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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die dazu dient, die Ausrichtung von Sende- und Empfangskanal einer LIDAR-Vorrichtung zu ermöglichen, die einen Laserstrahl zu Messzwecken einsetzt, und zwar insbesondere die Zentrierung des Empfangskanals auf den Rückwärts-Laserstrahl, sowie ein mit einer solchen Vorrichtung ausgestattetes LIDAR. Dieses LIDAR wird zum Beispiel an Bord eines Satelliten in Erdumlaufbahn mitgefuhrt, um atmosphärische Messungen, insbesondere Winde betreffende Messungen, durchzufuhren.
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Bekanntlich kann die Gültigkeit von mit einem Laserstrahl durchgeführten Messungen durch einen Ausrichtungsfehler zwischen Sende- und Empfangskanal des Strahles, insbesondere durch einen Zentrierungsfehler, wie oben angegeben, beeintrachtigt werden.
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Es ist möglich, Ausrichtungsfehler zwischen Sende- und Empfangskanal und insbesondere Fehler der Zentrierung des Empfangskanals zu vermeiden, indem dieser Empfangskanal mit einem großen Blickfeld FOV (für Field of Vision) ausgestattet wird. Ein solches Blickfeld hat jedoch den Nachteil, daß es durch den Empfang eines starken Untergrundsignals, das die Genauigkeit der durchgeführten Messungen signifikant beeinträchtigt, zu einem radiometrischen Fehler fuhrt.
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Eine Lösung des oben erwahnten Problems besteht in der Verwendung eines gleichen afokalen Teleskops zum Senden und zum Empfang, diese ist jedoch schwierig anzuwenden, weil dann das komplexe Problem der Trennung der gesendeten und reflektierten Flüsse am Teleskop gelöst werden muss.
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Es ist auch denkbar, eine besonders stabile Montage zu versuchen, die in der Lage ist, die Ausrichtungen zwischen den voneinander getrennt vorgesehenen Kanälen während der Lebensdauer des Satelliten aufrechtzuerhalten, auf dem das LIDAR mitgeführt wird; eine solche Montage ist jedoch schwierig zu konstruieren und zu realisieren.
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Wenn eine solche besonders stabile Montage nicht realisiert wird, sind Mittel erforderlich, mit denen der radiometrische Ausrichtungsfehler geschätzt werden kann.
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Aus ”An Overview of LITE: NASA's Lidar In-space Technology Experiment”, Winker, D. M. et al., in: Proceedings of IEEE, vol. 84, No. 2, February 1996, Seiten 164–180 ist ein Lidar-System beschrieben, das mit drei Wellenlängen arbeitet und einen Quadranten-/MCP-Detektor aufweist, um einen Teil eines rückgestreuten Laserstrahls auszuwerten und basierend auf dieser Auswertung einen kardanisch aufgehängten Spiegel zu steuern, der zur Ausgabe eines Sende-Laserstrahls eingesetzt wird.
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Das herkömmliche LIDAR-System weist den Nachteil auf, dass eine Vielzahl von optischen Komponenten, insbesondere von Spiegeln, in dem Empfangsstrahlengang vorgesehen sind, so dass eine entsprechende Dämpfung beziehungsweise Verfälschung der auszuwertenden empfangenen Laserstrahlung stattfindet.
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Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung und eine entsprechende LIDAR-Vorrichtung dahingehend zu verbessern, dass ein Aufbau erreicht wird, der eine geringere Komplexität aufweist und insbesondere eine geringere Dämpfung bzw. Verfälschung empfangener Laserstrahlung bewirkt.
