DE1279343B

DE1279343B - Optischer Entfernungsmesser

Info

Publication number: DE1279343B
Application number: DES93669A
Authority: DE
Inventors: Roland Albert Sugier
Original assignee: Sud Aviation Societe Nationale de Constructions Aerdnaettiques
Current assignee: Sud Aviation Societe Nationale de Constructions Aerdnaettiques
Priority date: 1963-10-18
Filing date: 1964-10-08
Publication date: 1968-10-03
Also published as: GB1031790A; US3325647A; FR1396327A; NL148702B; NL6412109A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

GOIc

Deutsche Kl.: 42 c -17/15

P 12 79 343.0-52 (S 93669)

8. Oktober 1964

3. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft einen optischen Entfernungsmesser mit einer Lichtquelle zur Beleuchtung eines Meßobjektes und einem Organ zur periodischen Abblendung der Lichtquelle, welches durch ein Zahnrad von F i ζ e a u oder ein äquivalentes Organ gebildet wird, sowie mit zwei Fotozellen zur Aufnahme des vorn Meßobjekt reflektierten Lichtes, wobei die Fotozellen auf einem vor einem Visierfenster des Entfernungsmessers durch einen Elektromotor verschiebbaren Schlitten nebeneinander angeordnet sind.

Grundsätzlich besteht die optische Entfernungsmessung darin, den Abstand h eines Meßobjektes von einer das Meßobjekt beleuchtenden Lichtquelle dadurch zu messen, daß man die von dem Meßobjekt reflektierten Strahlen in einem Punkt aufnimmt, der in einer Entfernung d von der Lichtquelle längs einer zu der Verbindungslinie zwischen der Lichtquelle und dem Meßobjekt senkrechten Geraden angeordnet ist. Die reflektierten Strahlen bilden mit dieser Geraden einen Winkel, wobei gilt:

Optischer Entfernungsmesser

tan α = -7-. a

Ist daher der Winkel « und der Abstand d, der eine Konstante des Entfernungsmessers ist, bekannt, so kann der Abstand h des Meßobjektes von der Lichtquelle ohne weiteres berechnet werden. Die optische Entfernungsmessung läuft also auf die Messung des Winkels u hinaus. Um ein hinreichend genaues Ergebnis der Entfernungsmessung zu erreichen, werden an die Genauigkeit der Winkelmessung hohe Anforderungen gestellt, da der Winkel α üblicherweise nur wenig kleiner als 90° ist und kleine 1 α bereits große 1 tan α bringen, damit auch große. J h.

Das einfachste bekannte Verfahren zur Messung des Winkels u besteht darin, die Lage des Mittelpunktes des an dem Aufnahmepunkt erhaltenen, von dem Meßobjekt reflektierten Lichtes durch Benutzung einer Fotozelle zu bestimmen, die in der Brennebene des optischen Aufnahmesystems verschiebbar ist, um die Stellung festzulegen, in der die Beleuchtung der Fotozelle am größten ist. Eine derartige Anordnung besitzt jedoch zwei die Genauigkeit erheblieh beeinträchtigende Nachteile. Einerseits ändert sich im Bereich des Maximums der Beleuchtungsstärke diese bei kleinen Abweichungen auch nur gering, wodurch eine Festlegung auf den genauen Winkel erheblich erschwert wird. Zum anderen kann das Meßobjekt, dessen Entfernung gemessen werden soll, von Lichtquellen beleuchtet sein, die in verAnmelder:

SUD-AVIATION Societe Nationale de

Constructions Aeronautiques, Paris

Vertreter:

