DE2649918C2 - Optisches System zur Projektion zweier Bilder eines Objekts - Google Patents

Optisches System zur Projektion zweier Bilder eines Objekts

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Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solches System ist dem Fachmann bekannt und in F i g. 3 dargestellt. Große Felder von Festkörper-Photosensoren werden gegenwärtig bei Anwendungen wie z. B. Fernsehkameras und Dokumentabtastern verwendet. Die Technik, die gegenwärtig bei der Halbleiterherstellung dieser Felder angewendet wird, begrenzt die größtmögliche räumliche Ausdehnung auf ungefähr 2,5 cm (1 inch). Es gibt weitere Begrenzungen, sowohl räumlicher als auch elektrischer Art, die den kleinstmöglichen Mitte-zu-Mitte-Abstand zweier benachbarter Photosensorelemente begründen. Demzufolge gibt es in einer einzelnen Reihe eine größtmögliche Anzahl von Photosensoren, die praktisch hergestellt werden können. Da die mit solch einer Reihe erzielbaren Bildauflösung proportional der Anzahl der Photosensoren dieser Reihe ist, ist es schwierig, eine ausreichend gute Bildauflösung zu erzielen. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, ist es allgemein üblich, mehrere Photosensor-Felder zu verwenden, so daß die Gesamtzahl der Photosensoren ausreicht, die gewünschte Bildauflösung zu erhalten.
Eine Art von CCD-Fe!dern, die zur Zeit hergestellt werden ist auf 256 einzelne Photosensoren in einem Streifen oder in einer Reihe begrenzt Um ein Objekt abzutasten — z. 3. ein 223 cm (9 inch) breites Schriftstück — und um 5 Linien-Paare pro Millimeter aufzulösen, sind mindestens 10 Photosensoren pro Millimeter notwendig. Dazu benötigt man 100 Einzelelemente pro Zentimeter (254/inch). Demzufolge müssen 9 der 256 Element-Anordnungen in einer Linie angeordnet werden.
Damit tatsächlich effektiv die einzelnen Photosensorfelder eine zusammenhängende Bildreihe bilden, ohne
HaR <ΛΤ\ HaTI Sneifawnd^r ***\'*f***'*an'^'*n Dk/^lnranpnr.iral,
dem verschlechterte Bildauflösungen aufgrund größerer Abstände zwischen den angrenzenden Photosensoren erhalten, werden, wird ein optisches System der eingangs genannten Art verwendet Die dort getroffene Anordnung (in F i g. 3 dargestellt) sieht im Strahlengang zwischen Objektebene- und Bildebene einen Strahlleiter vor, um zwei Bilder von der Objektebene mit einer Linse zu erzeugen. Die beiden Photosensorreihen werden in der Bildebene so angeordnet, daß der erste Photosensor einer Reihe dem letzten Photosensor der anderen Reihe in der Bildebene optisch benachbart ist Somit liegen zwar die Reihen optisch auf der gleichen Linie, ohne sich örtlich zu überlagern, es geht jedoch dabei 50% des Lichtes, das vom Objekt komm?, in der Bildebene verloren. Außerdem ist die Bildauflösung durch den in beiden Reihen einzuhaltenden minimalen Abstand zwischen den einzelnen Photaelemente begrenzt. Aus der DE-OS 23 01 963 ist eine Photodetektoran-Ordnung bekannt die gegenüber anderen derartigen Anordnungen eine bessere Auflösung und eine höhere Abtastgeschwindigkeit besitzen soll. Hierzu werden die in einer Reihe angeordneten Photodetektoren abwechselnd mit jeweils zugeordneten Schieberegistern elektrisch verbunden.
Aus der DE-OS 25 14 157 sind versetzte Flächensensoren bekannt, deren Bildsignale für Fernseh^wecke relativ schnell ausgelesen werden müssen. Dort wird die gesamte Objektfläche gleichzeitig, also nicht zeilenweise, auf die Photosensoren abgebildet.
Aus der US-PS 37 17 770 ist bekannt, einzelne Photoele:nente an den Seitenkanten von links- und rechtsweisenden Chips anzuordnen, so daß bei Aneinanderreihung die Photoelemente der links- und rechtsweisenden Chips optisch auf einer Linie liegen.
Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Abbild eines Objektes unter Ausnützung des gesamten, von der Objekiebene kommenden Lichtes zu erzeugen, um damit das örtliche Auflösungsvermögen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
Gemäß diesen Merkmalen überlagern sich die beiden Photosensorreihen, weil auf jede der beiden Photosensorreihen die gesamte Bildbreite abgebildet wird und diese Reihen um die Hälfte des Abstandes zwischen
zwei benachbarten Photosensorelementen gegeneinander verschoben sind. Auf diese Art und Weise wird die gesamte, vom Objekt ausgehende Lichtmenge ausgenützt und eine verbesserte Auflösung erhalten, weil in dem dadurch effektiv zustande gekommenen Bild die Auflösung durch einen Abstand, der nur der Hälfte des Abstandes zwischen zwei benachbarten Photosensorelementen entspricht, bestimmt ist
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteranspruchen genannt, insbesondere die Verwendung eines Kosterprismas als Strahlteiler. Ansich sind Kosterprismen als Strahlteiler bekannt (US-PS 32 85 124). Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung weiter erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vielzahl versetzt angeordneter Photosensor-Reihen (2a, 2b, 2c ... 2n), gemäß dem Stand der Technik.
F i g. 2 schematisch eine andere Anordnung, wie sie gegenwärtig verwendet wird, um ein Original-Objekt (10) auf eine Vielzahl von Photosensor-Reihen (2a, 2b, 2c, 2d, 2e) abzubilden.
Fig.3 schematisch eine weitere gegenwärtig verwendete Methode, wie ein Original-Objekt (10; auf eine Vielzahl von Photosensor-Reihen (2a, 2b) abgebildet wird.
F i g. 4 ähnlich wie F i g. 3 eine schematische Darstellung einer Anordnung, die sich auf die vorliegende Erfindung bezieht.
F i g. 5 eine Schema-Skizze einer Vielzahl von Photosensor-Reihen (2a, 2b), die in einer Bildebene optisch überlagert sind.
F i g. 6 eine optische Darstellung eines Aufbaus, der sich auf die vorliegende Erfindung bezieht, nämlich auf die optische Überlagerung versetzt angeordneter Photosensor-Reihen.
Zunächst soll der Stand der Technik beschrieben werden, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung aufzuzeigen. In einer dem Markt gebräuchlichen Methode, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist, werden mehrere Photosensor-Reihen (2a, 2b, 2c...2n)nebeneinander versetzt angeordnet. Jede Reihe (2) besteht aus einer Vielzahl einzelner Photosensoren (4), die relativ zueinander in einem bestimmten Mitte-zu-Mitte-Abstand entlang einer Linie angeordnet sind. Die erste Reihe (2a) ist gegenüber der zweiten Reihe (2b) versetzt, die wiederum ist gegenüber der dnuen Reihe (2c) vrrsetzt und so geht es abwechselnd weiter bis zur letzten Reihe (2n). Wechselweise sind die Reihen 2a, 2c... entlang einer Linie 6 mit den Reihen 2b ... 2n entlang einer zweiten Linie 8 angeordnet.
Das Versetzen dieser abwechselnder Reihen ist notwendig, da der letzte der Photosensoren (4) in einer Reihe nicht genügend nahe an den ersten der Photosensoren (4) der nächsten Reihe gesetzt werden kann, da sowohl räumliche ils auch mechanische Bescnränkungen bestehen. Eine einzelne Linse oder eine Kombination von Linsen und Strahlteiler (in den Figuren nicht dargestellt) wird verwendet, um den entsprechenden Teil eines Objektes auf die jeweilige Reihe abzubilden. Dieses gegenwärtig verwendete System erfordert ein schwieriges und teures Justieren von Linsen und Photosensor-Reihen.
In F i g. 2 wird eine andere Vielfachlinsen-Anordnung gezeigt, wie sie Stand der Technik ist, bei der die Photoscnsor-Reihen nicht versetzt sind. In diesem Fall werden Projektionslinsen (14) verwendet, die ein Abbildungsvcrhältnis < 1 zwischen Objekt (O) in der Objektebene (10) und Photosensor-Reihe (2) in der Bildebene (12) ergeben. Wegen der Bildverkleinerung müssen die benachbarten Reihen {2a), (2b) usw. weder optisch noch auf andere Weise in einer durchgehenden Linie dicht angeordnet werden. Diese Anordnung erfordert eine genaue Justierung jeder einzelnen Linse (14).
