DE2920870A1

DE2920870A1 - Vorrichtung zur zweidimensionalen abtastung einer szene

Info

Publication number: DE2920870A1
Application number: DE19792920870
Authority: DE
Inventors: Klaas Johannes Dekker; Pieter Roos
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-06-16
Filing date: 1979-05-23
Publication date: 1980-01-03
Also published as: FR2428854A1; NL7806504A; GB2023872A; IT1121096B; IT7923545A0; SE7905208L; GB2023872B

Description

1 1 . 11.1978 3 PHW 9153

Vorrichtung zur zweidimensionaleh Abtastung einer Szene.

Die Erfindung bezieht sicli auf

eine Vorrichtung zur zweidimensionalen Abtastung einer Szenej. insbesondere im Infrarotwellenlängenbereich,

mit einem Objektivsystem, einem flachen Spiegel, der um 5

eine zu seiner Spiegelfläche parallele Achse kippbar ist und zur Abtastung in einer ersten Richtung dient sowie mit einer drehbaren Trommel, die mit einer Anzahl von Spiegelflächenzur Abtastung in einer zu der ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung versehen ist, und mit einem strahlungsempfindlichen Detektor.

Eine derartige Abtastvorrichtung

die in einer sogenannten Värmebild- (oder Infrarot-) Kamera oder in einem Infrarotfernrohr verwendet wird, ist z.B. aus der niederländischen Patentanmeldung - 6.813.387 bekannt.

In Abtastvorrichtungen dieser

Art wird ein flachex"· Spiegel, der eine verhältnismässig langsame oszillierende Bewegung vollführt, dazu benutzt, die unterschiedlichen horizontalen Zeilen einer Szene

oder eines Gegenstandes nacheinander einem Detektox- zuzuführen, so dass eine vertikale Abtastung zustande kommt. Mit der Spiegeltrommel, die sich mit verhältnismässig grosser Geschwindigkeit dreht, kann jeweils eine waagerechte Zeile der Szene oder des Gegenstandes abgetastet

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werden. ¥enn das Wärmebild auf einem Fernselimonitor wiedergegeben wird,wird eine waagerechte Zeile in 6k /usec abgetastet, während sich der flache Spiegel mit 50 Hz dreht. Stets wird ein kleines punktförmiges Gebiet der Szene oder des Gegenstandes auf dem Detektor abgebildet, so dass dieser Detektor ein punktförmiger Detektor sein kann.

Bei der genannten Abtastvorrichtung ergibt sich das Problem, dass die Bildfläche des

Objsktivsystems flach oder kugelförmig ist, während die Krümmungen der Bildflächen die von dem kippenden flachen Spiegel und von der sich drehenden. Spiegeltrommel erzeugt werden, in bezug auf einander und in bezug auf die

Bildflächenkrümmung des Objektivsystems ungleich sind. 15

Ausserdem ist die Bildflächenkrümmung, die von der sich drehenden Spiegeltrommel eingeführt wird, der Bildflächenkrümmung des Objektivsystems entgegengesetzt. Dadurch tritt-eine Defokussierung an den Rändern des Sehfeldes

" des Objektivsystems auf.
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Man könnte in Erwägung ziehen,

das Objektivsystem für die zwei verschiedenen Bildflächenkrümmungen zu korrigieren. Es ist aber unmöglich, dies mit einem drehsymmetriechen optischen System zu erzielen. Ein anderer Gedanke könnte darin bestehen, die Abtast-Vorrichtung derart zu entwerfen, dass die zwei Bildflächenkrümmungen einander gleich sind, wobei dann das Objektiv für die eine Bildflächenkrümmung korrigiert wird. In diesem Falle müsste aber drastiech in den Entwurf der Abtastvorrichtung eingetiffen werden, wodurch 30

sich die Anzahl der Freiheitsgrade im Entwurf beschränken würde; namentlich könnte dann keine drehbare Spiegeltrommel verwendet werden, wodurch dieser Entwurf in der Praxis weniger brauchbar wird.

