DE69915312T2

DE69915312T2 - Abtastgerät

Info

Publication number: DE69915312T2
Application number: DE69915312T
Authority: DE
Inventors: Alan H. Lettington; Nicholas Rupert Malvern ANDERTON
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2019-08-28
Also published as: CA2342612C; WO2000014587A1; AU755031B2; DE69915312D1; ES2216555T3; JP3321580B2; GB9819064D0; PL346540A1; CA2342612A1; MY124614A; AU5525899A; ZA200101761B; ATE261135T1; EP1110117B1; US6587246B1; HUP0104086A2; EP1110117A1; JP2002524767A; CZ2001767A3; HUP0104086A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abtastvorrichtung, die in einem Echtzeit-Bildverarbeitungssystem und insbesondere in einem Echtzeit-Bildverarbeitungssystem für Millimeterwellen verwendet wird. Die Abtastvorrichtung kann auch in anderen Radiometriesystemen verwendet werden.
Das britische Patent Nr. 700868 (Februar 1952 – Dezember 1953) beschreibt einen drehbaren Spiegel, der sich auf einen ähnlichen Bereich wie die vorliegende Erfindung bezieht.
Bilderzeugung aus Millimeterwellen ist potenziell als eine Allwetterüberwachung und Führungshilfe von Nutzen, aber jedes praktisch nützliche System muss zu Bilderzeugung in Echtzeit in der Lage sein. Dies ist mit existierenden Systemen nicht möglich. In einem Bildgeber für Millimeterwellen wird die Strahlung der abzutastenden Szene mit einem konkaven Spiegel oder einer Linse gesammelt und auf ein Feld von Aufnehmern für Millimeterwellen fokussiert. Derzeit sind große zweidimensionale Felder von Aufnehmern, die die Gesamtheit eines benötigten Bildes abdecken, nicht verfügbar. Statt dessen wird das Bild mit einer viel kleineren Anzahl von Empfängern abgetastet, um das gesamte Bild aufzubauen. Ein ähnliches Verfahren wird in manchen Infrarotbildgebern verwendet (z. B. EP 0 226 273 ).
Aktuelle Bildgebersysteme für Millimeterwellen verwenden mechanisches Abtasten von einem oder mehreren Kanälen, um ein Bild zu erzeugen. Schließlich können elektronische Abtastverfahren und Verfahren mit feststehenden Detektorfeldern entwickelt werden, um Echtzeit-Bilderzeugung aus Millimeterwellen durchzuführen, obwohl verschiedene Probleme mit einer solchen Lösung verbunden sind. Da die Wellenlänge notwendigerweise lang ist, muss erstens die Apertur des Systems groß sein, um unter ungünstigen Wetterbedingungen eine angemessene Auflösung zu erreichen. In manchen Bilderzeugungssystemen für Millimeterwellen kann die Eingangsapertur in der Größenordnung von 1m im Durchmesser sein. Zweitens sind die Kosten pro Kanal hoch, sodass jedes elektronische Abtastverfahren oder Verfahren mit feststehenden Detektorfeldern teuer ist. Darüber hinaus gibt es im Falle der feststehenden Detektorfelder für Millimeterwellen grundlegende Probleme analog zu den Problemen mit der Kälteabschirmung in Infrarotsystemen.
Eine andere Anforderung an ein praktisches Bilderzeugungssystem für Millimeterwellen ist, dass es in der Lage sein muss, mit fernsehkompatiblen Raten zu arbeiten (das heißt, 50 Hz für das vereinigte Königreich, 60 Hz für die USA). Im Infraroten sind Abtastsysteme oft Planspiegel, die um eine Achse herum flattern, die in der Oberfläche liegt. Dies ist in der Praxis keine Option für den Millimeterwellenbereich, da es erforderlich wäre, dass Planspiegel mit größer Apertur " mit fernsehkompatiblen Raten vor- und zurück flattern, was eine starke Änderung für die Massenträgheit am Ende jeder Abtastung bedeutet.
In Infrarotbilderzeugungssystemen, wo die Eingangsaperturen typischerweise nur 10 mm Durchmesser haben, sind rotierende Systeme verwendet worden ( EP 0226273 ). Darüber hinaus ist es im Infraroten gebräuchlich, afokale Teleskope einzusetzen, um das Sichtfeld in der Szene mit dem des rotierenden Polygons in Übereinstimmung zubringen. Dies ist unpraktisch für die hochauflösende Bildgebung für Millimeterwellen, wo die Eingangsaperturen beträchtlich größere Durchmesser haben und afokale Teleskope übermäßig groß sein müssten.
Jeder Abtastmechanismus, der in einem Bilderzeugungssystem für Millimeterwellen verwendet wird, muss deshalb entweder in der Objekt- oder in der Bildebene angeordnet sein. Darüber hinaus muss jeder Abtastmechanismus, der in der Bildebene angeordnet ist, gute Abbildungseigenschaften außerhalb der optischen Achse haben. Dies ist mit der bestehenden Technik schwierig zu erreichen.
Ein anderes bekanntes Abtastverfahren, das in Infrarot-Bildgebern verwendet wird, ist ein System aus zwei Scheiben, die um Achsen rotieren, die zur Normalen ihrer Oberflächen leicht geneigt sind (US-A-4923263). Strahlung, die auf die erste Scheibe einfällt, wird unter schrägem Einfall von der ersten rotierenden Scheibe reflektiert und läuft zu der zweiten Scheibe, um eine zweite Reflexion zu erfahren. Durch Verändern der Orientierung und der relativen Drehgeschwindigkeit der Scheiben können variierende Abtastmuster erreicht werden. Ein solches zweiachsiges System mit rotierenden Scheiben wäre jedoch nicht ideal für die Verwendung bei der Bilderzeugung im Millimeterwellenbereich, da das System unvorteilhaft groß würde.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, eine kompakte Abtastvorrichtung für den Objektraum zur Verfügung zu stellen, die insbesondere verwendet werden kann, um Bildgebung in Echtzeit im Millimeterwellenbereich oder in Radarsystemen umzusetzen. Es ist auch Gegenstand der Erfindung, eine Abtastvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die begrenzte Anforderungen an die Stromversorgung stellt und minimale Masse hat, und gute Abbildungseigenschaften außerhalb der optischen Achse bietet.
Eine Vorrichtung zum Abtasten der von einer Szene einfallenden Strahlung und zur Erzeugung einer Ausgangsstrahlung, die ein Bild auf einem gebogenen Detektorfeld abbildet, nach der Erfindung ist in Anspruch 1 dargestellt.
Die drehbare reflektierende Platte kann ein im wesentlichen ebener Reflektor sein.
In einer bevorzugten Ausführung kann die Vorrichtung zur Erzeugung eines Bildes auf dem Detektor eine drehbare reflektierende Platte enthalten, die ein konkaves Profil aufweist, wodurch die Funktion der Fokussiereinrichtung in die drehbare reflektierende Platte integriert wird.
