NO823943L - Optisk avsoekningssystem. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår optiske avsøkningssystemer.

For mange formål, såsom optisk tegngjenkjennelse, laseravsøkning eller termisk avbildning, finnes det et behov for å avsøke en optisk strålebunt raskt og på gjentatt måte over et mål eller en scene. Dette utføres vanligvis ved hjelp av en multifasettert, reflekterende rotor som er plassert i strålebanen, slik at hver suksessiv fasett avbøyer strålebunten langs det samme geometriske avsøkningssted,

eller langs forskjellige geometriske steder for å avsøke et område i stedet for en eneste linje dersom suksessive faset-ters pyramidevinkler er forskjellige. Effektiviteten av sådanne systemer, definert som forholdet mellom perioden med aktiv avsøkning og den totale periode, er vanligvis begrenset til ganske beskjedne verdier da en høy effektivi-

tet medfører en stor rotorstørrelse og dette er upraktisk på grunn av den lave, tilgjengelige avsøkningshastighet og høye spilleromstap (engelsk: windage losses).- Begrensnin-

gen i effektivitet, eller virkningsgrad av sådanne konvensjonelle avsøkningsrotorer skyldes bevegelsen av rotorfaset-tene forbi den innfallende strålebunt som er stasjonær i rotorbevegelsesretningen. Under den aktive avsøkningsperiode må hele den innfallende strålebunt reflekteres av den samme rotorfasett, slik at bredden av hver fasett må være større enn bredden av strålebunten med et beløp som er avhengig av den ønskede avsøkningseffektivitet.

Optiske avsøkningssystemer for overvinnelse av

denne begrensning er beskrevet i DE offentliggjørelsesskrift 3 022 365 og i GB patentskrift 1 419 940 hvor den strålebunt

som er innfallende på rotorfasetten, bringes til å følge den vandrende fasett slik at den forblir sentrert på fasetten til enhver tid under en avsøkningsperiode, og til å omkoples raskt til den etterfølgende fasett som forberedelse for den etterfølgende fasettperiode. Dette oppnås ved å bringe strålebunten til å reflekteres fra en komponent som roterer synkront med rotoren før den er innfallende på rotoren,

idet det er sørget for optikk slik at strålebunten ved denne forutgående refleksjon er så smal som mulig, mens den ved refleksjonen fra den reflekterende'rotor har samme bredde som rotorfasetten.

Disse dobbeltrefleksjonssystemer lider av to mangler. For. det første er den roterende komponent som tilveiebringer den første strålebuntrefleksjon, anbrakt på en'slik måte at den må ha krumme refleksjonsflater som er nesten konsentriske med dens rotasjonsakse for å begrense vinkelbevegelsen av den reflekterte strålebunt slik at den er lik vinkelbevegelsen av den reflekterende rotor for å oppnå den ønskede følge- eller sporingseffekt, og følgelig er dennekomponent vanskelig og kostbar å fremstille med den nødvendige overflatekvalitet. For det andre, og mer fundamentalt, kan systemet, dersom bildekvalitet er viktig, bare benyttes med en detektor (eller strålingskilde) som har punktstørrelse. Dette inntreffer på grunn .av at detek-torens (eller strålingskildens) mellomliggende bilde dannes på eller meget nær den krumme overflate fra hvilken strålebunten først reflekteres. Krumningen av denne overflate har to virkninger - den innfører feltkrumning av detektorbildet og den forårsaker at de hovedstråler som svarer til forskjellige detektorelementer innenfor detektoroppstillingen, di-vergerer. Jo større detektoroppstillingen er, jo større er feltkrumningen og hovedstråledivergensen, og for andre enn de minste detektoroppstiliinger må disse:defekter korrigeres ved tilføy.else av komplekse, kompenserende optiske komponenter, mens sådan korreksjon for større detektoroppstiliinger blir upraktisk på grunn av at divergensen er så stor, og kan være asymmetrisk, at det blir umulig åfolde de optiske baner på en slik måte at fri strålingspassasje tillates.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et dobbeltreflekterende, optisk avsøkningssystem som har forholdsvis enkel konstruksjon og som unngår eller reduserer de foran omtalte ulemper samtidig som den bibeholder en høy avsøkningseffektivitet.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt et optisk avsøkningssystem omfattende en rotormontasje med første og andre reflekterende soner som hver er sammensatt at et antall periferisk tilstøtende fasetter, idet respektive fasetter i den første sone er vinkelmessig sammenfallende med respektive fasetter i den andre sone og fortløpende passerer gjennom respektive første og andre refleksjonsstasjoner ved rotasjon av rotormontasjen om dens rotasjonsakse, en statisk fokuseringsanordning som er innrettet til å rette stråling i en strålebunt mellom en oppstilling av strålingsdetektorer eller -sendere og den første refleksjonsstasjon med oppstillingen og den første refleksjonsstasjon beliggende i konjugerte brennpunkter av fokuseringsanordningen, og en statisk, optisk anordning som er innrettet til å rette stråling i en strålebunt mellom de første og andre refleksjonsstasjoner, og som er kjennetegnet ved at