Die vorliegende Erfindung 35

bezweckt, eine zweidimensional Abtastvorrichtung zu schaffen, in der die Bildflächenkrümmung infolge des kippenden Spiegels und die Bildflächenkrümmung infolge

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der sich, drehenden SpiegeltiOmmel mit verhältnismässig einfachen Mitteln gut korrigiert werden kanq ohne dass dabei die Anzahl der Freiheitsgrade im Entwurf der Vorrichtung herabgesetzt wird.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturelement zwischen dem kippbaren flachen Spiegel und der Bildfläche des Objektivsystems angeordnet ist, wobei

dieses Korrekturelement die von der sich drehenden 10

Trommel eingeführte Bi^ dflächenkrümmung gleich der Bildflächenkrümmung des durch das Objektivsystem und das Korrekturelement gebildeten Systems macht, und dass die Drehachse des flachen Spiegels etwa duz^ch denKrümmungs-

mittelpunkt der Bildfläche d.es Objektivsystems hindurchgeht 15

Das Korrekturelement wird

in einer Richtung nur auf der optischen Achse der Vorrichtung und in einer zu dieser Richtung senkrechten Richtung auch ausserhalb der Achse verwendet. In der letzteren Richtung, die oben als die zweite Abtastrichtung bezeichnet ist, beeinflusst das Korrekturelement die Bildflächenkrümmung.

Die Bildfeldkrümmung in der ersten Abtastrichtung wird dadurch korrigiert, dass man

die Drehachse des flachen Spiegels durch den Mittelpunkt 25

der Bildfläche des Objektivsystems hindurchgehen lässt.

Die Abtastvorrichtung nach der

Erfindung kann kompakt sein. Das korrekturelement kann aus einer einfachen positiven Linse bestehen, die axis demselben Material wie das Objektivsystem z.B. aus Germanium, hergestellt ist.

Vorzugsweise besteht jedoch

das Korrekturelement aus einer negativen Linse mit einer kleinen Brechungszahl. Die negative Linse kann aus einem _op einzigen Linsenelement bestehen, aber axxch aus zwei oder mehr Linsenelementen aufgebaut sein.

Wenn die negative Linse aus einem Material besteht, dessen Streuung gegenüber der

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des Materials des Objektivsystems gross ist, können³ mit dieser Linse ausser der Bildflächenlcrümmung auch die longitudinalen Farbfehler des Objektivsystems korrigiert werden.

Die Erfindung wird nachstehend

beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch das

PrinzLp einer bekannten zweidimensionalen Abtast-10

vorrichtung,

Fig. 2 die Bilderzeugung

mittels eines in dieser Vorrichtung verwendeten kippbaren flachen Spiegels,

Figuren 3 und k die Bilder-15

zeugung mittels der in der Abtastvorrichtung verwendeten drehbaren Spiegeltrommel,

Fig. 5 schematisch das Prinzip einer zweidimensionalen Abtastvorrichtung nach der Erfindung,
.

Figuren 6 und 7 eine Ausführungsform einer Vorrichtung ^jnach der Erfindung, und

Fig. 8 ein Zwischenobjektiv einer besonderen Zusammensetzung zur Amiendung in einer

Vorrichtung nach der Erfindung.
25

In Fig. 1 ist schematisch die

Konstruktion dargestellt, die in einer bekannten zweidimensionalen Abtastvorrichtung verwendet wird. Tatsächlich verläuft der Strahlengang in dieser Figur von

links nach rechts. Für ein besseres Verständnis wird 30

man aber dein Strahlengang von dem Detektor zu dem Objektivsystem folgen.

Das Objektivsystem ist in

Fig. 1 durch die einfache Linse 1 dargestellt. Das Objektiv sy stern kann, jedoch auch durch ein Dublette oder durch, ein Spiegelobjektiv, -vxie ein Schmidt-Objektiv, oder durch ein Bouwers-Maksutov-Objektiv gebildet werden. Die Lage des Detektors ist mit dem Punkt D angegeben. Da die

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drehbare Trommel eine Spiegeltrommel ist, kann der Detektor nicht innerhalb der Trommel angeordnet werden, da die von der Trommel reflektierte Strahlung auf den

Detektor fokussiert werden muss. Dazu ist ein Zwischeng

objektiv Z angebracht. Auf der rechten Seite der Fig.1 ist weiter ein rechteckiges Koordinatensystem XYZ dargestellt. Die Richtung Z ist die Richtung der von einem (einer) abzutastenden Gegenstand (Szene) stammenden und

durch das Objektivsystem hindurchtretenden Strahlung, Das 10

Abtastelement, das für die Abtastung in der X-Richtung verwendet wird, ist durch den Block 3 dargestellt. Dieses Abtastelement ist eine in den Figuren 3 und k im Detail dargestellte Spiegeltrommel, die um eine Achse in der Y-

Richtung gedreht wird. Der Block k stellt das Abtastele-15

ment dar, das für die Abtastung in der Y-Richtung sorgt.

