DE3012870A1

DE3012870A1 - Vorrichtung zur bildabtastung

Info

Publication number: DE3012870A1
Application number: DE19803012870
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. 6903 Neckargemünd Zeifang
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-04-02
Filing date: 1980-04-02
Publication date: 1981-10-08
Also published as: FR2480053B3; DE3012870C2; FR2480053A1

Description

PATENT-INQENIEUR MANFRED RIECKE 3012870

· 3· I960 ^β333 Braunfei·

190 / ri Neuköllner Straße

Telefon (08442) 4352

Vorrichtung zur Bildabtastung

Dr. Günter Zeifang Kurt-Lindanann-Str. 6903 Neckargemlind

130041/OS10

• r ·

Die Erfindung betrifft «in· Vorrichtung zur Bildabtastung, bei der zur Bildzeilenabtastung und zur Bildhöhenabtastung getrennte« aber in Ihrer Bewegung zueinander synchronisierte optische Bauelemente verwendet worden·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, die eine afokale Vorrichtung darstellt, d.h. die eine derart definierte Lage der reellen Eintrittspupille hat, daß ohne Schwierigkeiten Teleskope mit einer reellen Auetrittspupille vorsetzbar sind, so daß der Bildwinkel und die geometrische Auflösung den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden können, sofern die Auetrittspupille des Teleskopes Bit der Eintrittepupille der Vorrichtung zusammengelegt werden.

Außerdem soll die Vorrichtung möglichst klein sein und eine hohe Abtastrate zulassen.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, welche die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale besitzt.

In der Zeichnung ist die Erfindung in Mehreren AusfUhrungsbeispielen dargestellt. Es zeigen:

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BAD ORIGINAL _p,n ~~,_ΛΙΚ!M

Dr, G, Zoifang

Die Begrenzung des Körpers inä der Richtung der Rotationsachse besteht vorzugsweise aus ebenen Flächen, die parallel zur Fläche der Flächen^normalen sind. Bilden die Normalen keine febene Fläche, wie dies in einem Beispiel der Fall ist, so ist dies' besonders erwähnt.

Durch die verspiegelte Oberfläche des Polygons wird die Stahlung jedoch reflektiert, so daß das Bild 5 des Senders in einem Abstand von. Drehpunkt liegt, der gleich dem doppelten des Abstandes der reflektierende Flache z.B. 8a des Polygons 3 von der Drehachse 4- des Polygons 3 ist. Da dies bei einem regelmäßigen geradzahligen Polygon die Schlüsselweite ist, wird im folgendem stets 2X£ä& in diesem Sinne von Schlüsselweite ·* gesprochen. Wird nun das Polygon um die Drehachse 4 gedreht, so bewegt sich das Bild auf einem Kreisbogen 6 mit einem Radius, der gleich der Schlüsselweite das Polygons ist, um die Drehachse' des Polygons, Abb.2 zei'^t dasPolygon 3 in einer gegenüber Abb.1 gedrehten Stellung. Das Bild 5' ist dabei um den Drehwinkel £·

des Polygons aus der optischen Achse 7 gedreht. Es zeigt eine der Extrempositionen des Polygons, in dem die momentan wirksame Fläche 8a des Polygons 3 noch ein vollständiges Bild 5' des StrahlungssendersXI liefert. Damit iiggibt sich der nutzbare Abtastbildwinkel zu ^r» >£-<x und der Abtastwirkungsgrad zu ^k . Dabei ist /i » -~~ , wenn η die Anäzhl der Flächen des Polygons 3 ist, und %. der Aperturwinkel 3ΧΧΧΕδΙ$£8ΧϊΧ5Χ XXX?XM£2 den Bildpunkt·· 5,5' usw. erzeugendenStrahlenbdschels ist. Nach der ERfindung befindet sich nun an den Orten 6 der Bilder 5,5' usw. eine Feldlinse 9» die den Zentralstrahl 10a des den Bildpunkt 5¹ erzeusjenddtKXäÄii Strahlenbüschels so bricht, daß er nach der Brechung aus dem virtuellen Bild auf der Drehachse 4 des Polygons 3 zu kommen scheint.

