DE2841778C2 - Optisch-mechanisches Abtastsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisch-mechanisches Abtastsystem für aktive oder passive Abtastung mit einem rotierenden Abtastelement, das paarweise einen rechten Winkel einschließende, reflektierende planare Flächen aufweist, deren Schnittlinien parallel zur Rotationsachse des Abtastelementes verlaufen, wobei das Objektiv in der Nähe der Spiegelflächen abbildet, und im Reflexionsweg eine zweite fokussierende Linsenanordnung zwecks Abbildung auf dem Detektor vorgesehen ist.

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 Strahlungsdetektor oder ein Detektorfeld gerichtet. Eine derartige Abtastung wird gewöhnlich in einer Folge von parallelen Zeilen durchgeführt, die ein Einzelbild ergeben. Derartige Einrichtungen werden z. B. zur Abtastung des Bildfeldes eines optischen Sichtgerätes, insbesondere eines Infrarotgerätes, eingesetzt.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur μ Bildabtastung ist bekannt. Diese Vorrichtung besitzt bereits ein mit paarweise unter rechtem Winkel angeordneten ebenen Spiegeln versehenes rotierendes Abtastelement, wobei die Schnittlinien dieser paarweise zusammengehörigen Spiegel parallel zur Rotationsachse verlaufen. Bei der bekannten Vorrichtung zeigen die Spiegelflächen nach außen. Darauf folgt, daß der Ort der virtuellen Abbildung längs einer gekrümmten Linie verläuft, deren Randbereiche vom Objektiv weiter entfernt sind als der mittige Bereich, d, h, es ergibt sich entsprechend der gekrümmten Linie eine Bildfeldwölbung, die der normalerweise bei Linsen eintretenden Bildfeldwölbung (siehe hierzu Bergmann-Scbaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band III, Optik, 4. Auflage 1966, Seite 92, Abb, 119) entgegengesetzt ist In diesem Fall ist eine scharfe Abbildung über das gesamte Bildfeld nur sehr schwierig, d, h. mit großem optischen Aufwand zu erreichen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem optisch-mechanischen Abtastsystem der eingangs genannten Art einen Weg aufzuzeigen, der bei möglichst geringem Aufwand und einfachem Aufbau des Abtastsystems eine scharfe Abbildung über das gesamte Bildfeld ermöglicht

Diese Aufgabe wird bei einem optisch-mechanischen Abtastsystem der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die planaren Flächen des Abtastelementes zu dessen Rotationsachse weisend angeordnet sind.

Bei einem derarigen Abtastsystem wird beim Anwendungsfall als passives System die von einer Szene ausgehende Strahlungsenergie von einer als Eintrittsoptik dienenden ersten Linsenanordnung fokussiert und trifft unter einem Winkel auf die Innenseite des rotierenden Abtastelementes. Dort sind von jeweils zwei einen rechten Winkel einschließenden reflektierenden Flächen Spiegelpaare gebildet Die Strahlung wird an beiden Flächen eines Spiegeipaares reflektiert Im Reflexionsweg befindet sich eine weitere Linsenanordnung als Übertr&gungsoptik. welche die Strahlung schließlich auf den Detektor fokussiert

Durch die Rotation des Abtastelementes um seine Symmetrieachse erfolgt eine zellenförmige Abtastung des Bildfeldes. Infolge der Anordnung der Spiegelpaare an der Innenseite des rotierenden Abtastelementes erzeugt dieses eine Bildfeldwölbung, die der normalerweise bei Linsen eintretenden Bildfeldwölbung angenähert ist, d. h., die vom Objektiv und vom rotierenden Abtastelement erzeugten BildfddWoioangen sind nicht entgegengesetzt, sondern in derselben Richtung gekrümmt. Bei einem erfindungsgemäßen Abtastsystem wird daher eine ausreichend scharfe Abbildung über das gesamte Bildfeld ohne zusätzlichen Aufwand in einfacher Weise erzielt Es ist somit ein einfacher Aufbau gewährleistet, da zum Empfang der Strahlungsenergie außer dem rotierenden Abtastelement lediglich einfache fokussisrende Linsenanordnungen erforderlich sind. Die erfindungsgemäße Ausbildung des rotierenden Abtastelementes mit Spiegelpaaren bewirkt ferner, daß im Verlaufe des Abtastvorganges die durch die erste Linsenanordnung als Eintrittsoptik einfallenden konus· föimigen Strahlungsbündel derart auf den Detektor oder die Detektoranordnung fokussiert werden, daß die Symmetrieachsen dieser konischen Strahlungsbündel in Abtastrichtung, d. h. senkrecht zur optischen Achse der Eingangsoptik, parallel versetzt werden. Dies bewirkt eine relativ geringe Vignettierung, insbesondere bei Optiken mit langen Brennweiten.