Dipl.-Phys. Dr. W. Andrejewski, Patentanwalt,

4300 Essen, Kettwiger Str. 36

Als Erfinder benannt:
Roland Albert Sugier, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 18. Oktober 1963 (951 043)

schiedenen Raumpunkten zusätzlich zu der Lichtquelle des Entfernungsmessers vorhanden sind. Damit verbunden ist zwangläufig eine Verfälschung des Meßergebnisses. Eine Eliminierung der zuletzt genannten Fehlerquelle erreicht man dadurch, daß das Meßobjekt durch eine periodisch abgeblendete Lichtquelle beleuchtet wird. Der von eventuell zusätzlichen Lichtquellen herrührenden konstanten Beleuchtung der Fotozelle ist dann die periodisch wechselnde Beleuchtung, herrührend von der Lichtquelle des Entfernungsmessers, überlagert. Die Fotozelle liefert eine Spannung, die aus einer Gleichspannung und einer dieser überlagerten Wechselspannung besteht, und zur Festlegung des Winkels, der der Entfernung des Meßobjektes entspricht, wird nur die Wechselkomponente der Spannung der Fotozelle verwendet. Zur Verbesserung der Einstellgenauigkeit und damit zur Verringerung des zuerst genannten Nachteils ist es bekannt, an Stelle einer einzigen Fotozelle zwei benachbarte Fotozellen zu verwenden. Bei den bekannten optischen Entfernungsmessern wird in Abhängigkeit von der Differenz der beiden von den Fotozellen abgegebenen Spannungen die Einstellung vorgenommen. Nachteilig ist dabei, daß im richtigen Einstellwinkel die von den beiden Fotozellen abgegebenen Spannungen gleiche Phasenlage und gleiche Amplitude haben. Im richtigen Einstellwinkel ist die Differenz gleich Null, der Wert der Differenz ändert sich im Bereich nahe des richtigen Einstellwinkels jedoch nur geringfügig, so daß die Genauigkeit der Einstellung zu wünschen übrigläßt. Bei einer anderen bekannten

Ausführungsform eines optischen Entfernungsmessers arbeiten die beiden Fotozellen mit unterschiedlichen Frequenzen. Dadurch wird zwar selbst in unmittelbarer Nähe des exakten Einstellungswinkels mit einem höheren Signalkegel gearbeitet, aber die Einrichtungen zur Kombination der von den beiden Fotozellen abgegebenen Spannungen sind zwangläufig sehr breitbandig, da sie die Frequenzen beider /· Spannungen gleichzeitig passieren lassen müssen. Diese Ausführungsformen haben daher einen relativ hohen Störpegel, und das Verhältnis von Signalpegel zu Störpegel ist unbefriedigend.

Im übrigen ist es bekannt, die Beleuchtung über eine Fotozelle dadurch zu messen, daß die von einer Fotozelle abgegebene Spannung einer synchronen Detektion unterworfen wird. Auch ist es bekannt, zur synchronen Detektion eines Informationssignals, dessen Phasenlage unbekannt ist, das Bezugssignal über einen veränderlichen Phasenschieber dem Synchrondetektor zuzuführen. Die an sich bekannten Verfahren der synchronen Detektion haben die Ausgestaltung eines optischen Entfernungsmessers jedoch nicht beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Entfernungsmesser so auszugestalten, daß eine sehr genaue Messung des Winkels α und damit eine genaue Messung der Entfernung erzielt werden kann.

