DE3307380C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung zur optischen Abtastung einer Szene gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Abtastvorrichtung ist sowohl für eine Linienabtastung als auch für eine gleichzeitige horizontale und vertikale Abtastung beispielsweise für die Bilderzeugung geeignet. Es wird dabei eine Szene oder ein Objekt rasch entlang einer Linie mittels einer Abtastvorrichtung abgetastet, die einen Abtastrotor umfaßt, der im Strahlengang des Abtaststrahles liegt und eine Vielzahl von aneinandergrenzenden reflektierenden Flächen bzw. Facetten besitzt, die als Polygon um den Umfang des Abtastrotors herum angeordnet sind.

Der Abtaststrahl der von der erfaßten Fläche der Szene ausgehenden Strahlung wird durch die Abtastvorrichtung hindurch auf einen oder mehrere Strahlungsdetektoren gerichtet. Während jeder Abtastung wird die Szene fortschreitend längs einer horizontalen Linie erfaßt und das Ausgangssignal des Strahlungsdetektors ist folglich ein Video-Signal, das für die Darstellung auf einem Bildschirm geeignet ist. Bei jedem Wechsel einer Facette im Strahlengang wird die Abtastung wiederholt. Dies ergibt eine horizontale Abtastung (Abtastung in einer ersten Dimension). Wie bekannt, kann eine gleichzeitige vertikale Abtastung (Abtastung in der zweiten Dimension) durch einen schwingenden Spiegel oder ein andersartiges Abtastelement erreicht werden, das sich langsamer als der polygonale Abtastrotor dreht und an einer etwa stationären Pupille angeordnet ist.

Diese Abtastvorrichtung ist jedoch nicht nur für das Detektieren von Strahlung sondern auch für die Bilderzeugung geeignet. Im Falle der Bilderzeugung tritt eine rasch veränderbare, modulierte Lichtquelle wie etwa eine lichtemittierende Diode (LED) oder ein Laser an die Stelle des Strahlungsdetektors in einer Vorrichtung für das Detektieren von Strahlung und der Strahlengang durch die Abtastvorrichtung verläuft umgekehrt in bezug auf den Strahlengang einer Vorrichtung zum Detektieren von Strahlung.

In optischen Abtastvorrichtungen mit einem Abtastelement in Form eines vielflächigen reflektierenden Abtastrotors führt das Überwechseln von einer Facette zur nächsten dazu, daß Strahlen aus zwei Richtungen gleichzeitig auf den Detektor auftreffen oder daß im Falle der Bilderzeugung zwei Strahlen auf unterschiedliche Teile des Bildes gleichzeitig auffallen. Daher ist die Anzahl der Facetten auf dem Umfang des Abtastrotors bisher beschränkt, um einen akzeptablen Wirkungsgrad der Abtastung zu erzeugen, also ein annehmbares Verhältnis der Länge des eine nutzbare Darstellung des Objektes liefernden Teiles der Abtastung zu der Gesamtlänge der Abtastung zu erzeugen.

Eine vorgegebene horizontale Abtastfrequenz ist häufig wünschenswert, um die Abtastung fernsehkompatibel zu machen. Je größer die Anzahl der Facetten um den Umfang des Abtastrotors gemacht werden kann, desto niedriger kann die Drehzahl des Abtastrotors gewählt werden. Eine niedrige Drehzahl ist gleichbedeutend mit einem verringerten Leistungsverbrauch und einer erhöhten Lebensdauer. Es wurden daher auch schon Anstrengungen unternommen, den Abtastwirkungsgrad und gleichzeitig die Anzahl der Facetten zu erhöhen.

Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung ist aus der US-PS 40 30 806 bekannt. Bei dieser Vorrichtung verläuft die Strahlung eines Lasers durch eine erste Sammellinse hindurch und wird auf den vielflächigen Rotor fokussiert. Da die Flächen oder Facetten plan sind, ist eine exakte Fokussierung auf die Facetten für jede Facette nur in zwei Winkelstellungen des Rotors erreichbar, die vorzugsweise so gewählt sind, daß die exakte Fokussierung auftritt, wenn der Strahl an einer Facette nahe den Übergängen zwischen zwei Facetten reflektiert wird. Eine zweite Sammellinse ist im Strahlengang nach der reflektierenden Fläche der Facette angeordnet, um den Strahl zu kollimieren, also parallel zu machen. Planspiegel außerhalb des Rotors lenken den Strahl dann ein zweites Mal in der Weise auf den Rotor, daß der Strahl sich synchron mit dem Rotor bewegt. Obwohl der auf den Rotor gerichtete Strahl nur in zwei Winkelstellungen des Rotors exakt auf die Facette fokussiert ist, liegt der Brennpunkt oder Fokus des Strahls während der Abtastung sehr nahe an der Facette, so daß jede kleine Unebenheit oder jeder Kratzer in der Facette den Strahlengang des reflektierten Strahles erheblich beeinflußt. Darüber hinaus nimmt der reflektierte Strahl zwischen den beiden Sammellinsen unterschiedliche Wege, so daß die Kollimation des reflektierenden Strahles für jede Facette nur in zwei Winkelstellungen des Rotors exakt ist. Ein bekannter Vorschlag zur Beseitigung dieses Problems geht dahin, außerhalb des Rotors sphärische oder zylindrische Reflektoren anzuordnen, die den Strahl ein zweites Mal auf den Rotor lenken.

