DE3216736C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Abtastvorrichtung nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige optische Abtastvorrichtung ist aus der US-PS 41 55 620 bekannt. Dort ist ein Spiegel an einem stangenförmigen, in einem Gelenkpunkt gelagerten, Träger angeordnet und an dem Träger greift ein Kurbelantrieb an. Bedingt durch diese Anordnung führt der Spiegel eine kombinierte Dreh- und Verschiebebewegung aus und ermöglicht es, konvergierende Lichtstrahlen unabhängig von dem Drehwinkel des Spiegels in einer feststehenden Bildebene zu fokussieren.

Andererseits sind optische Abtastvorrichtungen (US-PS 37 42 238), bekannt, die einen um eine Achse drehbaren ebenen Ablenkspiegel aufweisen und die der Abtastung einer interessierenden Szene in einer Dimension dienen. Derartige Vorrichtungen finden beispielsweise Anwendung bei einem Infrarot-Spektralradiometer, das eine Hintergrundstrahlung über einen festgelegten Winkel des Gesichtsfeldes sammelt und abtastet. Hierbei tritt parallel ausgerichtete Strahlungsenergie in das System durch ein strahlbegrenzendes Eintrittsfenster ein und wird durch den beweglichen Abtastspiegel so abgelenkt, daß sie parallel zu der optischen Achse des Systems verläuft. Eine derartige Vorrichtung ist für die Abtastung eines weiten Gesichtsfeldes wenig gut geeignet, da ihre Abmessung, ihr Gewicht und das durch die Abtastbewegung eingenommene Volumen relativ groß sind, um den geforderten Winkel bei der Abtastung zu überstreichen. Es muß daher ein Kompromiß zwischen der Fenster- und Spiegelgröße und dem Bewegungsbereich getroffen werden. Bei Infrarotsystemen ist es zudem von Vorteil, die Größe des optischen Fensters zu vermindern, das im allgemeinen aus einem kostspieligen Material, wie beispielsweise Silizium, Germanium oder Zinkselenid, hergestellt wird. Ein verkleinertes Fenster bedingt aber einen vergrößerten Abtastmechnismus. Ein solcher vergrößerter Abtastmechnismus ist seinerseits wiederum empfindlicher in bezug auf Vibrationen und Fehlausrichtungen der Teile.

Ausgehend von der eingangs genannten bekannten optischen Abtastvorrichtung ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese so zu verbessern, daß sie über einen relativ weiten Winkel ein Gesichtsfeld abzutasten gestattet. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen optischen Abtastvorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden die Erfindung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Abtastmechnismus gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Abtastmechnismus;

Fig. 3 eine auseinandergezogene Ansicht des erfindungsgemäßen Abtastmechnismus;

Fig. 4A und 4B Extremstellungen des Abtastspiegels in der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 5 die geometrischen Beziehungen zwischen den vier Stangen des Gestänges in der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Gemäß den Fig. 1, 2 und 3 ist eine Vorrichtung zur Bewegung eines Abtastspiegels dargestellt, die ein Gestänge mit vier Lenkern - im folgenden auch "Stangen" genannt - in gleicher Länge aufweist. Die parallel ausgerichtete Strahlungsenergie pflanzt sich entlang der optischen Wegstrecke 10 fort, welche Wegstrecke bei zusammengebautem System durch das Fenster 12 in einem Deckel 14 verläuft. Diese Strahlungsenergie wird durch den Spiegel 16 empfangen und entlang der optischen Achse 20 zu der Sammeloptik 18 des Systems reflektiert. Die Abtastung erfolgt durch die Verwendung eines Gestängemechanismus mit vier Stangen, der die Antriebsstangen 26 und 28, Nachlaufstangen 22 und 24, eine Spiegelhalterung 30 und den Kuppelabstand zwischen den festen Gelenkpunkten der Stangen 22 und 26 bzw. der entsprechenden Stangen 24 und 28 in dem Spiegelrahmen bzw. dem Gehäuse 32 umfaßt. Die räumliche Abtastung durch die Spiegelbewegung erfolgt durch Drehung der Antriebsstange 26 über ein Getriebsgehäuse 54. Diese Antriebsstange ist mit der Ausgangswelle 34 eines Schneckenrades 36 verbunden, das durch eine entsprechende Getriebeschnecke 38 auf einer Eingangswelle 40 angetrieben wird. Ein Motor 42 treibt die Antriebswelle 40 über eine flexible Kupplung 44 an. Der Motor 42 kann in einer Ausführungsform aus einem Schrittmotor bestehen.

