DE2017848C3 - optische Anordnung zum mechanischen Abtasten eines von einem Objektiv erzeugten Bildes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zum mechanischen Abtasten eines von einem Objektiv erzeugten Bildes durch Drehen eines Spiegels und eines reflektierenden polyederförmigen Elements um eine zur Drehachse des Spiegels senkrechte Achse mit einer Spiegelanordnung zum Empfang eines Strahlenbündels von einem Objektiv und zum Reflektieren dieses Strahlenbündels. Bei bekannten optischen Anordnungen dieser Art reflektiert das rotierende polyederförmige Element das von einem Objekt kommende fokussierte Strahlenbündel, so daß die Ebenflächigkeit des reflektierten Bildes beeinträchtigt wird. Ferner muß bei der bekannten optischen Anordnung das rotierende polyederförmige Element unerwünscht groß sein, wenn das Bild in einem relativ großen Bereich abgetastet werden soll.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Anordnung zum mechanischen Abtasten eines von einem Objektiv erzeugten Bildes durch Drehen eines reflektierenden Polyeders zu schaffen, die ohne Beeinträchtigung der Ebenflächigkeit des Bildes eine Erhöhung der Drehzahl des rotierenden Polyeders ,·; und eine Vergrößerung der Abtastzeilenfrequenz oder der Bildfrequenz ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer optischen Anordnung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise

ίο ein erstes Objektiv zum Umwandeln des von der Spiegelanordnung reflektierten Strahlenbündels in ein Parallelstrahlenbündel, in dessen Strahlengang das drehbare polyederförmige Element mit mehreren reflektierenden Flächen angeordnet ist, und ein zweites Objektiv zum Erzeugen eines scharfen Bildes mit Hilfe des von mindestens einer der reflektierenden Flächen des polyederförmigen Elements reflektierten Strahlenbündels vorgesehen sind, daß das Verhältnis zwischen der Brennweite des ersten Spiegels und des

ao ersten Objektivs groß und zwischen dem Objektiv und dem polyederförmigen Element mit reflektierenden Flächen eine Austrittspupille angeordnet ist. Da in der erfindungsgemäßen optischen Anordnung durch das drehbare polyederförmige Element ein

as ParallelstrcJilenbündel reflektiert wird, ist die Ebenflächigkeit des durch das zweite Objektiv erzeugten Bildes wesentlich verbessert. Durch das erfindungsgemäße Verhältnis der Brennweite wird der Durchmesser des parallelen Strahlenbündels vermindert, so daß zur Erhöhung der Drehzahl des rotierenden Polyeders ein kleineres rotierendes Element eingesetzt werden kann.

Aus der DT-PS 6 56 475 ist eine optische Anordnung zur Bildzusammensetzung oder Bildzerlegung

für Fernsehzwecke bekannt, bei der ein erstes Objektiv zum Umwandeln des von der Spiegelanordnung reflektierten Strahlenbündels in ein Parallelstrahlenbündel, in dessen Strahlengang das polyederförmige Element mit mehreren reflektierenden Flä-

chen angeordnet ist, und ein zweites Objektiv zum Erzeugen eines scharfen Bildes mit Hilfe des von mindestens einer der reflektierenden Flächen des polyederförmigen Elements reflektierten Strahlenbündels vorgesehen sind. Diese bekannte Anordnung,

die vermeiden soll, daß die von den einzelnen Spiegeln gezogenen Zeilen sich entweder überdecken oder aber Lücken zwischen ihnen verbleiben, so daß helle oder dunkle Streifen zwischen den Zeilen entstehen, vermag insbesondere das erfindungsgemäße Verhältnis der Brennweiten in der erfindungsgemäßen Merkmalskombination nicht nahezulegen.

