DE2925296C3 - Einrichtung zur Abtastung von Strahlungsenergie - Google Patents

Description

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 Drehpder 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, wobei im Reflexionsweg zwischen Eingangsoptik und Detektoranordnung vor dieser und vor der ggf. vorgesehenen Detektorblende ein Spiegel angeordnet ist, der mit einer Öffnung versehen ist, durch welche die momentane Nutzstrahlung auf die Detektoranordnung gelangt.

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 Detektoranordnung 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 der Abtastelemente — wie F i g. 1 zeigt — unter verschiedenen Winkeln auf die Detektoranordnung. Um nun für das gesamte abzutastende Bildfeld Vignettierung zu vermeiden, muß die Blende vor der Di-'tektoranordnung somit größer als das momentane Gesichtsfeld und damit größer als die momentane Nutzstrahlung gewählt werden. Es kann daher neben Zielstrahlung auch Strahlung ohne Nutzinformation oder Störstrahlung auf die Detektoranordnung 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.

Die CH-PS 3 68 822 betrifft eine optisch-mechanische Abtastvorrichtung mit mehreren drehbaren Spiegeln jo zur Abtasijng in der einen Richtung und einem Spiegelrad zur Abtastung in der anderen Richtung. Das Spiegelrad tastet das von einem Parabolspiegel, der die von den drehbaren Spiegeln reflektierte Strahlung auffängt, erzeugte Brennpunktbild ab und reflektiert es J5 auf eine Photozelle. Außerdem ist noch eine Bildbegrenzungsblende vorgesehen, die aus flachen, reflektierenden Oberflächen zusammengesetzt ist. Hierbei soll die der Blende eigene, also eine geräteeigene Störstrahlung vermieden werden, indem die Strahlung der Blende durch eine der mittleren Temperatur der abgetasteten Landschaft entsprechende Strahlung ersetzt wird, wobei die Temperaturstrahlung der Landschaft von der Blende gegen die konkaven Abtastspiegel reflektiert wird.

Bei der aus der GB-PS 13 29 726 bekannten Abtastanordnung ist ein mit einer öffnung versehener Spiegel vorgesehen, der lediglich einen einfachen, oszillierenden Spiegel darstellt, der die von einem ersten Ablenkspiegel reflektierte Strahlung auf einen feststehenden sphärischen Spiegel reflektiert.

Aus der DE-AS 22 33 870 ist ein optisches Verfahren zur Erkennung thermischer Kontraste bekannt, welches Störeinstrahlung vermeiden und damit eine Erhöhung der thermischen 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 Reihendetekuir verwendet werden, wobei die Detektorelemente so auf einem gemeinsamen gekühlten Träger angeordnet sind, daß sich die verschiedenen Detektorelemente gegenseitig sehen.

Ferner ist durch die DE-PS 17 72 465 eine Vorrichtung zum Schutz geräteeigener Störstrahlung in IR-optischen Geräten bekannt, bei der die in den

Geräten enthaltenen optischen Elemente und Hnlterungen. d. h. alle diejenigen 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 Autokollima'ionsspiegel wirken.

Bei der aus der DE-PS 17 72 465 bekanmen Vorrichtung wird also aufgrund der Autokollimation der Detektor in sich selbst abgebildet, während bei der ans der DE-AS 22 33 870 bekannten Vorrichtung vorgesehen ist. einen Detektor auf einen anderen abzubilden. Bei beiden Vorrichtungen können die Bilder der Detektoren infolge d°r Aberrationen des sphärischen Autokollimators gegenüber den Detektoren verwaschen sein. Bei der aus der DE-PS 17 72465 bekannten Vorrichtung ist also nicht berücksichtigt, daß durch die Autokollimation Zielstrahlung, die von einem Detektor infolge seines immer von I abweichenden Absorptionsfaktors reflektiert wird, im Falle eines Detektorarrays auf einen anderen Detektor gelangen kann, während bei der aus der DE-AS 22 33 870 bekannten Vorrichtung dieser Effekt offenbar bewußt vorgesehen ist. Dieser Effekt führt je-/'doch zu einem Übersprechen zwischen den einzelnen Detektoren und somit zu sogenannten Geisterbildern.