Eine derartige Vorrichtung, die der Abtastvorrichtung der eingangs genannten Gattung entspricht, ist aus der DE-OS 30 22 365 bekannt. Diese Vorrichtung umfaßt einen Rotor mit zwei axial aneinander anschließenden Sätzen von Facetten um den Rotor herum, von denen ein Satz konvex gebogene Facetten hat. Da der Strahl auf die gebogenen Facettenoberflächen des Rotors fokussiert ist, beeinflussen Kratzer und Unregelmäßigkeiten den Strahlengang erheblich. Darüber hinaus ist die Herstellung eines Rotors mit solchen Facetten schwierig und folglich teuer. Die meisten Probleme bei der Herstellung eines Rotors mit konvex gebogenen reflektierenden Facetten bereitet die Prüfmessung, der jeder hergestellte Rotor unterzogen werden muß. Diese Prüfmessung ist ohne Spezialgeräte praktisch undurchführbar, da die Übergänge zwischen den Facetten nicht genauso klar festgelegt sind wie im Fall von planen Facetten. Hierbei ist zu unterstreichen, daß selbst eine kleine Änderung der hinteren Brennweite der Facetten das Abtastergebnis beeinflußt und daß der Rotor daher mit sehr engen Toleranzen hergestellt werden muß.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, eine Abtastvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die bei hohem Abtastwirkungsgrad und hoher Abtastauflösung einen Rotor besitzt, der leicht herstellbar und nach der Herstellung leicht überprüfbar ist, und der bei vergrößerten Herstellungstoleranzen unempfindlicher gegenüber Kratzern und Unregelmäßigkeiten in den Facetten ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung der optischen Anordnung ist es also möglich, die Facetten der zweiten reflektierenden Fläche des Abtastrotors als plane reflektierende Flächen auszubilden. Dabei ist hervorzuheben, daß nur die Facetten der zweiten reflektierenden Fläche zur Lösung der Aufgabe plan sein müssen, da nur an dieser Stelle des Strahlengangs die erforderliche Präzision der reflektierenden Fläche erforderlich ist, die im Sinne der Aufgabe der Erfindung dadurch kostengünstig ermöglicht wird, daß diese Facetten als plane Flächen ausgebildet werden. Die Toleranzen der Facetten des Abtastrotors im Bereich der ersten reflektierenden Fläche, also objektseitig, sind keinesfalls genauso kritisch, da in diesem Bereich die Strahlung die ganze Facette ausfüllt.

Es ist also durchaus möglich, im Rahmen der Erfindung einen geteilten Rotor vorzusehen, von denen nur der eine Teil mit den optisch kritischen planen Facetten versehen ist, während die Facetten des anderen Teils sehr wohl auch gekrümmt ausgebildet werden können, da an dieser Stelle des Strahlengangs keine hohen Präzisionsanforderungen gestellt werden.

Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, daß ein Bündelungselement im Strahlengang zwischen dem ersten gekrümmten Spiegel der zweiten reflektierenden Fläche angeordnet ist, und daß ein reelles Bild des Detektors oder der eine Strahlung aussendenden Vorrichtung an einem Ort gebildet wird, der zwischen dem ersten gekrümmten Spiegel und einem Punkt im Strahlengang liegt, an dem das Bündelungselement als Feldelement für den tatsächlichen Ort dieses reellen Bildes wirkt. Diese Aussage, nämlich daß das Bündelungselement als Feldelement für diesen Ort des reellen Bildes wirkt, bedeutet eine Lageangabe für dieses optische Bündelungselement.

Das reelle Bild kann dabei irgendwo zwischen dem ersten gekrümmten Spiegel und einem Ort zwischen der zweiten reflektierenden Fläche und der Nähe des Bündelungselements erzeugt werden. Das Bündelungselement kann daher als Feldelement dienen, es muß jedoch nicht notwendigerweise ein Feldelement sein.

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist eine Vorrichtung nach der Erfindung in beispielsweise gewählten Ausführungsformen schematisch vereinfacht dargestellt; es zeigt

Fig. 1 eine Aufsicht auf eine erste Ausführungsform der Abtastvorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 4 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht einer dritten Ausführungsform;

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines Teiles der Vorrichtung nach Fig. 4 mit Veranschaulichung der Reflexionen an den Rotorfacetten, die an der dem Detektor zunächst liegenden Reflexionsfläche entstehen;

Fig. 6 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht einer vierten Ausführungsform;

Fig. 7 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht einer fünften Ausführungsform;

Fig. 8 eine Aufsicht auf eine sechste Ausführungsform;

Fig. 9 eine Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig. 8;

Fig. 10 eine Seitenansicht einer Abwandlung der in den Fig. 8 und 9 dargestellten Ausführungsform mit einem Detektor-Array, also mit einer mehrere Detektoren umfassenden Detektor-Anordnung;

Fig. 11 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht einer siebenten Ausführungsform;

Fig. 12 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform mit einem zusätzlichen sichtbaren Strahlengang zur Bilderzeugung synchron mit der Abtastung des Objekts.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform hat ein durch einen nicht dargestellten Motor angetriebener, um eine Achse C drehbarer Rotor 1 plane reflektierende Facetten 2, die aneinandergrenzend um seinen Umfang herum angeordnet sind. In Fig. 1 sind lediglich sechs Facetten 2 dargestellt, um die Figur übersichtlich zu halten; in der Praxis ist die Anzahl der Facetten wesentlich größer. In Fig. 2, die den Rotor in einer anderen Drehstellung veranschaulicht, sind die Facetten parallel zu der Achse C des Rotors dargestellt, bilden also die Umfangsfläche eines regelmäßigen polygonalen Zylinders. Die Facetten können jedoch auch einen Winkel mit der Achse C des Rotors einschließen.

Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich, ist eine Sammellinse 3 vor dem unteren Teil des Rotors 1 nahe den Facetten 2 angeordnet. Eine optische Übertragungsvorrichtung, die in dieser Ausführungsform zwei Sammellinsen 4 und 5 umfaßt, entwirft ein Bild P 1 eines Strahlungsdetektors D. Die Strahlen werden zwischen den Linsen 4 und 5 kollimiert (also parallel gerichtet), zwischen denen ein optisches Filter 6, das den Wellenlängenbereich der auf den Detektor auffallenden Strahlung begrenzt, und eine Aperturblende 7, die die Apertur der gesamten Vorrichtung festlegt, angeordnet sind. Wie üblich, befindet sich an dem Detektor D eine gekühlte Platte 8.

Die Linse 3 ist eine Feldlinse und das stationäre Bild P 1 ist ein virtuelles Spiegelbild des reellen Bildes P 2, das innerhalb oder nahe der Linse 3 liegt und zufolge der Reflexion des Strahles an einer der Facetten 2 bei A sich während der Drehung des Rotors längs einer gebogenen Linie bewegt, die innerhalb der Linse oder nahe bei dieser verläuft. Es ist festzuhalten, daß es die Aperturblende 7 in der optischen Übertragungsvorrichtung 4 und 5 ist, die das von einem Objekt oder einer Szene auf den Detektor D auffallende Strahlenbündel begrenzt. Daher ist die Arbeitsweise der Vorrichtung am besten zu verstehen, wenn man dem Strahlengang von dem Detektor D zu der Szene oder dem Objekt folgt, obwohl die Strahlung umgekehrt gerichtet ist.

Da die Linse 3 eine Feldlinse ist, beugt sie den Strahlenkegel, ohne dessen Spitzenwinkel zu ändern. Ein im wesentlichen sphärischer Spiegel 9 ist außerhalb des Rotors 1 angeordnet, um die Strahlung zurück auf den Rotor 1 zu reflektieren. Die Linse 3 beugt den Strahlengang so, daß der Strahlenkegel oder das Strahlenbündel, das von dem Spiegel 9 zurück auf den Rotor geworfen wird, jeder Facette über ein solches Winkelmaß folgt, daß das gesamte Strahlenbündel während des nutzbaren Teils der Abtastung vom dem oberen Teil derselben Facette 2 ein zweites Mal reflektiert wird.

Hinter den Facetten 2 erzeugt der Spiegel 9 ein virtuelles Bild P 3 des Bildes P 2. Da während einer Abtastung das Bild P 2 längs einer gebogenen Linie in oder nahe der Linse 3 wandert, wandert auch das Bild P 3 längs einer gebogenen Linie im Raum. Der Radius und der Krümmungsmittelpunkt des Spiegels 9 sind in Beziehung auf den Rotor so gewählt, daß die Reflexion bei B auf dem oberen Teil der Facette 2 während der gesamten Abtastung in Umfangsrichtung in diesem Teil der Facette zentriert ist. Wegen der Reflexion in B ist das Bild P 3 ein virtuelles Spiegelbild eines reellen Bildes P 4, das in dem Raum außerhalb des Rotors liegt. Wenn der Rotor sich dreht, bewegt sich das Bild P 4 längs einer gebogenen Linie 10, die annähernd ein zu dem Rotor konkaves Kreisbogenstück ist. Ein im wesentlichen sphärischer Spiegel 11 ist so angeordnet, daß die Linie 10 so nahe als möglich in seiner Brennfläche liegt und dient als Objektiv der Abtastvorrichtung.

Ein oszillierender Spiegel 12 ist an der stationären Pupille angeordnet, die von der horizontalen Abtastvorrichtung erzeugt wird. Der Spiegel 12 nimmt die Vertikalabtastung vor.

Ein Bezugstemperaturgeber T kann an dem einen Ende der gebogenen Linie 10 angeordnet sein, so daß der Strahl beispielsweise bei Beginn der Abtastung auf diesen Bezugstemperaturgeber auffällt. Ein zweiter Bezugstemperaturgeber (nicht dargestellt) kann am anderen Ende der gebogenen Linie angeordnet sein. Wenn zwei Bezugstemperaturgeber verwendet werden, können sie unterschiedliche Temperaturen haben und zusammenwirken, um sowohl einen Bezugstemperaturpegel als auch eine Bezugsempfindlichkeit zu liefern. Vorzugsweise sind die Bezugstemperaturgeber an den Enden des genau definierten Bereiches der Linie 10 angeordnet, wo die Strahlen nicht aus zwei unterschiedlichen Richtungen kommen.

In den Fig. 1 und 2 ist die Strahlung zwischen dem abgetasteten Objekt und dem Spiegel 11 als kollimiert, also als parallelverlaufend dargestellt. Dies ist der Fall, wenn das Objekt weit entfernt ist. Wenn das Objekt nahe der Abtastvorrichtung liegt, wird eine Entfernungseinstellung durch Bewegen des Spiegels 11 in der in Fig. 2 durch den Pfeil E angegebenen Richtung durchgeführt. Zur Verminderung des Astigmatismus, der darauf zurückzuführen ist, daß die Strahlung auf die Spiegel in einem Winkel zu ihren optischen Achsen auffällt, vgl. beispielsweise Fig. 2, können einer der Spiegel oder beide Spiegel Toroid- oder Ellipsoidspiegel sein.