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BAD OBJGfNAL - '' ■

Dr. G. Zeifang ^ ;/ \ .,

| nachcsereicht}

Erfiridungsgeiaäß treffen die von den Bildern 5, ^Lj\L udwT ktXsgehenden Strahlenbüschel auf einen sphärischen Spiegel, dessen Krümmungsudttelpunkt sich ebenfalls auf einer Drehachse 4· des Polygons 3 befindet und mit dem vituellen Bild dea Senders 1~ zusammenfällt und dessen Krümmungsradius doppelt so groß ist wie der Radius der Bildorte 6. XXSXSHäqßanaOEXJXXSXXMffXäeSiSSK Die Bildorte 6 sind aber die Bildfläche des Spiegels 11. Die Bildpunkte 5» 5' usw. werdeA deshalb ins Unendliche abgebildet. Da wegen der Feldlinse 9 die Zentralstrahleη 10b aus der Richtung des Krüiomungsmittelpunktes des Spiegels und damit senkrecht auf den Spiegel 11 einfallen, werden sie in sich reflektiert. Der Krüiiuaungsmittelpunkt ist daher der Mittel- - punkt einer als reell anzusehenden Pupille· Die Abbildung durch den sphärischen Spiegel ist durch die getroffenen Maßnahmen und Anordnung frei von Astigmatismus und Koma. Sie ist lediglich mit sphärischen Fehlern behaftet. Zur Erzeugung der Abtastung in der zu der durch das Polygon bewirkten Abtastung senkrechten Richtung befindet sich in der oben genannten Pupille ein um eine Achse 12beweglicher Spiegel /"> 15. Um eine karthesische Abtastung ΪΪ des Bildfeldes zu erhalten,

stehen die Drehachse 4 des Polygons 3 und die Drehachse 12 des Spiegels 13 senkrecht aufeinander. Abb.3· zeigt die £u den Abb. 1 und 2 senkrechte Ansicht.

Wie aus Abb.3 zu ersehen, trifft durch das Auseinanderfalten des Strahlenganges nicht mehr zu, daß die Zentralstrahlen 10c durch den Krümmungsmittelpunkt des Spiegels 11 gehen» Es treten deshalb außeraxiale Bildfehler auf. Je nach Anforderung kann auf eine Korrektur verzichtet werden, oder es sind asphärische Korrekturen anzubringen. Vorzugsweise sollte die Krümmung senkrecht zur Zeichenebene der Abb.1 und 2 außeraxial paraboloidisch sein.

13004-1/0510' BAD ORIGINAL

Dr. G. Zirij """

-::- s*r-Irl·

Ca die Wirkung der Feldlinse 9 nur in einer Ebene ^Zeichenebene Abb. 1 und 2) erforderlich ist, wird sie vorzugsweise in Form einer Zylinderlinse ausgeführt.· Wird das Abtastverfahren in einem Empfangssystem für Infrarotstrahlung angewendet, so dient der Autokollimationsspiegel 14-zur Störstrahlunterdrückung. Dieser-sphärische Spiegel, dessen Krümmungsmittelpunkt sich am Ort d*es Detektors 1 befindet, begrenzt den Aperturwinkel der einfallenden Strahlung und reflektiert außerhalb dieses Winkels die "kalte" Strahlung des ge Kühlten Detektors auf diesen zurück. Während der Totzeit, d.h. während eine Kante des Polygons3 durch das Strahlenbüschel läuft, entstehen 2 Teilbilder des Detektors 1 außerhalb des nutzbaren Bildfeldes. Wird hier eine Begrenzungsblende 15 » die auch teraperaturstabilisiert sein kann, angebracht, so trifft während der Totzeit definierte Strahlung auf den Detektor. Sie kann für die weitere S elektronische Verarbeitung als Referenzstrahlung verwendet werden.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der Drehkörper 3 auch so ausgebildet sein, daß die Normalen der Spiegelflächen nicht in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Drehachse ist, sondern daß sie um einen bestimmten jedoch für alle Flächen gleichen Winkel zu dieser Ebene geneigt sind. Abb.4.