Die Erfindung besteht darin, daß ein Generator zur Erzeugung des Differenzsignals der Beleuchtung der beiden Fotozellen angeordnet ist, ferner eine Quelle zur Bildung eines Bezugssignals, welches zur periodischen Beleuchtung des Meßobjektes synchron und phasengleich ist, sodann ein Synchrondetektor, welcher die Signale dieses Generators und dieser Quelle empfängt und dessen Ausgangsgröße zur Steuerung des zum Antrieb des Schlittens in der Steuerzone angeordneten Elektromotors vorgesehen ist, schließlich eine lokale Stromquelle zur Steuerung des Elektromotors zum Aufsuchen dieser Steuerzone und einer Einrichtung zur wahlweisen Verbindung des Elektromotors mit dem Synchrondetektor oder · mit der Stromquelle. Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung eines optischen Entfernungsmessers wird erreicht, daß in unmittelbarer Nähe des exakten Einstellungswinkeis noch genügend große Signale für die genaue Einstellung abgegeben werden. Es ist natürlich auch möglich, bei einem optischen Entfernungsmesser nach Lehre der Erfindung den Elektromotor zum Antrieb des Schlittens über den gesamten Verschiebeweg dieses Schlittens von der Ausgangsgröße des Synchrondetektors zu steuern, also auf die Einteilung des Verschiebeweges in eine mittlere Steuerzone und zwei gleich große Randzonen zu verzichten. Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen optischen Entfernungsmesser im Detail zu gestalten. So ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß der Generator zur Erzeugung des Differenzsignals zur Beleuchtung der beiden Fotozellen durch zwei Transformatoren gebildet wird, deren Primärwicklungen mit den Fotozellen verbunden sind, während die in Reihe und gegeneinander geschalteten Sekundärwicklungen mit einem Verstärker mit automatischer Steuerung der Verstärkung und einem Bandfilter verbunden sind, welcher das Differenzsignal verstärkt und mit dem Synchrondetektor verbunden ist. Eine Möglichkeit zur Bildung des Bezugssignals besteht darin, daß die Quelle zur Bildung des Bezugssignals durch eine dritte Fotozelle gebildet wird, welche entweder durch einen Teil des auf das Meßobjekt gerichteten Lichtes oder durch ein in Phasenbeziehung mit diesem modelliertes Licht beleuchtbar ist. Bei einem optischen Entfernungsmesser nach Lehre der Erfindung, bei welchem das Abblendglied rotiert und durch ein Zahnrad oder einen mit Schlitzen versehenen Zylinder mit geschlossenen und offenen, je einander gleichen Zonen läßt sich das Bezugssignal vorteilhaft dadurch gewinnen, daß die Bezugssignalquelle durch einen Wechselstromgenerator'gebildet wird, welcher auf der Antriebswelle des Abblendgliedes befestigt ist und dessen Polpaarzahl gleich der Zahl der offenen Zonen ist. Nach weiterer Ausbildung der Erfindung ist ein optischer Entfernungsmesser dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Verbindung des Elektromotors mit dem Synchrondetektor oder der Stromquelle von Hand betätigbar ist und durch einen Umschalter gebildet wird, dessen gemeinsamer Kontakt mit dem Elektromotor verbunden ist. Zur Verwirklichung der Aufteilung des Verschiebeweges des Schlittens in eine mittlere Steuerzone und zwei gleich große Randzonen lehrt die Erfindung, eine Vorrichtung zur Lieferung einesdie Steuerzone begrenzenden Signals vorzusehen, welcher ein polarisiertes Relais speist, dessen mit dem Elektromotor des Schlittens verbundener beweglicher Kontakt als Verbindungseinrichtung gestaltet ist. Eine besondere Ausführungsform ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Begrenzung der Steuerzone durch einen

eine Phasenverschiebung von -γ herstellenden Phasenschieber gebildet wird, welcher die Signale der Bezugssignalquelle empfängt und sie einem zweiten Synchrondetektor zuführt, welcher außerdem die Signale des Verstärkers mit Bandfilter empfängt, und daß dieser zweite Synchrondetektor mit der Spule des polarisierten Relais verbunden ist, bei welchem der eine feste Kontakt mit dem Ausgang des ersten Synchrondetektors und der andere feste Kontakt mit der örtlichen Stromquelle verbunden . ist. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Begrenzung der Steuerzone durch einen

eine Phasenverschiebung von -y herstellenden Phasenschieber gebildet, welcher die Signale der Bezugsignalquelle empfängt und sie einem zweiten Synchrondetektor zuführt, welcher außerdem die Signale des Verstärkers mit Bandfilter empfängt, wobei die beiden Synchrondetektoren Brückendetektoren speisen, deren Ausgänge mit einem Addierer verbunden sind, welcher das polarisierte Relais speist, von welchem ein fester Kontakt mit dem Ausgang des ersten Synchrondetektors und der andere feste Kontakt mit der örtlichen Stromquelle verbunden ist. Vorteilhaft kann es auch sein, den Ausgang eines jeden Synchrondetektors unmittelbar mit einem die Signale vor ihrer Verarbeitung filternden Tiefpaß zu verbinden. Dabei kann zur Filterung der Signale vor ihrer Verarbeitung ein Kondensator den Antriebsmotor des Schlittens oder das polarisierte Relais überbrücken. Schließlich ist vorgesehen, daß der Elektromotor mit einem Dauermagneten ausgerüstet ist.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß bei dem erfindungs-

