DE3513192C2

DE3513192C2 - Vorrichtung zum optischen Abtasten eines Bildes

Info

Publication number: DE3513192C2
Application number: DE3513192A
Authority: DE
Inventors: William H. South Deerfield Mass. Taylor
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1984-04-10
Filing date: 1985-04-10
Publication date: 1986-11-20
Also published as: EP0175835A3; GB2157454A; EP0175835A2; JPH0426452B2; GB2157454B; FR2566927A1; DE3574505D1; GB8509186D0; IL74777A; FR2566927B1; JPS60214332A; AU3144184A; EP0175835B1; IL74777A0; DE3513192A1; DK156782B; AU575577B2; DK157685D0; CA1303886C; DK156782C

Abstract

Es wird eine optische Bildabtast-Vorrichtung vorgeschlagen, die mit hoher Abtastgeschwindigkeit arbeitet und eine rotierende Abtastscheibe (30) aufweist, deren Oberfläche mit einer Mehrzahl von kreisförmig angeordneten Konkav-Reflektoren (32) versehen ist, die mit einem Bandspiegel (26) zusammenwirkt und ein Bild in horizontaler Richtung abtastet. Ein Rahmenspiegel ermöglicht die vertikale Abtastung des Bildes. Der Bandspiegel wird der Form des Abtastbogens angepaßt, wodurch die Bildverzerrung stark reduziert oder fast ganz zum Verschwinden gebracht wird. Die Fremdstrahlung, d. h., die Strahlung von strahlungsemittierenden Oberflächen außerhalb des abzutastenden Bildes wird durch Anbringen hochreflektierender Überzüge auf Oberflächen innerhalb des Detektorgesichtsfeldes und deren entsprechende Ausrichtung weitgehend unterdrückt. Die Bildrotation wird durch Verwendung eines Parabolreflektors (200) oder eines Dachspiegels im Strahlengang zwischen Abtastscheibe und Detektor (40) ausgeglichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

ίο Eine derartige Vorrichtung wird in der älteren Patentanmeldung P 34 07 486 beschrieben. Das hierzu offenbarte Bildabtastgerät verwendet für die vertikale Abtastung mit hoher Geschwindigkeit einen relativ langsam oszillierenden Bildspiegel, dessen lineare BiIdspur auf einen Bandspiegel reflektiert wird. Die hohe horizontale Abtastgeschwindigkeit erfolgt durch eine kreisförmige Anordnung von Konkav-Reflektoren auf einer rotierenden Scheibe, die zum Abtasten der linearen Bildspur auf dem Bandspiegel dienen. Der Bandspiegel ist im Abstand der Brennweite der Konkav-Reflektoren angeordnet, weiterhin schräg gestellt und vorzugsweise so gewölbt, daß die Wölbung dem Bogen der Reflektoranordnung auf der Scheibe entspricht

Wenn die Scheibe rotiert, tasten die aufeinanderfolgenden Reflektoren die Bildspiegel in aufeinanderfolgenden horizontalen Spuren ab. Der von den Konkav-Reflektoren reflektierte kollimierte Strahl wird auf eine passende Detektoreinrichtung fokussiert, die der Strahlungsintensität entsprechende elektrische Signale bewirkt. Zum Fokussieren des koliimierten Bildstrahles auf den Detektor wird eine Sammmeloptik verwendet.

Der in der älteren Anmeldung P 34 07 486 beschriebene optische Bildabtaster weist trotz seiner Überlegenheit im Vergleich zu den bekannten Bildabtastern gewisse konstruktive Mängel auf. Das Erfordernis der unabhängigen Kollektoroptik macht ihn relativ aufwendig.

Aus der US-PS 36 04 932 ist eine optische Abtasteinrichtung mit einem drehbaren, facet'. >rten Spiegel bekannt, dessen Facetten jeweils unter dem gleichen Winkel mit Bezug auf dessen Drehachse geneigt sind. Weiterhin ist der Spiegel im wesentlichen mittig mit Bezug Auf eine ringförmige Anordnung von Abbildungselementen angeordnet. Der Radius dieser Anordnung ist angenähert gleich dem rückwärtigen Brennpunktabstand jeweils der Abbildungselemente. Von den Abbildungselementen ausgehendes Licht wird von dem Spiegel in Parallelrichtung zur Achse der ringförmigen Anordnung auf einen feststehenden Übertragungsspicgcl reflektiert und über einen weiteren feststehenden Übertragungsspiegel auf einen in dessen Brennpunkt angeordneten Infrarotdetektor geworfen.