Das tatsächliche Gestänge aus vier Stangen ist in Wirklichkeit doppelt vorhanden, um den Spiegel 16 mit entsprechender Höhe körperlich stabil abzustützen. Das grundlegende Gestänge aus vier Stangen umfaßt insbesondere die Antriebsstange 26, die über den Getriebekasten 54 mit dem Motor 42 in der zuvor erläuterten Weise verbunden ist. Die zweite Stange wird durch die Nachlaufstange 22 gebildet. Die anderen beiden Stangen umfassen die Spiegelhalterung 30 und das Gehäuse 32. Aus Gründen der besseren Abstützung sind den Stangen 26 und 22 entsprechende Stangen 28 und 24 vorgesehen. Die anderen beiden Stangen, die durch das Gehäuse 32 und die Halterung 30 gebildet werden, sind sowohl den Basisstangen 26 und 22 als auch den sogenannten Stützstangen 28 und 24 gemeinsam.

Die Antriebsstange 26 dreht sich um die Ausgangswelle 34. Die Gelenkwelle 46 verbindet die Antriebsstange 26 mit der Spiegelhalterung 30 und gestattet eine relative Drehbewegung zwischen diesen beiden Komponenten. Das eine Ende der Nachlaufstege 22 wird durch eine Schwenkwelle 48 festgehalten, die über ein Lager in dem Gehäuse 32 gelagert ist. Das andere Ende der Nachlaufstange 22 ist mit der Spiegelhalterung 30 über eine Schwenkwelle verbunden, die der Schwenkwelle 50 ent­ spricht und die eine relative Drehbewegung zwischen diesen beiden Komponenten, d. h. zwischen der Nachlaufstange 22 und der Spiegelhalterung 30 gestattet. Der Spiegel 16 kann als ein Ansatz der Spiegelhalterung 30 betrachtet werden.

Die Position des Spiegels 16 zusammen mit den Gelenkpunkten bzw. Gelenkwellen und die Längen und relativen Lagen der Stangen reduzieren erstens die Spiegelgröße, zweitens das durch die Abtastoperation erforderliche Volumen und drittens die Größe der Eintrittspupille bzw. des optischen Fensters 12, das gemäß den Fig. 4A und 4B durch die Extremstellungen des Spiegels 16 definiert wird, auf ein Minimum. Der Winkel und der Ort des Spiegels ist eine Funktion der Stangenlängen und Stangenpositionen, wie dies ebenfalls aus den Fig. 4A und 4B hervorgeht. Demzufolge kann der Winkel zwischen der durch den Abtastspiegel 16 gebildeten Stange und der optischen Achse 20 zu der Sammeloptik als Funktion des Winkels zwischen der Antriebsstange 26 und irgendeinem frei wählbaren Koordinatensystem ausgedrückt werden. Der Winkel des Spiegels kann durch die Veränderung des elektrischen Widerstandes eines Potentiometers 52 erfaßt werden, das mit der Eingangswelle 40 gekuppelt ist, welche den Motor 42 über den Getriebekasten 54 mit der Stange 26 verbindet. Eine flexible Kupplung 60 kann verwendet werden, um die Welle 62 mit dem Potentiometer 52 zu verbinden. In gleicher Weise verbindet eine flexible Kupplung 44 den Motor 42 mit der Welle 40. Das analoge Ausgangssignal des Potentiometers 52 wird verwendet, um ein Rückführungssignal für eine Verarbeitungselektronik zu liefern, die die Drehung des Motors 42 steuert.

Als Alternative zu dem Potentiometer 52 kann eine andere Ausführungsform irgendeine andere drehbare Auflösevorrichtung, wie beispielsweise einen Kodierer aufweisen, um die Spiegelposition zu erfassen. Es sei ferner vermerkt, daß irgendeine verwendete Auflösevorrichtung einschließlich des Potentiometers 52 durch die Stangenbewegung auch an anderen Stellen betätigt werden kann, beispielsweise über Ansätze an den Wellen 64, 66 oder 48 der Stangen 28, 24 und 22.