(a) hver av den første reflekterende sones fasetter

er plane og har en normal , som er anbarakt.i. en .vinkel ty med rotormontasjens rotasjonsakse, at

(b) hver av de innfallende og reflekterte stråle-

bunter på den første refleksjonsstasjon har en halv. konusvinkel a og hovedstrålene i de innfallende og reflekterte strålebunter hver danner en vinkel på (3/2 med normalen til hver fasett i den første refleksjonsstasjon når hver normal ligger i samme plan som hovedstrålene, og at

(c) vinklene a, 3 og ty retter seg etter relasjonen:

I kraft av systemet ifølge oppfinnelsen, i hvilket fasettene i den første reflekterende sone er plane, overvinnes manglene ved de tidligere kjente systemer ved at plane fasetter er forholdsvis enkle og billige å fremstille med høy overflatekvalitet. Feltkrumning av oppstillingsbildet elimineres på grunn av at disse fasetter er plane, og videre elimineres divergens av hovedstrålene som svarer til forskjellige elementer i oppstillingen, selv når oppstillingen er stor, og ..følgelig er det ikke noe behov for å tilveiebringe ekstra, optiske komponenter, såsom kompensatorer, når en stor oppstilling benyttes.

Selv om fasettene i den første reflekterende sone er plane, er det i overensstemmelse med oppfinnelsen ikke nødvendig at fasettene i den andre reflekterende sone er plane, da spesielle anvendelser kan kreve eller ha fordel av at den andre reflekterende sone har krumme fasetter med enten sylindrisk eller sfærisk, krumning. Videre kan den statiske, optiske anordning som dirigerer stråling mellom de to refleksjonsstasjoner, være innrettet til å håndtere divergerende, konvergerende eller parallell strålebunt-stråling som reflekteres på den andre refleksjonsstasjon.

Det vil være åpenbart at den foreliggende oppfin-neise kan praktiseres ved å velge vinklene a og ty på forhånd

og deretter anbringe fokuseringsanordningen i forhold til rotormontasjen slik at vinkelen |3 retter seg etter den foran angitte-reJasjon. Spesielt er det mulig å forene de respek-

tive fasetter i de første og andre reflekterende soner på individuelle, plane, reflekterende overflater (i hvilket tilfelle fasettene i den andre reflekterende sone nødvendig-

vis er plane), slik at fremstillingen av rotormontasjen for-enkles ytterligere. Dette arrangement er mulig forutsatt

at fasettene i den andre reflekterende sone er plane, og

enten disse fasetter er parallelle med rotormontasjens rotasjonsakse eller ikke.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende

i forbindelse.med utførelseseksempler under henvisning til tegningene, der fig..1 viser et system ifølge.den kjente teknikk, fig. 2 viser skjematisk en første utførelse av oppfinnelsen, fig. 3 viser skjematisk en andre utførelse av oppfinnelsen, fig. 4 viser en modifisert versjon av den første utførelse av oppfinnelsen i forbindelse med en feltavsøker,

og fig. 5 viser en forskjellig, modifisert versjon av utfø-

relsen ifølge fig. 2, for å vise komponentenes sammenheng med en stor oppstillingsdetektor.