Die Linse 3 dient im wesentlichen zwei Zwecken. Zunächst stellt die Linse 3 zufolge ihrer Brennweite im Verhältnis zur Brennweite und dem Ort des Spiegels 9 sicher, daß der bei B auf den Rotor reflektierte Strahl der Breite der Facette 2 folgt und daß keine von irgendeiner anderen als der gerade die Abtastung durchführenden Facette kommende Strahlung in den Strahlengang zu dem Detektor gelangt. Zum zweiten trägt die Linse 3 zur Feldkrümmung in solchem Maße bei, daß das Bild P 4 sich längs einer gebogenen Linie bewegt, die zum Rotor hin konkav ist, nämlich der zuvor erwähnten Linie 10, so daß ein im wesentlichen sphärischer Spiegel 11 als Objektiv verwendet werden kann. Die Linse 3 kann entweder sphärisch (kugelig) oder zylindrisch sein.

Da das Bild P 2 in oder sehr nahe der Feldlinse 3 liegt, hat der Strahl eine gewisse Breite, wenn er bei A an der Facette 2 reflektiert wird, was zu einem geringen Verlust an Abtastwirkungsgrad führt. Dieser Verlust ist jedoch in der Praxis sehr klein und selbst bei sehr vielen Facetten (in der Größenordnung von 20) auf dem Rotor kann ein Abtastwirkungsgrad von 80 bis 90% leicht erzielt werden.

Wenn die Vergrößerung des Bildes P 2 in das Bild P 3 niedrig gehalten wird und vorzugsweise nicht wesentlich größer als 1 ist, wie dies bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Fall ist, wird die Gewinnung der gewünschten Krümmung der Linie 10 erleichtert.

Fig. 3 zeigt eine Abtastvorrichtung, bei der der Strahlengang zwischen der Linse 3 ^I und dem Spiegel 9 ^I durch Einfügen von zwei Planspiegeln 13 und 14 zwischen dem Bild P 2 ^I und dem Spiegel 9 ^I durch Faltung verlängert worden ist. Es ist nicht notwendig, mit einem einzigen vielflächigen Rotor zu arbeiten, bei dem der Strahl zweimal auf derselben Facette reflektiert wird. Wie in Fig. 3 gezeigt, können zwei vielflächige Rotoren 15 und 16 benutzt werden. Die zwei Rotoren sind auf verschiedenen Seiten eines Antriebsmotors 17 angeordnet. In der Figur sind die Rotoren mit gleichen Durchmessern dargestellt, jedoch ist dies nicht notwendig. Darüber hinaus müssen die Rotoren auch nicht die gleiche Drehzahl oder Drehrichtung haben, da diese Parameter gleich oder verschieden sein können, und zwar abhängig von den Abmessungen und den Anbringungsorten der Linse 3 ^I und des Spiegels 9 ^I im Verhältnis zu den zwei Rotoren.

In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform führt ein schwingender Spiegel 12 ^I die vertikale Abtastung durch. Die vertikale Abtastung kann jedoch auch in der Weise durchgeführt werden, daß die Facetten auf dem Rotor 16 um einen Winkel gegen die Rotorachse geneigt oder schräg angebracht werden, der sich von einer Facette zur nächsten ändert. Dies gilt auch für die in den anderen Figuren dargestellten Ausführungsformen.

Eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Der Detektor D ^III mit der zugehörigen optischen Übertragungsvorrichtung 4 ^III, 5 ^III ist so angeordnet, daß die optische Achse im wesentlichen parallel zur Achse des Rotors 1 ^III ist. Ein Planspiegel 21 lenkt den Strahlengang auf eine Facette 2 ^III des Rotors ab, so daß ein stationäres Bild P 1 ^III des Detektors D ^III hinter der Facette erzeugt wird. Vor dem Rotor 1 ^III ist eine Linse 22 angeordnet. Auf der von dem Rotor abgewandten Seite hat die Linse 22 eine reflektierende Beschichtung. Das stationäre Bild P 1 ^III ist ein virtuelles Spiegelbild eines reellen Bildes P 2 ^III, das in der Linse 22 oder nahe der reflektierenden Beschichtung liegt und sich in der Linse 22 im Verlauf der Drehung des Rotors als Folge der Reflexion des Strahles an der Facette in F bewegt. Der Strahl wird durch die reflektierende Beschichtung zurück zu der Facette 2 ^III reflektiert und wird auf der Facette bei G erneut reflektiert. Ein weiteres Bild wird hinter der Facette 2 ^III an etwa der gleichen Stelle wie das Bild P 1 ^III erzeugt.

Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht, gesehen von der Linie I-I in Fig. 4, wobei sich der Rotor in einer anderen Winkelposition befindet als in Fig. 4 dargestellt, und die Strahlreflexionen an der Facette bei F und G sowie an der reflektierenden Beschichtung der Linse 22 veranschaulicht werden. Zur leichteren Erkennbarkeit des Strahlengangs sind die Randstrahlen mit a und b bezeichnet.

Die Linse 22 ist so bemessen, daß in der Ansicht gemäß Fig. 5 der Randstrahl b des von dem Spiegel 9 ^III kommenden Strahlenbündels sich so nah wie möglich an dem Hauptstrahl P des Strahlenbündels zu dem Detektor D ^III an den Enden der Abtastung, also kurz vor dem Überwechseln von einer Facette zur nächsten, befindet.