Gemäß den Fig. 4A und 4B ist eine vereinfachte Draufsicht auf den Spiegel 16 in zwei Extremstellungen dargestellt, wobei diese Extremstellungen das Gesamt- Gesichtsfeld durch das Fenster 12 veranschaulichen, wie dies durch die Linien 72 und 74 in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist. In beiden Figuren verläuft die optische Wegstrecke 10 durch das Fenster 12 zu dem Spiegel 16. Die auf diese Weise durch den Spiegel 16 empfangene Strahlungsenergie wird über die optische Wegstrecke 20 zu der Sammeloptik 18 reflektiert, deren Ausgang auf eine Detektorelektronik 70 geführt ist, die beispielsweise aus einem Interferometer bestehen kann. Jede dieser Figuren veranschaulicht die Beziehung zwischen den Stangen und den entsprechenden Gelenkpunkten bzw. Wellen, wobei jedoch zum Zwecke der vereinfachten Darstellung nur die Stangen und Wellen dargestellt sind, die sich oberhalb des Spiegels 16 befinden. Die anderen Stangen und Wellen unterhalb des Spiegels 16 sind direkt unterhalb der dargestellten Stangen und Wellen angeordnet. Beispielsweise befindet sich die Stange 26 direkt unter der Stange 28. Die beiden Gelenkpunkte 64 und 66 sind örtlich fixiert, d. h. sie können sich in keiner Richtung bewegen und sie dienen lediglich als Gelenkpunkt für ihre zugeordneten Stangen 28 und 24. Die Verbindung zwischen den Stangen 24 und 28 und mit dem Spiegel 16 erfolgt über die Spiegelhalterung 30, was durch zwei getrennte Arme ausgehend von den Gelenkpunkten bzw. Wellen 50 und 46 dargestellt ist. Wenn sich der Spiegel in der in Fig. 4A dargestellten Stellung befindet, so umfaßt das Gesichts­ feld durch das Fenster 12 den optischen Pfad 10 in einer Extremstellung des gesamten Gesichtsfeldes, wobei die Grenze des Gesichtsfeldes durch die Linie 72 angedeutet ist. Wenn der Spiegel gleichzeitig gedreht und verschoben wird, wobei dies durch das Gestänge gemäß der vorliegenden Erfindung geschieht, so verschiebt sich die optische Wegstrecke 10 nach links bis der Spiegel 16 in seiner anderen Extremstellung gemäß Fig. 4B positioniert ist. In der anderen Extremstellung des Systems ist das Gesichtsfeld durch die Linie 74 begrenzt. Der Spiegel 16 wird somit auf einem Bogen mit unterschiedlichem Radius gedreht und verschoben, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

In Fig. 5 sind die geometrischen Beziehungen zwischen den verschiedenen Elementen des Systems dargestellt. Die Stange A zwischen den Gelenkpunkten 64 und 46 ist durch die Antriebsstange 28 bzw. ihr Gegenstück 26 gegeben. Die Stange C zwischen den Gelenkpunkte 66 und 50 wird durch die Nachlaufstange 24 bzw. ihr Gegenstück 22 gebildet. Die Linie B zwischen den Punkten 50 und 46 ist durch die Spiegelhalterung 30 vorgegeben. Die Linie D zwischen den Punkten 66 und 64 wird durch das Gehäuse 32 gebildet, welches die Gelenkpunkte 66 und 64 sowie die denen gegenüberliegenden Gelenkpunkte 48 und 56 ortsfest definiert. Die Längen der Gestänge A, B, C und D sowie die Winkel R 1 bis R 6 werden durch Gleichungen beschrieben, die als Freudenstein'sche Gleichungen bekannt sind. Eine Erläuterung dieser Gleichungen kann dem Buch "Mechanism Synthesis and Analysis" von A. H. Soni, erschienen bei McGraw-Hill Book Company, 1974 entnommen werden.