Wird das Abtastverfahren für ein Empfangsgerät für Infrarot-Strahlung benutzt, so kann der Detektor 1 ein einzelnes Element oder auch eine Anordnung von mehreren Elementen sein.

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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann das Abtastsystem gleichzeitig als Empfangs- und Wiedergabesyatera verwendet werdenDiea trifft z.B. für ein Wärmebildgerät mit direkter Bilddars to llung durch LED's zu. it#b.5. Das Signal* des Infrarotdetektors 1 wird verstärkt und zur Ansteuerung eines LED's 101 verwendet. Über Abbildungssystem. 102, Polygon 3, Feldlinse 109, sphärischer Spiegel 111, beweglicher Spiegel 113 und Abbildungssystem 116entsteht ein reelles Bildvdes LED's 101. Ist das Abtastsystem aKtiv,bewegt sich das Bild 119 in der Bildebene 118 und kann durch eine Lupe 120 betrachtet werden. Die Bewegung der Spiegel 13 und 113 ist hierbei vorzugsweise mechanisch zu koppeln. Bei anderer*x Anordnung der Strahlen-Tgänge, gegebenenfalls unter Verwendung von Umlenkspiegeln, kann auch erreicht werden, daß die Rückseite des Spiegels die Funktion des Spiegels 113 übernehmen kann.

Weiterhin kann direkt in die Bildebene 118 eine Fersehbild-

121. ·

aufnahmeröhre*gestellt werden, bodaß eine direkte Wiedergabe des Infrarotbildes auf einem Fernsehgerät möglich ist.

Auch in diesen beiden Fällen kann anstelle eines einzelnen DeteKtors eine Anordnung von Detektorelementen eingesetzt werden. Ihnen ist dann eine entsprechende Anordnung von LED's 101 zuzuordnen. ·

Wird ein Bildfeld unter Verwendung nur -eines Sende-oder Empfangselementes abgetastet, so hat die Abtastung in einer Richtung mit wesentlich höherer Geschwindigkeit und Frrequenz zu erfIgen als in die andere Richtung. In Anlehnung an die im Fernsehen übliche Nomenklatur un^jd Verfahrensweise wird

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Dr. G. Zeifang \ ,· ...."

im folgenden die schnelle Ablenkung Zeilenablenkung, die langsame Ablenkung Bildablenkung, die Richtung der Zeilenablenkung horizontal und die Richtung der Bildablenkung vertikal genannt. Diese Bezeichnung bedeutet keineswegs, daß diese Erfindung durch diese Art der Bezeichnung auf o.g. Orientierung beschränket ist.

Im Allgemeinen wird das Polygon 3*zur Zeilenablenkung und der Spiegel 13 zur Bildablenkung dienen. Die Bewegung 'des Bildablenkspiegels 13 wird dehalb vorzugsweise so erfolgen, daß ' . eine Bewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um den für die Abtastung der Bildhöhe erforderlichen Windel und dann mit erhöhter Geschwindigkeit der Rücklauf in die Ausgangsstellung erfolgt. Derartige Bewegungen werden vorzugsweise durch Kurvenscheibeη gesteuert; sie können jedoch auch durch Schrittmotoren erzeugt werden. · .· Die Bewegung der Abtastelemente kann durch getrenntes Antriebe erfolgen oder durch einen gemeinea men Antrieb unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer Getriebe.

