DE3012870C2

DE3012870C2 - Optisch-mechanischer Bildabtaster

Info

Publication number: DE3012870C2
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: 1983-04-28
Also published as: FR2480053A1; FR2480053B3; DE3012870A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen optisch-mechanischen Bildabtaster, bei dem zur Bildzeilenabtastung und zur Bildhöhenabtastung getrennte, aber in ihrer Bewegung zueinander synchronisierte optische Bauelemente verwendet werden.

Ein solcher Bildabtaster ist bekannt. Bei ihm befindet sich zwischen dem Detektor und einem rotierenden Spiegelpolygon ein optisches System, das den Detektor nach Reflexion am Polygon auf einer Ortskurve abbildet. Außerdem ist ein Hohlspiegel vorgeschaltet zwecks Überganges zu einem parallelen Strahlenbündel, das auf einen die Bildhöhenabtastung bewirkenden Kippspiegel fällt, der sich am Ort der Pupille befindet.

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

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

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch einen optisch-mechanischen Bildabtaster gelöst, der die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale besitzt

Wesentlichstes Merkmal des erfundenen Bildabtasters ist es, daß der Bildhöhen-Abtastschwenkspiegel im Krümmungsmittelpunkt des Hohlspiegels liegt Dadurch ergibt sich eine kreisförmige Ortskurve, was bei der bekannten Anordnung nicht der Fall ist Dort befindet sich nämlich der Krümmungsmittelpunkt des Hohlspiegels in einem gewissen Abstand vom BildhöhenschwenkspiegeL Nur wenn dies der Fall ist, kann die andere Pupille auf der Polygonfläche befindlich gehalten werden.

Ein weiterer Unterschied gegenüber der bekannten Vorrichtung liegt darin, daß an Stelle der gemäß der Erfindung kreisförmigen Ortskurve zusätzlich eine Feldlinse angebracht ist deren Brennweite derart gewählt ist, daß das von ihr weitergeleitete Strahlenbündel nach Reflexion am Polygon aus dessen Mittel- und Drehpunkt zu kommen scheint.

Wird die Anordnung in dieser Weise getroffen, so gilt dieser virtuelle Strahlenausgangspunkt unabhängig von der Drehstellung des Polygons. Dies hat den Vorteil, daß, vom Detektor aus gesehen, die diesem vorgeschaltete Optik eine Abbildung des Detektors im Drehpunkt des Polygons hervorrufen kann. Das bedeutet eine stets gleichbleibende, d. h. nach Größe und Lage konstante Apertur für den Detektor. Zusätzlich werden auch Abbildungsfehler vermieden. Da die Pupille des Hohlspiegels mit dessen Krümmungsmittelpunkt zusammenfällt, ist die Abbildung durch diesen Spiegel frei von Koma und Astigmatismus.

In der Zeichnung ist die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen

F i g. 1 und 2 schematisch den Aufbau der Bild-Abtastvorrichtung und den Strahlenverlauf in Draufsicht,

F i g. 3 schematisch den Aufbau und den Strahlenverlauf der Vorrichtung gemäß den F i g. 1 und 2 in Seitenansicht unter Verwendung eines rotierenden Polygons mit zur Drehachse senkrechten Polygonflächen,

F i g. 4 schematisch den Aufbau und den Strahlenverlauf der Vorrichtung gemäß den F i g. 1 und 2 in Seitenansicht unter Verwendung eines rotierenden Polygons mit zur Drehachse geneigten Polygonflächen, F i g. 5 schematisch eine Seitenansicht einer Bild-Abtastvorrichtung nach F i g. 1 im Zusammenbau mit einer Bild-Wiedergabevorrichtung unter Verwendung eines Polygons mit zur Drehachse parallelen Polygonflächen, F i g. 6 eine Ansicht wie F i g. 5 mit einer Fernsehaufnahmeröhre im Ausgangsstrahlengang der Bild-Wiedergabevorrichtung,