Vorzugsweise umfasst die Fokussiereinrichtung

eine Linsenanordnung, die Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung selektiv übertragen und fokussieren kann, und die dazu eingerichtet ist, sowohl die Eingangsstrahlung von der Szene, als auch die Eingangsstrahlung, die von der drehbaren Platte reflektiert wird, zu empfangen, wobei die Linsenanordnung ein erstes polarisierendes Element zum selektiven Durchlassen und selektiven Reflektieren von Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung, wobei das erste polarisierende Element eine erste Polarisationsachse und eine im wesentlichen ebene Oberfläche hat, ein zweites polarisierendes Element zum Drehen der Polarisationsrichtung der Strahlung um im wesentlichen 45° und ein drittes polarisierendes Element zum selektiven Durchlassen und selektiven Reflektieren von Strahlung mit einer besonderen Polarisationsrichtung enthält, wobei das dritte polarisierende Element eine dritte Polarisationsachse und eine im wesentlichen sphärische Oberfläche mit einem Krümmungszentrum C
und einem Krümmungsradius R hat, wobei die dritte Polarisationsachse in einem Winkel von im wesentlichen 45° zu der ersten Polarisationsachse steht, und
wobei (i) die Rotationsachse der Platte durch das Krümmungszentrum C verläuft, und
der Abstand des ersten polarisierenden Elements zu dem Krümmungszentrum entlang der Drehachse und der Abstand zwischen dem ersten polarisierenden Element und der Scheibe entlang der Drehachse im wesentlichen gleich sind,
wobei die Anordnung der Vorrichtung so ausgeführt ist, dass bei der Verwendung optische Aberrationen in dem Bild, das auf dem Detektor abgebildet wird, minimiert werden.

Die Vorrichtung kann ferner ein Feld von Feedhörnern enthalten, wobei die Feedhörner einen Teil einer sphärischen Oberfläche mit einem Krümmungsradius von im wesentlichen gleich R/2 bilden und zu dem dritten polarisierenden Element konzentrisch sind. Die Vorrichtung kann ferner ein Feld von Detektorelementen enthalten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung bildet das Detektorfeld einen Teil einer bildgebenden Kamera im Millimeterwellenbereich.
Vorzugsweise ist das erste polarisierende Element ein ebenes Drahtgitter und das dritte polarisierende Element ist ein im wesentlichen sphärisches Drahtgitter.
Die Vorrichtung kann zwei oder mehr Linsenanordnungen enthalten, die in Reihe angeordnet sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann die dielektrische Schicht auf der Oberfläche der drehbaren reflektierenden Platte angeordnet sein, um zur Bereitstellung einer optischen Korrektur eine drehbare Mangin-Spiegelanordnung zu bilden.
In einer bevorzugten Ausführung umfasst die Vorrichtung weiter

eine Linsenanordnung, die selektiv Strahlung mit einer besonderen Polarisationsrichtung übertragen und fokussieren kann, die zwischen der drehbaren reflektierenden Platte und dem Detektor angeordnet ist, und die dazu eingerichtet ist, sowohl Eingangsstrahlung von der Szene als auch Eingangsstrahlung, die von der drehbaren reflektierenden Platte reflektiert wurde, zu empfangen, wobei die Linsenanordnung ein erstes polarisierendes Element zur selektiven Übertragung und zur selektiven Reflexion von Strahlung mit einer ersten Polarisationsachse und mit einer im wesentlichen ebenen Oberfläche, ein zweites Element zum Drehen der Polarisationsrichtung der Strahlung um im wesentlichen 45° und ein drittes polarisierendes Element zur selektiven Übertragung und selektiven Reflexion von Strahlung mit einer besonderen Polarisationsrichtung enthält, wobei das dritte polarisierende Element eine dritte Polarisationsachse hat und eine im wesentlichen ebene Oberfläche aufweist, wobei die dritte Polarisationsachse in einem Winkel von im wesentlichen 45° zu der ersten Polarisationsachse steht,
wobei die Vorrichtung so angeordnet ist, dass der optische Pfad in der Vorrichtung verkürzt und eine kompakte Anordnung erreicht wird.

Das Profil der dielektrischen Schicht kann von dem Profil der drehbaren reflektierenden Platte verschieden sein.
Die Oberfläche der dielektrischen Schicht und die Oberfläche der drehbaren reflektierenden Platte sind vorzugsweise beide asphärisch.
Die Vorrichtung kann zum Beseitigen spärischer Aberrationen in einem Bild, das auf das Detektorfeld abgebildet wird, weiter eine Korrekturplatte enthalten, die zwischen der drehbaren reflektierenden Platte und dem dritten polarisierenden Element angeordnet ist.
Vorzugsweise ist die Korrekturplatte ein schwach fokussierendes Element, wobei die Anordnung so gestaltet ist, dass der Durchmesser der Linsen verringert werden kann.
In einer anderen Ausführung weist die Korrekturplatte ein asphärisches konvexes Profil auf.
In einer bevorzugten Ausführung ist die drehbare reflektierende Platte ein schwach fokussierendes Element zum Beseitigen von sphärischen Aberrationen aus dem Bild, das auf das Detektorfeld abgebildet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die drehbare reflektierende Platte ein stark fokussierendes Element, wobei die Anordnung derartig ist, dass der Durchmesser der Linsenanordnung verringert wird.
Vorzugsweise ist die drehbare reflektierende Platte ein stark fokussie rendes Element, wobei die Anordnung derartig ist, dass die Brechkraft der Linsenanordnung verringert wird. Die drehbare reflektierende Platte kann ein asphärisches konkaves Profil aufweisen.
Vorteilhafterweise enthält die Vorrichtung auch einen Radarempfänger.
Vorzugsweise liegt der Neigungswinkel θ_a zwischen 1° und 10°.
Zum Zwecke dieser Beschreibung soll unter dem Begriff „polarisierendes Element" irgendein Element verstanden werden, das auf eine bestimmte Strahlungspolarisation wirkt, einschließlich Elementen, die auf die unpolarisierte Strahlung wirken, die aber keine polarisierte Strahlung erzeugen.
Die Erfindung wird nun nur als Beispiel mit Bezug auf die Figuren im Anhang beschrieben, in denen:
1 ein Diagramm eines herkömmlichen rotierenden Zweiachsen-Zweischeiben-Systems zeigt,
die 2(a) und 2(b) Beispiele von Abtastmustern zeigen, die mit dem rotierenden Zweischeiben-System in 1 erreicht werden können,
3 das Einachsen-Zweischeiben-System nach der vorliegenden Erfindung zeigt,
4 ein Einscheiben-Abtastsystem mit einem dachförmigen Reflektor zeigt,
5 einen dachförmigen Reflektor zeigt,
6 ein kompaktes Einscheiben-Abtastsystem mit einem polarisierenden dachförmigen Reflektor zeigt,
7 ein schematisches Diagramm einer Reflektorlinse zeigt, die in der Abtastvorrichtung verwendet werden kann,
8 ein Diagramm eines Einscheiben-Abtastsystems einschließlich der auf Polarisation ansprechenden Reflektorlinse aus 7 zeigt,
9 ein Einscheiben-Abtastsystem zeigt, das mehrere dachförmige Reflektorelemente einsetzt,
10 ein nahezu lineares offenes Abtastmuster zeigt,
11 eine Ausführung der Vorrichtung zeigt, die verwendet werden kann, um ein konisches Abtastmuster bereitzustellen,
12 das Abtastmuster zeigt, das mit der in 11 gezeigten Vorrichtung erreicht werden kann,
13 ein weiteres Diagramm eines Abtastsystems, das ein konisches Abtastmuster liefert, einschließlich der auf Polarisation ansprechenden Reflektorlinse aus 7 zeigt,
14 eine Ausführung der Vorrichtung zeigt, die eine Korrekturplatte zur Verringerung der Überdimensionierung der feststehenden Hauptreflektorlinse enthält,
15 ein Diagramm einer kompakten Anordnung der Ausführung in 14 zeigt,
16 eine Ausführung der Vorrichtung zeigt, die eine korrigierte konkave Abtastscheibe zur Verringerung der Überdimensionierung der feststehenden Hauptreflektorlinse enthält,
17 eine Ausführung der Vorrichtung zeigt, die eine drehbare Abtastscheibe mit Mangin-Spiegeln statt einer separaten Abtastscheibe und Korrekturlinse enthält,
18 ein Diagramm einer kompakten Anordnung der Ausführung in 14 einschließlich der auf Polarisation ansprechenden Reflektorlinse aus 7 zeigt.