In F i g. 3 wird eine andere Anordnung gezeigt, die einen Strahlteiler (16) im Strahlengang zwischen Objektebene (10) und Bildebene (12) enthält, um zwei Bilder von der Objektebene (10) mit einer Linse (14) zu erzeugen. Bei dieser dem Stand der Technik entsprechenden Anordnung wird die zweite Photosensor-Reihe (2b) in der Bildebene (12b) so angeordnet, daß der erste Photosensor dieser Reihe dem letzten Photosensor der ersten Reihe (2a) in der Bildebene (12aJ optisch benachbart ist; so schließt z. B. die Reihe (2b) optisch an dem Ende der Reihe (2a) an. Somit liegen die Reihen (2a) und (2b) optisch auf der gleichen Linie der Bildinformation, ohne sich örtlich zu überlagern. Bei dieser Anordnung geht jedoch letztlich 50% des Lichtes, das vom Objekt kommt, in dar Bildebene verloren.
In F i g. 4 wird nun die vorliegende Erfindung wiedergegeben, die die Schwierigkeiten ausschließt oder vermindert, die in Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 beschrieben wurden. Wie bei F i g. 3 liegt das Objekt (O) in der Objektebene (10) und wird durch eine Projektionslins:: (14) in der Bildebene (12) abgebildet Ein Strahlteiler (16) teilt das vom Bild kommende Licht, so daß die Bildebene (12) optisch in zwei Ebenen (12a,) und (\2b) geteilt ist. In dieser Anordnung dehnen sich die Photosensor-Reihen (2a^ und (2b) im Gegensatz zu Abbildung 3 im wesentlichen auf der gleichen Linie der Bildinformation aus. Jedoch ist die Photosensor-Reihe (2b) entlang dieser Linie bezogen auf die Reihe (2a,) um die Hälfte des Mitte-zu-Mitte-Abstands c/der Photosensoren (4) verschoben. Demzufolge liegen die Zentren der Photosensoren der Reihe (2a) tatsächlich auf der gleichen Linie der Bildinformation wie die Mittelpunkte der Photosensoren der Reihe (2b); sie sind jedoch etwas versetzt, um so in der Mitte zwischen den Mittelpunkten der Photosensoren (4) der Reihe (2b) zu liegen.
F i g. 5 veranschaulicht die wirkliche optische Überlagerung der Photosensor-Reihen (2a,) und (26,) und deren einzelner Photosensoren (4). Die Photosensoren (4) der Reihe (2a,) sind hier mit durchgezogenen Linien wiedergegeben und deren Mittelpunkt durch y gekennzeichnet; die Photosensoren (4) der Reihe (2£>,)sind mit unterbrochenen Linien gezeichnet und deren Mittelpunkt durch O gekennzeichnet. Der sich ergebende wirkliche Abstand der Photosensoren (4) von Mittelpunkt zu Mittelpunkt beträgt d/2, mit einem zulässigen Aperturbereich w, der von O < w < dreicht.
Es gibt mehrere Vorteile der beschriebenen Anordnung:
1. Sie bietet die einfache Justierung der Strahlteiler-Technik und nutzt dabei im wesentlichen 100% des vom Objekt kommenden Lichtes.
2. Die tatsächliche Auflösung kann leicht durch das
Abtast-Theorom gezeigt werden, das von -5-7 Umläufen pro Längeneinheit für eine Reihe auf -7 Umläufe pro Längeneinheit für die beiden konbinierten Reihen anwächst.
Darüberhinai s wird die größtmögliche Lese-Rate im Hinblick auf die maximale Lese-Rate für jede einzelne Reihe verdoppelt.