F i g. 7 schematisch eine Seitenansicht einer Bild-Abtastvorrichtung nach F i g. 1 im Zusammenbau mit einer Bild-Wiedergabevorrichtung unter Verwendung eines Polygons mit zur Drehachse geneigten Polygonflächen. Grundsätzlich kann ein Bildfeldabtastsystem sowohl als Empfangssystem als auch als Sendesystem betrachtet und verwendet werden. Bei einem Empfangssystem stellt 1 in F i g. 1,2 und 3 einen Strahlungsempfänger dar, der die Strahlung, die aus einem durch die momentane Stellung des Abtastsystems bestimmten Teil des Bildfeldes auf ihn trifft, in elektrische Signale umwandelt. Bei einem Sendesystem stellt 1 einen Strahlungs-

sender dar, dessen Strahlung durch ein z. B. elektrisches Signal moduliert wird, und die durch das Abtastsystem über das Bildfeld geführt wird.

Da die Erfindung einfacher am Modell eines Sendesystems zu erläutern ist, soll zur Beschreibung diese Betrachtungsweise gewählt werden.

In F i g. 1 ist zunächst das Abtastsystem in eine Ebene projiziert dargestellt Diese Beschreibung eines wesentlichen Gedankens der Erfindung dient nur der einfacheren Veranschaulichung. Selbstverständlich muß im realen Fall der Strahlengang aus einer Ebene entflochten werden, wie dies die Fig.3 zeigt Die folgende Beschreibung gilt also nur sinngemäß und ist entsprechend der ReaJität zu variieren.

Die vom Strahlungssender 1 ausgehende Strahlung wird vom Abbildungssystem so fokussiert, daß — wäre das Polygon 3 nicht vorhanden — das Bild des Senders auf der zur Zeichenebene senkrechten Drehachse 4 läge.

Unter einem Polygon soll im folgenden eine regelmäßige Anordnung von Flächen un. eine Rotationsachse verstanden werden, deren Normalen eine Ebene bilden, die senkrecht zur Rotationsachse ist.

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

Durch die verspiegelte Oberfläche des Polygons wird die Strahlung jedoch reflektiert, so daß das Bild 5 des Senders in einem Abstand vom Drehpunkt liegt der gleich dem Doppelten des Abstandes der reflektierenden Fläche z. B. 8a des Polsgons 3 von der Drehachse 4 des Polygons 3 ist. Da dies bei einem regelmäßigen geradzahligen Polygon die Schlüsselweite ist, wird im folgenden stets in diesem Sinne von Schiiisseiweite 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 des Polygons ist, um die Drehachse des Polygons.

F i g. 2 zeigt das Polygon 3 in einer gegenüber F i g. 1 gedrehten Stellung. Das Bild 5' ist dabei um den Drehwinkel ε des Polygons aus der optischen Achse 7 gedreht. Es zeigt eine der Extrempositionen des Polygons, in dem die momentan wirksame Fläche Sa des Polygons 3 noch ein vollständiges Bild 5' des Strahlungssenders 1 liefert. Damit ergibt sich der nutzbare Abtastbildwinkel zu γ = β-<χ und der Abtastwirkungsgrad zuA Dabei ist ß=—, wenn π die Anzahl

β π so

der Flächen des Polygons 3 ist, und λ der Aperturwinkel des den Bildpunkt 5; 5' usw. erzeugenden Strahlenbüschels ist Nach der Erfindung befindet sich nun an den Orten 6 der Bilder 5; 5' usw. eine Feldlinse 0, die den Zentralstrahl 10a des den Bildpunkt 5' erzengenden Strahlenbüschels so bricht, daß er nach der Brechung aus dem virtuellen Bild auf der Drehachse 4 des Polygons 3 zu kommen scheint.

Erfindungsgemäß treffen die von den Bildern 5; 5' usw. ausgehenden Strahlenbüschel auf einen sphärisehen Spiegel, dessen Krümmungsmittelpunkt sich ebenfalls auf einer Drehachse 4 des Polygons 3 befindet und mit dem virtuellen Bild des Senders 1 zusammenfällt und dessen Krümmungsradius doppelt so groß ist, wie der Radius der Bildorte 6. Die Bildorte 6 sind aber die Bildfläche des Spiegels 11. Die Bildpunkte 5; 5' usw. werden deshalb ins Unendliche abgebildet. Da wegen der Feldlinse 9 die Zentralstrahlen IQb aus der Richtung des Krümmungsmittelpunktes des Spiegels und damit senkrecht auf den Spiegel 11 einfallen, werden sie in sich reflektiert Der Krümmungsmittelpunkt ist daher der Mittelpunkt 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 12 beweglicher Spiegel 13. Um eine karthesische Abtastung des Bildfeldes zu erhalten, stehen die Drehachse 4 des Polygons 3 und die Drehachse 12 des Spiegels 13 senkrecht aufeinander. F i g. 3 zeigt die zu den F i g. 1 und 2 senkrechte Anischt-