Die übrigen Bauteile 9 ^III, 11 ^III, 12 ^III der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung haben zu den in den Fig. 1 und 2 wiedergegebenen Bauteilen 9, 11, 12 analoge Funktionen und Abmessungen. Der Vorteil der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform gegenüber derjenigen nach den Fig. 1 und 2 besteht darin, daß die von dem Bild P 4 ^III beschriebene gebogene Linie in der Vorrichtung nach Fig. 4 länger ist. Daher tastet diese Vorrichtung über einen größeren Winkel ab. Die Linse 22 arbeitet als sehr starke Feldlinse.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Kollimatoroptik der Vorrichtung ein Linsensystem 25 ist. In dieser Ausführungsform ist das Feldelement ein annähernd sphärischer Spiegel 23. Ein Planspiegel 24 faltet den Strahlengang und lenkt ihn auf den annähernd sphärischen Spiegel 9 ^IV. Wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1 befindet sich ein stationäres virtuelles Bild P 1 ^IV hinter den Facetten. Ein reelles Bild P 2 ^IV, das ein Spiegelbild des Bildes P 1 ^IV ist, bewegt sich längs einer gebogenen Linie nahe dem Spiegel 23. In dieser Ausführungsform ist es praktisch unmöglich, zu vermeiden, daß die von dem Bild P 4 ^IV beschriebene gebogene Linie konvex zu dem Rotor 1 ^IV ist. Daher wird ein Linsensystem 25 als Objektiv der Abtastvorrichtung verwendet. Ein oszillierender Spiegel 26 ist dort angeordnet, wo der Strahlengang zwischen dem abgetasteten Objekt und dem Objektiv während der Abtastung im Wesentlichen stationär ist. Anstelle eines schwingenden Spiegels kann ein vielflächiger oder facettierter Rotor zur Durchführung der vertikalen Abtastung verwendet werden.

Grundsätzlich wird bei Abtastvorrichtungen angestrebt, mit so wenig brechenden Elementen als möglich auszukommen, vor allem bei Abtastvorrichtungen, die im Infrarotbereich liegende Strahlung abtasten sollen. Dieses Bestreben resultiert teils daraus, daß das für die Bauelemente benutzte Material sehr teuer ist und teils daraus, daß diese Elemente eine anti- reflektierende Beschichtung benötigen. Die in Fig. 6 gezeigte Ausführungsform hat den Nachteil, daß die von dem Bild P ^IV beschriebene gebogene Linie konvex zu dem Rotor ist, so daß ein ein Linsensystem umfassendes Objektiv benutzt werden muß.

Die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform ist von diesem Nachteil frei. Der Rotor 1 ^V hat eine geradzahlige Anzahl von Facetten, das Feldelement ist ein sphärischer Spiegel 30, und die beiden Reflexionen A ^V und B ^V treten an zwei verschiedenen Facetten 27 und 28 auf, die sich auf diametral gegenüberliegenden Seiten des Rotors befinden.

Somit ist der Detektor D ^V mit seiner optischen Übertragungsvorrichtung 29 auf der in bezug auf die sphärischen Spiegel 9 ^V und 11 ^V gegenüberliegenden Seite des Rotors angeordnet. Ein Bild P 1 ^V des Detektors wird hinter der Facette 27 erzeugt. Dieses Bild P 1 ^V ist ein virtuelles Spiegelbild eines reellen Bildes P 2 ^V, das sich längs einer gebogenen Linie bewegt. Ein nahe dieser Linie angeordneter Feldspiegel 30 lenkt die Strahlungskegel ab, ohne seinen Spitzenwinkel wesentlich zu ändern.

Der Spiegel 9 ^V erzeugt ein Bild P 3 ^V des Bildes P 2 ^V hinter der Facette 28. Zufolge der Reflexion an der Facette 28 ist das Bild P 3 ^V ein virtuelles Spiegelbild eines Bildes P 4 ^V, das sich längs einer im wesentlichen kreisbogenförmigen Linie bewegt, wenn sich der Rotor 1 ^V dreht. Der Kreisbogen ist konkav zu dem Rotor, daher kann ein im wesentlichen sphärischer Spiegel 11 ^V als Objektiv benutzt werden.

In den Fig. 8 und 9 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt die lediglich reflektierende optische Elemente in der Abtastvorrichtung enthält. Wie in der Ausführungsform nach Fig. 7 entstehen die Reflexionen in A ^VI und B ^VI an dem Rotor 1 ^VI auf zwei einander diametral gegenüberliegenden Facetten 31 und 32. Ein annähernd sphärischer Spiegel 33 befindet sich auf der gleichen Seite des Rotors wie die Facette 31 und nahezu an der gleichen Stelle wie der Spiegel 30 in der Vorrichtung nach Fig. 7. Anders als der Spiegel 30 ist jedoch der Spiegel 33 kein Feldspiegel. Stattdessen wird bei dieser Ausführungsform ein stationäres Bild P 6 des Detektors D ^VI vor der Facette 31 erzeugt. Gewünschtenfalls kann eine Aperturblende 34 an der Stelle dieses Bildes P 6 angeordnet werden, um Streustrahlung zu vermindern, was diese Ausführungsform zu der bevorzugten Ausführungsform macht. Die dem Detektor D ^VI zugeordnete optische Übertragungsvorrichtung kann aus zwei sphärischen Spiegeln 50 und 51 bestehen, die wie die Spiegel in einem sogenannten umgekehrten Cassegrain- System angeordnet sind. Auf diese Weise brauchen keine brechenden Elemente im Strahlengang zu dem Detektor D ^VI in der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform angeordnet zu werden.

Ein Spiegelbild P 7 des stationären Bildes P 6 wird hinter der Facette 31 erzeugt und bewegt sich, wenn sich der Rotor 1 ^VI dreht. Der Spiegel 33 erzeugt ein Bild P 8 des Bildes P 7 in einer gewissen Entfernung von der planen Stirnfläche des Rotors 1 ^VI, wie aus Fig. 9 ersichtlich. Ein Bild P 3 ^VI des Bildes P 8 wird durch den im wesentlichen sphärischen Spiegel 9 ^VI hinter der Facette 32 erzeugt. Dieses Bild P ^VI ist ein Spiegelbild eines Bildes P 4 ^VI, das sich während der Drehung des Rotors längs einer gebogenen, zu dem Rotor konkaven Linie 10 ^VI bewegt. Bezugstemperaturgeber T ^VI sind an den Enden der gebogenen Linie angeordnet. Ein im wesentlichen sphärischer Spiegel 11 ^VI, an dessen Brennebene die gebogene Linie so nahe als möglich liegt, dient als Objektiv der Abtastvorrichtung. Die vertikale Abtastung erfolgt durch einen oszillierenden Spiegel 12 ^VI oder ein andersartiges Abtastelement.