Mit Bezug auf 1 umfasst ein herkömmliches rotierendes Zweischeiben-System zwei Scheiben 1a und 1b, die jeweils von separaten Achsen 2a und 2b getragen werden, die mit Drehmechanismen 3a und 3b verbunden sind. Jede der Achsen 2a und 2b ist um einige Grad zu den Normalen der Spiegelflächen der Scheiben 1a und 1b geneigt. Der Neigungswinkel beträgt typischerweise 5°. Während die Scheiben 1a und 1b um ihre jeweiligen Achsen rotieren, fällt einfallende Strahlung 4 von der Szene auf die erste rotierende Scheibe 1a und wird unter schrägem Einfall in Richtung der zweiten rotierenden Scheibe 1b reflektiert, wo sie eine zweite Reflexion erfährt. Von der zweiten rotierenden Scheibe 1b kann die Strahlung an ein Bildgeber- oder Empfängersystem weitergeleitet werden, das typischerweise die Sammeloptik 5 und den Empfänger 6 (oder ein Feld von Empfängern) umfasst. Der Empfänger 6 kann zum Beispiel das Empfängerelement einer bildgebenden Kamera im Millimeterwellenbereich oder das Empfängerelement eines Radarsystems sein.
Die zwei Scheiben 1a und 1b können in Abhängigkeit von dem am Bildgeber erforderlichen Abtastmuster um den gleichen oder verschiedene Winkel zu der Normalen der jeweiligen Spiegelfläche der Scheibe geneigt sein und können mit gleicher oder verschiedener Geschwindigkeit rotieren. Wenn die zwei Scheiben 1a und 1b um verschiedene Winkel zu ihren Rotationsachsen geneigt sind und mit verschiedenen Geschwindigkeiten gedreht werden, wird ein zweidimensionales Abtastmuster erreicht. Wenn die Neigungswinkel der zwei Scheiben gleich sind, lassen zwei in gleicher Richtung rotierende Scheiben ein blütenförmiges Abtastmuster entstehen, wie in 2a gezeigt ist. Wenn die Neigungswinkel der zwei Scheiben gleich sind und die Scheiben mit gleicher Geschwindigkeit, aber in entgegengesetzter Richtung drehen, kann ein fast lineares Abtastmuster erreicht werden, wie in 2b gezeigt ist.
Für den Betrieb im Millimeterwellenband ist es für die in 1 gezeigte Vorrichtung erforderlich, dass sie groß und darüber hinaus ziemlich komplex ist. Sie ist deshalb unpraktisch für die Verwendung bei diesen Wellenlängen. Mit Bezug auf 3 umfasst eine kompakte Abtastvorrichtung, die für die Verwendung in einem bildgebenden System im Millimeterwellenband geeignet ist, zwei reflektierende Platten, z. B. die Scheiben 1a und 1b, die von einer einzigen Achse 7 getragen werden, die durch die Mitte der Oberfläche jeder der Scheiben 1a und 1b verläuft, einen Drehmechanismus 3 und einen feststehenden Planspiegel 8. Strahlung 4 von der Bildszene fällt auf den ersten drehenden Spiegel 1a. Jede Richtung der einfallenden Strah lung 4 erfährt eine bei der Reflexion konische Ablenkung und fällt auf den Planspiegel 8. Von dem Spiegel 8 wird die Strahlung auf die zweite rotierende Scheibe 1b reflektiert, wo sie auf die Sammeloptik 5 des Bildgebers reflektiert wird. Von dieser Sammeloptik wird die Strahlung auf das Empfängerelement 6 des bildgebenden Systems fokussiert, das in der Bildebene der fokussierenden Optik 5 angeordnet ist.
Die Normalen n_a und n_b der zwei Scheiben 1a und 1b bilden jeweils einen Winkel θ_a und θ_b zu der Drehachse 7. Für die in 3 gezeigte Anordnung, in der die Scheiben 1a und 1b in entgegengesetzte Richtungen geneigt sind, ist die Abtastrichtung senkrecht zu der Ebene, die beide Drehachsen 7 und eine Normale der Ebene des Spiegels 8 enthält. Typischerweise können die Winkel θ_a und θ_b zwischen 1° und 10° liegen.
Es ist vorteilhaft, wenn die Neigungswinkel (θ_a und θ_b) der rotierenden Scheiben 1a und 1b in der gleichen Ebene liegen und im wesentlichen den gleichen Betrag (θ_a = θ_b = θ) haben, aber in entgegengesetzte Richtungen liegen. In diesem Fall heben sich die Kräfte wegen der Verkippung der Spiegel und ihrer aerodynamischen Kräfte an der Drehachse 7 auf. Mit der in 3 gezeigten Anordnung wird der einfallende Strahl 4 über einen Winkel von ±40° abgelenkt (wobei θ der Neigungswinkel der Spiegel zu der Normalen der Drehachse 7 ist). Deshalb erzeugt zum Beispiel eine Neigung von 4° ein Gesamtsichtfeld von 32° in der Szene.
Nachdem die Strahlung 4' von den zweiten reflektierenden Scheiben 1a und 1b reflektiert wurde, wird sie von der Sammeloptik 5 auf den Empfänger 6 des bildgebenden Systems fokussiert. Der Empfänger 6 kann typischerweise ein oder mehrere Millimeterwellendetektoren in Feldanordnung sein. Eine zeitlich kodierte Form des Bildes wird von dem Detektor oder den Detektoren in der Bildebene aufgenommen, und mit dem Wissen um das Abtastmuster kann ein zweidimensionales Bild aus dem zeitlich kodierten Signal oder Signalen entwickelt werden.
Für besondere Winkelgeschwindigkeiten und Phasen der Scheibe ist das resultierende Abtastmuster eine Rasterabtastung. Aus Gründen, die mit der Art und Weise in Verbindung stehen, wie das Auge ein bewegtes Bild verarbeitet, kann eine Rasterabtastung die wünschenswerteste Form einer Abtastung sein. Darüber hinaus kann bei Verwendung einer Rasterabtastung ein lineares Feld von Detektoren verwendet werden, wobei jeder Detektor eine oder mehrere Zeilen des Bildes aufnimmt. Diese Architektur vereinfacht die Aufbereitung der Daten, um das benötigte Bild zu erzeugen.
Bei den zwei Scheiben (3) zum Beispiel, die mit der gleichen Geschwindigkeit rotieren, ist die resultierende Abtastung eine Linienabtastung in einer Dimension. Die zweite Dimension in dem Bild kann durch einen lineares Feld von Detektoren, die unter 90 Grad zu der Linienabtastung angeordnet sind, gebildet werden. In diesem Fall ist die Anzahl von Bildpixeln in einer Richtung die gleiche wie die Anzahl der Detektoren.
In einer alternativen Ausführung der Abtastvorrichtung können die zwei rotierenden Scheiben durch nur eine rotierende Scheibe 1 ersetzt werden, wie in 4 gezeigt ist, was die Abmessungen der gesamten Vorrichtung weiter reduziert. In dieser Anordnung enthält die Vorrichtung auch ein dachförmiges 90°(π/2)-Prisma 9.
