DE2219954A1

DE2219954A1 - Optische Abtastvorrichtung

Info

Publication number: DE2219954A1
Application number: DE19722219954
Authority: DE
Inventors: Irving Raymond Lexington Mass. Abel (V.StA.)
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1971-04-28
Filing date: 1972-04-24
Publication date: 1972-11-09
Also published as: US3728545A; GB1368360A; NL7205529A; FR2134497A1; CA942197A; IT952745B

Description

02-4382 Ge 20. April 1972

HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn., USA

Optische Abtastvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine optische Abtastvorrichtung mit einer drehbaren Spiegeltrommel, welche aus einer Vielzahl von auf die Drehachse gerichteten, im Querschnitt längs der Drehachse ein Vieleck bildenden Spiegelflächen besteht, und mit einem innerhalb des Umfangs der Spiegeltrommel ortsfest angeordneten Umlenkspiegel, welcher das parallel zur Drehachse einfallende Eingangsstrahlenbündel radial auf die jeweils gegenüberstehende Spiegelfläche der Spiegeltrommel ablenkt. Optische Abtastvorrichtungen dieser Art können vorteilhaft zur Beobachtung oder Aufnahme eines überflogenen Geländes mittels Infrarotstrahlung verwendet werden.

Die Vorteile der Benutzung von Infrarotstrahlung zur Luftaufklärung sind bekannt, üblicherweise ist es erforderlich, die Infrarotstrahlung irgendwie in sichtbares Licht umzuwandeln, um das aufgenommene Bild einem Beobachter sichtbar zu machen. Detektoren zur Umwandlung von Infrarotenergie in elektrische Energie sind bekannt. Theoretisch könnte man. die von einem Gelände aufgenommene Infrarotstrahlung auf ein Mosaik solcher Detektoren werfen, welche hieraus entsprechende elektrische Signale ableiten, die in ein sichtbares Bild umgewandelt werden können. In

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ORIGINAL INSPECTED

der Praxis ist es jedoch noch nicht gelungen, ein über lange Zeit zuverlässig arbeitendes und stets reporduzierbare Ergebnisse lieferndes Infrarotdetektor-Mosaik herzustellen. Auch bei der sichtbaren Wiedergabe der elektrischen Signale ergeben sich Schwierigkeiten und ein hoher Aufwand. Wird eine Multiplexübertragung des mit dem Mosaik aufgenommenen Bildes verlangt, so ist die Ausnutzung der Detektoren sehr gering, sofern nicht eine elektronische Signalspeicherung vorgesehen ist. Dies hat jedoch einen hohen elektrischen Schaltungsaufwand zur Folge. Erfolgt hingegen eine Parallelabfrage des Mosaiks und eine entsprechende sichtbare Wiedergabe über Parallelverbindungen, so ist auch hier der Schaltungsaufwand groß und insgesamt vergleichbar mit dem eines Multiplexsystems.

Anstelle eines Detektormosaiks kann man auch einen einzelnen Detektor verwenden, welcher mit Hilfe eines optisch-mechanischen Abtasters das Bildfeld nacheinander, beispielsweise zeilenweise abtastet und dessen Ausgangssignal fortlaufend übertragen und auf der Empfängerseite wieder zeilenweise zusammengesetzt wird. Diese Methode wird bei Lichtpunktabtastern in der Fernsehtechnik eingesetzt. Sie führt zwar zu einer sehr wirksamen Ausnutzung des Detektors, hat aber wegen der kurzen Zeitintervalle/ während deren der Detektor den einzelnen Punkten des Gesamtbildes zugeordnet werden kann, nicht die gewünschte Empfindlichkeit und das angestrebte Auflösungsvermögen, wie es mit Systemen mit mehreren Detektoren erreichbar ist.

Die Erfindung sucht folglich nach einer optischen Abtastvorrichtung der eingangs genannten Art, welche einerseits eine optimale Ausnutzung der verwendeten Detektoren gestattet und andererseits ohne den mit Mulitplexsystemen verbundenen hohen elektrischen Schaltungsaufwand auskommt und trotzdem ein gutes Auflösungsvermögen und eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Wenn im folgenden von "Strahlung" oder "Licht" gesprochen wird, so ist hierunter sowohl sichtbare als auch unsichtbare elektromagnetische Strahlung zu verstehen.