gemäßen optischen Entfernungsmesser auch noch in unmittelbarer Nähe des exakten Einstellungswinkels für die Einstellung auf den genauen Wert hinreichend große Signale vorhanden sind, die weder durch von anderen Lichtquellen herrührende Beleuchtung der Fotozellen noch durch andere Störgrößen beeinträchtigt werden. Im Ergebnis ist damit ein optischer Entfernungsmesser verwirklicht, der eine extrem genaue Einstellung des Winkels α und damit eine genaue Bestimmung der Entfernung des _m Meßobjektes vom Entfernungsmesser ermöglicht.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert; es zeigt

F i g. 1 ein Schema zur Erläuterung des optischen Entfernungsmessers,

F i g. 2 eine Ausführungsform eines Modulators der von der Lichtquelle des Entfernungsmessers gelieferten Beleuchtung,

F i g. 3 eine andere Ausführungsform des Gegen-Standes nach F i g. 2,

F i g. 4 die verschiedenen aufeinanderfolgenden Stellungen- welche die Fotozellen zur Beobachtung des Bildes in bezug auf die mit dem empfangenen Bild zusammenfallende Bezugsfotozeile einnehmen können,

F i g. 5 den zeitlichen Verlauf der von den drei Fotozellen in den aufeinanderfolgenden Stellungen entsprechend der F i g. 4 empfangenen Beleuchtungen und in/ /ede dieser Stellungen die Grundkomponente der vol den Zellen gelieferten Spannung,

F ' g 6 tei Verlauf des Signals der B'eleuchtungsdifieien" * ί ien den Beobachtungszellen bei ihrer Versth »Lwrp »1 Hie aufeinanderfolgenden Stellungen gemäß " ι ^

F1 _L 7 »t* einer synchronen Detektion unterworfc ^Ki ι η ch Fi g. 6,

F1 * 8 e»ner synchronen Detektion unter-

worki ^r *v*ch Fig. 6. wobei das Oer^-Tv-

signa ι ι ^f^ η der Phase verschoben isi,

F1 g Q I solutweri den Signals nach F i y. /,

F ι i ' \^h jluiwen des Signals nacli F; fe. '·}_,

F1 £ I» Signal, das gleich der Summe c'er Signa £, 9 und 10 ist,

F ι £ I ι γ «lidtisch eine Einbauart der Bezugsfonuük,

Fig. 13 scliematisch eine erste Ausfünrungsform eines optische Entfernungsmessers,

f^; i g. 14 stm erste Abwandlung des Schemas nach Fig. 13,

Fig. i? Ui; Schaltung eines SyncliiOndetektofs luv! _;i_c:; zugehörigen Tiefpasses,

j ig. ·; ar,d 17 zwei wehere AbYViüid.i'Jiijj?n des Schemas jiacii Fig. 13,

F- ig.!? i-;f-,;matisch eine zweite Ausführung"'onri ein·.-:, optisch-:: ■ Entfernungsmessers,

Fig. 19 i-i"..rmatisch eine- dritte Ausführengsfcrm envs opiiscLx-".:= Entfernungsmessers,

F i g. 20 al:. Schaltung eines in der Anordnung der F i g. ; 0 ^nutzbaren flrückendetektori,

F i g. 21 Ä<±ematisch eine aridere Ausführungsforni der Be2H£\;s'"giialquelle und

F i g. 22 schematisch eine Vorrichtung zur Anzeige der Entfernung des Meßobjektes.

