DE3307380C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung zur optischen Abtastung
einer Szene gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Abtastvorrichtung ist sowohl für eine Linienabtastung
als auch für eine gleichzeitige horizontale und vertikale
Abtastung beispielsweise für die Bilderzeugung geeignet.
Es wird dabei eine Szene oder ein Objekt rasch entlang einer
Linie mittels einer Abtastvorrichtung abgetastet, die einen
Abtastrotor umfaßt, der im Strahlengang des Abtaststrahles
liegt und eine Vielzahl von aneinandergrenzenden reflektierenden
Flächen bzw. Facetten besitzt, die als Polygon um den Umfang
des Abtastrotors herum angeordnet sind.
Der Abtaststrahl der von der erfaßten Fläche der Szene ausgehenden
Strahlung wird durch die Abtastvorrichtung hindurch
auf einen oder mehrere Strahlungsdetektoren gerichtet. Während
jeder Abtastung wird die Szene fortschreitend längs einer
horizontalen Linie erfaßt und das Ausgangssignal des Strahlungsdetektors
ist folglich ein Video-Signal, das für die Darstellung
auf einem Bildschirm geeignet ist. Bei jedem Wechsel einer
Facette im Strahlengang wird die Abtastung wiederholt. Dies
ergibt eine horizontale Abtastung (Abtastung in einer ersten
Dimension). Wie bekannt, kann eine gleichzeitige vertikale Abtastung
(Abtastung in der zweiten Dimension) durch einen
schwingenden Spiegel oder ein andersartiges Abtastelement
erreicht werden, das sich langsamer als der polygonale Abtastrotor
dreht und an einer etwa stationären Pupille angeordnet
ist.
Diese Abtastvorrichtung ist jedoch nicht nur für das Detektieren
von Strahlung sondern auch für die Bilderzeugung
geeignet. Im Falle der Bilderzeugung tritt eine rasch veränderbare,
modulierte Lichtquelle wie etwa eine lichtemittierende
Diode (LED) oder ein Laser an die Stelle des Strahlungsdetektors
in einer Vorrichtung für das Detektieren von Strahlung und der
Strahlengang durch die Abtastvorrichtung verläuft umgekehrt in
bezug auf den Strahlengang einer Vorrichtung zum Detektieren
von Strahlung.
In optischen Abtastvorrichtungen mit einem Abtastelement in
Form eines vielflächigen reflektierenden Abtastrotors führt
das Überwechseln von einer Facette zur nächsten dazu, daß
Strahlen aus zwei Richtungen gleichzeitig auf den Detektor
auftreffen oder daß im Falle der Bilderzeugung zwei Strahlen
auf unterschiedliche Teile des Bildes gleichzeitig auffallen.
Daher ist die Anzahl der Facetten auf dem Umfang des Abtastrotors
bisher beschränkt, um einen akzeptablen Wirkungsgrad
der Abtastung zu erzeugen, also ein annehmbares Verhältnis
der Länge des eine nutzbare Darstellung des Objektes liefernden
Teiles der Abtastung zu der Gesamtlänge der Abtastung zu erzeugen.
Eine vorgegebene horizontale Abtastfrequenz ist häufig wünschenswert,
um die Abtastung fernsehkompatibel zu machen.
Je größer die Anzahl der Facetten um den Umfang des Abtastrotors
gemacht werden kann, desto niedriger kann die Drehzahl
des Abtastrotors gewählt werden. Eine niedrige Drehzahl ist
gleichbedeutend mit einem verringerten Leistungsverbrauch und
einer erhöhten Lebensdauer. Es wurden daher auch schon Anstrengungen
unternommen, den Abtastwirkungsgrad und gleichzeitig
die Anzahl der Facetten zu erhöhen.
Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung ist aus der US-PS
40 30 806 bekannt. Bei dieser Vorrichtung verläuft die Strahlung
eines Lasers durch eine erste Sammellinse hindurch und
wird auf den vielflächigen Rotor fokussiert. Da die Flächen
oder Facetten plan sind, ist eine exakte Fokussierung auf
die Facetten für jede Facette nur in zwei Winkelstellungen
des Rotors erreichbar, die vorzugsweise so gewählt sind, daß
die exakte Fokussierung auftritt, wenn der Strahl an einer
Facette nahe den Übergängen zwischen zwei Facetten reflektiert
wird. Eine zweite Sammellinse ist im Strahlengang nach
der reflektierenden Fläche der Facette angeordnet, um den
Strahl zu kollimieren, also parallel zu machen. Planspiegel
außerhalb des Rotors lenken den Strahl dann ein zweites Mal
in der Weise auf den Rotor, daß der Strahl sich synchron
mit dem Rotor bewegt. Obwohl der auf den Rotor gerichtete
Strahl nur in zwei Winkelstellungen des Rotors exakt auf die
Facette fokussiert ist, liegt der Brennpunkt oder Fokus des
Strahls während der Abtastung sehr nahe an der Facette, so
daß jede kleine Unebenheit oder jeder Kratzer in der Facette
den Strahlengang des reflektierten Strahles erheblich beeinflußt.
Darüber hinaus nimmt der reflektierte Strahl zwischen
den beiden Sammellinsen unterschiedliche Wege, so daß die
Kollimation des reflektierenden Strahles für jede Facette nur
in zwei Winkelstellungen des Rotors exakt ist. Ein bekannter
Vorschlag zur Beseitigung dieses Problems geht dahin, außerhalb
des Rotors sphärische oder zylindrische Reflektoren anzuordnen,
die den Strahl ein zweites Mal auf den Rotor lenken.