Die Konstruktion des dachförmigen Prismas 9 wird mit Bezug auf 5 beschrieben. Das dachförmige Prisma 9 kann zwei ebene reflektierende Oberflächen 10a und 10b enthalten, die im wesentlichen um 90° zueinander geneigt sind und sich entlang eines Scheitels 11 berühren. In der Figur ist eine hypothetische Linie 12 zwischen den reflektierenden Oberflächen 10a und 10b eingezeichnet, wobei die Linie 12 im wesentlichen senkrecht zum Scheitel 11 steht. Auf die Linie 12 wird sich im folgenden als Schnittlinie der zwei Oberflächen 10a und 10b bezogen.
Mit Bezug auf 4 fällt Strahlung 4 von der Szene auf die Scheibe 1 und wird zu dem dachförmigen 90°(π/2)-Reflektor 9 reflektiert, wo sie zu der rotierenden Scheibe 1 zurückreflektiert und dann über einen Strahlteiler 13, der den Pfad der ankommenden und der abgehenden Strahlung separiert, auf die Sammeloptik 5 des bildgebenden Systems reflektiert wird. Obwohl es bevorzugt wird, den Pfad der ankommenden Strahlung 4 von dem Pfad der abgehenden Strahlung 4' zu separieren, kann es in einigen Betriebsanordnungen nicht unbedingt erforderlich sein und der Strahlteiler 13 in der Vorrichtung, die in 4 gezeigt ist, kann weggelassen werden.
Wie in dem vorhergehenden Beispiel ist die rotierende Scheibe zu der Normalen der Drehachse 6 um einen Winkel θ leicht geneigt. Typischerweise kann der Neigungswinkel θ 5° betragen. Mit dieser Anordnung wird eine fast lineare Winkelabtastung (wie in 2(b) gezeigt) in einer Ebene parallel zur Schnittlinie 12 der zwei reflektierenden Oberflächen 10a und 10b erreicht.
Obwohl es bevorzugt wird, einen dachförmigen Reflektor in dieser Anordnung zu verwenden, können auch zwei unabhängige reflektie rende Oberflächen verwendet werden, wobei die zwei reflektierenden Oberflächen so geneigt sind, dass sie zueinander einen Winkel von im wesentlichen 90° bilden, sich aber nicht unbedingt berühren. Diese Anordnung hat jedoch einen Verlust von etwas Strahlung zur Folge, die von der Scheibe auf die reflektierenden Oberflächen reflektiert wird.
Der Strahlteiler 13 kann ein herkömmlicher polarisierender Spiegel sein und stellt eine Einrichtung zum Separieren der Ausgangsstrahlung 4' zur Übertragung von Eingangsstrahlung 4 an das bildgebende System zur Verfügung. Ein herkömmlicher polarisierender Spiegel besteht typischerweise aus einer ebenen, transparenten Kunststofffolie mit parallelen leitfähigen Drähten in engem Abstand. Wenn die parallelen leitfähigen Drähte des polarisierenden Spiegels unter einem Winkel von 45° (π/4) zu der einfallenden Strahlung 4 orientiert sind, wird nur unter 45° linear polarisierte Strahlung durchgelassen. Die parallelen leitfähigen Drähte des polarisierenden Spiegels sind unter einem Winkel von 45° zu der einfallenden Strahlung 4 angeordnet, und deshalb pflanzt sich nur unter 45° linear polarisierte Strahlung zu dem dachförmigen Reflektor 9 fort. Die durchgelassene Strahlung fällt deshalb mit ihrer um 45 ° zu der Schnittlinie 12 der zwei reflektierenden Oberflächen 10a und 10b gedrehten Polarisation auf den dachförmigen Reflektor 9. Die Strahlung 4 erfährt durch die Reflexion an dem dachförmigen Reflektor 9 eine 90°-Drehung ihrer Polarisationsrichtung und wird zu der reflektierenden Scheibe gesendet.
Auf diese zweite Reflexion an der rotierenden Scheibe 1 hin ist die Strahlung deshalb -π/4 linear polarisiert und wird anschließend von dem polarisierenden Spiegel 13 reflektiert und an die Sammeloptik 5 weitergegeben. Der polarisierende Spiegel 13 ist deshalb für ankommende Strahlung durchlässig, die in einer Richtung senkrecht zur Richtung der leitfähigen Drähte polarisiert ist, und reflektiert ankommende Strahlung, die parallel zu der Richtung der leitfähigen Drähte polarisiert ist. Die Anordnung, die in 4 gezeigt ist, ermöglicht deshalb, dass nur eine einzelne Polarisation am Empfänger 6 detektiert wird.
In dieser Ausführung muss die rotierende Scheibe 1 im Vergleich zu der Apertur der Sammeloptik 5 überdimensioniert sein, erstens, weil ihre Drehachse zu der Richtung der einfallenden und reflektierten Strahlen geneigt ist und zweitens, weil es eine signifikante Strahlverschiebung aus ihrer Mittelposition gibt, da der Spiegel um seine Achse dreht.
Diese beiden Effekte können überwunden werden, indem die rotierende Scheibe 1 nahe dem dachförmigen Reflektor 9 angeordnet wird, wie in 6 gezeigt ist. Wie in den vorangehenden Beispielen ist die Normale der rotierenden Scheibe 1 um einen Winkel θ zur Drehachse 7 geneigt. In dieser Anordnung enthält die Abtastvorrichtung einen polarisierenden dachförmigen Reflektor 14 mit zwei im wesentlichen ebenen Polarisatoren 15a und 15b, die im wesentlichen um 90° zueinander geneigt sind. Die zwei Polarisatoren 15a und 15b ersetzen die zwei reflektierenden Oberflächen 10a und 10b in der 5. Die Polarisatoren 15a und 15b haben Polarisationsachsen, die so orientiert sind, dass sie Strahlung durchlassen, die im wesentlichen die gleiche Polarisationsrichtung hat und im wesentlichen parallel oder senkrecht zu der Schnittlinie 12 der zwei Polarisatoren 15a und 15b ist, und deshalb im wesentlichen senkrecht oder parallel zu dem Scheitel 11 (siehe 5) ist. Wie oben erwähnt ist es auch möglich, zwei unabhängige Polarisatoren anstatt einem polarisierenden dachförmigen Reflektor zu verwenden, wobei die zwei Polarisatoren im wesentlichen um 90° geneigt sind, sich aber nicht notwendigerweise berühren.
In dieser Ausführung enthält die Abtastvorrichtung einen Faraday-Rotator 16 zum Drehen der Polarisationsrichtung der Strahlung um 45° (π/4) . Strahlung, die auf den Faraday-Rotator 16 fällt, erfährt jedesmal, wenn sie hindurchläuft, eine Drehung ihrer Polarisationsrichtung (das heißt, 45° Drehung pro Durchlauf). Die Strahlung 4 mit einer bestimmten Polarisationsrichtung fällt durch den dachförmigen Reflektor 14 auf den Faraday-Rotator 16. Die Strahlung wird an der rotierenden Scheibe 1 reflektiert und da sie durch den Faraday-Rotator 16 zurückgesendet wird, wird ihre Polarisationsrichtung dadurch um weitere 45° gedreht. Die Strahlung wird dann an dem dachförmigen Reflektor 14 reflektiert und erfährt eine weitere totale Drehung ihrer Polarisationsrichtung um 90°, da sie durch den Faraday-Rotator 16 vor- und zurückläuft, wobei sie ein zweites Mal an der rotierenden Scheibe 1 reflektiert wird. An dieser Stelle ist die Polarisationsrichtung derartig, dass die Strahlung 4' durch den dachförmigen Reflektor 14 hindurchtreten kann.