IO
Zusätzlich sind mit dieser Anordnung Abänderungen der Apertur-Geometrie möglich, welche die Ausführung gegenüber bestehender Technik wesentlich verbessern können. Von Abtast-Theorem-Überlegungen her ist bekannt, daß die optimale Breite jedes Scnors größer sein sollte als der tatsächliche Mitte-zu-Mitte-Abstand dieser Sensoren. Mit der oben beschriebenen überlagerten Anordnung der Aperturen ergibt sich der
tatsächliche Abstand von Mitte zu Mitte zu -x-, während
die größtmögliche Einzelaperturbreite gleich d ist. Bei einer nicht überlagerten Anordnung z. B. kann natürlich die Aperturbreite nicht größer als der Abstand von Mitte zu Mitte sein oder mit anderen Worten, der Abstand von Mitte zu Mitte ist immer so groß oder größer als die Apertur.
Das Merkmal der optischen Überlagerung dieser Erfindung wurde anhand des ruhenden Systems beschrieben, d. h. ohne Bezug auf jegliche Äbiastbcrä'cgung im System. Ein brauchbares Abtastsystem, das dieses Merkmal verwendet, könnte verschiedene Ausführungsformen haben. Beispiele dafür sind:
a) Objekt und Optik in Ruhe, abtastende Photosensoren;
b) Objekt bewegt sich, Optik und Photosensoren in Ruhe;
c) Objekt in Ruhe, auf der optischen Achse rotieren Spiegel, Optik und Photosensoren in Ruhe;
d) Objekt, Optik t;nd Photosensoren in Ruhe, rotierender Prisma-Strahlteiler steht in der optischen Achse.
25
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In Fig.6 wird mit (100) die Objektebene und mit (120) eine Bildebene mit der dazwischenliegenden optisehen Achse (24) wiedergegeben. Eine Projektionslinse (14) ist so aufgestellt, daß ein Bild einer QbjekHinje von der Objektebene (100) auf die Bildebene (120) abgebildet wird. In der Bildebene (120) sind die erste und zweite Photosensor-Reihe (20a) und (20b) in Endansicht wiedergegeben, wie sie auf einem gebräuchlichen Schlitten oder Substrat montiert sind. Die Photosensor-Reihen (20a; und (20 f>; sind ebenso wie die Objektlinie (O) linear und senkrecht zu der Zeichenebene ausgerichtet.
Ein Prisma (200), das manchmal als Koster-Prisma bezeichnet wird, wird auf der optischen Achse (24) zwischen der Objektebene (100) und der Bildebene (120) aufgestellt Das Koster-Prisma (200) besteht aus zwei 30°-60°-90° Prismen (200a; und (2006;, die so aneinander gekittet sind, daß sich ein gleichwinkliges Prisma ergibt. Die Zwischenschicht (220) zwischen Prisma (200a; und Prisma (200b) dient als .Strahlteiler, mit 50% Transmission und 50% Reflexion für das einfallende Licht
Licht, das sich entlang der optischen Achse (24) des Systems ausbreitet und auf die Strahlteileroberfläche (220) fällt wird zu 50% durchgelassen und zu 50% reflektiert. Das Licht das vom Strahlteiler (220) durchgelassen wird, wird vollständig innerhalb des Prismas (200Z>; bei (30) reflektiert und verläßt dieses Prisma bei (50). Damit wird ein Bild bei /entworfen, das ein Abbild der Objektlinie (O) in der Bildebene (120) ist Das vom Strahlteiler (220) reflektierte Licht wird vollständig innerhalb des Prismas (200a; bei (70) reflektiert und verläßt dieses Prisma bei (90). Damit wird ein Bild /' entworfen, das ein zweites Abbild der Objeklinie (O) in der Bildebene (120) ist
Im Koster-Prisma (200) ist der optische Weg 1-3-5-Zin der Länge gleich dem optischen Weg 1-7-9-/'.
Daraus geht hervor, daß das lineare Objekt (O)durch das vorliegende optische System auf zwei Bildlinien / und /' abgebildet worden ist. Ordnet man die Photosensor-Reihen (20a; und (20b) so an, daß sie mit diesen Bildlinien zusammenfallen, so kann ein durchgehendes Bild eines linearen Objektes (O; empfangen werden.
In ähnlicher Weise läßt sich die mechanisch nicht durchführbare Anordnung, die in Fig. 1 gezeigt wird, optisch durch die Anordnung, die in F i g. 3 gezeigt wird, verwirklichen; d.h. die Reihen (2a, 2c, ...) werden so justiert, daß sie mit dem Bild /' zusammenfallen und die Reihen (2b ... 2n) werden so justiert, daß sie mit dem Bild /zusammenfallen.