Eine derartige Vorrichtung, die der Abtastvorrichtung der eingangs
genannten Gattung entspricht, ist aus der DE-OS 30 22 365
bekannt. Diese Vorrichtung umfaßt einen Rotor mit zwei axial
aneinander anschließenden Sätzen von Facetten um den Rotor herum,
von denen ein Satz konvex gebogene Facetten hat. Da der Strahl
auf die gebogenen Facettenoberflächen des Rotors fokussiert ist,
beeinflussen Kratzer und Unregelmäßigkeiten den Strahlengang
erheblich. Darüber hinaus ist die Herstellung eines Rotors mit
solchen Facetten schwierig und folglich teuer. Die meisten Probleme
bei der Herstellung eines Rotors mit konvex gebogenen reflektierenden
Facetten bereitet die Prüfmessung, der jeder
hergestellte Rotor unterzogen werden muß. Diese Prüfmessung
ist ohne Spezialgeräte praktisch undurchführbar, da die Übergänge
zwischen den Facetten nicht genauso klar festgelegt sind
wie im Fall von planen Facetten. Hierbei ist zu unterstreichen,
daß selbst eine kleine Änderung der hinteren Brennweite der
Facetten das Abtastergebnis beeinflußt und daß der Rotor daher
mit sehr engen Toleranzen hergestellt werden muß.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin,
eine Abtastvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen,
die bei hohem Abtastwirkungsgrad und hoher Abtastauflösung einen
Rotor besitzt, der leicht herstellbar und nach der Herstellung
leicht überprüfbar ist, und der bei vergrößerten Herstellungstoleranzen
unempfindlicher gegenüber Kratzern und Unregelmäßigkeiten
in den Facetten ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1
genannten Merkmale gelöst.
Bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung der optischen Anordnung
ist es also möglich, die Facetten der zweiten reflektierenden
Fläche des Abtastrotors als plane reflektierende Flächen auszubilden.
Dabei ist hervorzuheben, daß nur die Facetten der zweiten
reflektierenden Fläche zur Lösung der Aufgabe plan sein müssen,
da nur an dieser Stelle des Strahlengangs die erforderliche
Präzision der reflektierenden Fläche erforderlich ist, die
im Sinne der Aufgabe der Erfindung dadurch kostengünstig ermöglicht
wird, daß diese Facetten als plane Flächen ausgebildet
werden. Die Toleranzen der Facetten des Abtastrotors im Bereich
der ersten reflektierenden Fläche, also objektseitig, sind
keinesfalls genauso kritisch, da in diesem Bereich die Strahlung
die ganze Facette ausfüllt.
Es ist also durchaus möglich, im Rahmen der Erfindung einen
geteilten Rotor vorzusehen, von denen nur der eine Teil mit
den optisch kritischen planen Facetten versehen ist, während
die Facetten des anderen Teils sehr wohl auch gekrümmt ausgebildet
werden können, da an dieser Stelle des Strahlengangs
keine hohen Präzisionsanforderungen gestellt werden.
Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, daß ein Bündelungselement
im Strahlengang zwischen dem ersten gekrümmten Spiegel der zweiten
reflektierenden Fläche angeordnet ist, und daß ein reelles
Bild des Detektors oder der eine Strahlung aussendenden Vorrichtung
an einem Ort gebildet wird, der zwischen dem ersten gekrümmten
Spiegel und einem Punkt im Strahlengang liegt, an dem das Bündelungselement
als Feldelement für den tatsächlichen Ort dieses
reellen Bildes wirkt. Diese Aussage, nämlich daß das Bündelungselement
als Feldelement für diesen Ort des reellen Bildes wirkt,
bedeutet eine Lageangabe für dieses optische Bündelungselement.
Das reelle Bild kann dabei irgendwo zwischen dem ersten gekrümmten
Spiegel und einem Ort zwischen der zweiten reflektierenden
Fläche und der Nähe des Bündelungselements erzeugt werden. Das
Bündelungselement kann daher als Feldelement dienen, es muß
jedoch nicht notwendigerweise ein Feldelement sein.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Abtastvorrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
In der Zeichnung ist eine Vorrichtung nach der Erfindung
in beispielsweise gewählten Ausführungsformen schematisch vereinfacht
dargestellt; es zeigt
Fig. 1 eine Aufsicht auf eine erste Ausführungsform der
Abtastvorrichtung nach der Erfindung;
Fig. 2 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht
der Vorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 3 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht
einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 4 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht
einer dritten Ausführungsform;
Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines Teiles der Vorrichtung
nach Fig. 4 mit Veranschaulichung der
Reflexionen an den Rotorfacetten, die an der dem
Detektor zunächst liegenden Reflexionsfläche entstehen;
Fig. 6 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht
einer vierten Ausführungsform;
Fig. 7 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht
einer fünften Ausführungsform;
Fig. 8 eine Aufsicht auf eine sechste Ausführungsform;
Fig. 9 eine Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig. 8;
Fig. 10 eine Seitenansicht einer Abwandlung der in den Fig. 8
und 9 dargestellten Ausführungsform mit einem
Detektor-Array, also mit einer mehrere Detektoren
umfassenden Detektor-Anordnung;
Fig. 11 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht
einer siebenten Ausführungsform;
Fig. 12 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform mit einem
zusätzlichen sichtbaren Strahlengang zur Bilderzeugung
synchron mit der Abtastung des Objekts.
Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform
hat ein durch einen nicht dargestellten Motor angetriebener,
um eine Achse C drehbarer Rotor 1 plane reflektierende Facetten
2, die aneinandergrenzend um seinen Umfang herum angeordnet
sind. In Fig. 1 sind lediglich sechs Facetten 2 dargestellt,
um die Figur übersichtlich zu halten; in der Praxis
ist die Anzahl der Facetten wesentlich größer. In Fig. 2,
die den Rotor in einer anderen Drehstellung veranschaulicht,
sind die Facetten parallel zu der Achse C des Rotors dargestellt,
bilden also die Umfangsfläche eines regelmäßigen polygonalen
Zylinders. Die Facetten können jedoch auch einen Winkel
mit der Achse C des Rotors einschließen.
Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich, ist eine Sammellinse
3 vor dem unteren Teil des Rotors 1 nahe den Facetten 2
angeordnet. Eine optische Übertragungsvorrichtung, die in dieser
Ausführungsform zwei Sammellinsen 4 und 5 umfaßt, entwirft
ein Bild P 1 eines Strahlungsdetektors D. Die Strahlen
werden zwischen den Linsen 4 und 5 kollimiert (also parallel
gerichtet), zwischen denen ein optisches Filter 6, das den
Wellenlängenbereich der auf den Detektor auffallenden Strahlung
begrenzt, und eine Aperturblende 7, die die Apertur der
gesamten Vorrichtung festlegt, angeordnet sind. Wie üblich,
befindet sich an dem Detektor D eine gekühlte Platte 8.
Die Linse 3 ist eine Feldlinse und das stationäre Bild P 1
ist ein virtuelles Spiegelbild des reellen Bildes P 2, das
innerhalb oder nahe der Linse 3 liegt und zufolge der Reflexion
des Strahles an einer der Facetten 2 bei A sich während
der Drehung des Rotors längs einer gebogenen Linie bewegt,
die innerhalb der Linse oder nahe bei dieser verläuft.
Es ist festzuhalten, daß es die Aperturblende 7 in der optischen
Übertragungsvorrichtung 4 und 5 ist, die das von einem
Objekt oder einer Szene auf den Detektor D auffallende Strahlenbündel
begrenzt. Daher ist die Arbeitsweise der Vorrichtung
am besten zu verstehen, wenn man dem Strahlengang von
dem Detektor D zu der Szene oder dem Objekt folgt, obwohl
die Strahlung umgekehrt gerichtet ist.
Da die Linse 3 eine Feldlinse ist, beugt sie den Strahlenkegel,
ohne dessen Spitzenwinkel zu ändern. Ein im wesentlichen
sphärischer Spiegel 9 ist außerhalb des Rotors 1
angeordnet, um die Strahlung zurück auf den Rotor 1 zu reflektieren.
Die Linse 3 beugt den Strahlengang so, daß der Strahlenkegel
oder das Strahlenbündel, das von dem Spiegel 9 zurück
auf den Rotor geworfen wird, jeder Facette über ein solches
Winkelmaß folgt, daß das gesamte Strahlenbündel während
des nutzbaren Teils der Abtastung vom dem oberen Teil
derselben Facette 2 ein zweites Mal reflektiert wird.
Hinter den Facetten 2 erzeugt der Spiegel 9 ein virtuelles
Bild P 3 des Bildes P 2. Da während einer Abtastung das
Bild P 2 längs einer gebogenen Linie in oder nahe der Linse
3 wandert, wandert auch das Bild P 3 längs einer gebogenen
Linie im Raum. Der Radius und der Krümmungsmittelpunkt des
Spiegels 9 sind in Beziehung auf den Rotor so gewählt, daß
die Reflexion bei B auf dem oberen Teil der Facette 2 während
der gesamten Abtastung in Umfangsrichtung in diesem
Teil der Facette zentriert ist. Wegen der Reflexion in B ist
das Bild P 3 ein virtuelles Spiegelbild eines reellen Bildes
P 4, das in dem Raum außerhalb des Rotors liegt. Wenn der
Rotor sich dreht, bewegt sich das Bild P 4 längs einer gebogenen
Linie 10, die annähernd ein zu dem Rotor konkaves
Kreisbogenstück ist. Ein im wesentlichen sphärischer Spiegel
11 ist so angeordnet, daß die Linie 10 so nahe als möglich
in seiner Brennfläche liegt und dient als Objektiv der Abtastvorrichtung.
Ein oszillierender Spiegel 12 ist an der stationären Pupille
angeordnet, die von der horizontalen Abtastvorrichtung
erzeugt wird. Der Spiegel 12 nimmt die Vertikalabtastung vor.
Ein Bezugstemperaturgeber T kann an dem einen Ende der gebogenen
Linie 10 angeordnet sein, so daß der Strahl beispielsweise
bei Beginn der Abtastung auf diesen Bezugstemperaturgeber
auffällt. Ein zweiter Bezugstemperaturgeber (nicht
dargestellt) kann am anderen Ende der gebogenen Linie angeordnet
sein. Wenn zwei Bezugstemperaturgeber verwendet werden,
können sie unterschiedliche Temperaturen haben und zusammenwirken,
um sowohl einen Bezugstemperaturpegel als auch eine
Bezugsempfindlichkeit zu liefern. Vorzugsweise sind die
Bezugstemperaturgeber an den Enden des genau definierten
Bereiches der Linie 10 angeordnet, wo die Strahlen nicht aus
zwei unterschiedlichen Richtungen kommen.
In den Fig. 1 und 2 ist die Strahlung zwischen dem abgetasteten
Objekt und dem Spiegel 11 als kollimiert, also als
parallelverlaufend dargestellt. Dies ist der Fall, wenn das
Objekt weit entfernt ist. Wenn das Objekt nahe der Abtastvorrichtung
liegt, wird eine Entfernungseinstellung durch
Bewegen des Spiegels 11 in der in Fig. 2 durch den Pfeil E
angegebenen Richtung durchgeführt. Zur Verminderung des
Astigmatismus, der darauf zurückzuführen ist, daß die Strahlung
auf die Spiegel in einem Winkel zu ihren optischen Achsen
auffällt, vgl. beispielsweise Fig. 2, können einer der
Spiegel oder beide Spiegel Toroid- oder Ellipsoidspiegel
sein.