Die Abbildungselemente sind derart ausgerichtet, daß die Reflexion der optischen Achse jedes Elements jeweiis in der entsprechenden Facette in Parallelrichtung zur Drehachse verläuft. Die Anordnung der Abbildungselemente ist schließlich um ihre Achse herum synchron mit der Drehung des Spiegels derart drehbar, daß jedes Element jeweils eine Stellung durchläuft, in wcleher jeweils die Reflexion seiner optischen Achse in der entsprechenden Facette mit einer gegebenen Achse zusammenfällt. Durch diese Maßnahmen sollen die Auswirkungen der Vignettierung vermindert werden. Auch wird eine nachteilige Eigenschaft von Planspiegeln, die parallel zur Drehspiegelachse angeordnet sind, nämlich die sich mit dem doppelten Wert der Winkelgeschwindigkeit ändernde Reflexionsrichtung, vermieden. Bei dieser bekannten Abtasteinrichtung bestehen jedoch

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die systemimmanenten Mäagel der Polygonspiegelabtastung, die zwar in ihrer Wirkung gemildert, jedoch nicht vollständig beseitigt werden können. Diese Mängel sind im wesentlichen die hohe Rotationsgeschwindigkeit der Spiegel, die relativ großen Spiegelflächen und der geringe Wirkungsgrad.

Ausgehend von der Vorrichtung nach der Anmeldung P 34 07 486 ist es deshalb die Aufgabe der Erfindung, eine optische Abtastvorrichtung herzustellen, die kein zusätzliches optisches Glied wie eine Koliektoroptik be-■ nötigt Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Tail des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst Vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Vorrichtung zum orthogonalen optischen Abtasten bzw. Zerlegen und/oder Aufbau eines Bildes bzw. einer Szene in vertikaler bzw. in horizontaler Richtung mit linearer, zellenförmiger Abtastung in einer der beiden Richtungen des zellenförmig zerlegten Bildes bzw. der Szene, urn so ein orthogonales Rasterbild zu erzeugen, mit einem rotierenden Drehkörper, der ^Is Scheibe ausgebildet ist, deren plane Oberfläche mit einer Mehrzahl von in einer Kreisbahn angeordneten Konkav-Reflektoren, deren optische Achse senkrecht zur Scheibenachse ausgerichtet ist, ausgestattet ist, und mit einer im Abstand der Brennweite der Konkav-Reflektoren von diesen entfernt angeordneten Spiegelvorrichtung, die das in ihrer Spiegelfläche fokussierte Abbild des Bildes bzw. der Szene zellenförmig derart weiterleitet, daß es auf eine Strahlendetektor-Einrichtung fokussiert wird, die eine der Intensität der Strahlung entsprechende Information liefert, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Spiegelvorrichtung ein gekrümmter Bandspiegel ist, dessen Oberfläche Teil eines Toroids oder einer sphärischen Oberfläche ist. und daß deren Radius gleich dem der von den auf der Scheibe angeordneten Konkav-Reflektoren bestimmten Kreisbahn ist, und daß die Strahlendetektor-Einrichtung dergestalt bogenförm.g ausgebildet ist, daß sie dem von den Brennpunkten der Konkav-Reflektoren beschriebenen Bogen entspricht und so angeordnet ist, daß sie die vom Bandspiegel und von den Konkav-Reflektoren reflektierte Strahlung empfängt.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung weisen die Konkav-Reflektoren eine elliptiscne Oberfläche auf. wobei der Bandspiegel im ersten und die Detektor-Einrichtung im zweiten Brennpunkt derselben angeordnet sind. In dieser Ausführungsform wird das Bild in einem Bogen fokussiert, der der Krümmung der Konkav-Reflektoren entspricht, und auf dem gekrümmten Spiegel und vorzugsweise von einer Detektoreinrichtung aufgenommen, die im gleichen Bogen angeordnet sind.

Zur Korrektur der Bildrotation, die durch die bogeinförmige Abtastung des linearen Bildes auf den gekrümmten Bandspiegel erfolgt, wird vorteilhaft eine im optischen Strahlengang zwischen den Konkav-Reflektoren und der Detektor-Einrichtung angeordnete, eine Drehung der Bildebene bewirkende optische Einrichtung durch einen Parabolspiegel gebildet, dessen Basisradius gleich dem Radius der Abtastscheibe ist, gemessen vom Scheibenmittelpunkt bis zur Achse der Konkav-Reflektoren. Hierbei ist zweckmäßig die Arbeitsbrennweite des nicht axial angeordneten, parabolischen Reflektors gleich der doppelten Brennweite auf d!er Achse. Die optische Einrichtung zur Korrektur der BiIIdrotation kann jedoch auch durch einen parabolischen Dachspiegel gebildet sein, bei dem der Radius der

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60 Schnittpunkte der parabolischen Dachspiegel-Reflektion gleich dem doppelten Radius der Abtastscheibe ist, gemessen bis zur Achse der Konkav-Reflektoren.

Die Vorrichtung weist weiterhin bevorzugt Mittel zur Begrenzung der Sammelöffnung auf den Bereich der von der rotierenden Abtastscheibe überstrichenen Abtastbahn auf, die einen Kälteschild und einen sphärischen Ablenkspiegel enthalten. Hierbei können in geeigneter Weise im Gesichtsfeld der Detektor-Einrichtung Wärmeabschirmvorrichtungen vorgesehen sein. Durch dieses optische und thermale Blendungssystem wird verhindert, daß Fremdstrahlung den Detektor erreicht

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Fig. 1 bis 12 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

F i g. 1 ist eine perspektivische Teildarstellung entsprechend! der ersten vorzugsweisen Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung und zeigt den optischen Strahlengang bei der Fokirderung des Bildes durch die Konkavreflsktoren wshr^pd des Abtsstvorgangs.