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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und mit einer LIDAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 3 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Konfiguration ermöglicht vorteilhaft eine Auswertung peripherer Bereiche der empfangenen Strahlung zur Realisierung einer Ausrichtungsbewertung, ohne dass gleichzeitig eine unnötige Dämpfung desjenigen Teils des Ruckwärts-Laserstrahls stattfindet, der durch die Haupt-Messmittel ausgewertet werden soll. Die Möglichkeit zur Auswertung der peripheren Anteile des Rückwarts-Laserstrahls für die Ausrichtungsbewertung benotigt vorteilhaft keine als teildurchlässige Spiegel ausgebildeten Strahlteilermittel, vielmehr wird eine Separierung der unterschiedlichen Anteile des Ruckwärts-Laserstrahls vorteilhaft allein durch die erfindungsgemäße Anordnung der Fokalkorrekturvorrichtung, des Parabolspiegels und der Aufnehmer zueinander bewirkt.
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Einem Merkmal der Erfindung zufolge werden die Hilfs-Meßmittel für eine Bestimmung der Winkelpositionierung einer Komponente des Laserstrahles genutzt.
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Einem Merkmal der Erfindung zufolge sind die Mittel zum Senden des Laserstrahles in eine gegebene Richtung anhand von Signalen orientierungsgesteuert, die im Fall einer Dezentrierung von den Hilfs-Meßmitteln erzeugt werden, um die Ausrichtung des Sende- und des Empfangskanals des LIDAR zu ermöglichen, wenn der Empfangskanal in Bezug auf den Rückwärts-Laserstrahl dezentriert ist.
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Einem Merkmal der Erfindung zufolge sind die Mittel zum Senden des Laserstrahles in eine gegebene Richtung, die anhand der im Fall einer Dezentrierung von den Hilfs-Meßmitteln erzeugten Signale gesteuert sind, durch eine im Sendekanal vorgesehene Ausrichtvorrichtung gebildet.
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Einem Merkmal einer dritten Variante der Erfindung zufolge weist die Ausrichtvorrichtung einen servogeregelten orientierbaren Spiegel auf.
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Einem Merkmal einer vierten Variante der Erfindung zufolge sind die optischen Mittel des Empfangskanals anhand von Signalen orientierungsgesteuert, die im Fall einer Dezentrierung von den Hilfs-Messmitteln erzeugt werden, um die Ausrichtung des Sende- und des Empfangskanals des LIDAR im Fall einer Dezentrierung des Empfangskanals in Bezug auf den Rückwärts-Laserstrahl zu ermöglichen.
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Einem Merkmal einer fünften Variante der Erfindung zufolge wird die Orientierung der optischen Mittel des Empfangskanals realisiert unter Berücksichtigung der im Fall einer Dezentrierung von den Hilfs-Messmitteln erzeugten Signale, gebildet durch die Gesamtheit des Teleskops, mit dem der Rückwärtsstrahl aufgefangen wird, wobei zu diesem Zweck diese Gesamtheit drehbar montiert und servogeregelt ist.
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Einem Merkmal einer sechsten Variante der Erfindung zufolge ist die Orientierung der optischen Mittel des Empfangskanals, die anhand der im Fall einer Dezentrierung von den Hilfs-Messmitteln erzeugten Signale orientierungsgesteuert werden, gebildet durch einen drehbar montierten und servogeregelten Spiegel der Gesamtheit des Teleskops, mit dem der Rückwärtsstrahl aufgefangen wird.
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Einem Merkmal einer siebenten Variante der Erfindung zufolge wird der Messaufnehmer in Abhängigkeit von im Fall einer Dezentrierung von den Hilfs-Messmitteln erzeugten Signalen seitlich verschoben, um die Ausrichtung von Sende- und Empfangskanal des LIDAR im Falle einer Dezentrierung des Empfangskanals in Bezug auf den Rückwärts-Laserstrahl zu ermöglichen.
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Die Erfindung, ihre Merkmale und Vorteile werden genauer geschildert in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den unten genannten Figuren.
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1 ist ein Prinzipschema einer Anordnung eines optischen Teleskops, die eine Bewertungsvorrichtung gemäß der Erfindung enthalten kann.
