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Einrichtung zur Abtastung von Strahlungsenergie
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Abtastung von Strahlungsenergie,
insbesondere zur Abtastung des Bildfeldes eines optischen Sichtgerätes, mit mindestens
einem die Strahlung reflektierenden, um eine Dreh- oder Kippachse bewegbaren Abtastelement,
einer die Strahlung auf das Abtastelement richtenden Eingangsoptik, einem die abgelenkte
Strahlung auf eine Detektoranordnung fokussierenden Linsensystem und ggf. einer
das Gesichtsfeld der Detektoranordnung begrenzenden Blende Es ist bekannt, zur Abtastung
der von einer Szene ausgehenden Strahlungsenergie, d.h. zur Betrachtung einer Szene,
optisch-mechanische Abtasteinrichtungen zu verwenden. Bei derartigen Einrichtungen
bestehen die Abtastelemente meist aus schwenkbaren Spiegeln und/oder rotierenden
prismatischen Körpern, z.B. aus Polygontrommeln. Damit wird Licht von aufeinanderfolgenden
Bereichen einer Szene auf eine von einem einzelnen Strahlungsdetektor oder einem
Detektorfeld gebildete
Detektorano-dnung gerichtet. Hierbei fällt
die Strahlung der Szene nach Eintritt in die optische Abtasteinrichtung und Ablenkung
an den Abtastelementen als konusförmiges Strahlenbündel und je nach der momentanen
Stellung det Abtastelemente - wie Fig. 1 zeigt - unter verschiedenen Winkeln auf
die Detektoranordnung. Um nun für dae gesamte abzutastende Bildfeld Vignettierung
zu vermeiden, muß die Blende vor der Detektoranordnung somit größer als das momentane
Gesichtsfeld und damit größer als die momentane Nutzstrahlang gewählt werden. Es
kann daher neben Zielstrahllmg auch Strahlung ohne Nutzinformati3n oder Störstrahlung
auf die Dtektoranordnung gelangen. Dies kann jedoch unter gewissen Umständen, z.B.
insbesondere bei im infraroten Strahlungsbereich einsetzbaren optischen Systemen
oder Geräten, eine erhebliche Einbuße an Detektivität zur Folge haben.
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Aus der DE-@S 22 33 870 ist ein optisches Verfahren zur Erkennung
thermischer Kontraste bekannt, welches Storeinstrahlung vermeiden und damit eine
Erhöhung der thermischerA Kontrastempfindlichkeit bewirken soll. Die Vorrichtung
zur Ausübung dieses optischen Verfahrens weist einen im Zentrum einer sphärischen
Lochblende angeordneten IR-Detektor auf, der sich gleichzeitig im Mittelpunkt eines
sphärischen Reflexionsfilters befindet. Dieses Filter ist vor der Lochblende angeordnet
oder konstruktiv mit dieser vereinigt. Als Detektoranordnung kann auch ein Reihendetektor
verwendet werden, wobei die Detektorelemente so auf einem gemeinsamen gekühlten
Träger angeordnet sind, daß sich die verschiedenen Detektorelemente gegenseitig
sehen.
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Ferner ist durch die DE-PS 1 772 465 eine Vorrichtung zum Schutz geräteeigener
Störstrahlung in IR^optischen Geräten bekannt, bei der die in den Geräten e:athaltenen
optischelemente und Halterungen, doh. alle die-Jenigen Teile, die in der Lage wären,
Störstrahlung in die Empfangszelle zu senden, verspiegelt und in Abhängigkeit von
ihrer Lage so geformt sind, daß sie die gekühlte Empfangszelle in sich selbst abbilden
und somit als Autokollimationsspiegel wirken.
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In der DE-PS 1 722 465 ist jedoch nichts über die Lage des vom Autokollimationsspiegel
erzeugten Bildes eines Detektorelementes ausgesagt, während bei der aus der DE-AS
22 33 870 bekannten Vorrichtung vorgesehen istX einen Detektor auf einen anderen
abzubilden. Bei beiden Vorrichtungen können die Bilder der Detektoren infolge der
Aberrationen des sphärischen Autokollimators gegen über den Detektoren verwaschen
sein. Bei der aus der DE-PS 1 772 465 bekannten Vorrichtung ist also nicht berücksichtigt,
daß durch die Autokollimation Zielstrahlung, die von einem Detektor infolge seines
immer von 1 abweichenden Absorptionsfaktors reflektiert wird, auf einen anderen
Detektorgelangen kann, während bei der aus der DE-AS 22 33 870 bekannten Vorrichtung
dieser Effekt offenbar bewußt vorgesehen ist. Dieser Effekt führt Jedoch zu einem
Übersprechen zwischen den einzeln nen Detektoren und somit zu sogenannten Geisterbildern.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, dieses Ubersprechen
zu verhindern und gleichzeitig die Empfindlichkeit D* eines Detektors zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genawnteXl Art
dadurch gelöst, daß im Reflexionsweg zwischen Eingangsoptik und Detektoranordnung
vor dieser
und vor einer ggf. vorgesehenen Detektorblende ein Spiegel
angeordnet ist, daß der Spiegel mit einer Öffnung versehen ist, durch welche die
momentane Nutzstrahlung auf die Detektoranordnung gelang; und daß der und ausgebildet
Spiegel derart angeordnet/ist, daS er eine gekühlte Fläche, die keinen Detektor
enthält, auf die Detektoranordnung abbildet.