Die Linse 3 dient im wesentlichen zwei Zwecken. Zunächst
stellt die Linse 3 zufolge ihrer Brennweite im Verhältnis
zur Brennweite und dem Ort des Spiegels 9 sicher, daß der
bei B auf den Rotor reflektierte Strahl der Breite der Facette
2 folgt und daß keine von irgendeiner anderen als der
gerade die Abtastung durchführenden Facette kommende Strahlung
in den Strahlengang zu dem Detektor gelangt. Zum zweiten
trägt die Linse 3 zur Feldkrümmung in solchem Maße bei,
daß das Bild P 4 sich längs einer gebogenen Linie bewegt, die
zum Rotor hin konkav ist, nämlich der zuvor erwähnten Linie
10, so daß ein im wesentlichen sphärischer Spiegel 11 als
Objektiv verwendet werden kann. Die Linse 3 kann entweder
sphärisch (kugelig) oder zylindrisch sein.
Da das Bild P 2 in oder sehr nahe der Feldlinse 3 liegt,
hat der Strahl eine gewisse Breite, wenn er bei A an der
Facette 2 reflektiert wird, was zu einem geringen Verlust
an Abtastwirkungsgrad führt. Dieser Verlust ist jedoch in
der Praxis sehr klein und selbst bei sehr vielen Facetten
(in der Größenordnung von 20) auf dem Rotor kann ein Abtastwirkungsgrad
von 80 bis 90% leicht erzielt werden.
Wenn die Vergrößerung des Bildes P 2 in das Bild P 3 niedrig
gehalten wird und vorzugsweise nicht wesentlich größer
als 1 ist, wie dies bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform
der Fall ist, wird die Gewinnung der gewünschten
Krümmung der Linie 10 erleichtert.
Fig. 3 zeigt eine Abtastvorrichtung, bei der der Strahlengang
zwischen der Linse 3 I und dem Spiegel 9 I durch Einfügen
von zwei Planspiegeln 13 und 14 zwischen
dem Bild P 2 I und dem Spiegel 9 I durch Faltung
verlängert worden ist. Es ist nicht notwendig, mit
einem einzigen vielflächigen Rotor zu arbeiten, bei dem der
Strahl zweimal auf derselben Facette reflektiert wird. Wie
in Fig. 3 gezeigt, können zwei vielflächige Rotoren 15 und
16 benutzt werden. Die zwei Rotoren sind auf verschiedenen
Seiten eines Antriebsmotors 17 angeordnet. In der Figur sind
die Rotoren mit gleichen Durchmessern dargestellt, jedoch
ist dies nicht notwendig. Darüber hinaus müssen die Rotoren
auch nicht die gleiche Drehzahl oder Drehrichtung haben, da
diese Parameter gleich oder verschieden sein können, und
zwar abhängig von den Abmessungen und den Anbringungsorten
der Linse 3 I und des Spiegels 9 I im Verhältnis zu den zwei
Rotoren.
In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform führt ein
schwingender Spiegel 12 I die vertikale Abtastung durch. Die
vertikale Abtastung kann jedoch auch in der Weise durchgeführt
werden, daß die Facetten auf dem Rotor 16 um einen Winkel
gegen die Rotorachse geneigt oder schräg angebracht werden,
der sich von einer Facette zur nächsten ändert. Dies
gilt auch für die in den anderen Figuren dargestellten Ausführungsformen.
Eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung ist in Fig. 4
dargestellt. Der Detektor D III mit der zugehörigen optischen
Übertragungsvorrichtung 4 III, 5 III ist so angeordnet, daß die
optische Achse im wesentlichen parallel zur Achse des Rotors
1 III ist. Ein Planspiegel 21 lenkt den Strahlengang auf eine
Facette 2 III des Rotors ab, so daß ein stationäres Bild P 1 III
des Detektors D III hinter der Facette erzeugt wird. Vor dem
Rotor 1 III ist eine Linse 22 angeordnet. Auf der von dem Rotor
abgewandten Seite hat die Linse 22 eine reflektierende
Beschichtung. Das stationäre Bild P 1 III ist ein virtuelles
Spiegelbild eines reellen Bildes P 2 III, das in der Linse 22
oder nahe der reflektierenden Beschichtung liegt und sich in
der Linse 22 im Verlauf der Drehung des Rotors als Folge der
Reflexion des Strahles an der Facette in F bewegt. Der Strahl
wird durch die reflektierende Beschichtung zurück zu der Facette
2 III reflektiert und wird auf der Facette bei G erneut
reflektiert. Ein weiteres Bild wird hinter der Facette 2 III
an etwa der gleichen Stelle wie das Bild P 1 III erzeugt.
Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht, gesehen von der
Linie I-I in Fig. 4, wobei sich der Rotor in einer anderen
Winkelposition befindet als in Fig. 4 dargestellt, und die
Strahlreflexionen an der Facette bei F und G sowie an der
reflektierenden Beschichtung der Linse 22 veranschaulicht
werden. Zur leichteren Erkennbarkeit des Strahlengangs sind
die Randstrahlen mit a und b bezeichnet.
Die Linse 22 ist so bemessen, daß in der Ansicht gemäß
Fig. 5 der Randstrahl b des von dem Spiegel 9 III kommenden
Strahlenbündels sich so nah wie möglich an dem Hauptstrahl
P des Strahlenbündels zu dem Detektor D III an den Enden der
Abtastung, also kurz vor dem Überwechseln von einer Facette
zur nächsten, befindet.
Die übrigen Bauteile 9 III, 11 III, 12 III der in Fig. 4 gezeigten
Vorrichtung haben zu den in den Fig. 1 und 2 wiedergegebenen
Bauteilen 9, 11, 12 analoge Funktionen und Abmessungen.