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2 ist ein Prinzipschema eines Beispiels einer Ausrichtungsbewertungsvorrichtung gemäß der Erfindung.
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3 ist ein Beispiel eines ersten empfangbaren Signals.
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4 ist ein Beispiel eines zweiten empfangbaren Signals.
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5 ist ein Prinzipschema einer herkömmlichen Ausrichtungsbewertungsvorrichtung.
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6 ist ein Beispiel, welches das an einem Vier-Quadranten-Detektor einer Bewertungsvorrichtung, wie in 5 schematisch gezeigt, empfangene Infrarotsignal darstellt.
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Das in 1 gezeigte Schema betrifft eine optische Teleskopanordnung. Es wird angenommen, dass mit dieser Anordnung ein Satellit ausgestattet ist, der vorgesehen ist, um um die Erde oder eventuell einen anderen Planeten umzulaufen, um atmosphärische Messungen und z. B. Winde betreffende Messungen durchzuführen. Die Messungen werden durchgeführt mit Hilfe eines Laserstrahls FT, der von einer Quelle 1 erzeugt wird und in eine genaue Richtung D gesendet werden soll, die über eine Ausrichtungsvorrichtung 2 festgelegt ist. Diese Vorrichtung umfasst zum Beispiel einen servogeregelten orientierbaren Spiegel, über den die Orientierung des Strahles geregelt werden kann.
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Der Laserstrahl FT ist im allgemeinen auf die Erde und genauer gesagt auf einen festgelegten Punkt ausgerichtet. Der Satellit umfaßt herkömmlicherweise Mittel, die es ihm ermöglichen, sich in Bezug auf den Planeten, um den er umläuft, zu lokalisieren, z. B. einen Positionsfinder vom Typ GPS (für ”Global Positioning System”), und Mittel, die es ihm ermöglichen, seine Lage (Fluglage) in der Umlaufbahn zu bestimmen, z. B. einen stellaren Sensor. Ein System zur Bestimmung der Blick- oder Zielrichtung ist vorgesehen, um auf geometrisch-optischem Niveau die Überprüfung der Genauigkeit der Positionierung der diversen Elemente überprüfen zu können, die zusammenwirken, um die Emission des Strahles FT in eine festgelegte Zielrichtung D zu gewährleisten. Diese Überprüfung erfolgt z. B. mit Hilfe einer optischen Vorrichtung, die einen Teil des in die Richtung D gesendeten Laserstrahles FT zu einem Winkelpositionsaufnehmer zurücksendet, um es diesem Aufnehmer zu ermöglichen, jede Abweichung geometrischer Art zu messen, die an einem der mitgeführten Elemente auftritt, die zum Senden zusammenwirken.
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Bekanntlich ist die Genauigkeit der Positionierung der diversen zum Gewährleisten der Emission eines Laserstrahles in eine festgelegte Richtung zusammenwirkenden Elemente nicht ausreichend, um die Gültigkeit der unter Verwendung eines solchen Strahles durchgeführten Messungen zu gewährleisten. Es ist nämlich notwendig, Meßfehler radiometrischer Art zu berücksichtigen, die die Rückwärts-Signale beeinträchtigen können, die durch Reflexion oder Diffusion aus einem gesendeten Laserstrahl entstehen.
