust wird durch die Erhöhung der Detektivität aber bei weitem ausgeglichen.In Fig. 2, a plane field mirror S3 is now inserted in the reflection path, on which the detector D 'is imaged. This mirror is mechanically so to that Arm A2 coupled so that it performs an angular movement about the point D ', which is carried out by suitable choice of the transmission ratio and the direction of rotation the angular movement compensated by O *, so that 0 no longer moves around D. This can be Dim the detector optimally and take full advantage of the detectivity. D 'can in this Fall no longer on the perimeter of Si. This lowers the scanning efficiency from S1, however, the reduction remains small because the distance from D 'to the perimeter remains small. The loss is made by the increase in the detectivity but by far balanced.

6 Patentansprüche 2 Figuren6 claims 2 figures

Claims (6)

Patentansprüche W System-zur zur Abtastung von Strahlungsenergie, insbesondere zur Abtastung des Bildfeldes eines optischen Sichtgerätes, mit einem rotierenden Abtastelement, das jeweils paarweise einen rechten Winkel zwischen sich einschließende reflektierende Flächen aufweist, einem die Strahlung auf diese Flächen richtenden Linsensystem als Eingangsoptik und einer Detektoranordnung, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n d e t, daß das rotierende Abtastelement (Si) zur Abtastung in einer ersten Richtung aus einem sternförmigen Körper mit 900-Spiegelpaaren besteht, deren Dachkanten auf einem Zylinder angeordnet sind und daß zur Abtastung in einer zu der ersten Richtung senkrechten Richtung ein schwenkbarer, ebener Spiegel (S2) vorgesehen ist, der an einem Arm (A2) um eine Schwenkachse (Z ) senkrecht zur Rotationsachse (A1) des Abtastelementes (S1) und senkrecht zur optischen Achse des Linsensystems (L3) schwenkbar ist.Claims W system for scanning radiant energy, in particular for scanning the image field of an optical viewing device, with a rotating scanning element, which in pairs form a right angle between them having enclosing reflective surfaces, one the radiation on these surfaces directing lens system as input optics and a detector arrangement, d a -d u It is clear that the rotating scanning element (Si) is used for scanning consists of a star-shaped body with 900 pairs of mirrors in a first direction, whose roof edges are arranged on a cylinder and that for scanning in a direction perpendicular to the first direction a pivotable, plane mirror (S2) is provided on an arm (A2) about a pivot axis (Z) perpendicular to the axis of rotation (A1) of the scanning element (S1) and perpendicular to the optical axis of the lens system (L3) is pivotable. 2. System nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß zwischen dem ebenen Spiegel (S2) und dem rotierenden Abtastelement (S1) eine Linsenanordnung (L2) vorgesehen ist, deren Brennweite etwa dem Abstand zum Linsensystem (L3) der Eingangsoptik ist.2. System according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that between the plane mirror (S2) and the rotating scanning element (S1) a lens arrangement (L2) is provided, the focal length of which is approximately the distance to The lens system (L3) of the entrance optics is. 3. System nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen dem rotierenden Abtastelement (Si) und der Detektoranordnung (D) im Reflexionsweg des Abtastelementes eine Ubertragungsoptik (L1) derart angeordnet ist, daß die Detektoranordnung (D) an einem Ort (D') auf dem Umkreis des Abtastelementes (51) abgebildet ist.3. System according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that between the rotating scanning element (Si) and the detector arrangement (D) a transmission optics (L1) arranged in this way in the reflection path of the scanning element is that the detector arrangement (D) at a location (D ') on the circumference of the scanning element (51) is shown. 4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -d u r c h g e k en n z e i c h n e t , daß die Schwenkachse (Z) des ebenen Spiegels (S2) derart angeordnet ist, daß sich eine negative Bildfeldwölbung des Spiegels (S2) ergibt.4. System according to one of claims 1 to 3, d a -d u r c h g e k en n e i n e t that the Pivot axis (Z) of the plane mirror (S2) is arranged in such a way that there is a negative field curvature of the mirror (S2) yields. 5. System nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen dem rotierenden Abtastelement (S1) und der Detektoranordnung (D) im Reflexionsweg ein Feldspiegel (53) und eine die Detektoranordnung (D) an einem Ort (D') auf dem Feldspiegel (S3) abbildende obertragungsoptik (Li) angeordnet sind und daß der Feldspiegel (53) mechanisch derart an dem Arm (A2) gekoppelt ist, daß er eine Schwenkbewegung um den Ort (D') der Detektorabbildung ausführt.5. System according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that between the rotating scanning element (S1) and the detector arrangement (D) a field mirror (53) and a detector arrangement (D) in the reflection path arranged at a location (D ') on the field mirror (S3) imaging transmission optics (Li) and that the field mirror (53) is mechanically coupled to the arm (A2) in such a way that it performs a pivoting movement about the location (D ') of the detector image. 6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das rotierende Abtastelement (S1) acht 900-Spiegelpaare aufweist.6. System according to any one of the preceding claims, d a d u r c h g It is noted that the rotating scanning element (S1) has eight pairs of 900 mirrors having.
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