Dieses Element ist ein in den Figuren 2 und 6 dargestellter flacher Spiegel, der um eine Achse in der X-Richtung gekippt wird.

Beim Fehlen der beiden Abtast-20

elemente wür de der Detektor im Punkt D¹ abgebildet werden.

Beim Vorhandensein der zwei Abtastelemente wird, wenn sich die beiden Abtastelemente in der Nullage befinden, der Punkt D' in dem Punkt D^lf wieder abgebildet.

Werden die beiden Abtastelemente 25

3 und h in Bewegung versetzt, so wird sich die Abbildung D¹ infolge der Drehung des Elements 3 längs der Kurve h mit einem Krümmungsradius R, in der XZ-Ebene bewegen. Erfolgt nur die Kippbewegung des Abtast elements k_s wüx-de

sich die Abbildung D¹' längs einer Kurve V mit einem 30

Krümmungsradius Ry. in der YZ-Ebene bewegen. Beim Betrieb der beiden Abtastelemente bewegt sich die Abbildung D¹· also längs einer gekrümmten Oberflächen oder Bildfläche b mit Krümmungsradien R, und R_v.Dabei ist R. ungleich

In Fig. 2 schematisch die

Bilderzeugung mittels nur des kippenden Spiegels, also

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des Elements 4 in Fig. 1, dargestellt. In dieser Figur ist D- der Detektor oder eine Abbildung desselben. Der Abstand zwischen D₁ und dem Drehpunkt r des Spiegels ist R_v . Wenn sich der Spiegel in der Nullage befindet, wird D₁ in D'' abgebildet. Eine Drehung des Spiegels über einen Winkel qQ ergibt ein Bild D" von D₁. Der Winkel D¹J r D" ist dann 2 <oC · Es lässt sich einfach nachweisen, dass D" auf dem Kreis-durch D₁ und DL¹ mit dem Mittelpunkt r liegt Denn D₁₉D" bzw. D₁)D" werden senkrecht durch rm und rm¹ in zwei gleiche Teil-e geteilt, so dass D₁JD" und D₁₉D" Sehnen des Kreises sind. Dieser Kreis ist der Kreis V mit dem Radius R_v in Fig.1.

In den Figuren 3 und k ist das

Prinzip der Abtastung mittels nur der Spiegeltrommel dargestellt. Die Spiegeltrommel enthalt eine Anzahl von Facetten. Eine Facette besteht aus zwei zueinander senkrechten Spiegelflächen 8. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, wird das eintretende Strahlungsbündel 7 vom Objektivsystem 1 in einem Punkt fokussiert, der innerhalb der Spiegeltrommel 3 liegt. Die Facetten reflektieren das Strahlungsbünde], wonach dieses Bündel von dem Zwischenobjektiv auf dem Detektor D abgebildet xtfird. Daher lässt sich sagen, dass umgekehrt der Detektor von dbm Zwischenobjektiv 2 auf dem beschriebenen Kreise der Spiegeltrommel 3 abgebildet wird.

^⁵ In Fig. h sind einige Facetten

der Spiegeltrommel vergrössert dargestellt. Die Trommel wird um eine Achse durch den Punkt M, die senkrecht zu der Zeichnungsebene verläuft, gedreht. Durch die vollen ■Linien ist die Nullage der Trommel dargestellt. Die

gestrichelten Linien stellen die Lage der Facetten dar, nachdem sich die Trommel über einen Winkel \^r gedreht hat. Nach Drelmng über einen Winkel gleich 3όθ°/η, wobei η die Anzahl der Facetten der Trommel darstellt, befindet sich die Trommel wieder in der Nullage. Es wird angenommen, dass der Detektor im Punkt D₁ abgebildet wird. Die Abbildung infolge der Reflexion an den Flächen E₁K und E„K kann als eine Spiegelung des Punktes D₁ in bezug auf den

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Punkt K dargestellt werden. Der Punkt D. ist fest, denn der Detektor steht still. Bei Drehung der Trommel beschreibt dir Punkt K einen Kreisbogen, wodurch die Abbildung Ώ}, des Punktes D₁ den gestrichelten Kreisbogen mit den äussersten Lagen D' beschreibt. Auf diese Weise wird von dem Detektor eine Kurve in dem G-egenstandsraum mit einem Krümmungsradius abgetastet, der gleich dem Innendurchmesser (2 IiM) der Spiegeltrommel 3 ist.

Die Bildfläche b des Objektivsystems 1 ist flach oder, wie in Fig. 1 angenommen ist, kugelförmig mit einem Krümmungsradius R.