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Solche Fehler können insbesondere vorkommen, wenn das Blickfeld des Empfangskanals nicht auf die vom Laserstrahl beleuchtete Zone zentriert ist; in diesem Fall muß das Blickfeld überdimensioniert werden. Das erhaltene Rückwärtssignal kann sich dann deutlich von dem gesuchten unterscheiden, weil der terrestrische Untergrund beobachtet wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, die Abweichung der Laser-Sende- und Empfangskanäle eines LIDAR und insbesondere die Zentrierung des Empfangskanals auf den Rückwärts-Laserstrahl abzuschätzen. Diese Vorrichtung wird hier als Teil eines LIDAR angenommen, das mit einer Anordnung ausgestattet ist, welche ein optisches Teleskop enthält, wie schematisch in 1 gezeigt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können unterschiedliche Teleskope bekannten Typs verwendet werden, z. B. ein Teleskop vom Cassegrain-Typ mit Fokalkorrekturvorrichtung. Die betreffenden Elemente des Sendekanals sind die Mittel, die die Emission des Laserstrahles in die Richtung D gewährleisten, sie sind dargestellt durch die Laserquelle 1 und die Ausrichtvorrichtung 2 in 1. Die betreffenden Elemente des Empfangskanals sind gebildet durch optische Empfängermittel, denen Meßmittel zugeordnet sind. Die Empfängermittel sind vorgesehen, um die Auffangung des Laserstrahles zu ermöglichen, der vom Sendekanal herkommt, nachdem er an einem Echo reflektiert worden ist. Sie sind zum Beispiel um ein Photonensammelteleskop herum organisiert, das eingerichtet ist, um den Rückwärts-Laserstrahl auf die Meßeinrichtungen zu richten. Diese sind ausgebildet in Form eines oder mehrerer Meßaufnehmer wie etwa des Aufnehmers 3, bei denen in jedem wenigstens einer der im Rückwärts-Laserstrahl vorhandenen Komponenten aufgenommen ist.
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Im in 1 gezeigten Prinzipschema umfassen die Empfängermittel ein Teleskop mit einem konkaven Spiegel 4 vom Paraboltyp, der in die Zielrichtung D orientiert ist, wobei die Brennachse dieses Spiegels und die Zielrichtung D, wie von den Elementen des Sendekanals definiert, parallel sind. Die Meßmittel sind symbolisch dargestellt durch einen Meßaufnehmer 3, der hier als am Brennpunkt des Parabolspiegels plaziert angenommen wird, um die Komponente oder Komponenten des Rückwärts-Laserstrahles aufzufangen, deren Nutzung zu Meßzwecken vorgesehen ist. Wie oben angegeben, sind diese Messungen zum Beispiel Messungen der Windgeschwindigkeit, die von einem Meßaufnehmer eines räumlichen LIDAR realisiert werden, das organisiert ist, um Messungen in der Erdatmosphäre durchzuführen.
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Bei dem betrachteten Beispiel ist eine Fokalkorrekturvorrichtung 5 zwischen dem Aufnehmer 3 und dem Spiegel 4 angeordnet und auf die Brennachse dieses Spiegels 4 zentriert. Sie ist hier schematisch dargestellt durch eine Montage, die durch eine Sammellinse in Zuordnung zu einer Zerstreuungslinse gebildet ist, zu Zwecken der Fokussierung der empfangenen Rückwärts-Lasersignale auf den Aufnehmer 3.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Rückwärts-Lasersignale, die vom Boden oder ggf. von Trübungen und insbesondere von Wolken zurückgeworfen werden, zu nutzen, um die Ausrichtung von Sende- und Empfangskanal zu überprüfen. Dies wird dadurch möglich, daß der von einem Laserstrahl zurückgelegte Weg von einem Satelliten in der Umlaufbahn, an dem der Strahl gesendet worden ist, bis zu dem Moment, wo der gleiche Strahl durch ein Echo am Boden oder an einer atmosphärischen Trübung reflektiert wird, dem entspricht, den der reflektierte Strahl in entgegengesetzter Richtung zurücklegt.
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Es ist vorgesehen, das Blickfeld am Empfang möglichst weit zu begrenzen, um die mit dem Auffangen von störenden Untergrundsignalen durch den Meßaufnehmer 3 verbundenen Risiken weitestmöglich zu verringern. Eine zusätzliche Vorsichtsmaßnahme zum Beseitigen der anderen Störflüsse wird z. B. erreicht durch die Positionierung einer Drossel 6 von zylindrischer Gestalt, die auf die Brennachse des Spiegels zentriert ist, in der internen Zone des Teleskops, wo sich die Fokalkorrekturvorrichtung 5 und der Meßaufnehmer befinden.