Zweckmäßigerweise teilen die reflektierenden Flächen des polyederförmigen Elements das Parallelstrahlenbündel in zwei Teilstrahlenbündel, wobei Spiegel zum getrennten Reflektieren und Wiedervereinigen der Teilstrahlenbündel zu einem Parallelstrahlenbündel und zu dessen Richten auf das zweite Objektiv vorgesehen sind. Die Aufteilung eines Parallelstrahlenbündels in zwei Teilstrahlenbündel und deren anschließende Zusammenfassung zu einem Parallelstrahlenbündel ist aus der DT-PS 5 85 700 an sich bekannt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Spiegelanordnung aus einem Hohlspiegel mit zentraler Blendenöffnung und einem schwenkbaren ebenen, die von dem Hohlspiegel reflektierten Strahlen durch die Blendenöffnung auf das erste Objektiv werfenden Spiegel.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

F i g. 1 in einer Seitenansicht schematisch ein übliches System und

Fig. 2 das System nach Fig. 1 in einer Draufsicht;

Fig. 3 und 4 zeigen in größerem Maßstab in Draufsicht einen Teil des Systems nach F i g. 1 und 2 zur Erläuterung seiner Wirkungsweise;

Fig. 5 erläutert in einer schematischen Darstellung das Prinzip eines erfindungsgemäß verwendeten afokalen Systems;

Fig. 6 zeigt schematisch in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, x5

Fig. 7 ebenfalls schematisch in Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 8 in Draufsicht ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

F i g. 1 und 2 zeigen ein bekanntes reflektierendes so optisches System, doch kann dasselbe Prinzip auch auf ein lichtbrechendes optisches System angewendet werden. Das in Fig. 1 und 2 dargestellte optische System besitzt einen Hohlspiegel 1 α und einen ersten Spiegel 1 mit einer Blendenöffnung 4. Das von dem ersten Spiegel 1 fokussierte Strahlenbündel R wird von einem ebenen zweiten Spiegel 2 reflektiert und tritt durch die Blendenöffnung 4 des ersten Spiegels 1. In dem Strahlengang des durch die Blendenöffnung 4 getretenen Strahlenbündels ist ein polyederförmiges Element 5 angeordnet, das von mehreren ebenen reflektierenden Flächen 6 umgeben ist. Das von einer der reflektierenden Flächen 6 reflektierte Strahlenbündel erzeugt in einer geeignet bemessenen öffnung 7 ein Bild, das von einem Bildempfänger 8 empfangen wird. Der zweite Spiegel 2 schwingt um eine horizontale Achse 3, die durch den Schnittpunkt der optischen Achse mit der reflektierenden Fläche dieses Spiegels 2 geht und zu der optischen Achse rechtwinklig ist. Das polyederförmige Element 5 dreht sich in der Richtung des Pfeils um eine vertikale Achse 5 a. Man erkennt daher, daß das von dem Gegenstand kommende Strahlenbündel in der vertikalen und horizontalen Richtung abgetastet wird.

Wenn in einem derartigen optischen System der optische Abstand zwischen der Blendenöffnung 4 in dem ersten Spiegel 1 und der öffnung 7, in welcher das Bild erzeugt wird, zu groß wird, muß der zweite Spiegle 2 sehr groß oder der Abstand zwischen dem ersten Spiegel 1 und dem zweiten Spiegel 2 klein sein, wenn das System eine hohe Lichtstärke hat bzw. die zentral in dem gewölbten Spiegel 1 angeordnete Blendenöffnung relativ groß ist. Daher müssen die Blendenöffneung 4 des ersten Spiegels 1 und die öffnung 7 in einem relativ kurzen Abstand voneinander angeordnet werden und müssen die reflektierende Fläche 6 des rotierenden Elements 5 und die öffnung? in einem noch kleineren Abstand voneinander angeordnet werden. Bei einem so kleinen Abstand zwischen der reflektierenden Fläche 6 des rotierenden Elements 5 und der öffnung 7 treten folgende Nachteile auf:

Aus der F i g. 3 geht hervor, daß das optische Bild 9 eines Objekts vor seiner Reflexion auf der reflektierenden Fläche 6 des rotierenden Elements 5 die erforderliche Ausdehnung hat und der reflektierte mittlere Strahl 10 dieses optischen Bildes 9 in der öffnung 7 ein Bild erzeugt, wenn die reflektierende Fläche 6 unter einem Winkel von 45° zu der optischen Achse geneigt ist Zum Reflektieren des an dem horizontalen Rand des optischen Bildes 9 vorhandenen Randstrahls 11 derart, daß dieser zum Erzeugen eines scharfen Bildes in der öffnung 7 verwendet wird, wie dies in F i g. 4 gezeigt ist, muß die reflektierende Fläche 6 um einen Winkel θ gedreht werden. Dieser Verdrehungswinkel θ muß natürlich bei zunehmendem Bildwinkel bzw. bei zunehmendem Abstand zwischen dem mittleren Strahl 10 und dem Randstrahl 11 und bei abnehmendem Abstand α zwischen der Reflexionsstelle auf der reflektierenden Fläche 6 und der öffnung 7 kleber werden. Wenn die reflektierende Fläche 6 um einen Winkel θ gedreht worden ist, liegt der der öffnung 7 zugeordnete Punkt nicht am Ort des Randstrahls 11, sondern gemäß F i g. 4 an dem Ort 12. In einem Koordinatensystem, dessen Nullpunkt auf dem mittleren Strahl 10 liegt, wird die Lage dieses Punktes 12 mit Hilfe der Koordinaten x, y wie folgt angegeben:

χ = — 2asin² θ
y = 2asin Θ cos θ

Infolgedessen wird der Punkt 12 in der öffnung 7 scharf abgebildet, während der Randstrahl 11 in der öffnung 7 nur ein unscharfes Bild erzeugt. Wenn der Winkel θ groß ist, wie vorstehend angegeben wurde, wird der Wert χ beträchtlich groß und überschreitet er die die praktisch zulässige Grenze.

Zusätzlich zu dem vorstehend angegebenen Problem tritt noch ein weiteres auf. Damit der Randstrahl 11 verlustfrei reflektiert wird, muß die reflektierende Fläche 6 so groß sein, daß sie das ganze optische Bild 9 aufnehmen kann, wie dies aus der F i g. 4 deutlich hervorgeht.

Das Problem der Ebenflächigkeit des Bildes kann dadurch gelöst werden, daß die reflektierende Fläche nicht an einer Stelle, an der die Lichtstrahlen konvergieren, sondern an einer Stelle, an der die Lichtstrahlen parallel sind, gedreht oder hin- und herbewegt wird. An einer Stelle, an der die Lichtstrahlen parallel sind, ist nämlich kein Bild vorhanden und wird der Abstand eines außerhalb der optischen Achse angeordneten Gegenstandspunktes von der optischen Achse nur durch den Neigungswinkel des von dem außerhalb der optischen Achse liegenden Gegenstandspunkt ausgesendeten Strahls gegenüber der optischen Achse bestimmt.

F i g. 5 zeigt ein afokales optisches System, in dem ein Parallelstrahlenbündel verwendet wird.

Gemäß F i g. 5 wird von einem auf der optischen Achse liegenden Punkt eines entfernten Gegenstandes ein Strahlenbündel 13 ausgesendet, das durch das afokale optische System hindurchgeht und als Parallelstrahlenbündel 13' projiziert wird. Ein von einem außerhalb der optischen Achse liegenden Punkt ausgesendetes Strahlenbündel 14 wird als Parallelstrahlenbündel 14' projiziert. Wenn daher das vorstehend genannte rotierende Polyeder vor odei hinter dem afokalen optischen System angeordnet ist, erfolgt die Abtastung eines Gegenstandes mit einer bestimmten Ausdehnung nur durch die Veränderung der Winkelstellung der reflektierenden Fläche, so daß die Ebenflächigkeit des Bildes verbessert werden kann. Eine Anordnung der reflektierenden Fläche vor dem Objektiv hat jedoch im allgemeinen den Nachteil, daß die reflektierende Fläche relativ groß

sein muß, wodurch eine schnelle Abtastung erschwert und bei einem relativ nahe bei dem System angeordneten Gegenstand die Parallelität der Strahlen beeinträchtigt wird.