Diese Gleichungen, die bei der vorliegenden Erfindung Anwendung finden, werden nachstehend angegeben. Diese Gleichungen werden angewendet, nachdem der Gesamtverlauf des Spiegels 16 für das gewünschte Gesichtsfeld und die Größe des Fensters 12 festgelegt sind. Die Längen der Arme der Spiegelhalterung 30 sind ebenfalls festgelegt. Ein solcher Arm kann länger als der andere Arm sein, beispielsweise kann der Arm L 1 länger als der Arm L 2 sein. Zusätzlich wird der Punkt 66 ebenso wie die Länge C vorgegeben und anschließend wird die Länge A bestimmt. Hierdurch ist es sodann möglich den Punkt 64 vorzugeben. Die anderen Parameter werden gemäß nachstehender Gleichungen bestimmt:

A = cos R 4 + K 3 - K 1 - K 2 cos R 4; B = -2 sin R 4; C = K 1 + K 3 - (1+ K 2) cos R 4; D = K 4 cos R 4 + cos R 4 + K 5 - K 1; E = B; F = K 4 cos R 4 - cos R 4 + K 5 + K 1;

R 1 = 180;
R 4 = 180 - R 4′; und
R 5 = R 3 + R 6.

Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl zum Empfang von Strahlung als auch zum Aussenden von Strahlung verwendet werden kann. Beispielsweise könnte die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch Verwendung finden bei der Abstrahlung von parallelem Licht, das beispielsweise durch ein Laser erzeugt wird. In diesem Fall würde der Laser an der Stelle der Optik 18 angeordnet und das von ihm abgestrahlte Licht würde auf den Spiegel 16 und in Abhängigkeit von der Stellung des Spiegels unter einem entsprechenden Winkel abgestrahlt werden.

Claims (8)

1. Optische Abtastvorrichtung mit einem durch eine Antriebseinrichtung schwenk- und verschiebbaren Spiegel zur Projizierung von empfangener Strahlungsenergie in eine Bildebene, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die empfangene Strahlungsenergie (72, 74) ist parallel ausgerichtet und trifft unter unterschiedlichen Auftreffwinkeln durch ein die Strahlbreite begrenzendes Fenster (12) auf den Spiegel (16) auf;
• b) zwei ortsfest gelagerte Lenker (22, 26; 24, 28) mit vorgegebener Länge (C, A) greifen mit ihren freien Enden in einem vorgegebenen Abstand (B) in Gelenkpunkten (46, 50) an einem Träger (30) für den Spiegel (16) an, wobei die ortsfesten Lagerpunkte (34, 48; 64, 66) einen vorgegebenen Abstand (D) voneinander aufweisen, der von dem Abstand (B) der Gelenkpunkte unterschiedlich ist; und
• c) die Antriebseinrichtung (42) treibt einen der Lenker (26) an, so daß sich ein schiefwinkliges von den Gelenkpunkten aufgespanntes Viereck unterschiedlicher Form ergibt und der Spiegel (16) in Bezug auf das Fenster (12) eine kombinierte Dreh- und Verschiebebewegung ausführt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Schrittmotor (42) als Antriebseinrichtung.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (52) zur Erfassung der Bewegung des Spiegels (16).

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (52) zur Erfassung der Bewegung mit der Welle (40) des Schrittmotors (42) gekuppelt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung der Bewegung aus einem Potentiometer (52) besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Motorwelle (40) und dem Potentiometer (52) ein Getriebe (54) angeordnet ist und daß das Getriebe eine Getriebeschnecke (38) und ein Schneckenrad (36) aufweist, wobei das Schneckenrad (36) einen der in den Lagerpunkten (34, 48) gelagerten Lenker (26, 22) antreibt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

• a) einen dritten Lenker (28);
• b) einen vierten Lenker (24);
• c) wobei die dritten und vierten Lenker in der gleichen relativen Position wie die ersten und zweiten Lenker (22, 26) angeordnet und mit dem Träger (30) des Spiegels (16) gekuppelt sind, um eine gleiche Bewegung wie die ersten und zweiten Lenker auszuführen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Lenker (26, 22) entweder an dem oberen oder unteren Rand des senkrecht angeordneten Spiegels (16) und die dritten und vierten Lenker (28, 24) jeweils am gegenüberliegenden Rand befestigt sind.