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Erfindungsgemäß umfaßt die Bewertungsvorrichtung Hilfs-Meßmittel, über die die Zentrierung des Empfangskanals in Bezug auf den Rückwärts-Laserstrahl bestimmt werden kann. Die Orientierung des Rückwärtskanals ist gegeben durch die Brennachse des Spiegels 4, die mit dem Rückwärts-Laserstrahl FR fluchten soll. Wie oben angegeben, ist dieser Rückwärts-Laserstrahl derjenige, der durch Reflexion, durch Echo an einer Trübung oder ein Echo am Boden, des in Blickrichtung D emittierten Laserstrahles FT erhalten wird.
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Ein Beispiel einer Abwandlung der Bewertungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist in 2 schematisch für ein LIDAR gezeigt, dessen Quelle einen Laserstrahl FT erzeugen soll, der aus Komponenten mit unterschiedlichen Wellenlängen, z. B. einer Infrarotkomponente der Wellenlänge 1,06 μm und einer ultravioletten Komponente der Wellenlänge 0,35 μm (dritte Harmonische) zusammengesetzt ist. Hier wird angenommen, daß die Fokalkorrekturvorrichtung 5 in Bezug auf den Aufnehmer 3 so angeordnet ist, daß eine perfekte Korrektur für die im Rückwärtsstrahl FR enthaltene Ultraviolettstrahlung durchgeführt wird. Ein Ultraviolettbild UV in Form eines punktförmigen Fleckes, dessen Verteilung der des in 3 dargestellten glockenförmigen Signals entspricht, wird dann am Aufnehmer 3 erhalten.
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Bei einer Ausgestaltung wird die Fokalkorrekturvorrichtung eingesetzt, um ein Bild in Form eines punktförmigen Fleckes an einem Ende des Kernes einer optischen Multimode-Faser zu erzeugen, die als Eingangsschnittstelle des Aufnehmers 3 dient.
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Bei dem oben betrachteten Beispiel wird die in dem Rückwärtsstrahl FR enthaltene Infrarot-Strahlung von Dreh-Aberrationen an der Fokalkorrekturvorrichtung 5 zufällig beeinträchtigt, z. B. durch einen Fertigungsfehler, eine sphärische Aberration, einen axialen Farbfehler,...
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Dies führt dazu, daß das vom Infrarotsignal gebildete fleckartige Bild aufgeweitet wird und dem in 4 gezeigten IR-Signal mit schwingendem Verhalten entspricht. Wie gezeigt, ist ein Merkmal dieses Signals, daß es am Rand abrupte Flanken aufweist, was seine Erfassung vereinfacht. Bei der in 4 schematisch gezeigten Ausgestaltung erfolgt diese Erfassung an genauen Meßpunkten über eine Mehrzahl von Aufnehmern 7, die so organisiert sind, dass sie eine Bestimmung der prazisen Position des Randes des IR-Fleckbildes ermoglichen, welches der Infrarotstrahl hinter der Fokalkorrekturvorrichtung 5 bildet. Diese Aufnehmer 7 haben z. B. Eingangsschnittstellen, die jeweils durch ein Ende einer optischen Faser gebildet sind, die durch den Infrarotstrahl beleuchtet wird, wenn er wie vorgesehen positioniert ist. Jedes Faserende entspricht dann einem der oben erwähnten genauen Meßpunkte.
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Die eventuelle Dezentrierung des Empfangskanals in Bezug auf den Rückwartsstrahl FR führt zur Nichtbelichtung von Beleuchtung mancher Meßpunkte. Sie kann daher unter Berücksichtigung der Signalpegel bestimmt werden, die von den Aufnehmern 7 an den verschiedenen Meßpunkten je nach Belichtung, der sie ausgesetzt sind, erzeugt werden.