Der Vorteil der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform
gegenüber derjenigen nach den Fig. 1 und 2 besteht darin,
daß die von dem Bild P 4 III beschriebene gebogene Linie in
der Vorrichtung nach Fig. 4 länger ist. Daher tastet diese
Vorrichtung über einen größeren Winkel ab. Die Linse 22 arbeitet
als sehr starke Feldlinse.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Kollimatoroptik
der Vorrichtung ein Linsensystem 25 ist. In dieser Ausführungsform ist
das Feldelement ein annähernd sphärischer
Spiegel 23. Ein Planspiegel 24 faltet den Strahlengang und
lenkt ihn auf den annähernd sphärischen Spiegel 9 IV. Wie
bei der Vorrichtung nach Fig. 1 befindet sich ein stationäres
virtuelles Bild P 1 IV hinter den Facetten. Ein reelles
Bild P 2 IV, das ein Spiegelbild des Bildes P 1 IV ist, bewegt
sich längs einer gebogenen Linie nahe dem Spiegel 23. In dieser
Ausführungsform ist es praktisch unmöglich, zu vermeiden,
daß die von dem Bild P 4 IV beschriebene gebogene Linie
konvex zu dem Rotor 1 IV ist. Daher wird ein Linsensystem 25
als Objektiv der Abtastvorrichtung verwendet. Ein oszillierender
Spiegel 26 ist dort angeordnet, wo der Strahlengang zwischen
dem abgetasteten Objekt und dem Objektiv während der
Abtastung im Wesentlichen stationär ist.
Anstelle eines schwingenden Spiegels kann ein vielflächiger
oder facettierter Rotor zur Durchführung der vertikalen Abtastung
verwendet werden.
Grundsätzlich wird bei Abtastvorrichtungen angestrebt, mit
so wenig brechenden Elementen als möglich auszukommen, vor
allem bei Abtastvorrichtungen, die im Infrarotbereich liegende
Strahlung abtasten sollen. Dieses Bestreben resultiert
teils daraus, daß das für die Bauelemente benutzte Material
sehr teuer ist und teils daraus, daß diese Elemente eine anti-
reflektierende Beschichtung benötigen. Die in Fig. 6 gezeigte
Ausführungsform hat den Nachteil, daß die von dem
Bild P IV beschriebene gebogene Linie konvex zu dem Rotor ist,
so daß ein ein Linsensystem umfassendes Objektiv benutzt werden
muß.
Die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform ist von diesem
Nachteil frei. Der Rotor 1 V hat eine geradzahlige Anzahl von
Facetten, das Feldelement ist ein sphärischer Spiegel 30, und
die beiden Reflexionen A V und B V treten an zwei verschiedenen
Facetten 27 und 28 auf, die sich auf diametral gegenüberliegenden
Seiten des Rotors befinden.
Somit ist der Detektor D V mit seiner optischen Übertragungsvorrichtung
29 auf der in bezug auf die sphärischen
Spiegel 9 V und 11 V gegenüberliegenden Seite des Rotors angeordnet.
Ein Bild P 1 V des Detektors wird hinter der Facette 27
erzeugt. Dieses Bild P 1 V ist ein virtuelles Spiegelbild eines
reellen Bildes P 2 V, das sich längs einer gebogenen Linie bewegt.
Ein nahe dieser Linie angeordneter Feldspiegel 30 lenkt
die Strahlungskegel ab, ohne seinen Spitzenwinkel wesentlich
zu ändern.
Der Spiegel 9 V erzeugt ein Bild P 3 V des Bildes P 2 V hinter
der Facette 28. Zufolge der Reflexion an der Facette 28 ist
das Bild P 3 V ein virtuelles Spiegelbild eines Bildes P 4 V, das
sich längs einer im wesentlichen kreisbogenförmigen Linie bewegt,
wenn sich der Rotor 1 V dreht. Der Kreisbogen ist konkav
zu dem Rotor, daher kann ein im wesentlichen sphärischer Spiegel
11 V als Objektiv benutzt werden.
In den Fig. 8 und 9 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt
die lediglich reflektierende optische Elemente in
der Abtastvorrichtung enthält. Wie in der Ausführungsform
nach Fig. 7 entstehen die Reflexionen in A VI und B VI an dem
Rotor 1 VI auf zwei einander diametral gegenüberliegenden
Facetten 31 und 32. Ein annähernd sphärischer Spiegel 33 befindet
sich auf der gleichen Seite des Rotors wie die Facette
31 und nahezu an der gleichen Stelle wie der Spiegel 30 in
der Vorrichtung nach Fig. 7. Anders als der Spiegel 30 ist
jedoch der Spiegel 33 kein Feldspiegel. Stattdessen wird bei
dieser Ausführungsform ein stationäres Bild P 6 des Detektors
D VI vor der Facette 31 erzeugt. Gewünschtenfalls kann eine
Aperturblende 34 an der Stelle dieses Bildes P 6 angeordnet
werden, um Streustrahlung zu vermindern, was diese Ausführungsform
zu der bevorzugten Ausführungsform macht. Die dem
Detektor D VI zugeordnete optische Übertragungsvorrichtung
kann aus zwei sphärischen Spiegeln 50 und 51 bestehen, die
wie die Spiegel in einem sogenannten umgekehrten Cassegrain-
System angeordnet sind. Auf diese Weise brauchen keine brechenden
Elemente im Strahlengang zu dem Detektor D VI in der
in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform angeordnet zu werden.
Ein Spiegelbild P 7 des stationären Bildes P 6 wird hinter
der Facette 31 erzeugt und bewegt sich, wenn sich der Rotor
1 VI dreht. Der Spiegel 33 erzeugt ein Bild P 8 des Bildes P 7
in einer gewissen Entfernung von der planen Stirnfläche des
Rotors 1 VI, wie aus Fig. 9 ersichtlich. Ein Bild P 3 VI des
Bildes P 8 wird durch den im wesentlichen sphärischen Spiegel
9 VI hinter der Facette 32 erzeugt. Dieses Bild P VI ist ein
Spiegelbild eines Bildes P 4 VI, das sich während der Drehung
des Rotors längs einer gebogenen, zu dem Rotor konkaven Linie
10 VI bewegt. Bezugstemperaturgeber T VI sind an den Enden
der gebogenen Linie angeordnet. Ein im wesentlichen sphärischer
Spiegel 11 VI, an dessen Brennebene die gebogene Linie
so nahe als möglich liegt, dient als Objektiv der Abtastvorrichtung.