Bei der mit dem erfindungsgemäßen Abtastsystem verbundenen Krümmung des Bildfeldes kann eine Angleichung der Krümmungsradien der vom Objektiv sowie der vom rotierenden Abtastelement erzeugten Bildfeldwölbung in vorteilhafter Weise dadurch erreicht werden, daß am Ort der vom Objektiv erzeugten Zwischenabbildung ein sphärisch gekrümmter Spiegel oder eine entsprechend wirkende Feldlinse angebracht

ist. Bei einem ernsidungsgemäßen Abtastsystem mit einem solchen Spiegel ergibt sich ferner der Vorteil, daß durch eine geeignete Wahl der Krümmung des Spiegels und der Dimensionen und Abstände der übrigen optischen Elemente im Strahlengang die Blende des optischen Systems in die die Eir.trittsoptik bildende erste Linsenanordnung gelegt werden kann. In diesem Fall wirkt der Spiegel dann als Feldspiegel. Um die Blende des optischen Systems in die Eintrittsoptik legen zu können, ist es auch zweckmäßig, am Ort der Zwischenabbildung statt eines gekrümmten Spiegels eine Feldlinse anzuordnen. Dadurch wird die Apertur des Systems voll ausgenützt und eine Abschattung weitgehend vermieden.

Eine Abtastung in einer zu der Abtastrichtung des rotierenden Abtastelementes senkrechten Richtung, also eine vertikale Abtastung eines Bildes, erfolgt bei einem erfindungsgemäßen Abtastsystem vorzugsweise dadurch, daß ein die Abtastung in der zweiten Richtung bewirkender Schwenkspiegel vor dem Objektiv angeordnet ist. Seine Schwenkachse ist senkrecht zur Rotationsachse des rotierenden Abtastelementes und senkrecht zur optischen Achse der Linsena'-Ordnungen und somit parallel zur Bildzeile. Im Falle der Anordnung des Schwenkspiegels im (parallelen) Strahlengang vor der ersten Linsenanordnung (Objektiv) erzeugt dieser Spiegel keine Bildfeldkrümmung.

Es ist jedoch auch möglich, den Schwenkspiegel zur vertikalen Abtastung in dem (konvergenten) Strahlengang vor oder nach dem rotierenden Abtastelement zur Zeilenabtastung, d. h. zwischen der ersten Linsenanordnung (Objektiv) und dem rotierenden Abtastelement bzw. zwischen diesem und der zweiten Linsenanordnung vorzusehen. In diesem Fall erzeugt der Schwenkspiegel zwar eine Bildfeldwölbung, diese ist jedoch den durch das rotierende Abtastelement und das Objektiv bereits gegebenen Verhältnissen in bezug auf die Bildfeldwölbung in vorteilhafter Weise angenähert. Zweckmäßigerweise sind bei einem solchen erfindungsgemäßen System die vom rotierenden Abtastelement erzeugte Uildfeldkrümmung und die dann durch den Schwenkspiegel zur Vertikalabtastung erzeugte Bildfeldkrümmung auf die Wölbung des Bildfeldes der ersten Lirsenanordnung (Objektiv) möglichst weitgehend angenähert, so daß keine ins Gewicht fallende Defokussierung über das gesamte Bildfeld auftritt. Eine derartige Annäherung im Sirrsve einer möglichst weitgehenden Anpassung der Krümmungsradien der einzelnen Bildfeldkrümmungen kann z. B. durch entsprechende Wahl des Ortes des Schwenkspiegels oder des Durchmessers dei rotierenden Abtastelementes erfolgen.

Ein erfindungsgemäßei Abtastsystem kann außer zur passiven Abtastung auch zur aktiven Abtastung eines Gesichtsfeldes eingesetzt werden. In diesem Fall findet als Lichtquelle in vorteilhafter Weise ein Laser Verwendung. Es ist aber auch möglich, als Lichtquelle eine Leuchtdiode bzw. Leuchtdiodenanordnung zu verwenden.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abtastsystems zur passiven Abtastung von Strahlungsenergie ist im folgenden an Hand von Zeichnungen näher beschrieben.