Alternativ kann der Faraday-Rotator 16 durch eine im Millimeterwellenband doppelbrechende Oberfläche, wie etwa einer Mäanderlinie, ersetzt werden. Für in der Einfallsebene polarisierte Strahlung, die in zwei senkrechte Komponenten aufgelöst werden kann, die jeweils unter π/4 (45°) zu der Polarisationsrichtung des einfallenden Strahls orientiert sind, kann eine Mäanderlinie konstruiert werden, um eine 90°(π/2)-Phasendrehung zwischen den zwei senkrechten Komponenten zu bewirken. In dem Polarisationszustand der Strahlung wird da durch jedesmal, wenn die Strahlung durch die Mäanderlinie tritt, eine 90°(π/2)-Phasendrehung bewirkt. Weitere Details bezüglich Mäanderlinien können in den folgenden Referenzen gefunden werden; L. Young et al., IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol AP-21, pp 376-378, Mai 1973, und R-S Chu et al., IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol AP-35, No 6, pp 652-661, Juni 1987.
Nachdem sie durch den dachförmigen Reflektor 14 hindurchgetreten ist, ist die linear polarisierte Strahlung, die auf die Mäanderlinie fällt, dadurch zirkular polarisiert. Die zirkular polarisierte Strahlung wird von der rotierenden Scheibe 1 reflektiert und läuft durch die Mäanderlinie zu dem polarisierenden dachförmigen Reflektor 14 zurück, wo sie beim ersten Durchgang reflektiert wird, und dann zurück durch die Mäanderlinie zu der reflektierenden Scheibe, wo sie aber beim nachfolgenden Durchgang durchgelassen wird.
In der Praxis kann es erforderlich sein, eine Anzahl von Mäanderlinien in einer gestapelten Anordnung zu verwenden, um die erforderliche π/2-Phasendrehung zwischen den zwei Achsen zu erzeugen. Die Mäanderlinien können für die Verwendung bei der Bilderzeugung im Millimeterwellenbereich am Ende der langen Wellenlängen des Wellenbandes (z. B. 35 GHz) geeigneter sein.
Der Pfad der Ausgangsstrahlung 4', die von der Abtastvorrichtung reflektiert wird, wird von der Eingangsstrahlung 4 durch einen geneigten ebenen Polarisator 17 und einen zusätzlichen 45°-Faraday-Rotator 18 separiert. Die Ausgangsstrahlung 4' wird dadurch von dem Pfad der Eingangsstrahlung 4 separiert und wird auf die Sammeloptik 5 des bildgebenden Systems gelenkt. In dieser Anordnung ist es essenziell, dass der Polarisator 17 die Strahlung unter im wesentlichen 45° zu der Polarisationsrichtung, die von den beiden Polarisatoren 15a und 15b durchgelassen wird, reflektiert (das heißt, unter 45° zu dem Scheitel 11). Wenn dieser dachförmige Reflektor 14 verwendet wird, ist die Abtastrichtung auf dem Bildgeber parallel zu der Schnittlinie 12 der zwei Polarisatoren 14a und 14b des dachförmigen Reflektors 15. In dieser Anordnung detektiert das bildgebende System nur einen einzelnen Polarisationszustand.
Obwohl es bevorzugt wird, den Pfad der Eingangsstrahlung 4 von der Ausgangsstrahlung 4' zu separieren, kann es in einigen Betriebsanordnungen nicht essenziell sein und der Polarisator 17 und der Faraday-Rotator 18 können deshalb in der Vorrichtung, die in 6 gezeigt ist, weggelassen werden.
8 ist eine Modifikation von 6, und enthält Bauteile mit optischer Brechkraft, um zu ermöglichen, dass fokussierte Strahlung direkt an den Empfänger 6 weitergeleitet wird. 7 zeigt beispielsweise eine Reflektorlinse 19, die in der Abtastvorrichtung enthalten sein kann. Die Reflektorlinse 19 umfasst drei Elemente; zwei polarisierende Elemente 20 und 22 (auf die sich alternativ als polarisierende Reflektoren bezogen wird) und einen Faraday-Rotator 21, der die Polarisationsebene der Strahlung dreht, die unter 45° durchgelassen wird. Die Pfeile 23 und 24 zeigen die Polarisationsrichtung der Strahlung an, die von den Elementen 20 beziehungsweise 22 durchgelassen wird.
Zum Zwecke der Beschreibung kann sich auf die Elemente 20, 21 und 22 auch als Oberflächen 20, 21 und 22 bezogen werden. Obwohl die Oberflächen 20, 21 und 22 in 7 mit gekrümmten Oberflä chen dargestellt sind, ist dies nicht unbedingt erforderlich. Zum Beispiel kann wenigstens eine der Oberflächen 20, 21 und oder 22 eine im wesentlichen ebene Oberfläche aufweisen.
Die Pfeile, die entlang des Pfades der Strahlung 4 gezeigt sind, zeigen die Polarisationsrichtung an, während die Strahlung durch die Reflektorlinse 19 hindurchtritt. Die Strahlung 4 fällt auf das erste Element 20, wo eine Polarisationsrichtung durchgelassen wird (das heißt, Strahlung mit einer Polarisationsrichtung vertikal zu der Papierebene). Strahlung, die von dem ersten Element 20 durchgelassen wird, läuft durch das zweite Element 21, das die Polarisationsrichtung um 45 Grad dreht. Das zweite Element kann zum Beispiel ein 45°-Faraday-Rotator sein. Die Polarisation der Strahlung, die auf das dritte Element 22 fällt, ist senkrecht zu dem Polarisationszustand, der von der Oberfläche 20 durchgelassen wird und wird deshalb reflektiert. Auf dem Rückweg erfährt die Strahlung eine weitere Drehung der Polarisationsrichtung um 45 Grad, während sie durch das zweite Element 21 hindurchtritt. Die Polarisationsrichtung ist nun senkrecht zu der Durchlassrichtung des ersten Elementes 20, und deshalb wird die Strahlung reflektiert. Der reflektierte Strahl erfährt eine weitere Drehung um 45 Grad, während er durch das zweite Element 21 läuft, und seine Polarisation ist so, dass er dann durchgelassen wird, und aus dem dritten Element 22 aus der Reflektorlinse 19 austritt. Daher ist die Arbeitsweise der Linsenanordnung 19 so, dass Strahlung mit einer Polarisationsrichtung durch die Linse ohne irgend einen Fokussiereffekt hindurchtritt, aber wenn die gleiche Strahlung auf dem Rückweg ein zweites Mal hindurchläuft, wird sie fokussiert. Die nicht-reziproke Natur der Linse wird durch die Verwendung eines Faraday-Rotators in der Anordnung erreicht.
8 zeigt eine noch kompaktere Abtastvorrichtung, die die Reflektorlinse 19 enthält, die in 7 gezeigt ist. Die Reflektorlinse 19 ist direkt vor dem dachförmigen Reflektor 14 angeordnet. Wenn die Oberflächen von 20, 21 und 22 eine geeignete Form haben, wird Strahlung, die durch die Reflektorlinse hindurchtritt, fokussiert. Ankommende Strahlung 4 mit der richtigen Polarisationsrichtung wird durch die Reflektorlinse 19 hindurchgelassen und erfährt keine Ablenkung, während die austretende Strahlung 4' direkt auf den Empfänger 6 fokussiert wird.