Aus der DE-OS 27 13 545 ist eine weitere Anordnung zur Ausblendung von Störstrahlung bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art bekannt, wobei vor ijäer Detektoranordnung ein synchron mit der Bewegung fäes optischen Hauptstrahles mitbewegter Autokollimationsspiegel vorgesehen ist. Dieser Spiegel hat eine Offnung, durch welche die momentane Nutzstrahlung auf 'die Detektoranordnung gelangt, wirkt aber ebenfalls ?nach dem Autokollimationsprinzip, so daß auch hier ■ wieder ein Detektor in sich selbst abgebildet wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, dieses Übersprechen zu verhindern und gleichzeitig die Empfindlichkeit D* der Detektoren zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Spiegel derart angeordnet und ausgebildet ist, daß er eine in Detektornähe befindliche gekühlte Fläche, die keinen Detektor enthält, auf die Detektoranordnung abbildet.

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 -iiichtbenützte. 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 der Detektoranordnung wesentlich vermindert und ein Übersprechen zwischen einzelnen Detektoren weitgehend verhindert.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Einrichtung sind im folgenden anhand von Zeichnungen näher beschrieben.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Abtastung von Strahlungsenergie nach F i g. 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 F i g. 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 dargestellte Eingangsoptik, welche die von einer ebenfalls nicht dargestellten Szene ausgehende Strahlung auf das Abtastelement 1 richtet. Ferner ist eine Detektoranordnung 3 vorgesehen, auf welche die vom Abtastelement abgelenkte Strahlung mittels eines im Reflexionsweg angeordneten Linsensystems 4 ^r> fokussiert wird. Die Detektoranordnung kiinn aus einem einzelenen Strahlungsdetektor bestehen oder von einem Detektorfeld gebildet werdpn und! isi zweckmäßigerweise auf einem gekühlten Träger angeordnet. Der Detektoranordnung vorgesetzt ist eine das Gesichtsfeld

in 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 zyl'ndrischer Spiegel 6 angeordnet, dessen Apertur 7 dem öffnungs-Ί winkel nur eines der «on dem Linsensystem fokussierten Randstrahlenbündel entspricht, in F i g. 2 also dem öffnungswinkel des ausgezogenen oder des ges'richelt gezeichneten Randstrahlenbündels. Außerdem ist der Spiegel 6 mechanisch mit dem Abtastelement 1 unter

Ji) 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

2) Abtastelementes nur das entsprechende, ebenfalls mit ausgezogener Linie dargestellte erste Randstrahlenbündel und in der mit gestrichelter Linie eingezeichneten Position öp.s Abtastelementes nur das entsprechende, ebenfalls mit gestrichelter Linie dargestellte andere

JO 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 'geringfügig gekippt, so daß seine optische Achse mit der

r> optischen Achse des Linsensystems einen kleinen Winkel bildet, der die Ablage des Kollimationsbildes von der Detektoranordr.ung erzeugt.

Bei der Abtastung einer Szene tritt nun die von der Szene ausgehende Strahlung durch die Eingangsoptik

4i) und trifft sodann auf das um die Achse 2 schwenkbare Abtastelement 1. Die von diesem reflektierte Strahlung wird vom Linsensystem 4 auf die in dessen Bildpunkt und etwa im Mittelpunkt des Spiegels 6 angeordnete Detektoranordnung 3 fokussiert. Dabei durchtritt das

4". konvergierende Strahlenbündel den Spiegel 6 und die Detektorblende 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

ίο um einen 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

•ν') Detektorblende wegen der Bewegung des Strahlenbündels freigegeben werden muß. infolge der Kippung des Spiegels gegenüber seiner Symmetrieachse auf die gekühlte Fläche in Detektornähe kollimieit wird. Auf diese Weise gelangt praktisch keine Strahlung ohne

bo Nutzinformation mehr auf die Detektoranordnung.