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Bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung bewirkt der im Reflexionsweg
vorgesehene Spiegel, daß das Bild der Detektoranordnung außerhalb der Anordnung
auf eine gekühlte Fläche fällt. Infolgedessen "blickt" der nichtbenUtzte, d.h. nicht
von Zielstrahlung beaufschlagte Teil des Gesichtsfeldes des Detektors auf eine gekühlte
Fläche. Auf diese Weise wird bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung das Rauschen
bei Detektoranordnungen wesentlich vermindert und ein Ubersprechen zwischen einzelnen
Detektoren weitgehend verhindert. Gleichzeitigwird dadurch die Detektivität D* eines
Detektors erheblich verbessert.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Einrichtung
sind im folgenden anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Abtastung von Strahlungsenergie
nach Fig. 2 weist als Abtastelement einen Ablenkspiegel 1 auf, der um eine Achse
2 senkrecht zur Abtastrichtung, d.h. senkrecht zur Zeichenebene, schwenkbar ist.
In der Fig. 2 sind zwei Stellungen des Abtastelementes eingezeichnet, nämlich in
gestrichelter bzw. in ausgezogener Linie. Dementsprechend sind auch die beiden zu
diesen Stellungen gehörigen Randstrahlenbündel gestrichelt bzw. ausgezogen eingezeichnet.
Außerdem besitzt die Einrichtung eine nicht näher dargestellnicht te Eingangsoptik,
welcne Gle von einer eDenIalls/aarge-
stellten Szene ausgehende
Strahlung auf das Attastelement 1 richtet werner t eine Detektoranordnung 3 vorgesehen,
auf welche die vom Abtastelement abglenkte Strahlung mittels eines im Reflexionsweg
angeordneten Linsensystems 4 fokussiert wird. Die Detektoranordnung kann aus einem
einzelnen Strahlungsdetektor bestehen oder von einem Detektorfeld gebildet werden
und ist zweckmäßigerweise auf einem gekühlten Träger angeordnet. Der Detektoranordnung
vorgesetzt ist eine das Gesichtsfeld des Detektors begrenzende Blende 5, deren Apertur
dem Öffnungsverhältnis des Linsensystems 4 entspricht. Schließlich ist zwischen
dem Linsensystem 4 und der Detektorblende 5 ein sphärischer oder zylindrischer Spiegel
6 angeordnet, dessen Apertur 7 dem Öffnungswinkel nur eines der von dem Linsei.aystem
fokussierten Randstrahlenbundel entspricht, in Fig. 2 also dem Öffnungswinkel des
ausgezogenen oder des gestrichelt gezeichneten Randstrahlenbündels. Außerdem ist
der Spiegel 6 mechanisch mit dem Abtastelement 1 unter Zwischenschaltung einer geeigneten
Übersetzung gekoppelt, so daß er den Schwenkbewegungen des Abtastelementes folgend
dann -bei Betrachtung lediglich der Randstrahlenbündel -in der mit ausgezogener
Linie eingezeichneten Position des Abtastelementes nur das entsprechende, ebenfalls
mit ausgezogener Linie dargestellte erste Randstrahlenbündel und in der mit gestrichelter
Linie eingezeichneten Position des Abtastelementes nur das entsprechende, ebenfalls
mit gestrichelter Linie dargestellte andere Randstrahlenbündel durchläßt. Der Spiegel
6 ist somit um einen kleinen Winkel entsprechend den Abtastbewegungen des Abtastelementes
1 in seiner Position schwenkbar angeordnet. Außerdem ist der Spiegel 6 gegenüber
seiner Symmetrieachse geringfügig gekippt.
