DE2230002C2 - Optisch-mechanisches Abtastsystem - Google Patents

Optisch-mechanisches Abtastsystem

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Description

Die Erfindung betrifft ein optisch-mechanisches Abtastsystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Optik nach dem Oberbegriff de.. Patentanspruchs 2, die vorteilhaft bei einem solchen optisch-mechanischen Abtastsystem verwendbar ist.
Es gilt, ein Bild in genauem Mikrodetail mit hoher Auflösung zu erzeugen. Für solche Aufgaben verwendet man üblicherweise durchweg brechende optische Systeme mit einer Mehrzahl von optischen Gliedern. Der Grund hierfür ist einfach der, daß bei einem durchweg brechenden optischen System eine größere Anzahl von Parametern zur Verfügung steht, die für die Korrektur der Abbildungsfehler variiert werden können.
Es ist ein Simulator bekannt mittels dessen Piloten den Landeanflug auf einen Flugzeugträger üben können. Dieser Simulator enthält ein optisches System, durch welches ein virtuelles Bild eines Objekts, nämlich eines Flugzeugträgermodells, im Unendlichen erzeugt werden kann. Dieses optische System enthält einen Konkavspiegel und einen Konvexspiegel, die beide rotationssymmetrisch zu einer Referenzachse einander zugewandt angeordnet sind. Die Lichtstrahlen werden
ίο beim Durchgang durch das Abbildungssystem erst an dem Konkavspiegel, dann an dem Konvexspiegel und schließlich wieder an dem Konkavspiegel reflektiert Die Spiegel sind dabei konzentrisch zueinander. Der Abstand zwischen Konkavspiegel und Konvexspiegel ist gleich der Brennweite des Konkavspiegels, d. h. der Radius des Konvexspiegels ist gleich dem halben Radius des Konkavspiegels.
Bei dieser bekannten Anordnung liegen sowohl die Eintrittspupille als auch die Austrittspupille in einer Ebene, die den gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt der einander zugewandten Konkav- und Konvexspiegel enthält und senkrecht zur optischen Achse liegt Sowohl das Objekt als auch das Bild liegen praktisch im Unendlichen. Eine solche Abbildung leidet stark an unkorrigierter sphärischer Aberration. Bei einem Flugsimulator sind jedoch die Abbildungsfehler des optischen Systems nicht kritisch.
Es ist für den Fachmann erkennbar, daß ein solches optisches System auch einen Punkt in der vorerwähnten Ebene in einem anderen Punkt dieser Ebene abbildet. Eine solche Abbildung spielt aber dort keine Rolle. Es war auch keinerlei Hinweis bezüglich der Güte einer solchen Abbildung gegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System mit der Vergrößerung eines zu schaffen, welches mit geringem technischen Aufwand ein Bild in genauem Mikrodetail mit hoher Auflösung erzeugt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem optisch-mechanischen Abtastsystem nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Nach der Erfindung wird für die optische Abbildung ein sehr einfach aufgebautes, nur reflektierendes optisches System gewählt, wie es in der angegebenen Weise für andere Abbildungsverhältnisse bekannt ist. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß man ein solches System zwar nicht für das gesamte Bild und Objektfeld, wohl aber für schmale Ringsegmente so korrigieren kann, daß sich eine sehr hohe Auflösung ergibt. Bildbzw. Objektfeld werden so begrenzt, daß sie ganz innerhalb dieser Ringsegmente liegen. Das gesamte ausgedehnte Objekt wird durch eine Abtastung erfaßt.
Ein besonders gut korrigiertes optisches System wird durch die in Patentanspruch 2 gekennzeichneten Maßnahmen erhalten.
Ausgestaltungen des optischen Systems sind Gegenstand der Unteransprüche 3 bis 5.
Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert:
F i g. 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines außeraxialen optischen Abbildungssystems.
Fig. la ist eine Ansicht längs der Linie 2a-2a von Fig. 2.
Fig.2 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform.
F i g. 3 ist eine andere Abwandlung der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform.
F i g. 4 ist eine Ansicht unter einem rechten Winkel zu der Ansicht von F i g. 3 und zeigt das System von F i g. 3 in Stirnansicht längs der Linie 4-4 von F i g. 3.