Wenn der polarisierende dachförmige Reflektor 14 eingesetzt wird, erfährt der auf die rotierende Scheibe 1 einfallende Strahl einen beträchtlichen Versatz in Längsrichtung der rotierenden Scheibe 1. Mit Bezug auf 9 ist es möglich, den einzelnen dachförmigen Reflektor 14 durch eine Reihe von dachförmigen Reflektoren 25 mit kleineren Abmessungen zu ersetzen, sodass nach der Reflexion von der rotierenden Scheibe 1 die Strahlung um einen verringerten Betrag versetzt ist (der Pfad der Strahlung ist der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt), wodurch sich die Abmessungen der Abtastvorrichtung noch weiter reduzieren. Die Reflektorlinse 19 kann wieder verwendet werden, um die austretende Strahlung 4' direkt auf den Empfänger 6 zu fokussieren.
Die rotierende Scheibe 1 in 9 kann leicht konkav sein. In diesem Fall ist es möglich, das nahezu lineare offene Abtastmuster zu erreichen, das in 10 gezeigt ist. Dieses offene Abtastmuster ermöglicht, dass die Anzahl der Fernsehzeilen, die mit dem Abtastmuster in 2(b) erreicht wird, verdoppelt wird. Zum Beispiel ermöglicht für ein Detektorfeld mit einer Anzahl von Detektorelementen, die mit einen Teilungsabstand d separiert sind, das Anpassen der Breite w des offenen Abtastmusters an die Hälfte der Detektorteilung d, dass man ein Muster mit Zwischenzeilen erhält. Also kann die maximale Leistungsfähigkeit für die Raumfrequenzen erreicht werden. Dies ist zu der Mikroscan-Methode analog, die bei der Erzeugung von Infrarotbildern verwendet wird [D.J. Bradley und P.N.J.Denis, „Sampling Effects in HgCdTe focal plane anays in IR Technology and applications" (Ed. L.R. Baker and A.Mason), Proc. SPIE vol 590 pp 53-60 (1985)).
Die Verwendung von mehreren dachförmigen Reflektoren in der Anordnung in 9 kann Phasenänderungen bewirken, die die räumliche Auflösung des Bildgebers beeinträchtigen. Es kann deshalb bevorzugt werden, den Vorteil der verkleinerten Abmessungen der Vorrichtung in 8 zu opfern und nur einen einzigen dachförmigen Reflektor zu verwenden, wie in 8 gezeigt ist. Die in 8 gezeigte Anordnung kann jedoch wegen des Versatzes des ankommenden Strahls 4 durch die Scheibe 1 und der Anordnung des dachförmigen Reflektor 15a und 15b zu Wandern der Pupille führen, weshalb die effektive Pupillenfläche des Systems verringert ist.
Die Vorrichtung kann auch dazu eingerichtet sein, ein konisches Abtastsystem statt einer Rasterabtastung bereitzustellen. Anordnungen, um dies zu erreichen, sind in den 11 und 13 bis 18 gezeigt. Die verbesserte Anordnung, die in 13 gezeigt ist, liefert Vorteile gegenüber der Vorrichtung, die in 8 gezeigt ist, die darin bestehen, dass sie kompakter ist und keine Pupillenwanderung entstehen lässt. Sie hat auch eine stark verbesserte räumliche Auflösung gegenüber der Vorrichtung in 9. Die Anordnung, die in 13 gezeigt ist, bietet auch den Vorteil, dass die optischen Aberrationen in dem Bild, das auf dem Detektorfeld abgebildet wird, minimiert sind.
Genauer gesagt sind die Abenationen Astigmatismus und Koma minimiert.
Die Vorrichtung, die in 13 gezeigt ist, umfasst ein Feedhornfeld 40, das die Feedhörner 41 enthält, und ein Detektorfeld 30 mit einer Anzahl von Detektorelementen 31. Die Detektorelemente 31 werden von den Feedhörnern 41 in dem Feedhornfeld 40 gespeist. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Reflektorlinse 19 und eine rotierende Platte oder Scheibe 1. Die Scheibe 1 dreht typischerweise um eine Achse, die unter einem Neigungswinkel von einigen Grad zu der Normalen der Achse, angenommen 5°, durch ihre Mitte verläuft, wie oben beschrieben wurde.
Die Reflektorlinse 19 hat die Struktur, die mit Bezug auf 7 beschrieben würde und enthält ein polarisierendes Reflektorelement 20, zum Beispiel ein senkrechtes Drahtgitter, einen 45°-Faraday-Rotator 21 und ein polarisierendes Reflektorelement 22, zum Beispiel ein 45°-Drahtgitter. Wie oben beschrieben ist die Funktionsweise der Reflektorlinse 19 so, dass einfallende Strahlung 4 mit einer Polarisation, in diesem Fall horizontale Polarisation, durch die Linsenanordnung ohne irgend einen fokussierenden Effekt hindurchtritt, wie oben beschrieben, wohingegen sie beim zweiten Durchtreten der Linse 19 in Gegenrichtung fokussiert wird.
In der in 13 gezeigten Anordnung hat das polarisierende Reflektorgitter 20 eine im wesentlichen ebene Oberfläche und das polarisierende Reflektorgitter 22 hat eine im wesentlichen sphärische Oberfläche. Diese sphärische Oberfläche hat ein Krümmungszentrum bei C und einen Krümmungsradius R, und hat deshalb einen Fokus im Abstand R/2 von der sphärischen Oberfläche. Die Feedhörner 41 bil den einen Teil der sphärischen Oberfläche mit dem halben Krümmungradius des sphärischen Reflektorgitters 22 (das heißt, Krümmungsradius = R/2) und sind konzentrisch dazu. Die Feedhörner sind deshalb in einem Abstand von im wesentlichen R/2 von der Bildmitte der Eingangspupille, die im Zentrum der Krümmung C abgebildet wird, angeordnet. Die Achse 50, um die sich die Scheibe 1 dreht, verläuft durch das Zentrum der Krümmung C des sphärischen Reflektorgitters 22.
Wie in 13 dargestellt, ist x der Abstand zwischen dem Feedhornfeld 40 und dem ebenen Reflektorgitter 20, L stellt den Abstand zwischen dem ebenen Reflektorgitter 20 und der Bildebene 35 und außerdem den Abstand zwischen dem ebenen Reflektorgitter 20 und der Scheibe 1 dar. Der Abstand y ist gleich zweimal dem Abstand x. Mit diesen Abmessungen werden die Abenationen Astigmatismus und Koma in dem Bild, das auf den Detektor abgebildet wird, minimiert. Wenn das ebene Reflektorgitter 20 statt dessen eine konkave oder sphärische Oberfläche hätte, müssten die Abstände L in 13 nicht gleich sein.
Die Strahlung tritt in die Vorrichtung von der rechten Seite der Figur ein und fällt außerhalb der Achse auf die drehende Scheibe 1, wobei die Scheibe 1 die Eingangspupille der Vorrichtung bildet. Die Strahlung wird an der Scheibe 1 reflektiert und läuft zurück durch die Vorrichtung und wird von dem ebenen Reflektorgitter 20 reflektiert. Die Reflexion von dem konkaven Reflektorgitter 22 fokussiert die Strahlung auf das Feedhornfeld 40.
Zwischen den Orientierungen der Drähte in dem ebenen Reflektorgitter und den Drähten in dem konkaven Reflektorgitter 22 liegt ein Winkel von 45 Grad, und der Faraday-Rotator 21, typischerweise ein Faraday-Rotator aus Ferrit, dreht die Polarisationsebene um 45 Grad. Deshalb läuft Strahlung, die von der rechten Seite eintritt, unfokussiert durch die Optik, wogegen Strahlung, die von der Scheibe 1 reflektiert wird, auf das Feedhornfeld 40 fokussiert wird.