F i g. 2 ist eine Teilansicht der zweiten vorzugsweisen Ausführungsform der Vorrichtung nach der Eiiindung und ze^;gt den optischen Strahlengang während des Abtastvorgangs.

F i g. 3 ist eine Draufsicht auf die bogenförmige Detektoreinrichtung.

F i g. 4 ist eine Teilansicht der zweiton vorzugsweisen Ausführungsform der Bildabtastvorrichtung nach der Erfindung.

F i g. 4A bis 4C sind ebenfalls Teilansichten der zweiten vorzugsweisen Ausführungsform der Abtastvorrichtung nach der Erfindung entsprechend F i g. 4 einschließlich des optischen Strahlengangs und des Ausschlusses der Fremdstrahlung.

F i g. 5A ist eine Teilansicht der zweiten vorzugsweisen Ausführungsform einschließlich der AbscNrmvorrichtung.

Fig.5B ist eine Draufsicht auf die Blende der Samm·. !optik.

F i g. 6 ist eine Draufsicht auf die Blende der Sammeloptik und eine Darstellung des Abtastvorgüngs.

F i g. 7 ist eine Teilvorderansicht der Abtastvorrichtung nach der Erfindung mit einem nicht konzentrischen Parabol-Reflektor als Sammeloptik.

F i g. 8 ist eine Vorderansicht der dritten vorzugsweisen Ausführungsform der Abtastvorrichtung nach der Erfindung und stellt die Übertragung des gesammelten Bildes auf den Sammeloptik dienenden Parabolreflektor dar.

F i g. 9 ist eine Vorderansicht der vierten vorzugsweisen ^usführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung mit der Verwendung eines parabolischen Dachspiegels.

Fig. 10 ist eine Vorderansicht der vierten vorzugsweisen Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung mit dem parabolischen Dachspiegel als rotierende Bildoptik.

F i g. 11 ist eine perspektivische Darstellung des als Toroid, ausgebildeten Bandspiegels entsprechend der fünftem Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung.

Fig. 12 ist eine perspektivische Darstellung eines sphärischen Bandspiegels entsprechend der fünften vorzugsweisen Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung.

Der prinzipielle Aufbau der Bildabtastvorrichtung ist

in den F i g. 1 und 2 dargestellt. Die vertikale Abtastung des Bildes oder der Szene erfolgt mittels eines relativ oszillierenden Bildspiegels. Eine lineare Bildspur wird auf den gekrümmten Bandspiegel 26 fokussiert und horizontal durch die auf einer sich schnell drehenden Abtastscheibe 30 angebrachten Konkav-Reflektoren 32 abgetastet. Soweit ist die Vorrichtung identisch mit jener nach P 34 07 486.4. In der dort beschriebenen Vorrichtung wird die vom Bild oder der Szene ausgehende, abgetastete Strahlung fokussiert und einer geeigneten Öetektoreinrichtung 40 zugeführt, die der Intensität der auftreffenden Strahlung entsprechende elektrische Signale liefert. Es werden also das Bild bzw. die Szene abgetastet und elektrische Signale geliefert, die zum, videomäßigen Rasterbildaufbau geeignet sind.

Nach der ersten vorzugsweise Ausführungsform der Vorrichtung sind, wie in F i g. 1 dargestellt, der stationäre gekrümmte Bandspiegel 26 und die Konkav-Reflektoren 32 so angeordnet, daß das vom Bandspiegel 26 reflektierte Bild mittels der Konkav-Reflektoren 32 fokussiert wird. Das von den Konkav-Reflektoren erzeugte Bild ist, wie ebenfalls in F i g. 1 dargestellt, bogenförmig und entspricht dem Abtastbogen der Konkav-Reflektoren 32 über dem Bandspiegel 26.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Erfassen des bogenförmigen Bildes, das ohne Sammeloptik hergestellt ist, besteht darin, die Detektoren in einem entsprechenden Bogen anzuordnen, wie in F i g. 3 gezeigt. Die bogenförmige Detektoranordnung 240 ist so bemessen, daß sie gleich der direkten Projektion des Bandspiegels 26 ist. Das Bandspiegelbild 242 ist invertiert und tangential zur Detektoranordnung 240 für alle Punkte des Abtastbogens, weshalb Verzerrungen für die nicht in der Achse liegenden Bildpunkte auftreten.

Die bogenförmige Detektoreinrichtung leidet unter Unexaktheit aufgrund von Bildverzerrungen; aber der Verzicht auf eine besondere Sammeloptik kann für Anwendungsbereiche, in denen eine solche zu teuer und aufwendig ist, von Vorteil sein.

Bei der genannten Ausführungsform sind die Konkav-Reflektoren ellipsoid und der Bandspiegel ist im ersten Brennpunkt angeordnet, während die Detektorvorrichtung im zweiten Brennpunkt der ellipsoiden Konkav-Reflektoren angebracht ist. Dadurch werden auf der Achse liegende Aberrationen vermieden. Vorzugsweise werden die Dektoren in der Reihenfolge aktiviert, die dem Abtastbogen der Abtastscheibe entspricht.