Die vertikale Abtastung erfolgt durch einen oszillierenden
Spiegel 12 VI oder ein andersartiges Abtastelement.
Der Detektor D VI in Fig. 9 ist als Einzeldetektor dargestellt.
Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der anstelle
eines einzigen Detektors ein Detektor-Array D VII benutzt
wird, das mehrere Detektorelemente umfaßt. Das Detektor-Array
D VII ist so angeordnet, daß die Szene durch die Detektorelemente
des Arrays seriell abgetastet wird und die Ausgangssignale
der Detektorelemente einzeln in solchem Maße verzögert
werden, daß in jedem Augenblick die Summe der verzögerten Signale
aller Elemente die von einem einzelnen Punkt des abgetasteten
Objekts ausgehende, detektierte Strahlung darstellt.
Anstelle eines Detektor-Arrays der zuvor genannten Art, also
aus Einzeldetektoren, kann ein kontinuierlicher Detektorstreifen,
ein sogenannter Sprite-Detektor, verwendet werden
Wenn ein Detektor-Array oder ein Sprite-Detektor verwendet
wird, muß die Feldblende 34 in Fig. 9 länglich gestaltet sein
und ein das Strahlenbündel ablenkendes Feldelement wie etwa
eine Feldlinse 45 oder ein sphärischer Feldspiegel sollte möglichst
nahe angeordnet werden. Die Brennweite der Feldlinse
45 (oder des Feldspiegels) ist so gewählt, daß ein Bild der
Apertur (die Pupille) auf oder nahe dem Rotor 1 VII an der
Facettenreflexionsfläche B VII erzeugt wird. Dann können die
Facettenabmessungen sehr klein gemacht werden. Ein anderes
Bild der Apertur wird auf oder nahe dem Rotor 1 VII in der
Facettenreflexionsfläche A VII erzeugt. Auf diese Weise wird
ein hoher Abtastwirkungsgrad selbst mit Detektor-Arrays, die
zahlreiche Detektorelemente umfassen, erreicht.
Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform der Abtastvorrichtung.
Bei dieser Ausführungsform hat der vielflächige Rotor
35 einen ringförmigen Aufbau mit einer dünnen Wand und planen
reflektierenden Facetten sowohl auf seiner Außenseite als
auch auf seiner Innenseite. Wie in Fig. 10 dargestellt, sind
die Facetten gegen die Achse des Rotors geneigt. Die Facetten
können aber auch parallel zu der Achse liegen. Der Rotor ist
mittels eines nicht dargestellten Motors um seine Achse C
drehbar.
Ein stationäres reelles Bild P 9 des Strahlungsdetektors
D VIII wird durch eine optische Übertragungsvorrichtung 36 von
vorzugsweise derselben Art wie in Fig. 8 dargestellt über einen
stationären, geneigten Planspiegel 37 erzeugt, der sich innerhalb
des Rotors befindet. Eine Feldblende 52 ist in P 9 angeordnet.
Ein Spiegelbild P 10 des Bildes P 9 befindet sich hinter
den Facetten innerhalb des Rotors 35 und bewegt sich bei
sich drehendem Rotor.
Ein im wesentlichen sphärischer Spiegel 38 ist axial außerhalb
des Rotors nahe dessen Achse angeordnet. Ein Bild P 11 des
Bildes P 10 wird durch den Spiegel 38 erzeugt, wobei der Lichtstrahl
zwischen dem Spiegel 38 und dem Bild P 9 an A VIII auf
der inneren Facette des Rotors reflektiert wird. Ein Bild
P 3 VIII wird hinter einer äußeren Facette des Rotors 35 durch
einen im wesentlichen sphärischen Spiegel 9 VIII erzeugt. Zufolge
der Reflexion an einer äußeren Facette in B VIII ist das
Bild P 3 VIII ein Spiegelbild eines Bildes P 4 VIII, das sich
längs einer gebogenen, zu dem Rotor 35 konkaven Linie bewegt,
wenn sich der Rotor dreht. Ein im wesentlichen sphärischer
Spiegel 11 VIII, auf dessen Brennfläche die gebogene Linie
liegt, dient als Objektiv der Abtastvorrichtung. Ein schwingender
Spiegel 12 VIII besorgt die vertikale Abtastung.
Alle vorgenannten Ausführungsformen stellen Abtastvorrichtungen
dar, die für die Abtastung einer von einer Szene
oder einem Objekt ausgehenden Strahlung ausgebildet sind. Die
Strahlung wird auf einen Detektor übertragen. Es ist festzuhalten,
daß alle diese Ausführungsformen so abgewandelt werden
können, daß sie Bilderzeugungsvorrichtungen darstellen.
Eine sich rasch ändernde, modulierte Lichtquelle wie eine
lichtemittierende Diode oder ein Laser können dann an die
Stelle des Detektors treten. Der Lichtstrahl der Lichtquelle
verläuft dann durch die Vorrichtung in zu der in den Figuren
dargestellten Richtung umgekehrter Richtung und trifft auf
das Auge des Beobachters oder auf einen Bildschirm auf.
Ebenso ist es möglich, den gleichen Rotor sowohl zum Abtasten
der von einem Objekt ausgehenden Strahlung und zur Erzeugung
eines Bildes des Objektes zu benutzen. Fig. 12 zeigt
eine Ausführungsform, nach der die Abtastvorrichtung mit den
Elementen D, 5, 4, 3, 1, 9, 11, 12 durch eine Bilderzeugungsvorrichtung
ergänzt ist, die eine lichtemittierende Diode L,
eine optische Übertragungsvorrichtung 39, den Rotor 1, eine
Linse 40, zwei annähernd sphärische Spiegel 41 und 42 und
einen oszillierenden Spiegel 43 umfaßt. Das Auge des Beobachters
blickt in den Spiegel 43 oder durch eine Optik, die
eine Linse relativ nahe an dem Spiegel hat. In diesem Fall
kann es notwendig sein, das von dem Spiegel 42 kommende
Strahlenbündel zu fokussieren. Die Fokussierung kann durch
Bewegung des Spiegels 42 in Richtung der optischen Achsen
zwischen den Spiegeln 42 und 43 erreicht werden.