Die Mitte der Eingangspupille (Scheibe 1) wird von dem ebenen polarisierenden Reflektor 20 auf das Zentrum der Krümmung C des sphärischen polarisierenden Elementes 22 abgebildet. Mit dieser Anordnung werden optische Abenationen in dem Bild auf dem Detektorfeld minimiert. Genauer gesagt werden die Abenationen Astigmatismus und Koma minimiert.
Ein einzelnes Detektorelement 31 in dem Detektorfeld 30 zeichnet ein kreisförmiges Abtastmuster nach. Da die Detektorelemente 31 aneinandergrenzend angeordnet sind, ist das abgebildete Bild eine Reihe von versetzten Kreisen, wie in 12 gezeigt ist. Da die Reflektorlinse 19 zwischen dem Detektorfeld 30 und der drehbaren Scheibe 1 angeordnet werden kann, ist das Abtastsystem kompakt. In herkömmlichen Anordnungen muss die Abtastoptik abseits von den fokussierenden Bauteilen angeordnet sein, was solche Systeme ungünstig groß machen kann.
Als eine weitere Verbesserung kann eine Korrekturplatte (60) zwischen der drehbaren Scheibe 1 und dem sphärischen polarisierenden Element 22 angeordnet werden, um sphärische Abenationen in dem Bild zu beseitigen, das auf das Detektorfeld 30 abgebildet wird.
Zusätzlich zu der Korrektur sphärischer Abenationen kann die Korrekturplatte (60) modifiziert werden, um die Überdimensionierung der feststehenden Reflektorlinse (19) zu reduzieren. Indem etwas positive Brechkraft in die Korrekturplatte (60) integriert wird, kann ein schwach fokussierendes Element erzeugt werden, was es erlaubt, den Durchmesser der feststehenden Reflektorlinse (19) zu reduzieren.
14 zeigt eine erweiterte Form des Abtasters, der eine fokussierende asphärische konvexe Korrekturlinse und eine feststehende Reflektorlinse (19) mit verringertem Durchmesser enthält. In dieser Anordnung bleibt der Großteil der Brechkraft des Abtasters bei der Reflektorlinse (19), was minimales Koma, Astigmatismus und sphärische Abenationen sichergestellt. Abenationen außerhalb der optischen Achse, die von der fokussierenden Korrekturplatte verursacht werden, sind ebenfalls gering und können teilweise durch Einstellen der asphärischen Deformation der Korrekturplatte korrigiert werden. Die Brechkraft der Korrekturplatte sollte jedoch bei dem erforderlichen Minimum gehalten werden, um die Überdimensionierung der feststehenden Reflektorlinse (19) zu beseitigen.
15 zeigt eine kompakte Abtastvorrichtung mit einer asphärischen konvexen Korrekturlinse.
Eine alternative Anordnung zur Reduzierung der Überdimensionierung der feststehenden Reflektorlinse ist in 16 gezeigt, und enthält eine konkave drehbare Scheibe (1). Der Einsatz eines konkaven Profils auf der drehbaren Scheibe (1) hat den gleichen Effekt wie die Verwendung einer fokussierenden Korrekturplatte in den 14 und 15.
Während eine fokussierende Korrekturplatte oder ein fokussierender Abtastspiegel verwendet werden kann, um die Überdimensionierung der feststehenden Reflektorlinse (19) zu reduzieren, können für Systeme mit großer Apertur oder solche, die bei geringerer Wellenlänge arbeiten, die Abenationen, die aus diesem Verfahren resultieren, im Vergleich zur Wellenlänge ebenso groß genug sein, um inakzeptabel zu sein.
Ein alternatives Verfahren, das auf die Beseitigung inakzeptabler optischer Abenationen abzielt, ist die Reduzierung der Brechkraft der feststehenden Reflektorlinse (19) und die Integration von mehr oder der ganzen Brechkraft in die drehende Scheibe (1). In dieser Anordnung sind die Elemente der feststehenden Reflektorlinse (19) nun eben oder viel näher daran, eben zu sein.
Die drehbare Scheibe (1) braucht typischerweise weitere optische Korrektur, und dies kann von einer dielektrischen Schicht (65), die auf die Oberfläche der drehbaren Scheibe (1) aufgebracht ist, statt durch eine separate Korrekturplatte bereitgestellt werden. Die dielektrische Schicht (65) und die darunter liegende drehbare Scheibe weisen typischerweise verschiedene Profile auf, wobei sowohl die drehbare Scheibe als auch die dielektrische Oberfläche asphärisch sind. Polyethylen mit hoher Dichte ist ein geeignetes Material für die dielektrische Schicht (65) in einem solchen Abtaster.
Diese Form der optischen Korrektur ist als Mangin-Spiegel bekannt und in 17 gezeigt. In diesem Beispiel wurde die feststehende Reflektorlinse (19) entfernt, da gesamte Brechkraft der Abtastvorrichtung in die drehbare Scheibe (1) integriert wurde.
Der drehbare Mangin-Spiegel zeigt Vorteile gegenüber einer herkömmlichen feststehenden Korrekturplatte. Da die dielektrische Schicht (65) auf der drehenden Scheibe (1) befestigt ist, hat einfallende oder reflektierte Strahlung zum senkrechten Einfall nie mehr als den halben Winkel, den solche Strahlung bei einem feststehenden Korrektor hätte. Dementsprechend ist die Korrektur von Aberrationen bei ansonsten gleichem Aufbau effektiver als mit einer feststehenden Korrekturplatte. Zusätzlich bildet der drehbare Mangin-Spiegel eine Eingangspupille des Abtasters, folglich gibt es weder Überdimensionierung noch Pupillenwanderung.
Ein weiterer Vorteil der Anordnung mit Mangin-Spiegel ist, dass die Feedhörner (41) in dem Feedhornfeld (40) nun nach innen zeigen, was mehr Platz für Hochfrequenzbauteile bereitstellt, die dahinter angebracht werden können.
18 zeigt eine kompakte Anordnung eines Abtasters mit einer drehbaren Scheibe (1), in die ein Mangin-Spiegel und eine feststehende ebene Reflektorlinse (19) integriert sind. Der hauptsächliche Zweck der ebenen Reflektorlinse in dieser Anordnung ist, den optischen Pfad umzulenken, um das System kompakter zu machen.
In jeder der Anordnungen, die in den 8, 9, 11, 13–16 oder 18 gezeigt sind, können zwei oder mehr Reflektorlinse (19) in Reihe enthalten sein.
Für manche Anwendungen kann die konische Abtastvorrichtung, die in den 11 oder 13 bis 18 gezeigt ist, gegenüber den Anordnungen in den 8 und 9 bevorzugt werden, auch auf Kosten des komplexeren konischen Abtastmusters. In der Praxis hängt die bevorzugte Anordnung von der speziellen Anwendung ab, für die sie benutzt werden soll.
Während die Abtastvorrichtung insbesondere mit Bezug auf Bilderzeugung im Millimeterwellenband beschrieben wurde, kann sie auch für andere Radiometriesysteme angewendet werden. Das Verfahren, Radiowellen mit hoher Leistung auf eine Szene zu senden und die zu dem Radarempfänger zurückgesendete Strahlung zu analysieren, ist wohlbekannt. Indem z. B. die Strahlung, die zu dem Radarempfänger zurückgesendet wird, mit der Abtastvorrichtung abgetastet wird, wird die Notwendigkeit von großen beweglichen Empfängerelementen, die in Radarsystemen eingesetzt werden, beseitigt. Die Eingangsstrahlung in die Abtastvorrichtung ist deshalb die Strahlung, die von der Szene reflektiert wird, die von dem Radarsender auf die Szene gesendet wird. Für den Zweck dieser Beschreibung soll deshalb der Ausdruck „Strahlung von einer Szene" mit der Bedeutung von Strahlung, die von einerSzene emittiert, reflektiert oder ausgesendet wird, aufgefasst werden.

