DE2841777C2

DE2841777C2 - Optisch-mechanisches Abtastsystem

Info

Publication number: DE2841777C2
Application number: DE19782841777
Authority: DE
Inventors: Günther Dipl.-Ing. 8195 Egling Riedl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1978-09-26
Filing date: 1978-09-26
Publication date: 1984-07-05
Also published as: DE2841777A1

Description

Die Erfindung betrifft ein optisch-mechanisches Abtastsystem für aktive oder passive Abtastung mit einem rotierenden Abtastelement, das paarweise einen rechten Winkel einschließende, reflektierende planare Flächen aufweist, deren Dachkanten parallel zur Rotationsachse des Abtastelements gerichtet sind, wobei das Objektiv in der Nähe der Spiegelflächen abbildet.

Es ist bekannt, zur Abtastung der von einer Szene ausgehenden Strahlungsenergie, d.h. zur Betrachtung Ablenkeinrichtung Spiegel-Schwenkarm zu erreichen, die an die negative Bildfeldwölbung des zur Abtastung in der ersten Koordinatenrichtung vorgesehenen rotierenden Abtastelementes angepaßt werden kann. Die gemeinsame, vom rotierenden Abtastelement und vom Schwenkspiegel erzeugte (negative) etwa sphärische Bildfeldwölbung kann nun durch eine entsprechende, also ebenfalls negative Wölbung des Bildfeldes des als Eingangsoptik dienenden Objektivs korrigiert werden.

Nun ergibt sich bei Linsen zwar im allgemeinen eine positive Bildfeldwölbung (siehe hierzu Bergmann-Schaefcr, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band III, Optik, 4. Auflage, Seite 92, Abb. 119). Bei geeigneter Auslegung aber kann bei Linsensystemen auch ein ebenes Bildfeld oder ein negativ gekrümmtes Bildfeld erreicht werden. Damit wird bei einem erfindungsgemäßen Abtastsystem auf einfache Weise eine Anpassung der Bildfeldwölburigen erreicht.

In vorteilhafter Weise ist bei einem erfindungsgemäßen optisch-mechanischen Abtastsystem zwischen dem rotierenden Abtastelement und einer Detektoranordnung im Reflexionsweg des Abtastelementes eine Übertragungsoptik derart angeordnet, daß die Detektoranordnung an einem Ort auf dem Umkreis des Abtastelementes abgebildet ist Dadurch wird erreicht, daß der Abtastwirkungsgrad des rotierenden Abtastelementes nahezu 100% ist, und daß die durch die Rotation des Abtastelementes bewirkte Parallelverschiebung der optischen Achse der vom Schwenkspiegel auf das rotierende Abtastelement gerichteten Strahlung ohne Winkeländerung der optischen Achse der vom rotierenden Abtastelement auf die Detektoranordnung reflektierten Strahlung erzeugt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Detektoranordnung optimal abzublenden, wodurch ihre Detektivität erhöht wird.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optisch-mechanischen Abtastsystems ist zwischen dem rotierenden Abtastelement und einer Detektoranordnung ein mechanisch mit dem Schwenkarm des Schwenkspiegels gekoppelter Feldspiegel angeordnet. Bei einem derartigen Abtastsystem läßt sich die Detektivität noch weiter verbessern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optisch-mechanischen Abtastsystems besteht das rotierende Abtastelement aus einem sternförmigen Körper und der Schwenkspiegel aus einem ebenen Spiegel. Ein derartiges Abtastsystem weist eine hohe Leistungsfähigkeit bei Maximierung der Detektivität und Minimierung der optischen Aberrationen auf.

Vorteilhafte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen optisch-mechanischen Abtastsystems sind anhand der schematischen Darstellungen der Zeichnung im folgenden näher beschrieben.

F i g. 1 zeigt eine erste Ausführungsform F i g. 2 eine zweite Ausführungsform und

F i g. 3 zeigt die Erzeugung der Bildfeldwölbung eines ebenen Schwenkspiegels.