Det tidligere kjente system som er vist på fig. 1, omfatter en rotormontasje 10 som er roterbar om en akse 11

og har en første reflekterende sone 12 som er sammensatt av krumme fasetter 12A, 12B, 12C osv., og en andre reflekterende sone 13 som er sammensatt av. plane fasetter 13A, 13B, 13C

osv. En strålebunt 9A av parallelle stråler er innfallende på en konvergerende linse 14 som fokuserer denne stråling på en første refleksjonsstasjon gjennom hvilken fasettene

12A, 12B, 12C fortløpende passerer, hvilket resulterer i

at den reflekterte strålingskjegle 9B svinger om denne

refleksjonsstasjon. Denne reflekterte strålingskjegle 9B samles ved hjelp av et langstrakt, konkavt speil 15 hvis hovedbrennpunkt er sammenfallende med toppunktet til den reflekterte strålingskjegle 9B slik at det frembringes en strålebunt med parallell stråling som rettes mot en andre refleksjonsstasjon gjennom hvilken fasettene 13A, 13B, 13C fortløpende passerer, og som et resultat av dette tilbake-legger den reflekterte, parallelle strålebunt 9C et geome-trisk avsøkningssted .16.

Det finnes forskjellige praktiske faktorer som bestemmer beskaffenheten av systemet på fig. 1, av hvilke noen er like anvendelige på konvensjonelle enkeltrefleksjons-avsøkningssystemer. For eksempel er systemets informasjons-overføringskapasitet direkte proporsjonal med diameteren

(D) av den reflekterende sone 13 og omvendt proporsjonal med kvadratet på antallet (N) av fasetter i denne, mens

spilleromstapene -som skal overvinnes under rotasjon av montasjen 10, er proporsjonale med femte potens av diameteren (D). For å tilveiebringe et passende kompromiss i hvilket spilleromstapene er små, men informasjonsoverføringskapa-siteten er høy, har praktiske montasjer en begrenset stør-relse av diameteren (D) og et lite antall (N) fasetter.

For eksempel er antallet N vanligvis av størrelsesorden ti eller mindre.

I dobbeltrefleksjons-avsøkningssystemet på fig. 1 finnes en ytterligere faktor som skriver seg fra den følge-eller sporingsbevegelse som pålegges på strålebunten 9B av den reflekterende sone 12. Derson halve konusvinkelen av den strålingskjegle som dannes av linsen 14, betegnes a,

får strålebunten 9B sin hovedstråle sveipet o-ver er vinkel på 2a dersom fasettene 12A, 12B, 12C osv. antas å være plane, og på grunn av at strålebunten 9B selv er en "kjegle med halveringsvinkel a, må speilet 15 ha en vinkelutstrekning på 4a. Den teoretiske maksimumsverdi av a er således 277/4(90°) som forårsaker at speilet 15 har en vinkelutstrekning på 2 TIT .! Ut fra praktiske hensyn kan speilet 15 imidlertid bare fremstilles med en vinkelutstrekning av størrelsesorden tt/2 eller mindre, og linsen 14 kan bare

,fremstilles med vinkelen a av størrelsesordenen tt/4 eller mindre, og denne kombinasjon av praktiske og teoretiske begrensninger resulterer i den begrensning at vinkelen a er av størrelsesordenen tt/8 eller mindre dersom det antas at fasettene 12A, 12B, osv: er plane.

Slik som forklart i DE-OS 3 022 365, er imidlertid vellykket sporing av de vandrende fasetter 13A, 13B, 13C osv. avhengig av at krumningen av fasettene 12A, 12B , 12C, osv. retter seg etter en forutbestemt relasjon, og når de foran omtalte, praktiske begrensninger er gitt, er den løsning hvor fasettene 12A, 12B, osv. er.plane, dvs. krumningen er uendelig, upraktiske Som en følge av dette utnytter avsøk-ningssystemer som-er praktiske å realisere basert på teknik-ken ifølge DE-OS 3 022 365 og GB-PS 1 419 940, ut fra prak-tisk nødvendighet krumme fasetter 12A, 12B, 12C osv., og disse forårsaker de foran omtalte begrensninger med hensyn til fremstillingskompleksitet, omkostninger og feltkrumning.