Der Detektor D ^VI in Fig. 9 ist als Einzeldetektor dargestellt. Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der anstelle eines einzigen Detektors ein Detektor-Array D ^VII benutzt wird, das mehrere Detektorelemente umfaßt. Das Detektor-Array D ^VII ist so angeordnet, daß die Szene durch die Detektorelemente des Arrays seriell abgetastet wird und die Ausgangssignale der Detektorelemente einzeln in solchem Maße verzögert werden, daß in jedem Augenblick die Summe der verzögerten Signale aller Elemente die von einem einzelnen Punkt des abgetasteten Objekts ausgehende, detektierte Strahlung darstellt. Anstelle eines Detektor-Arrays der zuvor genannten Art, also aus Einzeldetektoren, kann ein kontinuierlicher Detektorstreifen, ein sogenannter Sprite-Detektor, verwendet werden Wenn ein Detektor-Array oder ein Sprite-Detektor verwendet wird, muß die Feldblende 34 in Fig. 9 länglich gestaltet sein und ein das Strahlenbündel ablenkendes Feldelement wie etwa eine Feldlinse 45 oder ein sphärischer Feldspiegel sollte möglichst nahe angeordnet werden. Die Brennweite der Feldlinse 45 (oder des Feldspiegels) ist so gewählt, daß ein Bild der Apertur (die Pupille) auf oder nahe dem Rotor 1 ^VII an der Facettenreflexionsfläche B ^VII erzeugt wird. Dann können die Facettenabmessungen sehr klein gemacht werden. Ein anderes Bild der Apertur wird auf oder nahe dem Rotor 1 ^VII in der Facettenreflexionsfläche A ^VII erzeugt. Auf diese Weise wird ein hoher Abtastwirkungsgrad selbst mit Detektor-Arrays, die zahlreiche Detektorelemente umfassen, erreicht. Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform der Abtastvorrichtung. Bei dieser Ausführungsform hat der vielflächige Rotor 35 einen ringförmigen Aufbau mit einer dünnen Wand und planen reflektierenden Facetten sowohl auf seiner Außenseite als auch auf seiner Innenseite. Wie in Fig. 10 dargestellt, sind die Facetten gegen die Achse des Rotors geneigt. Die Facetten können aber auch parallel zu der Achse liegen. Der Rotor ist mittels eines nicht dargestellten Motors um seine Achse C drehbar.

Ein stationäres reelles Bild P 9 des Strahlungsdetektors D ^VIII wird durch eine optische Übertragungsvorrichtung 36 von vorzugsweise derselben Art wie in Fig. 8 dargestellt über einen stationären, geneigten Planspiegel 37 erzeugt, der sich innerhalb des Rotors befindet. Eine Feldblende 52 ist in P 9 angeordnet. Ein Spiegelbild P 10 des Bildes P 9 befindet sich hinter den Facetten innerhalb des Rotors 35 und bewegt sich bei sich drehendem Rotor.

Ein im wesentlichen sphärischer Spiegel 38 ist axial außerhalb des Rotors nahe dessen Achse angeordnet. Ein Bild P 11 des Bildes P 10 wird durch den Spiegel 38 erzeugt, wobei der Lichtstrahl zwischen dem Spiegel 38 und dem Bild P 9 an A ^VIII auf der inneren Facette des Rotors reflektiert wird. Ein Bild P 3 ^VIII wird hinter einer äußeren Facette des Rotors 35 durch einen im wesentlichen sphärischen Spiegel 9 ^VIII erzeugt. Zufolge der Reflexion an einer äußeren Facette in B ^VIII ist das Bild P 3 ^VIII ein Spiegelbild eines Bildes P 4 ^VIII, das sich längs einer gebogenen, zu dem Rotor 35 konkaven Linie bewegt, wenn sich der Rotor dreht. Ein im wesentlichen sphärischer Spiegel 11 ^VIII, auf dessen Brennfläche die gebogene Linie liegt, dient als Objektiv der Abtastvorrichtung. Ein schwingender Spiegel 12 ^VIII besorgt die vertikale Abtastung.

Alle vorgenannten Ausführungsformen stellen Abtastvorrichtungen dar, die für die Abtastung einer von einer Szene oder einem Objekt ausgehenden Strahlung ausgebildet sind. Die Strahlung wird auf einen Detektor übertragen. Es ist festzuhalten, daß alle diese Ausführungsformen so abgewandelt werden können, daß sie Bilderzeugungsvorrichtungen darstellen. Eine sich rasch ändernde, modulierte Lichtquelle wie eine lichtemittierende Diode oder ein Laser können dann an die Stelle des Detektors treten. Der Lichtstrahl der Lichtquelle verläuft dann durch die Vorrichtung in zu der in den Figuren dargestellten Richtung umgekehrter Richtung und trifft auf das Auge des Beobachters oder auf einen Bildschirm auf.