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Bei der Abtastung einer Szene tritt nun die von der Szene ausgehende
Strahlung durch die Eingangsoptik und
trifft soda$$ auf das um die
Achse 3 schwenkbare Abtastelement 1. Die von diesem reflektierte Strahlung wird
von Lin$sensystem 4 auf die in dessen Bildpunkt und etwa im littelpunkt des Spiegels
6 angeordnete Detektoranordnung 3 fokussiert. Dabei durchtritt das konvergiere@de
Strahlenlenbündel den Spiegel 6 und die Detektorble@de 5. Im Verlauf der Abtastung
wird das Abtastelement 1 um einen bestimmten Winkel um die Achse 2 geschwenkt. Infolge
der Kopplung des Spiegels 6 mit dem Abtastelement 1 wird nun auch der Spiegel kann
einem bestimmten Winkel mitgeschwenkt. Dadurch ist der bewegliche Spiegel so an
das Abtastelement angekoppelt, daß er nur strahlung mit Nutzinformation auf die
Detektoranordnung @ gelangen läßt, während derJenige Teil des Öffnungswinkels, der
von der Detektorblende wegen der Bewegung des Strahlenbündels freigegeben werden
muB infolge der Kippung des Spiegels gegenüber seiner Symmetrieachse auf die gekühlte
Fläche in Detektornahe kollimiert wird Auf diese Weise gelangt praktisch keine Strahlung
ohne Nutzinformation mehr auf die Detektor anordnung.
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Die Fig. 3 ind 4 zeigen eine andere erfindungsgemäße Einrichtung,
bei der das Abtastelement aus einem um eine Achse senkrecht zur Abtastrichtung rotierenden
Polygonspiegel 10, z.B. mit 12 Flächen besteht. Bei dieser Einrichtung gelangt die
Strahlung von der Eingangsoptik über einen feststehenden. Fedspiegel 11 auf den
rotierenden Polygonspiegel 10 und wird mittels eines Linsensysters 12 auf die Detektoranordnung
13 fokussiert. Der Fedspiegel 11 ist dabei gegen die optische Achse +es Linsensystems
geneigt angeordnet. Bei einer derartigen Abtasteinrichtung ist es zur Erzielung
eines möglicht hohen Abtastwirkungsgrades zweckmäßig, stets mehr ls einei vorzugsweise
zwei Flächen des Ab-
tastelementes auszuleuchten. Der Feldspiegel
11 ist dabei so bemessen, daß das entstehende Zweibild ausgeblendet wird. Dadurch
wird Jedoch ebenfalls der von der hier nicht näher dargestellten Detektorblende
freigegebene Öffnungswinkel nicht voll mit Nutzstrahlung beaufschlagt.
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Das Zweitbild kann zwar durch schwarze Flächen in Feldspiegelnähe
ausgeblendet werden, man erhält dabei. aber Störstrahlung auf den Detektor. Bei
der Abtasteinrichtung nach den Fig. 3 und 4 wird das Zweitbild in vorteilhafter
Weise durch einen fest angeordneten Spiegel 14 eliminiert, der den nichtbenützten
Teil des Öffnungswinkels in die Nähe der Detektoranordnung auf eine kalte Fläche
kollimiert. Dieser Spiegel 14 ist mit einer %ssparung 15 zum Durchtritt des Feldspiegels
11 versehen. Die optische Achse des Spiegels 14 ist mit der optischen Achse des
Linsensystems identisch, d.h. bis auf einen kleinen Winkel, der die Ablage des Kollimationsbildes
von der Detektoranordnung erzeugt gleich.
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Anstelle eines bei der Abtasteinrichtung nach den Fig.
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2, 3 und 4 benutzten sphärischen oder zylindrischen Spiegels kann
auch ein in Fig. 5 dargestellter Spiegel 20 von elliptischer Form verwendet werden,
wobei die Detektoranordnung 21 in einem der beiden Brennpunkte dieses Spiegels vorgesehen
ist. Der Spiegel 20 ist ebenfalls mit einer Aussparung 22 versehen und fest oder
beweglich angeordnet, so daß nur eine seiner optischen Achsen durch die Mitte der
Detektoranordnung 21 verläuft , wahand die andere genügend Ablage erzeugt, damit
eine kalte Fläche auf die Detektoranordnung abgebildet wird. Der elliptische Spiegel
20 hat die EigenschaftR Strahlung aus eines seiner beiden Brennpunkte auf den anderen
Brennpunkt zu fokussieren.
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Zweckmäßigerweise ist bei einer erfindungsgemäßen Abtast-
einrichtung
die gekühlte Fläche,z.B. die Detektorblende, die auf die Detektoranordnung abgebildet
wird, mit einem Emissionsfaktor von möglichst nahe 1 ausgeführt.
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5 Patentansprüche 5 Figuren
L e e r s e i t e