In den bekannten Abtastvorrichtungen wird eine der Bildflächenkrümmungen R bzw. h korrigiert, während die andere nicht korrigiert wird.

Auch kann die Korrektur derart sein, dass zwar beide Bildflächenkrümmungen korrigiert werden, aber dann nur zu einem verllältnismässig geringen Teil.

Nach, der Erfindung wird sowohl die Bildflächenkrümmung in der XZ-Ebene als auch die in

^" der TZ-Ebene gut korrigiert. Wie in Fig. 5 dargestellt ist, wird dies dadurch erreicht, dass ein Korrekturelement in Form einer Linse 5 in dem Strahlungsweg angeordnet wird. Die Korrekturlinse sorgt dafür, dass bei der Abbildung von D¹ auf D" die Bildflächenkrümmung h in die

*⁵ Bildflächenkrümmung h¹ mit entgegengesetzter Krümmung und mit einem Krümmungsradius R, , übergeht. Die Linse 5 hat nur eine korrigierende Wirkung in der XZ-Ebene in der YZ~ Ebene wird die Korrekturlinse nur längs der z-Aclise verwendet, so dass sie eine Verschiebung des Bildpunktes

^ D" längs der z-Achse in bezug auf die Situation nach Fig. 1 herbeiführt. Der Krümmung sr ad:ius Ry. der Bildfeldkrümmung in der YZ-Bbene wird nicht durch die Linse 5 geändert. Das Korrekturelement weist eine derartige Stärke auf, dass R, ' = R„ ist. Das Objektivsystem kann nur derart entworfen sein, dass der Krümmungsradius R seiner Bildflächenkrümmung gleich R und somit auch, gleich R, ist, so dass das Objektivsystem für beide

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Bildflächenkrümmungen korrigiert ist.

Die Korrekturlin.se 5 ist

zwischen dem kippbaren Spiegel und der Bildfläche des Objektivsystems, und zwar nähe bei dieser Bildfläche, angeordnet.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform einer Abtastvorrichtung-nach der Erfindung im Detail. Das Objektivsystem 1, das hier als eine· einfache Linse dargestellt ist, weist eine Bildfläche b auf, die zu dem Objektivsystem hin gekrümmt ist und einen Krümmungsradius R besitzt. Ein paraLlel zu der optischen Achse 00' einfallendes Bündel wird in dem Punkt D" fokussiert, wälirend ein unter einem Winkel zu der Achse 00' einfallendes Bündel in dem Punkt DJ! fokussiert wird. Von dem kippbaren Spiegel 4 sind zwei Lagen dargestellt, und zwar die Nullage durch volle Linien und eine von dieser abweichende Lage durch gestrichelte Linien. Die Achse, um die der Spiegel gekippt wird, geht durch den Punkt r und steht senkrecht auf der Zeichnungsebene. Indem nach der Er-

findung der Abstand r-D" gleich R gewählt wird, ist die Bildflächenkrümmung infolge des kippenden ""piegels der des Objektivsystems angepasst.

Der Spiegel h würde, wenn die

Korrekturlinse 5 nicht vorhanden wäre, alle Punkte, die auf dem Kreisbogen (in der YZ-Ebene der Fig. 1) durch die Punkte D" und D]! liegen, nacheinander in einem Punkt F' abbilden, weil die Drehachse des Spiegelst djrch. den Krünmungsmittelpunkt der kugelförmigen Bildfläche des Objektiv-systems hindurchgeht. Indem die Korrekturlinse 5 in dem

Strahlungsweg angeordnet wird, werdei. dfe Punkte des genannten Kreisbogens alle in dem Punkt D¹ abgebildet. Dabei ist die Lage des Drehpunktes r nicht besonders kritisch. Dieser Punkt kann auch in einem Abstand von einigen Millimetern von dem Mittelpunkt der Kugel b °

liegen.

Die Punkte, die atif dem Kreisbogen h¹ (in der XZ-Ebene der Fig. 1 ) liegen, würden beim

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Fehlen der Korrektulinse auf der Kurve h" abgebildet werden. Die Korrekturlinse 5 sorgt dafür, dass die Punkt der Kurve Ii' auf der Kurve h durch D¹ abgebildet werden. Die Kurve h fällt genau mit der zylindrischen Bildfläche der Spiegeltrommel 3 zusammen.

Die Drehachse 9 der Spiegeltrommel wird in einer praktischen Ausführungsform einen ¥inkel "X mit der optischen Achse des durch das Objektivsystem 1, den Kippspiegel 4 und die Korrekturlinse 5 gebildeten Systems einschliessen. Dadurch wird vermieden, dass, wie in Fig. 3 vorausgesetzt ist, der Detektor im ¥ege der eingehenden Strahlung angeordnet werden muss.