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Ausgehend von einer optischen·Abtastvorrichtung der eingangs genannten Art, löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch,
daß innerhalb der Spiegeltrommel ferner ebenfalls ortsfest optische Mittel angeordnet sind, welche das von der Spiegelfläche reflektierte Strahlenbündel aus dem Innenraum der Spiegeltrommel
heraus derart auf eine zellenförmige Bank mehrerer nebeneinander angeordneter Strahlungsdetektoren wirft, daß dieses Strahlenbündel bei sich drehender Spiegeltrommel quer zur Längsrichtung der
Strahlungsdetektorbank abgelenkt wird und über die Strahlungsdetektoren hinwegläuft. Die Erfindung führt'also zu einem optimalen Kompromiß hinsichtlich Schaltungsaufwand einerseits und Empfindlichkeit andererseits, indem anstelle eines Detektormosaiks eine zellenförmige Detektorbank verwendet und jeder der darin befindlichen Detektoren nacheinander optisch in Richtung einer in Höhe des betreffenden Detektors sich quer zur Längsausdehnung der Detektorbank erstreckenden Zeile über das Bildfeld abgelenkt wird. Dabei steht die Detektorbank selbstfest. Es erfolgt stattdessen
eine optische Ablenkung des Eingangsstrahlenbündels.

Die einzelnen Spiegelflächen der Spiegeltrommel sind vorzugsweise eben und erstrecken sich bei "einer bevorzugten Ausführungsform^
der Erfindung achsparallel. Wird jedoch eine verschachtelte Abtastung nach Art des beim Fernsehen üblichen Zeilensprungverfahrens gewünscht, so sind die Spiegelflächen der Spiegeltrommel gegenüber der Drehachse leicht geneigt und zwar derart, daß aufeinanderfolgende Flächen eine gegensinnige Neigung gegenüber der Drehachse haben.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet. Zur Erläuterung der Erfindung
wird im folgenden auf ein in den Zeichnungen wiedergegebenes Ausführungsbeispiel Bezug genommen. Darin zeigt

Figur 1 das Blockschaltbild einer Infrarot-Abtastvorrichtung, Figur 2 schematisch die Anordnung der optischen Elemente
zwischen Eingangsobjektiv und Detektorbank,

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Figur 3 ebenfalls schematisch die für die Umwandlung in ein sichtbares Bild geeigneten Mittel und Figur 4 perspektivisch eine bevorzugte Ausführungsform der optischen Abtastvorrichtung.

Nach dem in Fig.. 1 wiedergegebenen Blockschaltbild wirft die Eingangsoptik 10 die von einem in ihrem Blickfeld liegenden Geländeausschnitt kommende Infrarotstrahlung auf eine optische Abtastvorrichtung 12, die aus einer sich drehenden Spiegeltrommel 14 und einer Ausgangsoptik 16 besteht. Diese Ausgangsoptik 16 enthält eine zellenförmige Bank von Detektoren, die von einem Kühlmittel gekühlt werden. Die Spiegeltrommel 14 bewirkt zusammen mit den beiden Optiken 12 und 16, daß ein Bild des Blickfeldes quer über die zellenförmige Bank von Detektoren läuft und die sich ändernden Ausgangssignale über ein Kabel 17 zur Weiterverarbeitung an eine aus Verstärkern, Filtern und sonstigen Schaltungen bestehende Anordnung 20 abgeben. Die Ausgangssignale der signalverarbeitenden Vorrichtung 20 werden über ein Kabel 21 einer Wiedergabevorrichtung 22 zugeleitet. Die zwischen der Abtastvorrichtung 12 und der Wiedergabevorrichtung 22 notwendige Synchronisation wird in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie 23 versinnbildlicht. Die den Gleichlauf bewirkenden Mittel werden noch an späterer Stelle beschrieben.