Die F i g. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Abtastsystem mit zwei Abtastelementen, wobei das eine Abtastelement jeweils paarweise einen rechten Winkel zwischen sich einschließende, reflektierende planare Flächen aufweist, deren Dachkanten parallel zur Rotationsachse des Abtastelementes gerichtet sind. Hierbei ist dieses Abtastelement als sternförmiger Körper, d. h. als sogenannter Spiegelstern 51 ausgebildet. Dieser Spiegelstern ist in F i g. 1 auch herausgeklappt in Draufsicht gezeichnet und bewirkt eine Abtastung einer Szene in einer ersten Koordinatenrichtung senkrecht zur Zeichenebene, indem er um seine Achse A 1 rotiert. Der Spiegelstern besteht aus η 90°-Spiegelpaaren, z. B. aus acht Spiegelpaaren, deren Dachkanten auf eitlem Zylinder mit dem Innenkreis-Radius r\ angeordnet sind. Als zweites Abtastelement zur Abtastung in einer zweiten Koordinatenrichtung dient ein schwenkbarer ebener Spiegel S 2. Außerdem besitzt diese Ausführungsform eines erfindungsgemaßen Abtastsystems noch ein Linsensystem L 3 als Eingangsoptik sowie eine Linsenanordnung L 2, eine Übertragungsoptik L 1 und eine Detektoranordnung D.

Die Rotation des Spiegelsterns 51 um seine Achse A 1 bewirkt eine Parallel verschiebung der optischen Achse O* senkrecht zur Zeichenebene. Diese Verschiebung bewirkt zusammen mit der Eingangsoptik L 3 eine Abtastung der Szene. Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines ei findungsgemäßen Systems wird nun der Strahlungsdetektor D, der aus einem oder mehreren Einzelelementen besteht, durch ein die Übertragungsoptik L 1 darstellendes Relais-Linsensystem in D' abgebildet. Der Ort D' liegt hier auf einem Umkreis des Spiegelsterns 51 mit dem Außenkreis-Radius rt Dadurch wird erreicht, daß der Abvastwirkungsgrad des Spiegelsterns 51 nahezu 100% ist und daß die Parallelverschiebung von O* ohne Winkeländerung der optischen Achse O durch D erzeugt wird, d. h. es ergibt sich eine stationäre Lage von O. Bei diesem Verfahren bewegt sich jedoch das virtuelle Bild D" des Detektors nicht auf einer Geraden, sondern auf einem Kreis, dessen Mittelpunkt rechts von D" liegt d. h. es wird eine negative Bildfeldwölbung erzeugt Wird dies jedoch nicht toleriert, so ist man gezwungen, D' an eine andere Stelle, d.h. nicht mehr auf den Umkreis von Sl, zu legen. Damit muß man aber auf einen Teil der Vorteile des Spiegelsterns S1 verzichten, nämlich auf den hohen Abtastwirkungsgrad und die stationäre Lage von O. Das erfindungsgemäße Abtastsystem toleriert jedoch die negative Bildfeldwölbung, wie im folgenden erklärt wird, und nutzt somit alle Vorteile von S1. Ein Hauptgrund für die Notwendigkeit, die negative Bildfeldwölbung zu vermeiden, ist die Tatsache, daß bei der im allgemeinen nötigen Kombination mit einem zweiten Abtastelement für die Abtastung in der Zeichenebene eine Anpassung der Bildfeldwölbungen der beiden Abtastelemente auf Schwierigkeiten stößt. Bei dem erfindungsgemäßen Abtastsystem wird diese Anpassung dadurch erreicht, daß als zweites Abtastelement ein Spiegel 52 verwendet wird, der an einem Schwenkarm Λ 2 um eine Achse Z geschwenkt wird. Bei dieser Ablenkeinrichtung ist eine Ausführung möglich, bei der Z den Krümmungskreismittelpunkt, A 2 den Krümrnungskreisradius, 52 die Tangente und D" bzw. der Schnittpunkt von L 3 mit O" die Brennpunkte einer Ellipse bilden. Eine derartige Ablenkeinrichtung erzeugt eine positive Bildfeldwölbung. Wie F i g. 3 zeigt, ergibt sich bei einem von einer Stellung 1 in eine gestrichelt eingezeichnete Stellung 2 verschwenkbaren ebenen Spiegel ein virtuelles Bild Dl bzw. D 2 eines Detektors D auf einer gekrümmten Linie. Nun gelingt es, durch Verlängerung von A 2 und Verschiebung von Z eine negative Bildfeldwölbung der Ablenkeinrichtung S2 — A2 zu erreichen, die an die Bildfeldwölbung des Spiegelsterns 51 angepaßt werden kann. Die gemeinsame, etwa sphärische Bildfeldwölbung wird durch eine entsprechende Wölbung des Bildfeldes der Eingangsoptik L 3 korrigiert.
Weiterhin enthält das erfindungsgemäße Abtastsystern eine Hilfslinse L 2. Die Funktion einer derartigen Linse ist folgende: Die von 51 bewirkte Parallelverschiebung von O* führt zu einer Paralle'verschiebung von O** und erzeugt dadurch entweder Vignettierung des Strahlengangs in L 3 oder zwingt dazu, L 3 im Durchmesser größer als an sich nötig zu machen. Wenn nun L 2 eine Brennweite hat, die etwa dem Abstand L 2 — L 3 entspricht, wird die Parallelverschiebung von O* in eine Schwenkbewegung von O** um deren Schnittpunkt mit L 3 verwendet, so daß die Pupille des