Das während der Abtastung von dem Strahlungsdetektor D erhaltene
Video-Signal wird über eine Verstärker- und Signal
korrekturschaltung 44 dem Steuereingang der lichtemittierenden
Diode zugeführt. Das modulierte Licht der lichtemittierenden
Diode wird über die Bilderzeugungsvorrichtung 39 bis
43 direkt dem Auge des Beobachters übertragen. Der Beobachter
sieht ein Bild der von dem abgetasteten Objekt ausgehenden
Infrarotstrahlung.
In der Ausführungsform nach Fig. 12 ist nur der vielflächige
Rotor der Vorrichtung zur Abtastung des Objekts und der
Vorrichtung zur Erzeugung des Bildes gemeinsam. Es liegt auf
der Hand, daß beide Vorrichtungen auch die Linse 3 und die
Spiegel 9, 11 und 12 gemeinsam haben können. Ein erster Strahlungsteiler
(nicht dargestellt) ist dann zwischen der Linse 4
und dem Rotor 1 angeordnet, um dem Detektor D Infrarotstrahlung
zuzuführen und um Strahlung der Lichtquelle in die Vorrichtung
einzuleiten. Ein zweiter Strahlungsteiler (nicht dargestellt)
ist außerhalb des Spiegels 12 angeordnet, um Infrarotstrahlung
von dem Objekt in die Vorrichtung gelangen lassen
zu können und um die Strahlung der Lichtquelle L zu dem
Auge gelangen lassen zu können.
Die Strahlung einer lichtemittierenden Diode ist nicht hell
genug, um ein scharfes Bild auf einem Bildschirm zu erzeugen.
Wenn ein scharfes Bild benötigt wird, muß eine stärkere Lichtquelle
wie etwa ein Laser und ein Lichtmodulator benutzt werden.
Im Rahmen der Erfindung sind viele Abwandlungen möglich.
Jede der in den Figuren veranschaulichten Ausführungsformen
zeigt mehrere unterschiedliche Merkmale der Erfindung. Diese
Merkmale sind nicht notwendigerweise auf die Ausführungsformen
beschränkt, in deren Zusammenhang sie wiedergegeben sind, sondern
können in den meisten Fällen auch bei den anderen Ausführungsformen
verwirklicht werden.
Bei einer Abtastvorrichtung mit den Facettenfolgemerkmalen
nach der Erfindung ist es möglich, die Auflösung der Vorrichtung
dadurch zu verbessern, daß gebogene oder gewölbte Facetten
auf derjenigen Fläche des Rotors angeordnet werden, wo
die Reflexion der Kollimatoroptik am nächsten liegt, also
beispielsweise jede Facette an dieser Reflexionsfläche (B)
als einen im wesentlichen sphärischen konkaven Spiegel auszubilden.
Solche Facetten würden dazu führen, daß das Bild P 4
des Detektors kleiner würde und näher an den Rotor 1 heranrücken
würde. Das Bild näher an den Rotor heranzurücken wäre
gleichbedeutend mit einer Verkürzung der Länge der gebogenen
Linie, längs derer sich das Bild P 4 bewegt, aber die Verminderung
der Größe des Detektorbildes würde die Verminderung
der Länge der gebogenen Linie überwiegen. Im Ergebnis würde
folglich die Anzahl von auf der Linie abgebildeten Detektorelementen
erhöht werden, wenn die Facetten im Bereich der
Reflexionsfläche B gebogen oder gewölbt wären. Statt durch
gebogene Facetten kann das gleiche Ergebnis durch Sammellinsen
erzielt werden, die vor jeder Facette angeordnet sind
und sich mit dem Rotor drehen.
Claims (15)
1. Abtastvorrichtung zur optischen Abtastung einer Szene in
wenigstens einer Dimension, mit einem vielflächigen, reflektierenden
Abtastrotor (1; 15, 16; 35), einer optischen Bündelungsvorrichtung
(11) im Strahlengang zwischen der Szene
und dem Abtastrotor zur Erzeugung eines primären Bildes der
Szene zwischen der Bündelungsvorrichtung (11) und dem Abtastrotor,
mit einem ersten, im wesentlichen sphärischen oder
kugelkalottenförmigen Spiegel (9) im Strahlengang zwischen
einer ersten reflektierenden Fläche (B) und einer zweiten
reflektierenden Fläche (A) des Abtastrotors, wobei beide
Flächen (A, B) im nicht-parallelen Strahlengang liegen, ferner
mit einer Strahlung detektierenden oder aussendenden Vorrichtung
(D; L) und mit Vorrichtungen (4, 5; 50, 51, 33;
46, 33; 36, 38) zur Erzeugung eines reellen Bildes der die
Strahlung detektierenden oder aussendenden Vorrichtung (D; L),
dadurch gekennzeichnet, daß ein Bündelungselement
(3; 3 I ; 22; 23; 30; 33; 34; 38; 52) wie etwa eine
Sammellinse oder ein im wesentlichen sphärischer oder kugelkalottenförmiger
Spiegel im Strahlengang zwischen dem ersten
im wesentlichen sphärischen oder kugelkalottenförmigen Spiegel
(9) und der zweiten reflektierenden Fläche (A) angeordnet
ist, daß die Vorrichtungen (4, 5; 50, 51, 33; 46, 33; 36, 38)
zur Erzeugung eines reellen Bildes der die Strahlung detektierenden
oder aussendenden Vorrichtung (D; L) dieses reelle
Bild im Strahlengang an einem Ort zwischen dem ersten im
wesentlichen sphärischen oder kugelkalottenförmigen Spiegel
(9) und einer Stelle erzeugen, die so nahe bei dem Bündelungselement
liegt, daß dieses Bündelungselement als Feldelement
für diesen Ort des reellen Bildes wirkt, und daß die Facetten
der zweiten reflektierenden Fläche (A) des Abtastrotors (1;
15, 16; 35) als plane reflektierende Flächen ausgebildet sind.