Fig. 2 zeigt den Strahlengang der Infrarotstrahlung durch die optische Anordnung 10,12 der Fig. 1. Dabei wurden die zu Richtungsänderungen erforderlichen Spiegel der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Was die verwendeten Linsen anbetrifft, so liegt es im Ermessen de.s Konstrukteurs, einfache oder zusammengesetzte Linsensysteme zu verwenden. Nach Fig. 2 sammelt ein aus den Linsen 30a und 30b zusammengesetztes Objektiv 30 die von dem erfaßten Geländeausschnict kommende Infrarotstrahlung und entwirft in der Ebene einer

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Feldblende 31 ein wirkliches Bild. Zwischen das Objektiv 30 und den ersten Umlenkspiegel 33 ist wahlweise eine Sammellinse 32 zwischengeschaltet. Nach der Reflexion am ersten Umlenkspiegel 33 passiert die Strahlung ein erstes Sammellinsensystem 34, das aus den Linsen 34 a und 34 b gebildet wird, und trifft auf eine Spiegelfläche 35 eines rotierenden Spiegelprismas, das ein wesentliches Element der Spiegeltrommel 14 bildet. Das erste Linsensystem 34 erzeugt aus der von der Spiegelfläche 35 reflektierten Strahlung ein zweites wirkliches Bild auf einem Spiegel 36. Der Spiegel 36 wirft die das Bild erzeugende Strahlung auf einen zweiten Umlenkspiegel 37, der die Strahlung auf eine zweite Linse 40 lenkt, die in der Ebene einer zellenförmigen Bank infrarotempfindlicher Detektoren 41 ein drittes wirkliches Bild entwirft. Alle diese Linsen bestehen beispielsweise aus Germanium oder einem anderen infrarotdurchlässigen Material. Ebenso sind die Spiegel aus einem Material hergestellt, das Infrarotstrahlung reflektiert. Die Detektoren 41 stehen einzeln über einen elektrischen Leitungen 42 mit dem Ausgangskabel 17, wie Fig* I zeigt, in Verbindung.

Fig. 3 zeigt die Bevorzugte Anordnung und den Aufbau des Wiedergabegerätes 22 nach Fig. 1. Das Ausgangskabel 21 der Signalverarbeitenden Vorrichtung 20 hat die gleiche Anzahl elektrischer Leitungen 43 wie das Kabel 17. Nach Fig. 3 sind die Leitungen 43 jeweils mit einer der lichtemittierenden Dioden 44 verbunden. Die Zahl und Anordnung der Dioden entspricht den Detektoren 41 in Fig. 2. Eine Linse 45 bildet die lichtaussendenden Dioden 44 auf einem Beobachtungsschirm 46 ab. Auf dem Weg von den Dioden 44 zur Linse 45 wird die im sichtbaren Bereich ausgesandte Lichtstrahlung am rotierenden Spiegelprisma 35 reflektiert und durch die Linse 45 über einen Umlenkspiegel 47 auf dem Schirm 46 abgebildet. Auf diese Weise ist eine direkte

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Beobachtung der Spiegeltrommel 14 in Fig. 1 oder die überwachung über eine Fernsehvorrichtung gewährleistet.

Nach Fig. 4 enthält die Spiegeltrommel 14 ein nach innen reflektierendes Hohlprisma 50 mit dem Querschnitt eines regulären Polygons, das hier im Ausfahrungsbeispiel von 12 nach innen reflektierenden Flächen 35 gebildet ist. Die Anzahl der verwendeten Flächen kann gerade oder ungerade sein und liegt im Ermessen des Konstrukteurs. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das nicht in den Zeichnungen dargestellt ist, werden 16 Flächen verwendet.

Das Hohlprisma 50 ist um eine Achse 51 drehbargelagert, die durch das Zentrum des Polygons geht und auf der Polygonebene senkrecht steht. Die Spiegelflächen 35 liegen alle in Ebenen parallel zur Achse 51. Eine leichte Abweichung der Flächen 35 von dieser achsparallelen Lage wird ausgenutzt, um eine eineinander verschachtelte Zeilenabtastung zu erreichen, wenn dies erforderlich wird. Ein Motor konstanter Drehzahl und ausreichender Leistung dient zum Antrieb des Hohlprismas 50 über ein Getriebe, einen Treibriemen oder über andere mechanische übertragungsmittel.