Wie aus Fig. 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 F i g. 1 und 2 außeraxial paraboloidisch sein. Da die Wirkung der Feldlinse 9 nur in einer Ebene (Zeichenebene der Fig. 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 des Detektors 1 befindet, begrenzt den Aperturwinkel der einfallenden Strahlung und reflektiert außerhalb dieses Winkels die »kalte« Strahlung des gekühlten Detektors auf diesen zurück.

Während der Totzeit, d. h. während eine Kante des Polygons 3 durch das Strahlenbüschel läuft, entstehen 2 Teilbilder des Detektors t außerhalb des nutzbaren Bildfeldes. Wird hier eine Begrenzungsblende 15, die auch temperaturstabilisiert sein kann, angebracht, so trifft während der Totzeit definierte Strahlung auf den Detektor. Sie kann für die weitere 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 (F i g. 4).

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

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann das Abtastsystem gleichzeitig als Empfangs- und Wiedergabesystem verwendet werden. Dies trifft z. B. für ein Wärmebildgerät mit direkter Bilddarstellung durch LED's zu (Fig.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 116 entsteht ein reelles Bild 119 des LED 101.

Ist öas 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 koDDeln. Bei

anderer Anordnung der Strahlengänge, gegebenenfalls unter Verwendung von Umlenkspiegeln, kann auch erreicht werden, daß die Rückseite des Spiegels 13 die Funktion des Spiegels 113 übernehmen kann.

Weiterhin kann direkt in die Bildebene 118 eine Fernsehbildaufnahmeröhre 121 gestellt werden, so daß eine direkte Wiedergabe des Infrarotbildes auf einem Fernsehgerät möglich ist.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optisch-mechanischer Bildabtaster, bei welchem sich zwischen Detektor und rotierendem Spiegelpolygon ein optisches System befindet, das den Detektor nach Reflexion am Polygon auf einer Ortskurve abbildet, sowie mit einem weiterhin vorgeschalteten Hohlspiegel zwecks Oberganges zu einem parallelen Strahlenbündel, das auf einen die Bildhöhenabtastung bewirkenden Kippspiegel fällt, der sich am Ort der Pupille befindet, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kippspiegel (13) im Krümmungsmittelpunkt des Hohlspiegels (11) befindet und daß sich an der Stelle der kreisförmigen Ortskurve (6) eine Feldlinse (9) befindet, die das Strahlenbündel so weiterleitet, daß es nach Reflexion am Spiegelpolygon (3) unabhängig von dessen Drehstellung aus dessen Drehpunkt zu kommen scheint und seine Größe und Lage unverändert beibehält

2. Optisch-mechanischer Bildabtaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an der Feldlinse (9) in der Zeilenabtastebene von beiden Seiten anschließend eine Begrenzungsblende befindet

3. Optisch-mechanischer Bildabtaster nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wiedergabeseitig prinzipiell derselbe Strahlengang Verwendung findet, wobei an die Stelle des Infrarotdetektors eine steuerbare Lichtquelle tritt und das Bündel paralleler Strahlen über eine Optik flächig abgebildet wird oder direkt betrachtbar ist

4. Optisch-mechanischer Bildabtaster nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polygon als Polygon-Kranz (3a) ausgebildet und der Spiegel (13a,) beidseitig verspiegelt ist.

5. Optisch-mechanischer Bildabtaster nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Vorrichtung dem schwenkbaren Spiegel (13a; 113) in Lichtrichtung ein Abbildungssystem (116) nachgeordnet ist, in dessen reeller Bildebene eine Fernseh-Aufnahmeröhre angeordnet ist.