to Systems in L 3 liegt.

Die F i g. 2 zeigt eine Modifikation des den gleichen grundsätzlichen Aufbau aufweisenden Abtastsystems, die zwar die mechanische Komplexität vergrößert, jedoch die Leistungsfähigkeit weiter erhöht. Die Ablenk-

b5 einrichtung 52 — Λ2, wie sie im Vorhergehenden Beschrieben ist, ist zwar bei geeigneter Dimensionierung der optischen Elemente vignettierungsfrei, aber die Achsen O**, O* und O bewegen sich, wenn man Λ 2 um

Z schwenkt, so, daß O um D eine Winkelbewegung in der Zeichenebene ausführt. Deshalb kann man den Detektor für diese Ablenkeinrichtung nicht optimal abblenden und somit nicht die höchstmögliche Detektivität erreichen.

In F i g. 2 ist nun ein ebener Feldspiegel 5 3 im Reflexionsweg eingefügt, auf dem der Detektor D'abgebildet wird. Dieser Spiegel ist mechanisch so an den Schwenkarm A 2 gekoppelt, daß er eine Winkelbewegung um den Punkt D' ausführt, die durch geeignete Wahl des ι ο Übersetzungsverhältnisses und der Drehrichtung die Winkelbewegung von O* kompensiert, so daß O keine Bewegung um D mehr ausführt Dadurch läßt sich der Detektor optimal abblenden und die Detektivität voll ausnützen. D'kann in diesem Fall nicht mehr auf dem Umkreis von Si liegen. Dadurch verringert sich der Abtastwirkungsgrad von S !,jedoch bleibt die Reduzierung gering, da der Abstand von D' zum Umkreis klein bleibt. Der Verlust wird durch die Erhöhung der Detektivität aber bei weitem ausgeglichen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Optisch-mechanisches Abtastsystem für aktive oder passive Abtastung mit einem rotierenden Abtastelement, das paarweise einen rechten Winke! einschließende, reflektierende planare Flächen aufweist, deren Dachkanten parallel zur Rotationsachse des Abtastelements gerichtet sind, wobei das Objektiv in der Nähe der Spiegelflächen abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastung in einer zweiten Koordinatenrichtung ein dem Objektiv (L 3) nachgeschalteter Schwenkspiegel (S 2) vorgesehen ist, und daß die Lage des Schwenkpunktes (Z) und die Länge des Schwenkarmes (A 2) des Schwenkspiegels (S 2) so gewählt sind, daß die vom Schwenkspiegel (S 2) verursachte Bildfeldwölbung 2n die vom rotierenden Abtastelement (Sl) verursachte Bildfeldwölbung angepaßt ist, und daß die sich daraus ergebende etwa sphärische Bildfeldwölbung durch eine entsprechende Wölbung des Bildfeldes des Objektivs (L 3) korrigiert ist.

2. Optisch-mechanisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schwenkspiegel (S 2) und dem rotierenden Abtastelement (S 1) eine Linsenanordnung (L 2) vorgesehen ist, deren Brennweite etwa dem Abstand zum Objektiv (L 3) ist.