Im Inneren der Spiegeltrommel 14 sind die Umlenkspiegel und 37, die Linse 34 und der Spiegel 36 angeordnet, wie dies schematisch in Fig. 2 gezeigt wird. Diese Elemente sind alle so auf einer freitragenden, stationären Unterlage, die nicht in der Zeichnung enthalten ist, angeordnet, daß die Trommel 50 um sie herum und relativ zu ihnen rotiert. Die vom abgetasteten Gelände einfallende Strahlung erreicht das Gerät in einer zur Achse 51 parallelen Richtung, passiert die Linsen 30a und 30b des Objektivs 30 und wird durch die Linse 32 in der Ebene der Feldblende 31 abgebildet. Dieses Bild wird dann durch den ersten Ablenkspiegel 33 zur Sammellinse 34 reflektiert, die als Folge der Reflexion der Strahlung an den

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Spiegelflächen 35 längs ihres ursprünglichen Strahlungsweges zurückgeworfen wird und ein zweites Bild . auf dem Spiegel 36 erzeugt.

Der Umlenkspiegel 36 ist entlang der Achse 51 angeordnet und ist so schmal wie möglich, um die von der Linse 34 zu den Spiegelflächen 35 gehende Strahlung möglichst wenig abzudecken. Der Spiegel 36 hat eine zylindrische Oberfläche, bei der die Zylinderachse in einer Ebene liegt, die senkrecht auf der Rotationsachse 51 Trommel 50 steht, so daß die Spiegeloberfläche die Achse 51 tangiert. Wie in Fig. 2 angedeutet, ist der Spiegel 36 leicht gekrümmt, um dadurch einen korrigierenden Ausgleich für die FeldKrümmung zu schaffen, die durch die anderen optischen Elemente des Gerätes hervorgerufen werden. Der Spiegel 36 ist so ausgerichtet daß die einfallende und die eintretende Strahlung längs verschiedener radialer Wege läuft. Der Umlenkspiegel 37 lenkt die Strahlung aus der Trommel 50 axial hinaus* Die Linse 40 der Ausgangsoptik 16 bildet die Strahlung auf der zellenförmigen Detektorbank 41 ab, die außerhalb des

Hohlorisnas 50 liegt.

Während des Betriebs der Abtastvorrichtung wandert das Bild des abgetasteten Geländes in einer Art, die als zusammengesetzte Bewegung bezeichnet werden kann, über die zellenförmige Bank der Detektoren 41. Die Zahl der Durchgänge pro Trommelumdrehung wird durch die Anzahl der im Inneren der Trommel befindlichen reflektierenden Flächen bestimmt. Während eines Abtastvorganges gibt jeder Detektor 41 ein Ausgangssignal ab, das sich kontinuierlich mit der Bestrahlung ändert, die der Detektor 41 vom abgetasteten Gelände erhält.

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Die Ausgangssignale der Detektoren 41 werden über das Kabel 17 der signal-verarbeitenden Vorrichtung 20 zugeführt, in der sie entsprechend verstärkt und gefiltert werden, bevor sie über das Kabel 21 die lichtemittierenden

Dioden 41 erreichen, die entlang der Achse 51 angeordnet sind. Das sichtbare, von den Dioden 44 erzeugte Eicht wird von jeder Spiegelfläche 35,die beim Rotieren der Trommel einander folgen, auf den Umlenkspiegel 47 geworfen, der es auf das Objektiv 45 eines Bildwandlers 52 reflektiert. Das Objektiv 45 vereinigt das ihm zugeführte Licht auf der Abtaströhre zur Darstellung auf einem Bildwiedergabeschirm 53. Anstelle der Bildjwandleroptik 45 oder in Verbindung mit dieser kann auch eine ähnliche Linse wie die Linse 34 verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