Ebenso ist es möglich, den gleichen Rotor sowohl zum Abtasten der von einem Objekt ausgehenden Strahlung und zur Erzeugung eines Bildes des Objektes zu benutzen. Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform, nach der die Abtastvorrichtung mit den Elementen D, 5, 4, 3, 1, 9, 11, 12 durch eine Bilderzeugungsvorrichtung ergänzt ist, die eine lichtemittierende Diode L, eine optische Übertragungsvorrichtung 39, den Rotor 1, eine Linse 40, zwei annähernd sphärische Spiegel 41 und 42 und einen oszillierenden Spiegel 43 umfaßt. Das Auge des Beobachters blickt in den Spiegel 43 oder durch eine Optik, die eine Linse relativ nahe an dem Spiegel hat. In diesem Fall kann es notwendig sein, das von dem Spiegel 42 kommende Strahlenbündel zu fokussieren. Die Fokussierung kann durch Bewegung des Spiegels 42 in Richtung der optischen Achsen zwischen den Spiegeln 42 und 43 erreicht werden.

Das während der Abtastung von dem Strahlungsdetektor D erhaltene Video-Signal wird über eine Verstärker- und Signal­ korrekturschaltung 44 dem Steuereingang der lichtemittierenden Diode zugeführt. Das modulierte Licht der lichtemittierenden Diode wird über die Bilderzeugungsvorrichtung 39 bis 43 direkt dem Auge des Beobachters übertragen. Der Beobachter sieht ein Bild der von dem abgetasteten Objekt ausgehenden Infrarotstrahlung.

In der Ausführungsform nach Fig. 12 ist nur der vielflächige Rotor der Vorrichtung zur Abtastung des Objekts und der Vorrichtung zur Erzeugung des Bildes gemeinsam. Es liegt auf der Hand, daß beide Vorrichtungen auch die Linse 3 und die Spiegel 9, 11 und 12 gemeinsam haben können. Ein erster Strahlungsteiler (nicht dargestellt) ist dann zwischen der Linse 4 und dem Rotor 1 angeordnet, um dem Detektor D Infrarotstrahlung zuzuführen und um Strahlung der Lichtquelle in die Vorrichtung einzuleiten. Ein zweiter Strahlungsteiler (nicht dargestellt) ist außerhalb des Spiegels 12 angeordnet, um Infrarotstrahlung von dem Objekt in die Vorrichtung gelangen lassen zu können und um die Strahlung der Lichtquelle L zu dem Auge gelangen lassen zu können.

Die Strahlung einer lichtemittierenden Diode ist nicht hell genug, um ein scharfes Bild auf einem Bildschirm zu erzeugen. Wenn ein scharfes Bild benötigt wird, muß eine stärkere Lichtquelle wie etwa ein Laser und ein Lichtmodulator benutzt werden.

Im Rahmen der Erfindung sind viele Abwandlungen möglich. Jede der in den Figuren veranschaulichten Ausführungsformen zeigt mehrere unterschiedliche Merkmale der Erfindung. Diese Merkmale sind nicht notwendigerweise auf die Ausführungsformen beschränkt, in deren Zusammenhang sie wiedergegeben sind, sondern können in den meisten Fällen auch bei den anderen Ausführungsformen verwirklicht werden.

Bei einer Abtastvorrichtung mit den Facettenfolgemerkmalen nach der Erfindung ist es möglich, die Auflösung der Vorrichtung dadurch zu verbessern, daß gebogene oder gewölbte Facetten auf derjenigen Fläche des Rotors angeordnet werden, wo die Reflexion der Kollimatoroptik am nächsten liegt, also beispielsweise jede Facette an dieser Reflexionsfläche (B) als einen im wesentlichen sphärischen konkaven Spiegel auszubilden. Solche Facetten würden dazu führen, daß das Bild P 4 des Detektors kleiner würde und näher an den Rotor 1 heranrücken würde. Das Bild näher an den Rotor heranzurücken wäre gleichbedeutend mit einer Verkürzung der Länge der gebogenen Linie, längs derer sich das Bild P 4 bewegt, aber die Verminderung der Größe des Detektorbildes würde die Verminderung der Länge der gebogenen Linie überwiegen. Im Ergebnis würde folglich die Anzahl von auf der Linie abgebildeten Detektorelementen erhöht werden, wenn die Facetten im Bereich der Reflexionsfläche B gebogen oder gewölbt wären. Statt durch gebogene Facetten kann das gleiche Ergebnis durch Sammellinsen erzielt werden, die vor jeder Facette angeordnet sind und sich mit dem Rotor drehen.

Claims (15)

1. Abtastvorrichtung zur optischen Abtastung einer Szene in wenigstens einer Dimension, mit einem vielflächigen, reflektierenden Abtastrotor (1; 15, 16; 35), einer optischen Bündelungsvorrichtung (11) im Strahlengang zwischen der Szene und dem Abtastrotor zur Erzeugung eines primären Bildes der Szene zwischen der Bündelungsvorrichtung (11) und dem Abtastrotor, mit einem ersten, im wesentlichen sphärischen oder kugelkalottenförmigen Spiegel (9) im Strahlengang zwischen einer ersten reflektierenden Fläche (B) und einer zweiten reflektierenden Fläche (A) des Abtastrotors, wobei beide Flächen (A, B) im nicht-parallelen Strahlengang liegen, ferner mit einer Strahlung detektierenden oder aussendenden Vorrichtung (D; L) und mit Vorrichtungen (4, 5; 50, 51, 33; 46, 33; 36, 38) zur Erzeugung eines reellen Bildes der die Strahlung detektierenden oder aussendenden Vorrichtung (D; L), dadurch gekennzeichnet, daß ein Bündelungselement (3; 3 ^I ; 22; 23; 30; 33; 34; 38; 52) wie etwa eine Sammellinse oder ein im wesentlichen sphärischer oder kugelkalottenförmiger Spiegel im Strahlengang zwischen dem ersten im wesentlichen sphärischen oder kugelkalottenförmigen Spiegel (9) und der zweiten reflektierenden Fläche (A) angeordnet ist, daß die Vorrichtungen (4, 5; 50, 51, 33; 46, 33; 36, 38) zur Erzeugung eines reellen Bildes der die Strahlung detektierenden oder aussendenden Vorrichtung (D; L) dieses reelle Bild im Strahlengang an einem Ort zwischen dem ersten im wesentlichen sphärischen oder kugelkalottenförmigen Spiegel (9) und einer Stelle erzeugen, die so nahe bei dem Bündelungselement liegt, daß dieses Bündelungselement als Feldelement für diesen Ort des reellen Bildes wirkt, und daß die Facetten der zweiten reflektierenden Fläche (A) des Abtastrotors (1; 15, 16; 35) als plane reflektierende Flächen ausgebildet sind.