Die von der Spiegeltrommel

reflektierte Strahlung wird von einer Zwischenoptik 2 auf" 15

den Detektor D fokussiert, wie in Fig. 7 dargestellt ist. In dieser Figur ist eine Abtastvorrichtung dargestellt, deren Objektivsystem aus zwei Linsenelementen besteht, während auch, die Korrekturlinse durch zwei Linsenelemente gebildet wird.

¥enn das Abbildungssystem, das

durch das Objektivsystem 1, den kippbaren Spiegel k, die Spiegeltrommel 3 und die Relaislinse 2 gebildet wird, vollkommen in bezug auf Koma, Astigmatismus und sphäri-

„_ sehe Aberration korrigiert ist, gilt für die Bildfeld-Zo

krümmung dieses System;

1 \ 1

R - / n.f.

*■———-.

wobei n..die Brechungszahl und f. die Brennweite der einzelnen optischen Elemente darstellen, während R der Radius der Bildfeldkrümmung ist. Es leutet ein, dass, solange diese Formel für eine negative Gesamtbildfeld—

krümmung gilt, die der der Spiegeltrommel angepasst ist, für die Korrekturlinse eine negative Linse mit niedriger

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Brechungszahl erforderlich ist. Dadurch, dass die Linse aus einem Material wie ZnS oder ZnSe, hergestellt wird, dessen Streuung in bezug auf die von Germanium gross ist, können auch die longitudinalen , Farbfehler des Objektivsystems von der Korrekturlinse korrigiert werden.

Wenn die Abbildung in

bezug auf Koma, Astigmatismus und sphärische Aberration nicht vollkommen zu sein braucht, braucht die obenstehende Formel nicht mehr erfüllt zu werden. Dann kann das Korrekturelement aus einer einfachen Linse bestehen, die aus demselben Material, wie das Objektivsystem, z.B. aus Germanium, hergestellt ist. Die Farbfehler können dann nicht von der Korrekturlinse beseitigt werden.

Falls das Korrekturelement 5

nur zum Korrigieren von Bildflächenkrümmungen verwendet wird, können die longitudinalen Farbfehler des Objektiv— systems dadurch korrigiert werden, dass in das Zwischenobjektiv 2 ein negatives Linsenelement mit grosser

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Steuung aufgenommen wird. Wie in Fig. 8 angegeben ist, kann das Zwischenobjektiv dann aus zwei Linsoielementen 11 und 12 aus Germani7m mit einem zwischenliegenden Linsenelement 13 aus z.B. ZnS bestehen. Der laterale Farbfehler des Objektivsystems wird naturgemäss nicht

von der Relaislinse beeinflusst. Wegen der geringen Streuung von Germanium ist dieser Farbfehler¹ nicht störend.

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-Xl -

Leerseite

Claims

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PATENTANSPRUECHE

Vorrichtung zur zweidimensionalen Abtastung einer Szene, insbesondere im Infrarotwellenlängenbereich, mit einem Objektivsystem, einem flachen Spiegel, der um eine zu seiner Spiegelfläche parallele Achse kippbar ist und zur Abtastung in einer ersten Richtung dient, sowie mit einer drehbaren Trommel, die mit einer Anzahl von Spiegelflächen zur Abtastung in einer zu der ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung ver-

sehen ist, und mit einem strahlungsempfindlichen Detektor, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturelement zwischen dem kippbaren flachen Spiegel und der Bildfläche des Ob j ektiv systems angeordnet isb, wobei dieses Korrekturelement die von der sich drehenden Trommel eingeführte Bildflächenkrümmung gleich der Bildflächenkrümmung

des durch das Objektivsystem und das Korrekturelement gebildeten Systems macht, und dass die Drehachse des flachen Spiegels etwa durch den Mittelpunkt der Bildfläche des Ob j ektiv sy stems hindurchgeht.

2. Vorrichtiuig nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet ₅ dass das Korrekturelement dux-ch eine negative Linee mit niedriger Breclmngszahl gebildet wird.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturlinse aus einem

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Material hergestellt ist, das eine gi"össere Streuung als das Material des Objektivsysteras aufweist. k. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Spiegeltrommel und dem Detektor vorhandenes Zwischenobjektiv ein negatives Linsenelement enthält, das aus einem Material besteht, das eine grössere Dispersion als das Material des Objektivsystems aufweist.

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