Nach der in den F i g. 2, 4 und 5A gezeigten Ausführungsform wird die Strahlung vom Bandspiegel 26 aufwärts auf die Korkav-Reflektoren 32 reflektiert und dann im fokussierten Strahl abwärts und am Bandspiegel 26 vorbei. Eine Fokussierung des Bildes wird durch die Dimensionierung der Konkav-Reflektoren 32 erzielt, indem man diesen eine Brennweite gibt, die dem Abstand zwischen der Scheibe 30 und dem Bandspiegel 26 entspricht. Die Konkav-Reflektoren sind vorzugsweise parabolisch geformt. Der fokussierte Strahl von den Konkav-Reflektoren 32 geht durch die Kollektorlinse 38, die ihn auf den Detektor 40 fokussiert Die Blende der Kollektorlinse muß ausreichend groß sein, um den fokussierten Bildstrahl in allen gegebenen Reflektorpositionen des Abtastbogens unterzubringen und sollte weitgehend verzerrungsfrei sein. In optischen Abbildungsvorrichtungen und insbesondere in thermalen Abbildungsvorrichtungen ist das Erfassen von Fremdstrahlung nicht wünschenswert Fremdstrahlung ist eine solche, die nicht vom abzutastenden Bild stammt, aber dennoch den Detektor erreicht. In der zweiten Ausführungsform wird die Fremdstrahlung erfolgreich unterdrückt.

Wie in den F i g. 2 und 4 dargestellt, kann Fremdstrahlung den Detektor 40 erreichen, wenn sie von Körpern innerhalb des Gesichtsfeldes des Detektors ausgestrahlt wird oder von Oberflächen wie beispielsweise dem Bandspiegelträger 256, den benachbarten Reflektoren 32a und 326, der Oberfläche 258 der Abtastscheibe 30 zwischen benachbarten Konkav-Reflektoren und dem Sammellinsen-Gehäuse 280 über die Sammellinse 38 reflektiert wird.

Bei thermalen Abbildungsvorrichtungen wird üblicherweise ein Kälteschild 270 um den Detektor angebracht (vgl. Fig.4). Damit wird das Gesichtsfeld des Detektors eingeengt, so daß nur diejenige Strahlung den Detektor erreicht, die durch die Sammeloptik geht. Der Kälteschild 270 wird auf die Temperatur des Dewar-Gefäßes abgekühlt, das zum Detektor gehört und dessen Strahlung bedeutungslos ist.

In jedem Augenblick wird ein winziges Stück des abgetasteten Bildes über die Sammellinse auf den Detektor fokussiert. Der Kälteschild ist der Blende der Sammellinse angepaßt, so daß nur die durch die Linse gehende Strahlung den Detektor erreicht. Entsprechend der gezeigten Vorrichtung geht das Bildstückchen nur durch einen Teil der Sammellinse 38. Deshalb kann die Blende d^r Sammeloptik noch weiter verkleinert und damit das Gesichtsfeld des Detektors noch weiter eingeschränkt werden.

Wie in den F i g. 5A und 5B dargestellt, ist die Sammeloptik-Öffnung 276 durch den Kälteschild 270 und einen sphärischen Abschirmspiegel 272 definiert. Der sphärische Abschirmspiegel 272 ist so bemessen, daß die Form der Sammeloptik-Öffnung 276 rechteckig ist und dem von den Konkav-Reflektoren 32 auf der Sammellinse 38 überstrichenen Bogen entspricht. Betrachtet man die F ι g. 2,5A und 5ß, so zeigt sich deutlich, daß der Kälteschild 270 mit dem Abschirmspiegel 272 zusammen die Strahlung, die im Gesichtsfeld des Detektors 40, aber außerhalb der öffnung 276 der Sammeloptik entsteht, daran hindert, den Detektor zu erreichen. Deshalb ist die einzige Fremdstrahlung, die den Detektor 40 erreichen kann, eine solche, die von einem Körper innerhalb des Gesichtsfeldes der Sammeloptik-Öffnung 276 ausgestrahlt wird bzw. von einem solchen reflektiert wird.

Eine weitere Quelle für Verzerrungen in optischen Abbildungsvorrichtungen ist verursacht durch Hclligkeitsschwankungen des hergestellten Bildes, wenn eine Szene oder ein Bild von gleichmäßiger Strahlung ^. ^getastet wird. Die häufigste Ursache für dieses Problem ist die Vignettierung der optischen Pupille und eine ungleichmäßige optische Übertragung. Diese Fehlerquel-Ien sind im allgemeinen in den Bildabtastvorrichtungen nach der Erfindung nicht vorhanden. Vignettierung wird verursacht durch den Verlust optischer Strahlen durch den Abtaster, was in der Vorrichtung nach der Erfindung nicht geschieht. Die hohe Qualität der verwendeten Optiken in den Vorrichtungen nach der Erfindung machen Schwankungen in der optischen Übertragung unwahrscheinlich. Dies trifft ganz besonders für die Ausführungsform zu, bei denen Reflexionsoptiken verwendet werden, bei denen in der Übertragung kein Mc-

ίά dienwechsel vorliegt.