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Diese Bewertung kann zu Korrekturzwecken eingesetzt werden, wenn das LIDAR über Mittel verfugt, mit denen die Ausrichtung des Sende- und Empfangskanals in Bezug aufeinander korrigiert werden kann.
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Ausrichtungskorrekturen können erreicht werden durch eine Veranderung der Orientierung des vom LIDAR gesendeten Laserstrahles FT. Diese Veranderung kann die Folge einer Veranderung sein, die an wenigstens einem der Elemente vorgenommen wird, die zur Gewährleistung der Emission des Strahles FT in einer festgelegten Richtung DT zusammenwirken, z. B. durch eine Einwirkung auf die Ausrichtvorrichtung 2.
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Die Ausrichtungskorrekturen konnen auch erreicht werden durch Veränderungen der Orientierung des Teleskops oder wenigstens bestimmter seiner optischen Elemente wie z. B. des Spiegels 4. Sie konnen auch erreicht werden durch eine Verschiebung des oder der Aufnehmer, insbesondere durch eine seitliche Verschiebung des Messaufnehmers 3. Dann kann ein Teleskop eingesetzt werden, bei dem hinter der Laserquelle keine Ausrichtvorrichtung 2 vorgesehen ist. Es scheint jedoch, dass in den meisten Fällen eine Einwirkung in Höhe der Ausrichtvorrichtung 2 in Anbetracht der üblichen Einfachheit einer derartigen Vorrichtung leichter zu realisieren ist.
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Bekanntlich ist es im Fall eines Vier-Quadranten-Detektors möglich, die Abweichung des Flecks des empfangenen Infrarotsignals IR in Bezug auf die theoretische Position, die er in der Mitte des Detektors einnehmen sollte, zu bestimmen, wie in 6 schematisch gezeigt. Es ist möglich, durch Berechnung die Abweichung entlang der Abszisse und Ordinate der Ebene, in der sich der Fleck auf dem Detektor bildet, zu bestimmen, wobei diese Bestimmung unter Berücksichtigung des Niveaus I der von den vier Einzeldetektoren gelieferten Signale erfolgt, die den Vier-Quadranten-Detektor bilden. Wenn I1, I2, I3 und I4 die Pegel der von diesen vier Detektoren gelieferten Signale sind, ist die Abweichung, die zur Dezentrierung entlang der Bezugsachsen des Detektors führt gleich (I1 + I3) – (I2 + I4) für die eine und (I1 + I2) – (I3 + I4) für die andere. 5 zeigt eine herkömmliche Ausrichtungsbewertungsvorrichtung zur Verwendung des Vier-Quadranten-Detektors gemäß 6.
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Die Ergebnisse der Messungen, durch die die Dezentrierung des Rückwärtsstrahles in Bezug auf seine theoretische Position charakterisiert wird, werden dann berücksichtigt, um auf die oben erwähnten Mittel einzuwirken, mit denen jede benötigte Orientierungsänderung zu Zwecken der Ausrichtungskorrektur wie oben in der Beschreibung angegeben durchgeführt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Konfiguration ermöglicht vorteilhaft eine Auswertung peripherer Bereiche der empfangenen Strahlung zur Realisierung einer Ausrichtungsbewertung, ohne dass gleichzeitig eine unnötige Dämpfung desjenigen Teils des Ruckwarts-Laserstrahls stattfindet, der durch die Haupt-Messmittel ausgewertet werden soll. Die Möglichkeit zur Auswertung der peripheren Anteile des Rückwärts-Laserstrahls für die Ausrichtungsbewertung benötigt vorteilhaft keine als teildurchlässige Spiegel ausgebildeten Strahlteilermittel, vielmehr wird eine Separierung der unterschiedlichen Anteile des Ruckwärts-Laserstrahls vorteilhaft allein durch die erfindungsgemäße Anordnung der Fokalkorrekturvorrichtung, des Parabolspiegels und der Aufnehmer zueinander bewirkt.