Man har nå funnet at disse begrensninger i reali-teten kan overvinnes og de praktiske hensyn kan oppfylles med plane fasetter dersom vinkelorienteringen av disse fasetter .i forhold til rotasjonsaksen korreleres med halve konusvinkelen av den stråling som innfaller.på fasetten,

og med innfallsvinkelen til strålingkjeglens hovedstråle på fasettene.

Fig. 2 illustrerer skjematisk orienteringen av komponentene i overénstemmeIse med oppfinnelsen. Stråling som krysser linsen 14, fokuseres således som tidligere på den reflekterende sone 12 av hvilken hver av fasettene 12A, 12B osv. har en normal 17 som er skråttstilt i en vinkel ij;

i forhold til montasjens 10 rotasjonsakse 11.. Strålings-kjeglen har en halveringsvinkel a og hovedstrålene i de innfallende og reflekterte strålebunter danner hver en vinkel 3/2 med normalen 17' .i innfallspunktet når denne normal 17' ligger i samme plan som hovedstrålene.. I overensstemmelse med oppfinnelsen retter disse vinkler seg etter relasjonen:

Ut fra.denne relasjon vil det være klart at dersom

fasettene 12A, 12B osv. ligger parallelt med aksen 11, slik at ty = 90°, og dersom det velges praktiske verdier av a og N, f.eks. a = tt/8 radianer (= 180/8 grader) og N = 8, blir relasjonen

hvorav P/2 =60°,

og vinkelen 3#som er forskyvningsvinkelen mellom strålings-•kjeglens hovedstråler førbg etter refleksjon fra sonen 12, blir følgelig 120°.

Etter hvert som vinkelen ty avtar i verdi fra 90° mot den verdi som er vist på fig. 2 (ca. 15°), øker også

cos 3/2 i verdi, og følgelig avtar 3/2 i verdi, slik at dersom man ønsker å begrense forskyvningsvinkelen 3 til en liten verdi slik det har vært praksis i den kjente teknikk som er omtalt foran, kan dette i overensstemmelse -oraed oppfinnelsen oppnås som vist på fig. 2 (mens vinkelen 3 er tilstrekkelig stor til å unngå fordunkling). På grunn av

den betydelige ulikhet mellom .fasettenes 12A,. 12B og fasettenes 13A, 13B vinkler i forhold til aksen 11 på fig. 2, er det forøvrig nødvendig å innføre et plant avbøynings- eller foldespeil 18 som i kombinasjon med det konkave speil 15

dirigerer strålingen mellom sonene 12 og 13.

Fig. 3 illustrerer skjematisk den foreliggende oppfinnelse med vinkelen ty lik 90° i det spesielle tilfelle hvor fasettene i sonen 13 er parallelle med aksen 11. I

dette tilfelle går par av fasetter 12A, 13A osv. over i hverandre, for å danne en eneste reflekterende overflate hvis sentrale parti utfører funksjonen til fasettene 12A osv. Det er åpenbart at dette arrangement forenkler fremstillingen av montasjen 10.

Selv om speilene 15 og 18 i beskrivelsen av den foreliggende oppfinnelse under henvisning til fig. 2 og 3 til sammen virker som en kollimator, trenger ikke dette å være tilfellet på grunn av at disse statiske, optiske komponenter.kunne fokusere den avsøkte stråling etter refleksjon fra sonen 13 dersom dette var nødvendig, slik det ofte er tilfellet. Videre trenger ikke komponentene 15 og 18 å anta den spesielle form som er vist, men kunne for eksempel være knyttet til brytningskomponenter for å oppnå den samme funksjon. Som et eksempel på et tilfelle hvor komponentene 15 og 18 tilveiebringer et brennpunkt for den avsøkte stråling, er det på fig. 4 vist en rasteravsøker hvor den andre avsøkningsretning tilveiebringes av et oscil-lerende speil 20 og et andre, konkavt speil 21 som er anordnet slik som beskrevet i GB patentskrift 1 586 099 i forhold til det sirkulære, geometriske sted 22 som krysse.s av dén fokuserte stråling som kommer fra det konkave speil 15, slik at den strålebunt som-er innfallende på speilet 20, er parallell.