F i g. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, in welcher zwei sphärische Sp:sgel, ein konvexer Spiegel 20 und ein konkaver Spiegel 21, so angeordnet sind, daß sie drei Reflexionen innerhalb des Systems hervorrufen. Die Spiegel sind so angeordnet, daß ihre Krümmungsmittelpunkte im Punkt Pzusammenfallen und daß sie achsferne konjugierte Flächen haben, welche zu den Punkten O und I zentriert sind. Die Punkte O und 1 sind jeder im Abstand H von der Referenzachse SA auf einander gegenüberliegenden Seiten desselben angeordnet Der konkave Spiegel 21 erzeugt ein Bild des Objektes O in /, der konvexe Spiegel 20 erzeugt ein virtuelles Bild des Punktes / im Punkt O, welches durch den konkaven Spiegel 21 in / wieder abgebildet wird. Da zwei Reflexionen an dem konkaven Spiegel 21 stattfinden, ist, wenn der Radius /?«· des konkaven Spiegels 21 das Doppelte des Radius /?„ des konvexen Spiegels 20 ist, die algebraische Summe der Brechkräfte der verwendeten reflektierenden Oberflächen null. Das Sy-/ stern ist dann hinsichtlich aller Aberrationen dritter Ordnung korrigiert, und die einzige Aberration fünfter Ordnung ist die Krümmung des tangentialen Feldes, welches zu den Spiegeln hin konkav ist. Der Abstand D5 von der Gausschen Bildebene (der Ebene, welche die Punkte P, O und /enthält) zu dem tangentialen Bild von einem Punkt, welcher im Abstand H von der Achse SA liegt, ist durch den Ausdruck D5 = 2 W4//?^3 gegeben. Eine Verfolgung der Strahlen durch dieses System zeigt, daß die Einflüsse der Aberrationen höherer Ordnung vernachlässigbar sind im Vergleich zu der Wirkung des Astigmatismus fünfter Ordnung.
Konzentrische Spiegelsysteme mit einer Abbildung der Brechkraft 1 gemäß der vorliegenden Erfindung können verwendet werden bei Bildfeldabtastbetrieb, um eine aperturbegrenzte Güte bei kleinem Öffnungsverhältnis über ein großes Gesichtsfeld zu erhalten. Zu diesem Zweck wird das System konzentrisch gelassen, aber der Radius eines konvexen Spiegels wird erhöht über das Maß, welches zum Erhalt einer Petzval-Summe von null erforderlich ist. Das erzeugt eine tangentiale Feldkrümmung dritter Ordnung in einem der oben diskutierten tangentiale Feldkrümmung fünfter Ordnung entgegengesetzten Sinn. In dem System von F i g. 1 ist die Radiusänderung ARCX, die erforderlich ist, um eine stigmatische Abbildung in einer Höhe H zu erreichen, ungefähr durch die Formel
50
gegeben. Rcx ist dann ungefähr
55
2 4Ä„
Wenn eine Maske 15, die in Fig. la gezeigt ist und einen gekrümmten Spalt 16 mit dem Radius //aufweist, so angeordnet ist, daß der Krümmungsmittelpunkt des Spaltes mit dem Krümmungsmittelpunkt P des optischen Systems zusammenfällt und die Maske in der Objektebene bei O liegt, wie in F i g. 1 gezeigt ist, so daß die Abbildung auf den Teil der Objektfläche begrenzt ist, der durch den Spalt 16 hindurch freiliegt, dann wird dieser Teil der Objektfläche stigmatisch auf eine ähnlich gekrümmte Fläche in der Bildebene abgebildet. Das liegt daran, daß alle Teile des Objektes und des Bildes, die in dem Spakt oder in dem Bild des Spailes liegen, im gleichen Abstand f/von dem Krümmungsmittelpunkt P des Systems liegen, für welchen das System korrigiert ist Die Maske 15 könnte auch in'der Bildebene bei .' angeordnet sein, oder eine Maske 15 könnte in jeder Ebene vorgesehen werden. Im Fall eines optischen Systems der in F i g. 1 dargestellten Art fallen die Objekt- und Bildebenen zusammen, da sowohl Objekt- als auch Bildpunkt O bzw. / der Ebene durch den Krümmungsmittelpunkt P liegen, die senkrecht zur Referenzachse SA verläuft Die Erhöhung des konvexen Radius des Spiegels 20, die für eine stigmatische Abbildung in der Höhe H erforderlich ist ist gleich der longitudinalen sphärischen Aberration dritter Ordnung des konkaven Spiegels für einen Strahl parallel zu einer Achse und in einör Höhe H. Mit dieser Abwandlung wird das System von F i g. 1 afokal in der Höhe H mit dem Ergebnis, daß Fehler von Fokus und/oder longitudinaler Lage der konjugierten Ebenen keinen Einfluß auf die Vergrößerung des Systems haben.