Die Synchronisation zwischen Bild- und Zeilenablenkung kann in verschiedener Art erfolgen und zwar derart, daß in einem Fall sich bei jeder Periode der Bildabtastungiias gleiche Raster wiederholt, oder daß -sich erst nach 2 oder mehreren Perioden das erste Raster wiederholt, während dazwischen andere vom ersten und gegebenenfalls voneinander verschiedene Raster erzeugt werden. So kann z.B. bei Verwendung eines Einzeldetektors ein im Bildaufbau dem Fernsehbild analoges Bild erzeugt werden, daß z.B. während der ersten ^KISSS Periode der Bildablenkung (erstes Teilbild) die geradzahligen Zeilen abgetastet werden und während der zweiten Periode ( zweites

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Dr. G. Zeifang " " ---_ ^ -_ '^

Teilbild) die ungeradzahligen Zeilen abgetastet werden. Anstelle eines Einzeldetektors kann selbstverständlich eine Reihe von Einzeldetektoren in Zeilenrichtung; (sogenannter serial scan) verwendet werden, wobei die Signale der einzelnen Detektoren in bekannter Weise nach entsprechenden Verzö- gerungen addiert werden.·

Wird eine. Reihe von η Detektoren senkrecht zur Zeilenrichtung (sogenannter parallel scan) verwendet, so kann die Abtastung wie oben beschrieben erfolgen, wobei dann jede Zeile vom jedem Detektor abgetastet wir, oder es kann während eines Teilbildes die Bildabteilungso synchronisiert sein, daß der Versatz von einer Zeilenabtastung zur anderen 2, 3» ···» & Detektor mittenabstände beträgt. In möglichen anderen Teilbildern bleibt zwar der Versatz zwischen den durch die Detektorreihe erzeugten Sreifen konstant, einander zugeordneten Streifen können jedoch wiedi gegeneinander verschieden versetzt sein. · Durch den verhältnismäßigVZeilenabtastkorper 3 könne α sehr hohe ZeilenablenKfrequenzen erreicht werden. Deshalb kann mit verhältnismäßig einfacheneiietctronischen Mitteln ein direkt

fernsehkompatibles Vidiosignaierzeugt werden. Winidirekt die

Zeilenfrequenz von 15625 Hz nach CCIR-Mormuxnd. ist die Zeitkonstante des Detektors ausreichend klein, so genügt ein einzelner Detektor. Es seiK nochmals darauf hingewiesen, daß ebenfalls eine Reihe von Detektoren im serial-scan-Verfahren verwendet werden können. Allerdings wird bei der Zeilenabtastung kaum · der Wirkungsgrad der Zeilenablenkung nach CCIR-Norm von 82% erreichbar sein. Deshalb wird erfindungsgemäß der Inhalt einer Zeile mieder durch den geringen Abtastwirkungsgrad höheren Geschwindigkeit in einen Zwischenspeicher eingeschrieben .und während des Ablaufs der nächsten Zeile in 52 Ais fernsehgerecht

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BAD ORDINAL °°^PY

Dr. G. Zoifang

ausgelesen. Gleichzeitig wird während dieser Zeit der Bildinhalt dieser Zeilen in einem zweiten Speicher eingeschrieben. Dieser wird während der dritten Zeile gelesen während wieder in den erstenSpeicher eingescnrieben wird usw. Bildabtastung und Bildwiedergabe müssen gut synchronisiert sein. Kleine Phasenfehler in der Zeilenejjtnchronisation können beim Auslesen des Speichers korrigiert werden. *

Wird die Zeilenfrequenz von 15625 Hz nicht erreicht oder ist; die Zeitkonstante des Detektors zu groß, so ist erfindungsgemäß wie folgt zu verfahren:

die Zeilenfrequenz des Ab tas tv einfahre ns wird auf den n-ten Teil der Zeilenfrequenz festgelegt, η wird im Folgenden als ganzzahlig angenominenobwohl mit entsprechender Modifikation auch Teile wie 2/3, 4/5» 3/4 usw. möglich sind. Es sind jedoch dann mindestens η Detektoren in einer Reihe senkrecht zur Zeilenabtastrichtung' notwendig, und der Versatz von einer Zeilenabtastung zur nächsten muß dann η Detektormittenabs tände betragen. -Anstatt η Detektoren können auch m mal η Detektoren verwendet werden.Dabei verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis um den Faktor /mT Anhand eines Beispieles mit η = 3 und m » 2, das in Abb 7 schematisch dargestellt ist', soll der Gedanke erläutert werden. 201a bis 201f sind die 6 Detektoren. Die Abtastung erfolgt derart, daß der Detektor 201a bei der nächsten Zeilenabtastung die vorher vom Detektor 201d abgetastete Zeile abtastet. Entsprechendes gilt für 201b und 2Oie bzw. 201c und 201f. Entsprechend haben bei der vorhergehenden Zeilenabtastung die Detektoren 201d, 201e, 201f