2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Bündelungselement
eine Feldlinse ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die von dem Abtastrotor abgewandte
Seite der Feldlinse (22) eine reflektierende Beschichtung
hat, und daß im Strahlengang eine dritte reflektierende
Fläche (G) auf dem Abtastrotor zwischen der Feldlinse (22)
und dem ersten Spiegel (9 III) liegt (Fig. 5).
3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Bündelungselement
ein Feldspiegel (30) ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste reflektierende Fläche (B V)
und die zweite reflektierende Fläche (A V) sich auf zwei einander
diametral gegenüberliegende Facetten (27, 28) des Abtastrotors
(1 V) befinden (Fig. 7).
4. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Bündelungselement (33; 38) so
angeordnet ist, daß es das reelle Bild (P 8; P 11) eines
stationären Bildes (P 6; P 12; P 9) erzeugt, wobei das stationäre
Bild und das Bündelungselement im Strahlengang auf
gegenüberliegenden Seiten der zweiten reflektierenden Fläche
(A VI; A VII; A VIII) des Abtastrotors liegen (Fig. 8, 9, 10, 11).
5. Abtastvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Strahlung
detektierende oder aussendende Vorrichtung eine längliche
Anordnung (D VII) aus einer Anzahl von Detektorelementen umfaßt,
auf die der Abtaststrahl nacheinander auffällt,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Feldblende
länglicher Form am Ort des stationären Bildes (P 12) angeordnet
ist, und daß ein weiteres bündelndes Feldelement (45)
wie etwa eine Feldlinse oder ein Feldspiegel benachbart zu
der Feldblende angeordnet ist (Fig. 10).
6. Abtastvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abtastrotor (35) ringförmig ausgebildet
ist und reflektierende Facetten sowohl auf der
Innenseite als auch auf der Außenseite hat, und daß die
erste reflektierende Fläche (B VIII) und die zweite reflektierende
Fläche (A III) sich auf einer äußeren Facette bzw.
einer inneren Facette befinden (Fig. 11).
7. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenbündel
an der ersten reflektierenden Fläche (B) auf dem Abtastrotor
einen Querschnitt hat, der sich praktisch über die Abmessung
einer der Facetten längs des Umfangs des Abtastrotors erstreckt,
und daß ein Bild (P 3) sich hinter diesen Facetten
(2) befindet, das zufolge der Reflexion an der ersten reflektierenden
Fläche (R) ein virtuelles Spiegelbild des primären
Bildes (P 4) ist, und daß das primäre Bild (P 4) bei sich
drehendem Abtastrotor eine gebogene Linie (10) überstreicht.
8. Abtastvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß sich mindestens ein Bezugstemperaturgeber
(T) auf der gebogenen Linie (10) und vorzugsweise an
wenigstens einem ihrer Enden oder an ihren beiden Enden befindet.
9. Abtastvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Bündelungsvorrichtung
ein im wesentlichen sphärischer oder kugelkalottenförmiger
Spiegel (11) ist, an dessen Brennfläche die gebogene
Linie so nahe als möglich liegt.
10. Abtastvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Bündelungsvorrichtung
aus einem Linsensystem besteht, an dessen Brennfläche
die gebogene Linie so nahe als möglich liegt.
11. Abtastvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
daß ein zweites Abtastelement
(12) zur Abtastung in einer anderen Richtung als sie der
Abtastrotor (1) ausführt, dort angeordnet ist, wo der
Strahlengang während einer von dem Abtastrotor (1) ausgeführten
Abtastung durch eine im wesentlichen stationäre Pupille verläuft.
12. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Facetten auf dem Abtastrotor
an der ersten reflektierenden Fläche (B) konkav sind.
13. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß zwei Spiegel (13, 14) im
Strahlengang zwischen dem Abtastrotor (1 I) und dem ersten
im wesentlichen sphärischen oder kugelkalottenförmigen
Spiegel (9 I) liegen, um den Strahlengang durch Faltung zu
verlängern.
14. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens einer der stationären,
im wesentlichen sphärischen oder kugelkalottenförmigen
Spiegel (9, 11, 29, 30) der Vorrichtung ein Toroid- oder
ein Ellipsoidspiegel ist.
15. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß sie sowohl für
die Feststellung von von einem Objekt ausgehender Strahlung
geeignet ist, in welchem Fall die Strahlung detektierende
oder aussendende Vorrichtung ein Strahlungsdetektor ist
und der Strahlengang durch die Vorrichtung von der Szene
zu dem Detektor verläuft, als auch für die Bilderzeugung
geeignet ist, in welchem Fall die Strahlung detektierende
oder aussendende Vorrichtung eine modulierte Lichtquelle
wie eine lichtemittierende Diode oder ein Laser ist und
der Strahlengang durch die Vorrichtung von der Lichtquelle
zu der Szene verläuft, und daß die Vorrichtung derart
verwendbar ist, daß ein System zur Detektierung von
Strahlung und ein System zur Bilderzeugung unter Verwendung
jeweils des gleichen vielflächigen Abtastrotors
benutzbar ist.
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Representative=s name: STROHSCHAENK, H., DIPL.-ING. URI, P., DIPL.-ING. S |
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8128 | New person/name/address of the agent |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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