Als einzige Ursache für Helligkeitsschwankungcn verbleibt eine nicht gleichmäßige Erfassung von Bildstrahlen durch den wechselnden Einfallswinkel der

Strahlen auf den Detektor 40 entsprechend den Abtasterpositionen (vgl. Fig.2 und 4). Die Helligkeitsschwankungen aus diesem Grund können für die meisten Anwendungen in Kauf genommen werden. Ist jedoch eine große Genauigkeit erforderlich, so können diese Helligkeitsschwankungen durch angemessenes Beschatten kompensiert werden (F i g. 6). Die Sammellinsen-Öffnung 276 ist teilweise verdunkelt durch den kreisi'öi'migen Beschattungsschicht 290. Rs wird empirisch bestimmt, so daß der Strahlungseinfall auf den Detektor in Punkten größter Helligkeit reduziert wird auf eine einheitliche Ebene über die gesamte Kollektoröffnung, wodurch eine einheitliche Bildhelligkeit erzeugt wird. Die Form des Schirmes 290 wird dem Anwendungsbereich angepaßt und kann in einigen Fällen auch anders als kreisförmig sein.

Eine weitgehend vollständige Unterdrückung der Fremdstrahlung, ausgehend von Objekten im Gesichtsfeld des Detektors, die durch die Sammeloptikblende auf diesen gelangen, kann dadurch erzielt werden, daß alle Oberflächen der betreffenden Objekte mit einer hochreflektierenden Schicht versehen werden. Fremdstrahlung, deren Ursprung außerhalb der Sammeloptikblende liegt, wird durch entsprechende Ausrichtung der reflektierenden Oberflächen verhindert, so daß der Detcktor tatsächliche nur sich selbst sieht. Da der Detektor auf einer sehr niedrigen Temperatur gehalten wird, in der Regel bei 77° Kelvin, sieht dieser, indem er sich selbst betrachtet, nur eine kalte Oberfläche, die keinerlei bedeutende Strahlung emittiert. Ebenfalls sind die reflek'^:erenden Oberflächen keine Quelle für Wärmestrahlung; so können diese bei entsprechender Ausrichtung der reflektierenden Oberflächen vollkommen verschwinden.

Eine Vorrichtung zum Unterdrücken von Fremdstrahlung unter Verwendung von reflektierenden Oberflächen ist in den Fig.2 und 4A bis 4C gezeigt. Die Halterung 256 für den Bandspiegel 26 liegt in einer Ebene, die senkrecht zur optische Achse der Sammellinse 38 angeordnet ist. Die beiden planen Oberflächen der Bandspiegel-Halterung 256 sind mit hochreflektierendcm Material überzogen. Die plane Oberfläche der Scheibe 30 ist ebenfalls auf der Sammellinse zugewandten Seite mit reflektierendem Material überzogen, so daß die Flächen 258 zwischen den einzelnen Reflektoren 32 ebenfalls hochreflektierend sind. Das Sammellinsen-Gehäuse 280, das die Sammeloptik trägt, ist auf der der Abtastscheibe 30 zugewandten Seite ebenfalls mit reflektierendem Material überzogen.

Die Anordnung der verschiedenen reflektierenden Oberflächen zur Unterdrückung von Fremdstrahlung ist getrennt in den F i g. 4A bis 4C dargestellt. F i g. 4A zeigt den reflektierten Strahlengang von der Detektorseite auf die Spiegelhalterung, so daß der Detektor tatsächlich nur sich selbst in der Reflexion der näheren Seite der Halterung sieht Fig.4B stellt in ähnlicher Weise dar, wie die dem Bandspiegelhalter zugewandte Seite der Abtastscheibe bewirkt, daß der Detektor tatsächlich nur sich selbst sieht durch die Reflexion der Scheibenoberfläche und dem benachbarten Reflektor 32a. Schließlich zeigt F i g. 4C, wie die Reflexion von der Linsenhalterung 280 über den Reflektor 32a und die der Abtastscheibe 30 zugewandte Seite der Spiegelhalterung 256 verursacht, daß der Detektor nur sich selbst sieht. Durch die zweidimensionale Darstellung kann es so erscheinen, als ob das Licht durch den undurchsichtigen Spiegel und die Spiegelhalterung geht Selbstverständlich sind die gezeigten Strahlen nur repräsentativ für die gesamte Strahlung im fokussierten Strahl und die Spiegelhalterung bewirkt nur einen streifenartigen Schatten in diesem Strahl.