In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird daher ein afokales Objektiv verwendet, auf dessen Austrittsseite ein rotierendes Polyeder angeordnet ist, das zum Abtasten dient.

F i g. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das optische System nach Fig.6 besitzt ähnlich wie das System nach F i g. 1 und 2 einen ersten Spiegel 1 mit einer konkaven reflektierenden Fläche la und einer Blendenöffnung 4. Das Strahlenbündel R wird von der reflektierenden Fläche la des ersten Spiegels 1 auf einen zweiten Spiegel 2 reflektiert, der eine ebene reflektierende Fläche besitzt, und zum Erzeugen eines Bildes 15 am Brennpunkt verwendet. Von dem Bild 15 tritt das Strahlenbündel durch die Blendenöffnung 4 in dem ersten Spiegel 1 und wird von einem der Blendenöffnung 4 benachbarten Objektiv 16 in ein Parallelstrahlenbündel umgewandelt. In dem Strahlengang des von dem Objektiv 16 abgegebenen Parallelstrahlenbündels ist ein rotierendes polyederförmiges Element 17 angeordnet, das mehrere reflektierende Flächen 10 hat. Das Parallelstrahlenbündel wird von einer der reflektierenden Flächen 10 reflektiert und tritt durch ein Abbildungsobjektiv 19, das in der öffnung 7 ein Bild erzeugt, das von einem Bildempfänger 8 empfangen wird.

Wenn das auf der Austrittsseite eines afokalen optischen Systems angeordnete Objektiv aus einer konvexen Linse besteht, sieht man hinter dieser Linse eine Austrittspupille vor, durch die das ganze Strahlenbündel tritt. Man kann den Durchmesser der Austrittspupille verkleinern, wenn das Verhältnis zwischen der Brennweite des Eintrittsobjektivs und der Brennweite des Objektivs auf der Austrittsseite des Systems groß ist. Diese Austrittspupille ist in F i g. 5 mit 20 bezeichnet. In der Anordnung nach F i g. 6 ist die reflektierende Fläche 18 eines rotierenden polyederfönnigen Elements 17 an dem Ort der Austrittspupille eines afokalen Systems angeordnet, das aus einem ersten Spiegel 1, einem zweiten Spiegel 2 und einem Objektiv 16 besteht, und ist das Verhältnis zwischen der Brennweite des ersten Spiegels 1 und des Objektivs 16 groß, so daß das rotierende polyederförmige Element 17 relativ klein sein kann.

Das afokale System hat außerdem folgende Vorteile: Selbst wenn das Strahlenbündel an der Austrittspupille in zwei oder mehrere Heinere Teflstranlenbundel geteilt wird, können alle diese kleineren Teilstrahlenbündel an einem Punkt scfaaif abgebildet werden, wenn sie gleichzeitig und unter demselben Einfallswinkel in das Objektiv eintreten. Diese Maßnahme ermöglicht die Durchführung eines Verfahrens, in dem das Strahlenbündel durch gleichzeitige Verwendung von zwei oder mehreren reflektierenden Flächen des rotierenden polyederförmigen Elements anstatt nur einer reflektierenden Fläche in zwei oder mehrere kleinere Teilstrahlenbündel geteilt werden, die dann wieder vereinigt werden. Bei gleichzeitiger

ίο Verwendung von zwei oder mehreren reflektierenden Flächen für ein Strahlenbündel festgelegter Größe kann die einzelne reflektierende Fläche natürlich kleiner sein, so daß das rotierende polyederförmige Element beträchtlich kleiner ausgeführt werden kann.