BADORiGfNAL

/0510

Pr, G, Zeifang

die Zeilen abgetastet, die jetzt von den Detektoren 201a, 201b, 201c abgetastet werden. Die Speicher 202 sind Verzögerungselemente, die die Signale um genau die Zeit für eine Abtastzeilenperiode- in diesem Beispielgleich 3 Wiedergabezeilenperioden β 3 χ 64 /us - verzögern.Erfolgt nun eine Zeileabtastung, so werden an den Summiergliedern JSS 203 die jeweils wegen der Verzögerung'durch die Verzögerungselemente 202 identischen Signale der Detektoren 201a und 201d, bzw. 201b und 201e, bzw. 201c und 201f summiert und .in die Speicherelemente 2CW- eingeschrieben. Während in die Speicher- XlääiÜäXä gruppe 2CW- eingeschrieben wird, wird die Speichergruppe 203 ausgelesen. Die Auswahl erfolgt durch die Schalter 206 und 207· Sie werden jeweils zu Beginn einer Abtastzeilenperiode gegenläufig umgeschaltet. DerSchalter 208 wird im xy Rhytmus der Fersehzeilenfrequenz weitergeschaltet. Der Beginn einer Abtastzeilenperiode muß mit dem Beginn einer Wiedergabezeilenperiode zusammenfallen. Dabei muß der Schalter 208 in der gezeichneten Position stehen.

Bei den Speicherelementen kann es sich um Analogspeicher wie Analogschieberregister - oder um Digitalspeicher -.wie Schieberregister oder Schreib-Lese-Speicher -. handeln. Werden Digitalspeicher verwendet, so sind selbstverständlich ent-

Analog-Digital
sprechende BXgTiiilXXÄäXäg-Wandler und mindestens ein Digital-Analog-Wandler vorzusehen.Bei den Speicherelementen Kann es sich auch um Verzögerungsleitungen handeln. Die Speicherauslegung gehört zum Stand der Technik und braucht deshalb nicht weiter beschrieben werden. Ebensowenig stellt die Erweiterung auf größere Zahlen m und η ein Problem dar.

BAD ORIGINAL

13OJH¹I/0510

Leerseite

Claims

Anspruch«

1.) Vorrichtung zur Bildabtastung in zwei zueinander im wesentlichen senkrechten Abtastrichtungen, bei der zur Bildzeilenabtastung und zur Bildhöhenabtastung getrennte, aber in ihrer Bewegung zueinander synchronisierte optische Bauelemente verwendet sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a zur Bildzeilenabtastung ist in an sich bekannter

Weise ein rotierendes reflektives Polygon (3)

verwendet, b als Signalempfänger ist in an sich bekannter Weise

Mindestens ein Detektor (l) vorgesehen,

c zwischen dem Signalempfänger (l) und dem Polygon (3) ist ein abbildendes optisches System (2) angeordnet, dessen virtuelle Bildfläche in der Drehachse des Polygone (3) liegt, und dessen reelle Bildfläche im Abstand der Polygon-SchlUsselweite von der Drehachse des Polygons (3) liegt,

d in Lichtrichtung vor dem Polygon (3) ist ein sphärischer Hohlspiegel (ll) vorgesehen, dessen Krümmungsmittelpunkt mit der Drehachse (h) des Polygons (3) zusammenfällt, und dessen Bildfläche mit derjenigen Fläche zusammenfällt, auf der sich das durch das optische System (2) entworfene Bild des Signalempfängers (l) bei sich drehendem Polygon (3) bewegt,