Die F i g. 3 und 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

b5 dieser Einrichtung gelangt die Strahlung von der Eingangsoptik über einen feststehenden Feldspiegel 11 auf den rotierenden Polygonspiegel 10 und wird mittels eines Linsensystems 12 auf die Detektoranordnung 13

fokussiert. Der Feldspiegel 11 ist dabei gegen die optische Achse des Unsensystems geneigt angeordnet. Bei einer derartigen Abtasteinrichtung ist es zur Erzielung eines möglichst hohen Abtastwirkungsgrades zweckmäßig, stets mehr als eine, vorzugsweise zwei 5 Flächen des Abtastelementes auszuleuchten. Der Feldspiegel 11 ist dabei so bemessen, daß das entstehende Zweiibild ausgeblendet wird. Dadurch wird jedoch ebenfalls der von der hier nicht näher dargestellten Detektorblende freigegebene Öffnungs- ι ο winkel nicht voll mit Nutzstrahlung beaufschlagt. 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 Mähe der Detektoranordnung auf eine kalte Fläche kollimiert Dieser Spiegel 14 ist mit einer Aussparung 15 zum Durchtritt des Feldspiegels 11 versehen. Die optische Achse des Spiegels 14 bildet mit der optischen Achse des Linsensystems einen kleinen Winkel, der die Ablage des Kollimationsbildes von der Detektoranordnung erzeugt.

Anstelle eines bei der Abtasteinrichtung nach den Fig.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, während die andere genügend Ablage erzeugt, damit eine kalte Fläche auf die Detektoranordnung abgebildet wird. Der elliptische Spiegel 20 hat die Eigenschaft, Strahlung aus einem seiner beiden Brennpunkte auf den anderen Brennpunkt zu fokussieren.

Zweckmäßigerweise ist bei einer erfindungsgemäßen Abtasteinrichtung die gekühlte Fläche, z, B. die Detektorblende, die auf die Detektoranordnung abgebildet wird, mit einem Emissionsfaktor von möglichst nahe 1 ausgeführt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. 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, wobei in Reflexionsweg zwischen Eingangsoptik und Detektoranordnung vor dieser und vor der ggf. vorgesehenen Detektorblende ein Spiegel angeordnet ist. der mit einer öffnung versehen ist, durch welche die momentane Nutzstrahlung auf die Deiektoranordnung gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (6) derart angeordnet und ausgebildet ist. daß er eine in Detektornähe befindliche gekühlte Fläche, die keinen Detektor enthält, auf die Detektoranordnung abbildet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement aus einem um eine Achse (2) senkrecht zur Abtastrichtung schwenkbaren Ablenkspiegel (1) besteht, daß der Spiegel (6) im Reflexionsweg zwischen dem Linsensystem (4) und der ggf. vorgesehenen Detektorblende (5) angeordnet und schwenkbar mit der Bewegung des Ablenkspiegels (1) gekoppelt ist und daß die Öffnung des Spiegels (6) dem Öffnungsverhältnis des gesamten optischen Systems entspricht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement aus einem um eine Achse senkrecht zur Abtastrichtung rotierenden Polygonspiegel (10) besteht, daß der Spiegel (14) zwischen der Eingangsoptik und dem Polygonspiegel am Ort eines Feldspiegels (11) angeordnet ist, daß die optische Achse des Spiegels (14) mit der optischen Achse des Linsensystems (12) einen kleinen Winkel bildet, der die Ablage des Kollimationsbildes von der Detektoranordnung erzeugt und daß der Spiegel (14) eine Aussparung (15) zum Durchtritt des Feldspiegels (11) aufweist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (20) eine elliptische Form aufweist und seine eine optische Achse identisch mit der optischen Achse des Linsensystems ist.