3. Optisch-mechanisches Abtastsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwisehen dem rotierenden Abtastelement (S 1) und einer Detektoranordnung (D) im Reflexionsweg des Abtastelementes eine Übertragungsoptik (L 1) dereiner Szene, optisch-mechanische Abtastsysteme zu verwenden. Damit wird Licht von aufeinanderfolgenden Bereichen einer Szene auf einen einzelnen Strahlungsdetektor oder ein Detektorfeld gerichtet Bei derartigen Systemen bestehen die Abtastelemente meist aus schwenkbaren Spiegeln und/oder rotierenden prismatischen Körpern, z. B. aus Polygontrommeln.

Ein optisch-mechanisches Abtastsystem der eingangs genannten Art ist bekannt Dieses System besitzt ein rotierendes Abtastelement das paarweise einen rechten Winkel einschließende, reflektierende planare Flächen aufweist, deren Dachkanten parallel zur Rotationsachse des Abtastelementes gerichtet sind, wobei die Spiegelflächen des sternförmigen Abtastelementes nach außen zeigen. Daraus folgt, daß der Ort der virtuellen Abbildung längs einer gekrümmten Linie verläuft, deren Randbereiche vom Objektiv weiter entfernt sind als der mittige Bereich. Das Abtastelement erzeugt also eine negative Bildfeldwölbung.

Beim Einsatz und bei der Kombination derartiger Abtastelemente bereitet jedoch die Anpassung der von den einzelnen Abtastek:menten erzeugten Bildfeldwölbungen häufig gewisse Schwierigkeiten.

Dtr Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem optisch-mechanischen Abtastsystem der eingangs genannten Art einen Weg aufzuzeigen, der auf einfache Weise eine Anpassung der von den einzelnen Abta3telementen erzeugten Bildfeldwölbungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem optisch-mechanischen Abtastsystem der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Abtastung in einer zweiten Koordinatenrichtung ein dem Objektiv nachgeschalteter Schwenkspiegel vorgesehen ist, und daß die

art angeordnet ist, daß die Detektoranordnung (D)

an einem Ort (D') auf dem Umkreis des Abtastele- 35 Lage des Schwenkpunktes und die Länge des Schwenk-

mentes (S 1) abgebildet ist. armes des Schwenkspiegels so gewählt sind, daß die

4. Optisch-mechanisches Abtastsystem nach An- vom Schwenkspiegel verursachte Bildfeldwölbung an spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwi- die vom rotierenden Abtastelement verursachte BiIdschen dem rotierenden Abtastelement (S 1) und ei- feldwölbung angepaßt ist, und daß die sich daraus ergener Detektoranordnung (D) ein mechanisch mit dem 40 bende etwa sphärische Bildfeldwölbung durch eine ent-Schwenkarm (A 2) des Schwenkspiegels (52) gekop- sprechende Wölbung des Bildfeldes des Objektivs korripelter Feldspiegel (5 3) angeordnet ist giert ist

5. Optisch-mechanisches Abtastsystem nach ei- Ein erfindungsgemäßes Abtastsystem verwendet zur nem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- Abtastung in einer zweiten Koordinatenrichtung einen kennzeichnet, daß das rotierende Abtastelement 45 an einem Arm angeordneten, um einen Schwenkpunkt (51) aus einem sternförmigen Körper und der schwenkbaren Spieigel. Bei einer derartigen Ablenkein-Schwenkspiegel (5 2) aus einem ebenen Spiegel be- richtung gelingt es, durch Verlängerung des Schwenkarsteht. mes und Verschiebung des Schwenkpunktes, also Ver-

6. Optisch-mechanisches Abtastsystem nach ei- Schiebung des Schwenkpunktes in Richtung des Armes nem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- 50 weg vom Spiegel, eine negative Bildfeldwölbung der

kennzeichnet, daß der Schwenkarm (A 2) des Schwenkspiegels (S 2) um eine zur Rotationsachse (Al) des Abtastelements (Sl) und zur optischen Achse des Objektivs (L 3) senkrechte Schwenkachse (Z) schwenkbar ist.