Wenn, wie in F i g. 1 dargestellt, eine Lichtquelle S ein in der Nähe der Brennebene F₁ einer Linse oder , eines Linsensystems L₁ angeordnetes Fester AOB be- > leuchtet, liefert die Linse oder das Linsensystem L₁ auf einem gegebenen Meßobjekt T ein reelles Bild A₁O₁B₁ des Fensters AOB. Eine zweite Linse oder ein zweites Linsensystem L₂, welches in der Nähe von der Linse oder dem Linsensystem L₁ angeordnet ist, bildet von dem reellen Bild ^₁O₁S₁ ein Bild A₂O₂B₂ in der Brennebene F₂ der Linse oder des Linsensystems L₂. Wenn die Gerade, welche die optischen Mittelpunkte C₁ und C₂ der Linsen bzw. der Linsensysteme L₁ und L₂, welche einen gegenseitige;! Abstand von d haben, senkrecht auf der Aussendungsrichtung des Lichtes steht, und wenn 0O₁ die optische Hauptachse der Linse oder des Linsensystems L₁ ist, ist das Dreieck C₂C₁O₁ rechteckig, und man erhält die Beziehung

oder auch

-J-γτ- = tan O₁C₂ C₁

L₂C,

tan a -- -r ,
d

worin α der Winkel

O₁C₂C₁

und h der zu messende Abstand O₁C₁ ist. d ist die Basis

Die optische Entfernungsmessung läuft auf die MessifKg des Winkels « hinaus.

Hierfür wird in an sich bekannter Weise eine Vorrichtung zur -Modulation des von der Lichtquelle S ausgesandten Lichts benutzt, welches z. B. durch ein Zahrraö ⁽ⁱ oder einen aiii: Schlitzen 3 versehenen Zyünds:· 1- ™hi;d-:!i wird, wie in F ig. 2 und 3 dargestellt, wobei die Breiten I eier geschlossenen Zonen •md f de; offenen Zonen je einander gleich sind. Dieser Modulator wird durch einen Motor 4 mit honT-tsn.ief oder praktisch konstanter Drehzahl in Umdrehung versetzt und so angeordnet, daß er periodisch das Fenster AOB abblendet und freilegt, n'ie i;e! R. hi F i g. 1 angegeben.

W>.iin :ich der Modulator in der Richtung des Ρίϊϋϊΐ / bewegt, wird offenbar der Punkt A des Fensters AOB vor dem Punkt JS frei gelegt. Auf dem Bild /I₅O₂S₂ empfängt der Punkt A₂ eine zeitlich veränderliche Beleuchtung, deren Phase der ebenfalls zritHch veränderlichen Beleuchtung des Punktes B₂ vorauseilt. Wenn hinter dem Bild AO₂B₂ zwei nebeneinanderliegende Fotozellen S₁ und S₂ angeordnet ■■vöKieri, weiche praktisch iamtiscb und gleichzeitig veischiebüch sind, und unter der Annahme, daß mau ci;.s ddite virtselk Fotmuls S₂ ünbringen kart
welche die gleiche Breise wie das Bild A₂O₂C₂ '<*'" u;^-..d cena:: mit diesera zusapsisepßllt, werden
gegenseitigen möglichen Stellungen (I -bis VlIt <.'
Gruppe der beweglichen Fotoz^Hf π S₁ un<3 S₂ in h: \
auf (lie Zsile S₃, welche dann ortsfest ist, durch ü:l;» ScheiTüi d?r F i g. 4 angegeben.

Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf eier üeleuchtungskurve E₃ der Fotozelle S₃ sowse der Grundkoinpofi-KKe V₃ der vci; dieser Fotozelle S₃ gelieferten elektrischen Spannung und für die verseil« 'denen hi Fig. 4 dargestellten gegenseitigen Stellungen I bis VIi von S, und S₂ in bezug auf S₃ der Beleuchtimgskurven E₁ bzw. E₂ der Fotozellen S₁ bzw. S₂ sowie der Gi'undkomponeiiten V₁, V₂ der von diesen Zellen gelieferten elektrischen Spannungen. Alle diese Kur-

ven sind periodische Funktionen gleicher Frequenz und als Funktion ihres Winkels dargestellt.