., Optische Abtastvorrichtung mit einer drehbaren Spiegeltrommel, welche aus einer Vielzahl von auf die Drehachse gerichteten, im Querschnitt längs der Drehachse ein Vieleck bildenden Spiegelflächen besteht, und mit einem innerhalb des Umfangs der Spiegeltrommel ortsfest angeordneten Umlenkspiegel, welcher das parallel zur Drehachse einfallende Eingangsstrahlenbündel radial auf die jeweils gegenüberstehende Spiegelfläche der Spiegeltrommel ablenkt, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Spiegeltrommel (14) ferner ebenfalls ortsfest optische Mittel (36,37) angeordnet sind, welche das , von der Spiegelfläche (35) reflektierte Strahlenbündel aus dem Innenraum der Spiegeltrommel heraus derart auf eine zellenförmige Bank (41) mehrerer nebeneinander angeordneter Strahlungsdetektoren wirft, daß dieses Strahlenbündel bei sich drehender Spiegeltrommel quer zur Längsrichtung der Strahlungsdetektorbank abgelenkt wird und über die Strahlungsdetektoren hinwegläuft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelflächen (35) der Spiegeltrommel (14) eben sind und sich achsparallel erstrecken.
3. Vorrichtung nach Anspruch l,dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelflächen (35) der Spiegeltrommel (14) eben und gegenüber'der Drehachse (51) leicht geneigt sind und daß aufeinanderfolgende Flächen eine gegensinnige Neigung gegenüber der Drehachse haben.

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4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Umlenkspiegel (33) und der radial gegenüberliegenden Spiegelfläche (35)eine Sammellinse (34) ortsfest angebracht ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel zur Ablenkung des an der Spiegelfläche (35) reflektierten Strahlenbündels auf die Strahlungsdetektorbank (41) einen zweiten Umlenkspiegel (36) aufweisen, welcher das Strahlenbündel von der Spiegelfläche radial aber in anderer Richtung als das Eingangsstrahlenbündel auf einen dritten Umlenkspiegel (37)ablenkt, der das Strahlenbündel achsparallel auf die Strahlungsdetektorbank wirft»
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Umlenkspiegel (36) im Strahlengang zwischen dem ersten Umlenkspiegel (33) und der gegenüberliegenden Spiegelfläche (35) der Spiegeltrommel (14) liegt aber nur eine das Eingangsstrahlenbündel praktisch nicht beeinträchtigende kleine Ausdehnung hat.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,dadurch gekenn ζ eichnet, daß der zweite Umlenkspiegel (36) ein schmaler Teil einer reflektierenden Innenfläche eines Zylinders ist, dessen Mittelachse in einer Ebene senkrecht zur Drehachse (51) liegt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 6,dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse (34)das vom ersten Umlenkspiegel durch die Sammellinse hindurch auf die Spiegelfläche (35) geworfene Strahlenbündel auf den zweiten Umlenkspiegel (36) fokussiert.

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9. Vorrichtung nach Anspruch5,dadurchgekennzeichnet, daß zwischen dem dritten Umlenkspiegel (37) und der Strahlungsdetektorbank (41) eine zweite Sammellinse (40) angeordnet ist, welche, das vom ,zweiten Umlenkspiegel (36) über den dritten Umlenkspiegel (37) auf die Strahlungsdetektorbank geworfene Strahlenbündel auf die Strahlungsdetektorbank fokussiert. · '" . ,
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren der Strahlungsdetektorbank (4l·) auf Infrarotstrahlung ansprechen, die Spiegel (33,35,36,37) Infrarotstrahlen reflektieren und die Linsen (34,40) nur Infrarotstrahlen hindurchlassen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn-

z e ic hn e t, daß an die Ausgänge der Strahlungsdetektorbank eine ebenfalls zellenförmige Anordnung (44) von sichtbares Licht emittierenden Dioden angeschlossen ist, welche innerhalb der Spiegeltrommel (14) ortsfest jeweils auf eine der Spiegelflächen (35) gerichtet ist, und daß ein weiterer Umlenkspiegel (47) das von der jeweiligen Spiegelfläche reflektierte Licht der Diodenbank achsparallel aus der Spiegeltrommel (14) herauswirft.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf den weiteren Umlenkspiegel (47) das Aufnahmeobjektiv (.45) eines optisch-elektrischen Bildwandlers

(52) gerichtet ist, welcher einen Wiedergabebildschirm (53)ansteuert.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Umlenkspiegel (47) die Abbildung der Diodenbank (44) achsparallel, in die dem ankommenden Eingangsstrahlenbündel entgegengesetzte Richtung ablenkt.

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