Die Verwendung eines gekrümmten Bandspiegels mit einer Anordnung bestehend aus einer Vielzahl von Detektoren kann zu Verzerrungen führen, die durch das Phänomen der Bildrotation hervorgerufen werden. Dieses Phänomen geschieht durch die optische Rotation des gekrümmten Bandspiegelbildes relativ zur Detektoranordnung und tritt immer dann auf, wenn der Abtastbogen eine achsenferne Position erreicht. Dieser Effekt wird bei einem einzigen Detektorelement verschwindend klein sein, da bei einer solchen Anordnung der einzig relevante Parameter die Menge der erfaßten Strahlung ist. Bei einer Bildabtastvorrichtung mit nur einem Detektorelement ist die nicht erfaßte Strahlung von bedeutungsloser Geringfügigkeit; das Detektorelement wird in jedem Fall durch die erfaßte Strahlung aktiviert. Bei Verwendung nur eines DetektorelemenK kann die RotaMonsversetzung im schlimmsten Fall eine Reduzierung der Sensibilität für außerhalb der Achse liegende Bildpunkte verursachen. Dies kann entweder durch Beschatten oder durch Intensitätsausgleich in der elektrischen Schaltung, die die Signale der Detektoreinrichtung aufnimmt, korrigiert werden. Bei Verwendung einer kreisförmigen Detektor-Anordnung hat die durch Rotationsversetzung auftretende Verzerrung weiterhin die sehr störende Wirkung, die Auflösung der Vorrichtung herabzusetzen. Diese Herabsetzung der Auflösung kommt durch die »Pixel«-Strahlung zustande, die bei Verwendung nur eines Detektorelementes nicht, bei einer Vielzahl von Detektoren aber vom Nachbardetektor erfaßt wird. Wird die Anzahl der Detektoren erhöht, so nimmt die Bildqualität weiter ab.

Bei der dritten Ausführungsform werden die Verzerrungen mit Hilfe eines als Sammeloptik dienenden und nicht in der Achse angeordneten Parabolspiegels ausgeglichen. Der Parabolreflektor ist so angeordnet, daß er das Bild auf die Achse der Abtastscheibe fokussiert.

In Fig.7 ist der Parabolspiegel 200 dargestellt, mit einem Krümmungsradius Rp, der dem Radius Rd der Scheibe 30 entspricht. Der Parabolspiegel 200 ist so angeordnet, daß seine Arbeitsbrennweite F gleich der doppelten Achsen-Brennweite (on-axis) entspricht. Die lineare Detektoranordnung 40 ist auf der und senkrecht zur Achse des Parabolreflektor 200 angeordnet im Abstand V2 Rp von der Basis des Parabolreflektor 200. Bei Verwendung dieser Parameter werden die gerichteten Strahlen vom Konkav-Reflektor 32 in die Ebene der Detektoranordnung fokussiert. Der Achsenstrahl des gerichteten Strahlenbündels wird vom Konkav-Reflektor 32 unter einem Winkel von 90° reflektiert und trifft auf den Detektor unter einem Winkel von 90^e von der Abtastscheibenachse auf.

Selbstverständlich sind auch andere Winkel als 90° und auch andere Abstände für die Detektoreinrichtung und den Parabolspiegel möglich, aber diese müssen so gewählt werden, daß Rotationsverzerrungen, die jeweils durch den einen hiervon entstehen, von den anderen eher ausgeglichen als noch verstärkt werden.

Während die F i g. 7 das Prinzip des Umlenkens und Fokussierens des gesammelten Bildes auf die Achse der Abtastscheibe richtig darstellt, ist diese Anordnung praktisch unbrauchbar, denn die Detektoranordnung würde direkt im Strahlengang der Bildstrahlen, wenn diese in die Abtastvorrichtung eintreffen, liegen. Eine Lösung dieses Problems ist in Fig.8 dargestellt. Die Bildstrahlen vom Konkav-Reflektor 32 werden durch

die planen Reflektoren 208,210 und 212 unter Beibehaltung der Kollimation umgelenkt. Danach treffen die Bildstrahlen auf den Parabolreflektor 200 unter Berücksichtigung der im Zusammenhang mit Fig.7 beschriebenen Bedingungen.

Obgleich der nicht auf der optischen Achse liegende Parabolreflektor 200 wirkungsvoll den beschriebenen Rotationseffekt beseitigt, bedingt dieser andererseits eine optische Rotation um die orthogonale Achse der linearen Anordnung. Während der Konkav-Reflektor 32 den Abtastbogen überstreicht, verändert sich der genaue Brennpunkt für die nicht auf der Achse liegenden Detektorpositionen und bewirkt eine Defokussierung in den vom Mittelpunkt der Anordnung entfernten Punkten. Dieses Defokussierungsproblem könnte durch Rotation der Detektoranordnung um die orthogonale Achse während des Abtastens vermieden werden, weil damit der richtige Fokus beibehalten würde. Eine solche Drehung der Detektoreinrichtung ist sehr unpraktisch unti mechanisch nur begrenzt möglich. Bei vielen Au- iö Wendungen ist eine gewisse Defokussierung hinnehmbar, soweit eine zufriedenstellende Auflösung für eine Anzahl von Detektorelementen beibehalten wird. Die in F i g. 8 dargestellte Ausführungsform mit dem nicht auf der Achse liegenden Parabolreflektor erzielt eine Lösung des Rotations-Problems und bildet gleichzeitig eine Sammeloptik mit nur einer optischen Oberfläche.

Die F i g. 9 und 10 zeigen die Abschnitte 220 und 222 der konvexen und 224 und 226 der konkaven parabolischen Oberfläche. Danach wird ein Dachspiegel verwendet, wie er in der Literatur beschrieben ist (Vgl. »Image Rotation Devices« von D. W. Swift, Optics & Laser Technology, 8/72, S. 184-185).