Bei einem speziellen Beispiel des in F i g. 1 dargestellten Systems, bei welchem der Radius /?1Χ· des konkaven Spiegels 21 = 500 mm beträgt und H = 84,34 mm, wird der Krümmungsradius des konvexen Spiegels 20 um 3,592 mm gegenüber dem Wert erhöht, der zur Erzielung einer Petzval-Summe null in diesem System erforderlich wäre. Es ist zu beachten, daß der Wert 4RCX, der nach der oben angegebenen Formel berechnet ist, 3,557 mm beträgt. Das liefert ein Anzeichen für den Grad der Annäherung der Formel. Die Wellenfrontverformung in dem Bild irgendeines Punktes in einem Ring vom Radius 84,34 mm (gemessen durch die Wurzel des mittleren Fehlerquadrats) ist ungefähr /i/40 bei λ = 5000 Ängström. Wenn in dem System von F i g. t das Objekt, beispielsweise ein photographisches Transparent, an dem Spalt 16 in der Richtung 23 vorbeibewegt wird, wird ein Bild mit der Vergrößerung eines desjenigen Teiles des Objektes, der durch den Spalt freigelassen ist, bei /erzeugt und bewegt sich an /in der umgekehrten Richtung 24 vorbei. Um somit ein deutliches Bild in /zu erhalten, müßte die das Bild empfangende Oberfläche an dem Punkt /in einer Richtung vorbeibewegt werden, die entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung eines Objekt-Transparents an dem Spalt 16 im Punkt O wäre.
Bei der praktischen Ausführung eines Abtastsystems ist es zweckmäßig, wenn sich das Objekt und eine das Bild empfangende Oberfläche in der gleichen Richtung bewegen statt entgegengesetzt wie in dem System von Fig. 1. Mittel, um dies zu erreichen, sind in Fig.2 dargestellt. Wie dort dargestellt ist, ist ein Planspiegel 25 so angeordnet, daß er den Objektpunkt von O nach O' ablenkt. Der Krümmungsmittelpunkt P, wie er durch den Spiegel 25 gesehen wird, liegt somit an der Stelle Pa. Ein zweiter Planspiegel 26 ist so angeordnet, daß er den Bildpunkt /nach /'ablenkt, so daß der Krümmungsmittelpunkt P relativ zu dem Spiegel 26 nach Pb verlagert wird. Wenn somit ein Objekt an dem Punkt O' in der Richtung 27 bewegt wird, bewegt sich das Bild über eine bildempfangende Oberfläche bei / in der gleichen Richtung wie durch den Pfeil 28 angedeutet ist. Bei dieser Anordnung kann ein Objekt und eine bildempfangende Obc-fläche auf einem einzigen Schlitten angeordnet werden. Bei Bewegung des Schlittens in Richtung der Referenzachse SA zur Durchführung eines Abtastvorganges bewegt sich das Objekt an dem Spalt 16 bei O' vorbei und das Bild bewegt sich mit der gleichen Ge-
schwindigkeit an dem dazu konjugierten Spaltbild 27 bei /. Die genaue Bewegung des Schlittens stellt dann sicher, daß keine Bewegung des Bildes relativ zu der bildempfangenden Oberfläche stattfindet.