F i g. 1 zeigt schematisch den Aufbau des Abtastsystems, F i g. 2 das Abtastsystem in Seitenansicht,

Fig, 3 eine Vorderansicht auf ein bei einem erfindungsgemäßen Abtastsystem verwendetes Abtastelement,

F i g, 4,5 und 6 zeigen die Wirkungsweise im Prinzip, Das Abtastsystem nach den Fig. 1 und 2 besteht aus einem Abtastelement 1, einem Spiegel Sp, zwei fokussierenden Linsenanordnungen L1 und L 2 und einem Detektor D zum Empfang der Strahlungsenergie. Das Abtastelement 1 ist hier zur horizontalen Abtastung des Bildfeldes eines optischen Sichtgerätes, insbesondere eines Infrarotgerätes, vorgesehen und als hohler kreiszylindrischer Körper ausgebildet, der um seine Symmetrieachse A 1 rotiert. An der Innenwand dieses Körpers sind reflektierende planare Flächen 2a, 2b bzw. 3a,3bbzw.4a, 4busw. vorgesehen, die jeweils paarweise einen rechten Winkel zwischen sich einschließen und Flächenpaare 2,3,4 usw. bilden. Die Flächen sind derart angeordnet, daß die Schnittlinie der Ebenen jeweils zweier, einen rechten Winkel einschließender Flächen in Richtung der Rotationsachse A 1 des Abtastelementes 1 verläuft Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 weist das Abtastelement 1 zwölf verspiegelte Flächenpaare 2,3,4 usw. auf. Zur vertikalen Abtastung des Bildfeldes ist der ebene Spiegel Sp vorgesehen, -der um eine zur Rotrationsachse A 1 des Abtastelemuites 1 und zur optischen Achse A 2 der Linsenanordnungen L1 und L 2 senkrechte Achse A 3 schwenkbar ist. Der Spiegel Sp ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel im parallelen Strahlengang vor der ersten Linsenanordnung L 1 angeordnet Die erste Linsenanordnung L i dient als Objektiv, welches die von einer Szene ausgehende Strahlungsenergie auf die reflektierenden Flächen des Abtastelementes 1 richtet und ist so angeordnet daß sich auf dem gestrichelten Innenkreis K, auf dem die Schnittlinien benachbarter Flächenpaare liegen, eine Zwischenabbildung Zw ergibt (F i g. 3). An dem Ort der Zwischenabbildung kann zur Abstimmung der mit dem Abtastsystem verbundenen Bildfeldkrümmungen ein nicht näher dargestellter sphärisch oder asphärisch gekrümmter Spiegel angeordnet werden. Zweckmäßigerweise besitzt das erfindungsgemäße System an Stelle eines solchen Spiegels an dem Ort Zw jedoch eine ebenfalls nicht näher dargestellte Feldlinse. Ip diesen zuletzt genannten Fällen befindet sich der Ort der Zwischenabbildung aus praktischen Gründen im allgemeinen nicht exakt auf dem Innenkreis K.

Bei einem System nach den F i g. 1 und 2 tnfft die von einer nicht dargestellten Szene ausgehende Strahlungsenergie auf den schwenkbaren Spiegel Sp zur Vertikalabtastung und wird von diesem auf die Linsenanordnung L1 reflektiert Diese vor dem Abtastelement 1 zur horizontalen Abtastung zwischen dem Spiegel Sp und dem Abtastelement angeordnete Linsenanordnung L 1 fokussiert die Strahlungsenergie, welche dann als konisches Strahlungsbündel unter einem Winkel auf die Innenseite des hohlen Kreiszylinders 1 und damit auf die reflektierenden Flächen 2a, 2b bzw. 3a, 3b bzw. 4a, 4b der Flächenpaare 2, 3, 4 trifft. Dort wird die Strahlung von den beiden Flächen, z. B. 2a und 2b, eines Spiegelpaares, z. B. 2, reflektiert Auf diese Weise wird also die auf das Abtastelement treffende Strahlung, d.h. genauer die in ein verspiegeltes Flächenpaar aus zwei im rechten Winkel zueinander angeordneten reflektierenden Flächen einfallende Strahlung innerhalb dieses Flächenpaares von der einen Fläche auf die andere Fläche reflektiert und trifft nach Reflexion an dieser aus dem betreffenden Flächenpaar austretend auf d'.s als Übertragungsoptik dienende zweite Linsenanordnung L 2. Die im Reflexionsweg auf der anderen Seite des Abtastelementes angeordnete

Linsenanordnung Ll schließlich fokussiert die Strahlungsenergie wiederum als konisches Strahlungsbündel auf den Deiektor D, der im Bildpunkt der Linsenanordnung L 2 angeordnet ist.