En av de viktigste anvendelser av den foreliggende oppfinnelse er ved termisk avbildning! hvilket tilfelle den foran omtalte oppstilling omfatter et antall kryogenisk av-kjølte detektorelementer som er beliggende i et hus med en kald skjerm som er. plassert i en kort avstand foran oppstillingen og danner en blenderåpning. Dette er vist på fig. 5 som viser huset 25, oppstillingen .26 og den kalde skjerm eller blenderåpningen 27. I dette tilfelle er det ønskelig at bare stråling fra den avsøkte scene 28 skal mottas av oppstillingen 26, bg dersom dette skal.oppnås uten over-dimensjonering av avsøkermontasjen 10, må blenderåpningen 27 og avsøkningspupillen 24 befinne seg i konjugerte stil-linger mens oppstillingen .26 avbildes i den reflekterende sone 12. Dette oppnås ved å overdimensjonere linsen 14 tilstrekkelig til å oppta alle stråler som kommer fra oppstillingen 26 og krysser blenderåpningen 27, og ved å an-ordne det konkave speil 15 slik at det avbilder blenderåpningen 2 7 på et sted 29 som ligger like langt foran den reflekterende sone 13 som avsøkningspupillen 24 ligger bak sonen 13 når hver fasett 13A, 13B osv. befinner seg i sen-trum av det avsøkte felt. De parallelle strålebunter som svarer til forskjellige detektorelementer i oppstillingen 26, synes da å divergere fra den samme posisjon som avsøk-ningspupillen 24, og derved oppnås de fordeler som er omtalt i US patentskrift 4 029 389. Det vil innses at i utfor-mingen ifølge fig". 5 avbøyer' foldespeilet 18 både de innfallende og de reflekterte strålingskjegler fra sonen 12. Dette arrangement tillater at meget, små forskyvningsvinkler kan oppnås.

Claims (4)

1. Optisk avsøkningssystem omfattende en rotormontasje (10) med første (12) og andre (13) reflekterende soner som hver er sammensatt av et antall (N) periferisk tilstøtende fasetter (12A, 12B, osv. hhv. 13A, 13B, osv.), idet respektive fasetter i den første sone.(12) er vinkelmessig sammenfallende med respektive fasetter i den andre sone (13) og fortløpende passerer gjennom respektive første og andre refleksjonsstasjoner ved rotasjon av rotormontasjen (10) om dens rotasjonsakse (11), en statisk fokuseringsanordning (14) som er innrettet til å rette stråling i en strålebunt mellom en oppstilling (26) av strålingsdetektorer eller -sendere og den førsteJrefleksjonsstasjon med oppstillingen (26) og den første refleksjonsstasjon beliggende i konjugerte brennpunkter av fokuseringsanordningen (14), og en statisk, optisk anordning (15) som er innrettet til å rette stråling i en strålebunt mellom de første og andre refleksjonsstasjoner,karakterisert vedat (a) hver av den første reflekterende sones (12) fasetter (12A, 12B, osv.) er plane og har en normal (17) som er anbrakt i en vinkel ^.med rotormontasjens (10) rotasjonsakse (11) , at (b) hver av de innfallende og reflekterte strålebunter (9A, 9B) på den første refleksjonsstasjon har en halv konusvinkel a og hovedstrålene i de innfallende og reflekterte strålebunter hver danner en vinkel på 3/2 med normalen (17') til hver fasett (12A, 12B, osv.) i den første refleksjonsstasjon når hver normal (17) ligger i samme plan som hovedstrålene, og at (c) vinklene a, 3 og ty retter seg etter relasjonen:

2. System.ifølge krav 1,karakterisertved at hver av den andre reflekterendecsones (13) fasetter (13A, 13B, osv.) er plane.

3. System ifølge krav 2,karakterisertved at respektive fasetter i de første (12) og andre (13) reflekterende soner er dannet på en eneste plan, reflekterende *flate (fig. 3), og at rotormontasjen (10) er dannet av et antall av de nevnte reflekterende flater.

4. System ifølge ett av de foregående krav,karakterisert vedat vinkelen ty er:90°.