Es können auch andere Anordnungen zu diesem Zweck verwendet werden. In F i g. 2 lenken die Spiegel 25 und 26 die Hauptstrahlen von dem konkaven Spiegel 21 zu dem ursprünglichen Objektpunkt O und zu dem ursprünglichen Bildpunkt / jeweils um 90° nach oben bzw. nach unten in bezug auf die Systemachse SA ab, so \o daß der Objektpunkt O und der Bildpunkt /jeder in die neue Lage O'bzw. /'abgelenkt werden. Es werden somit die Winkellagen der Ebenen der ursprünglichen Objekt- und Bildflächen insgesamt um 180° gegeneinander verschwenkt, Jede andere Anordnung, bei weicher die ursprünglich in einer Ebene liegenden Objekt- und Bildflächen um 180° gegeneinander verschwenkt werden, würden auch in einer Bildbewegung in der gleichen Richtung wie die Objektbewegung führen.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist die Bildorientierung relativ zu dem Objekt die, die gewöhnlich als »Spiegelbild« bezeichnet wird, d. h. das Bild ist nicht kopfstehend aber es ist seitenvertauscht. Die F i g. 3 und 4 zeigen eine Anordnung, bei welcher vier Spiegel verwendet werden, um ein Bild zu erzeugen, das weder kopfstehend noch seitenvertauschi relativ zu dem Objekt ist. Wie dargestellt ist, lenken Planspiegel 31 und 32 den Objektpunkt Ound den Bildpunkt /in entgegengesetzten Richtungen um — im vorliegenden Falle beide einwärts auf die Achse SA — und zwar zu zwei anderen Planspiegeln 33 und 34, welche dann die Objekt- und Bildpunkte O und / in der gleichen Richtung zu den Punkten O"und /"(F ig.4) umlenken. Bei einer solchen Anordnung liegen ein Objekt, beispielsweise ein Transparent, und eine bildempfangende Oberfläche in den Punkten O"und /"nebeneinander in einer Ebene parallel zur Achse SA und können in der gleichen Richtung, in der Richtung der Achse SA zur Abtastung bewegt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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Claims (5)

Patentansprüche:
1. Optisch-mechanisches Abtastsystem, dadurch gekennzeichnet, daß als Optik in an sich bekannter Weise ein konkaver Spiegel (21) und ein demselben zugewandter Konvexspiegel (20) vorgesehen ist, wobei der Krümmungsradius des Konvexspiegels (20) etwa halb so groß wie der Krümmungsradius des Konkavspiegels (21) ist, so daß mittels zweier Reflexionen an dem Konkavspiegel (20) und einer Reflexion an dem Konvexspiegel (21) sich im wesentlichen ein Abbildungsmaßstab 1 :1 ergibt und daß eine Bild- bzw. Objektfeldbegrenzung (15) vorgesehen ist, derart, daß jedes Feld geometrisch innerhalb eines zur Systemachse (SA) konzentrischen Ringsegments (16) liegt
2. Optik mit einem Konkavspiegel und einem demselben zugewandten Konvexspiegel, so daß mittels zweier Reflexionen an dem Konkavspiegel und einer Reflexion an dem Konvexspiegel sich im wesentlichen ein Abbildungsmaßstab 1 :1 ergibt insbesondere für ein optisch-mechanisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bild- bzw. Objekt-Feldbegrenzung (15) vorgesehen ist, derart, daß jedes Feld geometrisch innerhalb eines zur Systemachse konzentrischen Ringsegments (16) liegt, und daß der Radius des Konvexspiegels (21) derart etwas größer als die Hälfte des Krümmungsradius des Konkavspiegels (20) gewählt ist, daß für den genannten begrenzten Bereich eine tangentiale Feldkrümmung dritter Ordnung entgegengesetzt gleich der tangentialen Feldkrümmung fünfter Ordnung ist.
3. Optik nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius des konvexen Spiegels (20) um so viel größer als die Hälfte des Radius des Konkavspiegels (21) ist, als die longitudinal sphärische Aberration dritter Ordnung des Konkavspiegels (21) (für die Bildfeldstrahlen) ausmacht.
4. Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Objekt- und ebenso dem Bildfeld ein ebener Spiegel (25,26) vorgeschaltet ist, der eine Strahlablenkung quer zur Systemachse bewirkt.
5. Abtastsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks vollkommener Bildumkehrung je ein zweiter ebener Spiegel (31,32) vorgesehen ist.
DE2230002A 1971-06-21 1972-06-20 Optisch-mechanisches Abtastsystem Expired DE2230002C2 (de)

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