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• auf dieser Flüche befindet sich eine Feldlinse (9)« die den Zentralstrahl des jeweiligen Strahlenbündel* derart bricht, daß er aus der Drehachse (4) des Polygons zu kommen scheint,

f im Schnittpunkt der unter den verschiedenen Winkelstellungen am Polygon (3) reflektierten, durch die Feldlinse (9) zum Hohlspiegel (ll) verlaufenden und diesen parallel verlassenden Strahlenbündel ist ein schwenkbarer Spiegel (13) angeordnet, der die Bildhöhenabtastung bewirkt, und dessen Schwenkachse (lA) durch die Mitte der Austrittspupille des gesamten Systems verläuft.

2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Detektor (l) ein Autokollimationsspiegel (l4) vorgesehen ist, der mit seiner Öffnung den Aperturwinkel der einfallenden Strahlung begrenzt, und der außerhalb dieses Winkels die vom Detektor ausgehende Strahlung auf diesen zurückwirft.

3.) Vorrichtung nach Anspruch l_t dadurch gekennzeichnet, daß in derjenigen Fläche, in der bei sich drehendem Polygon (3) sich das durch das optische System (2) entworfene Bild des Detektors (l) bewegt, symmetrisch zur optischen Achse eine Begrenzungsblende (15) angeordnet ist.

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k,) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet! daß der sphärische Hohlspiegel (ll) asphärisch korrigiert ist.

5.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« daß alle Spiegelflächen des Polygone (3) zu der Polygon-Drehachse (k) unter einem bestimmten, für alle Flächen gleichen Winkel geneigt sind.

6·) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit einer zweiten Vorrichtung der in Anspruch 1 beschriebenen Art zusammengebaut ist, die als Bild-Wiedergabevorrichtung arbeitet, und die an der Stelle des Detektors einen vom Detektor gesteuerten Signalgeber (LED;Laser) (lOl) besitzt, wobei das Polygon (3) Bestandteil beider Vorrichtungen ist.

7·) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-Λ und 5» dadurch gekennzeichnet _t daß das Polygon als Polygon-Kranz (3a) ausgebildet und der Spiegel (l3a) beidseitig verspiegelt ist, daß ferner die Vorrichtung mit einer zweiten Vorrichtung der in den Ansprüchen 1 und 5 beschriebenen Art zusammengebaut ist, die als Bild-Wiedergabevorrichtung arbeitet, und die an Stelle des Detektors einen Signalgeber (LED;Laser) (lOl) besitzt, wobei der Polygonkranz und der Spiegel Bestandteil beider Vorrichtungen sind.

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8.) Vorrichtung nach ·1η·ιη der Ansprüche 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Vorrichtung dem schwenkbaren Spiegel (13a;113) in Lichtrichtung ein Abbildungssystem (ll6) nachgeordnet ist, in dessen reeller Bildebene eine Fernsehaufnähmeröhre angeordnet ist·

9·) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« daß in an sich bekannter Weise in Zeilenabtastrichtung und/oder senkrecht zur Zeilenabtastrichtung η Detektoren angeordnet sind.

10.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 9_f dadurch gekennzeichnet, daß sankrecht zur Zeilenabtastung η Detektoren angeordnet sind, und daß die Abtaetzeitenperiode n-nal die Fernsehzeilenabtastperiode beträgt, daß ferner den Detektoren zwei Speichergruppen (2O4a;2O(tb;2O4c und 205a ;2O5b ;2O5c) nachgeordnet sind, in die die Signale wechselweise eingeschrieben und ausgelesen werden, wobei das Auslesen der Detektorsignale nacheinander in Fernsehnorm erfolgt.

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11.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet« daß zusätzlich η Χ η Detektoren vorhanden sind, deren Auegangssignale derart verzögert werden, daß sie in einer späteren Abtastperiode phasenrichtig zu den Signalen der η-Detektoren addierbar sind·

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