Die Verwendung eines nach den Fig. 1 bis 3 ausgebildeten Abtastelementes, also eines rotierenden Abtastelementes, dessen reflektierende planare Flächen, z. B. 2aund 2b, zur Rotationsachse A 1 hin weisend angeordnet sind, bei einem erfindungsgemäßen Abtastsystem hat den Vorteil einer Annäherung der vom Abtastelement erzeugten Bildfeldwölbiing an die normalerweise bei Linsen eintretende Bildfeldwölbung, d. h. die von der ersten Linsenanordnung L 1 (Objektiv) und vom rotierenden Abtastelement 1 erzeugten Bildfeldwölbungen sind nicht entgegengesetzt, sondern in derselben Richtung gekrümmt. Dies ist im folgenden anhand der Fig.4 und 5 kurz erläutert, welche im Prinzip die Erzeugung des Bildfeldes bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten rotierenden Abtastelement zeigen. Dabei befindet sich in Fig. 4 ein Flächenpaar 2a, 2b in einer ersten Stellung des rotierenden Abstastelementes und in Fig. 5 in einer in Rotationsrichtung weitergedrehten zweiten Stellung. Dabei zeigt sich, daß die virtuellen Orte Zw₁ und Zwi auf einer gekrümmten Linie liegen, so daß sich ein gewölbtes, virtuelles Bildfeld ergibt. Diese Bildfeldwölbung ist der bei Linsen eintretenden Bildfeldwölbung angenähert.

Falls gemäß F i g. 1 der die Abtastung in der zweiten (vertikalen) Richtung bewirkende Schwenkspiegel 5p vor dem Objektiv angebracht ist, erzeugt dieser Spiegel keine Bildfeldkrümmung. Wird jedoch der Schwenkspiegel zwischen Objektiv und rotierendem Abtastelement eingefügt, so erzeugt er eine Bildfeldkrümmung, welche zu den durch das Objektiv und das rotierende Abtastelement erzeugten Bildfeldkrümmungen paßt, d. h. in derselben Richtung gekrümmt ist. Dies zeigt im Prinzip die Fig.6, aus der hervorgeht, daß sich bei einem von einer Stellung 1 in eine gestrichelt eingezeichnete Stellung 2 schwenkbaren ebenen Spiegel ein virtuelles Bild D\ bzw. Di eines Detektors D auf einer gekrümmten Linie ergibt.

Die geschilderten verschiedenen Bildfeldwölbungen sind bei einem erfindungsgemäßen Abtastsystem mit zwischen rotierendem Abtastelement und Objektiv angeordneten Schwenkspiegel demnach einander angenähert und lassen sich durch zusätzliche Maßnahmen, wie Anordnung z. B. einer Feldlinse am Orte der Zwischenabbildung Zw hinsichtlich ihrer Krümmungsradien noch weiter aufeinander abstimmen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Optisch-mechanische? Abtastsystem für aktive oder passive Abtastung mit einem rotierenden Abtastelement, das paarweise einen rechten Winkel einschließende, reflektierende planare Flächen aufweist, deren Schnittlinien parallel zur Rotationsachse des Abtastelementes verlaufen, wobei das Objektiv in der Nähe der Spiegelflächen abbildet, und im Reflexionsweg eine zweite fokussierende ι ο Linsenanordnung zwecks Abbildung auf dem Detektor vorgesehen ist, dadurch gekennzeichne t, daß die planaren Flächen (2a, 2b, 3a, 36,4a, 4b) des Abtastelementes (1) zu dessen Rotationsachse (Ai) weisend angeordnet sind.

2. Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Abtastung in der zweiten Richtung bewirkender Schwenkspiegel (Sp) vor dem Objektiv (L 1) angeordnet ist.

3. Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Abtastung in der zweiten Richtung bewirkender Schwenkspiegel zwischen dem Objektiv (L 1) und dem rotierenden Abtastelement (1) angeordnet ist

4. Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Abtastung in der zweiten Richtung bewirkender Schwenkspiegel zwischen dem rotierenden Abtastelement (1) und der zweiten Linsenanordnung (L 2) angeordnet ist

5. Abtastsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Ort der vom Objektiv (Li) erzeugten Zwischenabbildung ein sphärisch gek.ümmter Spiegel oder eine entsprechend wirkende Feldlinrs angebracht ist

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