Claims

Vorrichtung zum Abtasten von Eingangsstrahlung von einer Szene und zum Erzeugen von Ausgangsstrahlung zur Abbildung eines Bildes auf einer Bildebene, mit einer drehbaren reflektierenden Platte (1), die eine Eingangspupille für die Vorrichtung bildet, zum Empfangen und Reflektieren von Eingangsstrahlung, wobei die reflektierende Platte eine Drehachse (50) hat, die im wesentlichen durch die Mitte der Platte verläuft, wobei die Drehachse unter einem Winkel θ_a ungleich Null sowohl zu der reflektierenden Platte (1) als auch zu der Normalen der reflektierenden Platte im Drehzentrum (50) geneigt ist, einer Einrichtung (3) zum Drehen der reflektierenden Platte, einer Fokussiereinrichtung (5; 55) zur Erzeugung eines Bildes in der Bildebene, und einem Detektor (6; 30, 31), der in der Bildebene angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Millimeterwellen- oder Radiowellenstrahlung abtastet, wobei der Detektor und die Bildebene gekrümmt sind, und dadurch, dass die Fokussiereffekte der Fokussiereinrichtung (5; 55) und der drehbaren reflektierenden Platte (1) mit der Krümmung der Bildebene zusammenwirken, um das Bild auf den Detektor (6; 30, 31) zu fokussieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die drehbare reflektierende Platte (1) ein im wesentlichen ebener Reflektor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die drehbare reflektierende Platte (1) zum Erzeugen eines Bildes auf dem Detektor (6; 30, 31) ein konkaves Profil aufweist, wodurch die Funktion der Fokussiereinrichtung (55) in die drehbare reflektierende Platte (1) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Fokussiereinrichtung (5; 55) folgendes umfasst: eine Linsenanordnung (19), die Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung selektiv durchlassen und fokussieren kann, und die dazu eingerichtet ist, sowohl Eingangsstrahlung von der Szene und Ausgangsstrahlung, die von der drehbaren Platte (1) reflektiert wird, zu empfangen, wobei die Linsenanordnung ein erstes polarisierendes Element (20) zum selektiven Durchlassen und selektiven Reflektieren von Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung, wobei das erste polarisierende Element eine erste Polarisationsachse hat und eine im wesentlichen ebene Oberfläche aufweist, ein zweites Element (21) zum Drehen der Polarisationsrichtung der Strahlung um im wesentlichen 45° und ein drittes polarisierendes Element (22) zum selektiven Durchlassen und selektiven Reflektieren von Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung umfasst, wobei das dritte polarisierende Element eine dritte Polarisationsachse und eine im wesentlichen sphärische Oberfläche mit einem Krümmungszentrum C und einen Krümmungsradius R hat, wobei die dritte Polarisationsachse in einem Winkel von im wesentlichen 45° zu der ersten Polarisationsachse steht, und bei der (i) die Drehachse (50) der Platte durch das Krümmungszentrum C verläuft, und (ii) der Abstand des ersten polarisierenden Elements von dem Krümmungszentrum entlang der Drehachse und der Abstand zwischen dem ersten polarisierenden Element und der Scheibe entlang der Drehachse im wesentlichen gleich sind, wobei die Vorrichtung so angeordnet ist, dass im Betrieb optische Aberrationen in dem Bild, das auf den Detektor (6, 31) abgebildet wird, minimiert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, die weiter ein Feld (40) von Feedhörnern (41) umfasst, wobei die Feedhörner einen Teil einer sphärischen Oberfläche mit einem Krümmungsradius von im wesentlichen gleich R/2 bilden und konzentrisch zu dem dritten polarisierenden Element (22) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, die weiter ein Feld (30) von Detektorelementen (31) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Detektorfeld (30) einen Teil einer bildgebenden Kamera für Millimeterwellen bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der das erste polarisierende Element (20) ein ebenes Drahtgitter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der das dritte polarisierende Element (22) ein im wesentlichen sphärisches Drahtgitter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, die zwei oder mehr Linsenanordnungen (19) umfasst, die in Reihe angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, die weiter eine dielektrische Schicht (65) umfasst, die auf der Oberfläche der drehbaren reflektierenden Platte (1) angeordnet ist, um zur Bereitstellung optischer Korrektur eine drehbare Mangin-Spiegelanordnung zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 11, die weiter folgendes umfasst: eine Linsenanordnung (19), die selektiv Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung durchlassen und fokussieren kann, die zwischen der drehbaren reflektierenden Platte (1) und dem Detektor (6; 30, 31) angeordnet ist, und die dazu eingerichtet ist, sowohl Eingangsstrahlung von der Szene als auch von dem drehbaren reflektierenden Spiegel (1) reflektierte Eingangsstrahlung zu empfangen, wobei die Linsenanordnung ein erstes polarisierendes Element (20) zum selektiven Durchlassen und selektiven Reflektieren von Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung, wobei das erste polarisierende Element eine erste Polarisationsachse hat und eine im wesentlichen ebene Oberfläche aufweist, ein zweites Element (21) zum Drehen der Polarisationsrichtung von Strahlung um im wesentlichen 45° und ein drittes polarisierende Element (22) zum selektiven Durchlassen und selektiven Reflektieren von Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung umfasst, wobei das dritte polarisierende Element eine dritte Polarisationsachse und eine im wesentlichen ebene Oberfläche hat, wobei die dritte Polarisationsachse in einem Winkel von im wesentlichen 45° zu der ersten Polarisationsachse steht, wobei Vorrichtung so angeordnet ist, dass der optische Pfad in der Vorrichtung verkürzt wird und eine kompakte Anordnung erreicht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, bei der das Profil der dielektrischen Schicht (65) von dem Profil der drehbaren reflektierenden Platte (1) verschieden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Oberfläche der dielektrischen Schicht (65) und die Oberfläche der drehbaren reflektierenden Platte (1) asphärisch sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, die weiter eine Korrekturplatte (60) umfasst, die zwischen der drehbaren reflektierenden Platte (1) und dem dritten polarisierenden Element (22) angeordnet ist, um sphärische Aberrationen aus dem Bild, das auf das Detektorfeld (30) abgebildet wird, zu beseitigen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Korrekturplatte (60) ein schwach fokussierendes Element ist, wobei die Anordnung derartig ist, dass der Durchmesser der Linsenanordnung (19) verringert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Korrekturplatte (60) ein asphärisches konvexes Profil aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 15, bei der die drehbare reflektierende Platte (1) ein schwach fokussierendes Element zur Beseitigung von sphärischen Aberrationen aus dem Bild ist, das auf das Detektorfeld (30) abgebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 15, bei der die drehbare reflektierende Platte (1) ein schwach fokussierendes Element ist, wobei die Anordnung derartig ist, dass der Durchmesser der Linsenanordnung (19) verringert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 15, bei der die drehbare reflektierende Platte (1) ein stark fokussierendes Element ist, wobei die Anordnung derartig ist, dass die Brechkraft der Linsenanordnung (19) verringert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, bei der die drehbare reflektierende Platte (1) ein asphärisches konkaves Profil aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, die außerdem einen Radarempfänger enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Neigungswinkel θ_a zwischen 1° und 10° liegt.