Die Basiskrümmungsradien der parabolischen Oberflächen 224 und 226 werden so gewählt und ausgerichtet, so daß sie einen gemeinsamen Brennpunkt 228 und eine gemeinsame Achse 230 aufweisen. LJm den Rotaticnseffekt auszuschließen, ist R₁ der Radius des Schnittpunktes der Paraboloide 224 und 226 gleich dem doppelten Radius Rd der Abtastscheibe 30 (vgl. F i g. 5 und 10).

Der Schnitt des Konkav- mit dem Konvex-Paraboloid bildet einen perfekten 90" Dachspiegel sowohl in der radialen als in der tangentialen Richtung für einen Infinitesimal-Bereich am Schnittpunkt. Im allgemeinen wird das von einem Dachspiegel reflektierte Bild um einen Winkel gedreht, der dem doppelten Winkel der Dachspiegel-Rotation entspricht und um eine Achse, die senkrecht auf der Linie des Schnittpunktes der beiden Dachhälften steht. In der gezeigten Darstellung rotiert das 90° Dach, das aus dem paraboloiden Dachspiegel gebildet ist, tatsächlich um eine solche Achse als Funktion der Bildrotation, eingeführt durch die Winkelposition der Abtastscheibe 30 während des Abtastvorgangs. Die Bildrotation um die Achse des Konkav-Reflektors 32, welche diese Ausführungsform korrigiert, entspricht dem Abtastwinkel. Das rotierte Bild vom Konkav-Reflektor fällt auf den parabolischen Dachspiegei, der in der entgegengesetzten Richtung rotiert Wenn Ri 2 R_D entspricht, so entspricht die resultierende Winkelrotation um die senkrecht auf dem paraboloiden Schnittpunkt stehenden Achse gleich einer halben Bildrotation um die Achse des Konkav-Reflektors. Deshalb wird das auf den paraboloiden Dachspiegel fallende Bild für jeden gegebenen Abtastwinkel um die Achse senkrecht auf dem paraboloiden Schnittpunkt gedreht, und zwar in der der Bilddrehung entgegengesetzten Richtung, um einen Winkel, der dem zweifachen Rotationswinkel um die senkrechte Achse auf dem parabolischen Schnittpunkt entspricht Wird das vom Dachspiegel reflektierte Bild in der entgegengesetzten Richtung zur Bildroiation gedreht, die durch den Abtastwinkel verursacht wird, um einen Winkel, der dem Abtastwinkel entspricht, so wird ein vollständiger Ausgleich für die durch den Abtastwinkel hervorgerufene Bildrotation erzielt. Vorleilhafterweise wird durch den Dachspiegel keine Defokussierung hervorgerufen und diese Ausführungsform kann deshalb auch dann verwendet werden, wenn die Fokussierung kritisch ist.

In der Praxis muß der parabolische Dachspiegel so angeordnet werden, daß zwischen einfallendem und wiedergegebenem Bild unterschieden werden kann. Mit anderen Worten: das einfallende Bild kann nicht in sich selbst reflektiert werden, was der Fall wäre, wenn die auf dem parabolischen Schnittpunkt senkrecht stehende Achse mit dem Achsenstrahl des einfallenden Bildstrahles zusammenfallen würde.

Der parabolische Dachspiegei 221 wird wie in F i g. 10 dargestellt angeordnet. Die Bildstrahlen des Konkav-Reflektors 32 fallen auf den konvexen Teil 220 des Parabolreflektor, entfernt vom gemeinsamen Schnittpunkt 223 der Parabolreflektoren. Die seitliche Verschiebung des parabolischen Dachspiegels entspricht der Eintrittspupille, die erforderlich ist, um den vom Konkav-Rcflcktor32 kollimierten Bildstrahl unterzubringen.

Die Hauptstrahlen werden von dem konvexen Teil 220 reflektiert unter einem Winkel von annähernd aber nicht genau 90°, da das Bild von dem konvexen Teil 220 des Parabolreflektor in einer Höhe oberhalb des gemeinsamen Schnittpunktes 223 reflektiert wird. Deshalb werden die Strahlen vom konvexen Teil 220 auf den konkaven Teil 222 fallen und von diesem reflektiert in einer etwas größeren Höhe als er der Ausgangspupille vom konvexen Teil 220 entspricht. Der Unterschied der Höhe zwischen Eingangs- und Ausgangsstrahlen muß ausreichend °τοΒ sein um sin LJbe^rlsⁿⁿ⁽ⁱn der Puⁿillen für die beiden Parabolreflektorteile 220 und 222 zu verhindern. Auch die innere Reflexion des parabolischen Dachspiegels, wie gezeigt angeordnet, entspricht nicht genau einem Winkel von 90° für Ri gleich 2 Rn, und ermöglicht so eine präzise Korrektur des Rotations-Effektes.

Die fünfte Ausführungsform der Vorrichtung betrifft die Formen des gekrümmten Bandspiegels, die die Vorzüge des konischen Bandspiegels umfassen, d. h„ das Auffangen aller Strahlen des Gesichtsfeldes in ähnlicher Weise, um ein kollimiertes oder telezentrisches Bild herzustellen, das von den Konkav-Reflektoren ohne Verzerrung reflektiert wird.