Daraus geht hervor, daß durch die neuartige optische Technik, die hiermit offenbart wird, eine Vielzah! von Photosensor-Reihen optisch dichter angeordnet werden kann, um eine bessere Bildauflösung zu erhalten und däß durch diese Anordnung dss gpsamtn abbildende System auf einer einzelnen Ebene angeordnet werden kann.
Das optische System dieser Erfindung ist in Ruhestellung beschrieben worden; d. h. es wurde kein Bezug auf irgendeine Abtastbewegung genommen. Ein System für die Praxis, das von dieser Erfindung Gebrauch macht, würde ein Abtastsystem in irgendeiner Form beinhalten, um eine relative Abtastbewegung zwischen Objekt und den Bilde iapfängern zu bewirken. Die Einzelheiten irgendeines solchen Abtastsystems sind nicht Teil dieser Erfindung.
Die vorausgegangene Beschreibung einer Ausführungsart dieser Erfindung dient !«liglich der Erläuterung und soll keine Beschränkung darstellen. Die dem beschriebenen Prisma eigene Geometrie ist nicht wesentlich. Es können andere Prismen-Geometrien verwendet werden. So würde z. B. ein Prisma aus einem gekitteten Paar von 22,5° -67,5° -90° Prismen ebenso den Zweck erfüllen. Ein weiteres Beispiel ist ein Prismenpaar von 34°-56°-90° Prismen, ebenso ein Prismenpaar von 26,5°-63,5°-90° Prismen.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Optisches System zur Projektion zweier Bilder eines Objekts von einer Objektebene auf eine Bildebene und zum Enpfangen dieses Bildes in der Bildebene, mit einer Projektionslinse, die zwischen Objektebene und Bildebene angeordnet ist und ein Bild eines Objekts von der Objektebene auf die Bildebene projiziert, mit einem Strahlteiler, der auf der optischen Achse zwischen der Projektionslinse und der Bildebene angeordnet ist, um das vom Objekt kommende Licht einerseits zu einer ersten Bildebene durchzulassen und andererseits auf eine zweite Bildebene zu reflektieren, mit wenigstens einer linearen Photosensorreihe in der ersten Bildebene und wenigstens einer linearen Photosensorreihe in der zweiten Bildebene, die mit der linearen Photosensorreihe in der ersten Bildebene optisch auf einer gemeinsamen Linie angeordnet ist, und mit einer mechanischen Abtsstbewegung senkrecht zu dieser Linie dadurch gekennzeichnet, daß die volle Breite der Objektebene (10) zeilenweise mit der Geschwindigkeit der meschanischen Abtastbewegung auf beide Photosensor-Reihen {2a, 2b) abgebildet wird und daß die zwei linearen Photosensor-Reihen (2a, 2b) in Längsrichtung derart gegeneinander versetzt angeordnet sind, daß der Abstand eines Flächenmittelpunktes (X) eines Photosensor-Elements (4) in der einen Photosensor-Reihe (2a oder 2b) zum Flächenmittelivinkt (O) des optisch benachbarten Photosensor-Elements in der anderen Photosensor-Reihe (2b oder 2a) gleich ist dem halben Abstand (d) zwischen den Flächenmittelpunkten zweier benachbarter Photosensor-Elemente (4) m jeder der Photosensor-Reihen (2a, 2b).
2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel in jedem der geteilten Strahlengänge zwischen Strahlteiler (220) und Bildebene (120) angeordnet ist, und daß die Spiegel in einer einander zugewandten Stellung unter einem Winkel angeordnet sind, der durch den Strahlenteiler (320) halbiert wird.
3. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (220) aus der Zwischenwand zweier aneinanderliegender Prismen (220, 200a) gebildet ist, und daß die Spiegel durch nach innen reflektierende Flächen der Prismen (200, 20OaJ gebildet sind.
DE2649918A 1975-10-30 1976-10-29 Optisches System zur Projektion zweier Bilder eines Objekts Expired DE2649918C2 (de)

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DE2649918A1 DE2649918A1 (de) 1977-05-05
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DE2649918A Expired DE2649918C2 (de) 1975-10-30 1976-10-29 Optisches System zur Projektion zweier Bilder eines Objekts

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