Dadurch wird die räumliche Auslegung des ganzen optischen Systems erleichtert und wird es ermöglicht, das rotierende polyederförmige Element mit Hilfe eines nur schwachen Motors mit einer so hohen Drehzahl zu drehen, wie sie bei einem großen rotie-

ao renden Element nicht erzielt werden konnte. Dadurch wird die Abtastgeschwindigkeit erhöht. Man kann daher den Vorteil erzielen, daß die Abtast-Zeilenfrequenz oder die Bildfrequenz erhöht werden kann.

as Ein Ausführungsbeispiel mit diesen vorteilhaften Merkmalen ist in F i g. 7 gezeigt. Hier wird das von dem Objektiv 16 abgegebene, parallele Strahlenbündel von den reflektierenden Flächen 21 und 22 eines kleinen rotierenden polyederförmigen Elements 17' in zwei reflektierte Strahlenbündel geteilt, die von den ortsfesten Spiegeln 23, 24 und 25 reflektiert und wieder zu einem einzigen Strahlenbündel vereinigt werden, das von dem Abbildungsobjektiv 19 zum Erzeugen eines Bildes in der öffnung 7 venvendet wird.

In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 6 und 7 haben die rotierenden polyederförmigen Elemente die Form von Tetraedern, doch versteht es sich, daß das vorstehend angegebene Merkmal auch in Systemen angewendet werden kann, in denen das polyederförmige Element eine andere Form, z. B. gemäß F i g. 8 die Form eines Hexaeders, hat.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß beim mechanischen Abtasten eines optischen BiI-des die Ebenflächigkeit des Bildes verbessert und ein etwas kleineres rotierendes polyederförmiges Element verwendet werden kann, wenn man ein afokales optisches System verwendet. Ferner versteht es sich, daß die Größe des rotierenden polyederförmigen

so Elements beträchtlich herabgesetzt und seine Drehzahl erhöht werden kann, wenn man zwei oder mehrere reflektierende Flächen dieses Elements gleichzeitig zur Teilung des Strahlenbündels verwendet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Optische Anordnung zum mechanischen Abtasten eines von einem Objektiv erzeugten Bildes durch Drehen eines Spiegels und eines reflektierenden polyederförmigen Elements um eine zur Drehachse des Spiegels senkrechte Achse mit einer Spiegelanordnung zum Empfang eines Strahlenbündels von einem Objektiv und zum Reflektieren dieses Strahlenbündels, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise ein erstes Objektiv (16) zum Umwandeln des von der Spiegelanordnung (1, 2) reflektierten Strahlenbündel in ein Parallelstrahlenbündel, in dessen Strahlengang das drehbare polyederförmige Element (17, IT) mit mehreren reflektierenden Flächen (21) angeordnet ist, und ein zweites Objektiv (19) zum Erzeugen eines scharfen Bildes mit Hilfe des von mindestens einer der reflektierenden Flächen des polyederförmigen Elements (17, 17') reflektierten Strahlenbündels vorgesehen sind, daß das Verhältnis zwischen der Brennweite des ersten Spiegels (1) und des ersten Objektivs (16) groß und zwischen dem Objektiv (16) und dem polyederförmigen Element (17, 17') mit reflektierenden Flächen (21) eine Austrittspupille angeordnet ist.

2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flächen (21) des polyederförmigen Elements (17') das Parallelstrahlenbündel in zwei Teilstrahlenbündel teilen und daß Spiegel (23,24,25) zum getrennten Reflektieren und Wiedervereinigen der Teilstrahlenbündel 7U einem Parallelstrahlenbündel und zu dessen Richten auf das zweite Objektiv (19) vorgesehen sind.

3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelanordnung (1) aus einem Hohlspiegel (la) mit zentraler Blendenöffnung (4) und einem schwenkbaren, ebenen, die von dem Hohlspiegel (la) reflektierten Strahlen durch die Blendenöffnung (4) auf das erste Objektiv (16) werfenden Spiegel (2) besteht.