Im allgemeinen kann jeder Toroidspiegel, dessen Radius gleich dem Scheibenradius ist, verwendet werden (F i g. 7 und F i g. 8). Beispiele für Körper, von denen die Bandspiegelteile genommen werden können, sind in den Fig. 11 und 12 dargestellt Fig. 11 zeigt einen Toroidkörper mit einem Radius entsprechend Rd, von dem der Bandspiegel entnommen werden kann. F i g. 12 zeigt einen sphärischen Körper, von welchem ein Bandspiegel mit dem Radius Rd entnommen werden kann. In einer üblichen Anordnung wird das Bild aufwärts auf die Konkav-Reflektoren vom Bandspiegel unter einem Winkel von 90° reflektiert Soll ein Bandspiegel mit dem Radius Rd aus einer sphärischen Oberfläche hergestellt werden, die das Bild unter einem Winkel von 90° reflektiert, so muß der Radius der Sphäre Rsp gleich 2 Rp sein. Entsprechend der Verwendung des Bandspiegels kann der Krümmungsradius der Form des Spiegels angepaßt

werden. Unterschiedliche Querschnittsformen sind
möglich (beispielsweise kreisförmig oder elliptisch). Bei
kleinen >!nd momentanen Gesichtsfeldern sind die
Aberrationen bedingt durch diese unterschiedlichen
Formen und unbedeutend. 5

Obgleich Luft das übliche Medium für den abbildenden optischen Strahlengang ist, insbesondere zwischen
den verschiedenen optischen Elementen, sind auch andere Übertragungsmedien möglich, wie beispielsweise
Glas. 10

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum orthogonalen optischen Abtasten bzw. Zerlegen und/oder Aufbau eines Bildes bzw. einer Szene in vertikaler bzw. in horizontaler Richtung mit linearer, zellenförmiger Abtastung in einer der beiden Richtungen ein orthogonales Rasterbild zu erzeugen, mit einem rotierenden Drehkörper (30), der als Scheibe ausgebildet ist, deren plane Oberfläche mit einer Mehrzahl von in einer Kreisbahn angeordneten Konkav-Reflektoren (32), deren optische Achse senkrecht zur Scheibenachse ausgerichtet ist, ausgestattet ist, und mit einer im Abstand der Brennweite der Konkav-Reflektoren (32) von diesen entfernt angeordneten Spiegelvorrichtung (26), die das in ihrer Spiegelfläche fokussierte Abbild des Bildes bzw. der Szene zellenförmig derart weiterleitet, daß es auf eine Strahlendetektor-Einrichtung^40) fokussiert wird, die eine der Intensi-

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dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelvorrichtung (26) ein gekrümmter Bandspiegel ist, dessen Oberfläche Teil eines Toroids oder eine sphärischen Oberfläche ist, und daß deren Radius gleich dem der von den auf der Scheibe (30) angeordneten Konkav-Reflektoren (32) bestimmten Kreisbahn ist, und daß die Strahlendetektor-Einrichtung (40) dergestalt bogenförmig ausgebildet ist, daß sie dem von den Brennpunkten der Konkav-Reflektoren (32) beschriebenen F">gen entspricht und so angeordnet ist, daß sis die vom Bandspiegel (26) und von den Konkav-Reflektoren (32) reflektierte Strahlung empfängt.

2. Vorrichtung nach Anspruch », dadurch gekennzeichnet, daß die Konkav-Reflektoren (32) eine elliptische Oberfläche aufweisen und der Bandspiegel (26) im ersten und die Detektor-Einrichtung (40) im zweiten Brennpunkt derselben angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine im optischen Strahlengang zwischen den Konkav-Reflektoren (32) und der Detektor-Einrichtung (40) angeordnete, eine Drehung der Bildebene bewirkende optische Einrichtung ein Parabolspiegel ist, dessen Basisradius gleich dem Radius der Abtastscheibe ist, gemessen vom Scheibenmittelpunkt bis zur Achse der Konkav-Reflektoren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsbrennweite des nicht axial angeordneten, parabolischen Reflektors gleich der doppelten Brennweite auf der Achse ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine im optischen Strahlengang zwischen den Konkav-Reflektoren und der Detektor-Einrichtung angeordnete, eine Drehung der Bildebene bewirkende optische Einrichtung ein parabolischer Dachspiegel ist, wobei der Radius der Schnittpunkte der parabolischen Dachspiegel-Reflektoren gleich dem doppelten Radius der Abtastscheibe ist, gemessen bis zur Achse der Konkav-Reflektoren.

6. Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese weiterhin Mittel zur Begrenzung der Sammelöffnung auf den Bereich der von der rotierenden Abtastscheibe überstrichenen Abtastbahn aufweist, und daß sie einen Kälteschild und einen sphärischen Ablenkspiegel enthalten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn-

zeichnet, daß diese im Gesichtsfeld der Detektor-Einrichtung Wärmeabschirmvorrichiungen aufweist