2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Bündelungselement eine Feldlinse ist, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Abtastrotor abgewandte Seite der Feldlinse (22) eine reflektierende Beschichtung hat, und daß im Strahlengang eine dritte reflektierende Fläche (G) auf dem Abtastrotor zwischen der Feldlinse (22) und dem ersten Spiegel (9 ^III) liegt (Fig. 5).

3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Bündelungselement ein Feldspiegel (30) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste reflektierende Fläche (B ^V) und die zweite reflektierende Fläche (A ^V) sich auf zwei einander diametral gegenüberliegende Facetten (27, 28) des Abtastrotors (1 ^V) befinden (Fig. 7).

4. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bündelungselement (33; 38) so angeordnet ist, daß es das reelle Bild (P 8; P 11) eines stationären Bildes (P 6; P 12; P 9) erzeugt, wobei das stationäre Bild und das Bündelungselement im Strahlengang auf gegenüberliegenden Seiten der zweiten reflektierenden Fläche (A ^VI; A ^VII; A ^VIII) des Abtastrotors liegen (Fig. 8, 9, 10, 11).

5. Abtastvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Strahlung detektierende oder aussendende Vorrichtung eine längliche Anordnung (D ^VII) aus einer Anzahl von Detektorelementen umfaßt, auf die der Abtaststrahl nacheinander auffällt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feldblende länglicher Form am Ort des stationären Bildes (P 12) angeordnet ist, und daß ein weiteres bündelndes Feldelement (45) wie etwa eine Feldlinse oder ein Feldspiegel benachbart zu der Feldblende angeordnet ist (Fig. 10).

6. Abtastvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastrotor (35) ringförmig ausgebildet ist und reflektierende Facetten sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite hat, und daß die erste reflektierende Fläche (B ^VIII) und die zweite reflektierende Fläche (A ^III) sich auf einer äußeren Facette bzw. einer inneren Facette befinden (Fig. 11).

7. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenbündel an der ersten reflektierenden Fläche (B) auf dem Abtastrotor einen Querschnitt hat, der sich praktisch über die Abmessung einer der Facetten längs des Umfangs des Abtastrotors erstreckt, und daß ein Bild (P 3) sich hinter diesen Facetten (2) befindet, das zufolge der Reflexion an der ersten reflektierenden Fläche (R) ein virtuelles Spiegelbild des primären Bildes (P 4) ist, und daß das primäre Bild (P 4) bei sich drehendem Abtastrotor eine gebogene Linie (10) überstreicht.

8. Abtastvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens ein Bezugstemperaturgeber (T) auf der gebogenen Linie (10) und vorzugsweise an wenigstens einem ihrer Enden oder an ihren beiden Enden befindet.

9. Abtastvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Bündelungsvorrichtung ein im wesentlichen sphärischer oder kugelkalottenförmiger Spiegel (11) ist, an dessen Brennfläche die gebogene Linie so nahe als möglich liegt.

10. Abtastvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Bündelungsvorrichtung aus einem Linsensystem besteht, an dessen Brennfläche die gebogene Linie so nahe als möglich liegt.

11. Abtastvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Abtastelement (12) zur Abtastung in einer anderen Richtung als sie der Abtastrotor (1) ausführt, dort angeordnet ist, wo der Strahlengang während einer von dem Abtastrotor (1) ausgeführten Abtastung durch eine im wesentlichen stationäre Pupille verläuft.

12. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Facetten auf dem Abtastrotor an der ersten reflektierenden Fläche (B) konkav sind.

13. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spiegel (13, 14) im Strahlengang zwischen dem Abtastrotor (1 ^I) und dem ersten im wesentlichen sphärischen oder kugelkalottenförmigen Spiegel (9 ^I) liegen, um den Strahlengang durch Faltung zu verlängern.

14. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der stationären, im wesentlichen sphärischen oder kugelkalottenförmigen Spiegel (9, 11, 29, 30) der Vorrichtung ein Toroid- oder ein Ellipsoidspiegel ist.

15. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie sowohl für die Feststellung von von einem Objekt ausgehender Strahlung geeignet ist, in welchem Fall die Strahlung detektierende oder aussendende Vorrichtung ein Strahlungsdetektor ist und der Strahlengang durch die Vorrichtung von der Szene zu dem Detektor verläuft, als auch für die Bilderzeugung geeignet ist, in welchem Fall die Strahlung detektierende oder aussendende Vorrichtung eine modulierte Lichtquelle wie eine lichtemittierende Diode oder ein Laser ist und der Strahlengang durch die Vorrichtung von der Lichtquelle zu der Szene verläuft, und daß die Vorrichtung derart verwendbar ist, daß ein System zur Detektierung von Strahlung und ein System zur Bilderzeugung unter Verwendung jeweils des gleichen vielflächigen Abtastrotors benutzbar ist.