Man sieht dann, daß, da die Fotozelle S₃ in bezug auf das Bild ^I₂O₂B₂ feststeht, die Funktion V₃ für alle diese Stellungen identisch zu sich selbst bleibt. Für die Fotozellen S₁ und S₂ erhält man dagegen

in Stellung I:
V₁ und V₂ sind Null;

in Stellung II:

V₁ eilt gegen V₃ um -^- nach, und seineAmplitude

ist gleich γ I V₃\, V₁ ist Null;

in Stellung III:

V₁ ist in Phase mit V₃, und seine Amplitude ist gleich I V₃\, V₂ ist immer noch Null;

in Stellung IV:

V₁ eilt um -|- gegen V₃ vor. V₂ eilt gegen V₃ um -|- nach. Die Amplituden von V₁ und V₂ sind einander gleich und gleich -j-1 V₃\;

in Stellung V:

V₁ ist Null. V₂ ist in Phase mit V₃ und hat die gleiche Amplitude wie dieses;

in Stellung"Vl:

V₁ ist Null. V₂ eilt gegen V₃ um 4- vor und

hat die halbe Amplitude;

in Stellung VII:
" V₁ und V₂ sind von neuem beide Null.

Aus dem Vergleich der Fig.4 mit den Kurven der F i g. 5 geht hervor, daß für die Stellung IV die Beleuchtungen der Beobachtungszellen · S₁ und S₂ sich zwar zeitlich in gleicher Weise periodisch ändern, daß aber die Beleuchtung der Fotozelle S₁ der Phase nach gegen die ■ Beleuchtung der Fotozelle S₂ um -j- voreilt. Diese Eigenschaft wird ausgenutzt, um die Steuerung der Verschiebung der nebeneinanderliegenden Fotozellen S₁, S₂ vorzunehmen, bis der Mittelpunkt der durch sie gebildeten Anordnung mit dem Mittelpunkt O₂ des empfangenen Bildes A₂O₂B₁ zusammenfallt. Hierfür werden erfindungsgemäß die von den Fotozellen S₁ und S₂ gelieferten Signale miteinander kombiniert, worauf dieses Ergebnis mit dem von der Fotozelle S₃ gelieferten Signal kombiniert wird.

Die durch einfache Substraktion erhaltene Kombination K[V₁ und V₂) ergibt ein Signal, welches die Differenz zwischen den Beleuchtungen der Fotozellen S₁ und S₂ bei ihrer Verschiebung aus der Stellung I in die Stellung VII darstellt und dessen Amplitude in der Stellung I Null ist (s. Fig. 5), einen Höchstwert A in der Stellung III erreicht, in der Stellung II

durch — geht, in der Stellung IV zu 0,7 A zurückkehrt, in der Stellung V wieder auf A kommt, in der Stellung VI wieder den Wert -^ annimmt und

in der Stellung VII von neuem zu Null wird. Seine Veränderung wird durch die Kurve D der F ig. 6 dargestellt. Wenn man eine Demodulation ohne Phasenverschiebung vornimmt, d. h. eine synchrone Detektion dieses Signals K (V₁ und V₂). indem man als Bezugsgröße das von der Fotozelle S₃ gelieferte Signal V₃ benutzt, erhält man nach Ausscheidung der in das erhaltene Signal, welches das Produkt der Signale K (V₁ und V₂) und V₃ ist, eingehenden periodischen Ausdrücke durch einen beliebigen Stromkreis mit hoher Zeitkonstate ein kontinuierliches Signal, dessen Verlauf durch die Kurve G der F i g. 7 dargestellt ist. Dieses Signal eignet sich offenbar sehr gut als Fehlerspannung für die Steuerung eines Steuermotors, welcher die Anordnung des Systems in die gewünschte Stellung IV bringen und in dieser halten soll, da es ja in dieser Stellung IV zu Null wird und ein Vorzeichen besitzt, welches von dem Sinn der Abweichung von dieser Stellung abhängt.

Wenn man eine synchrone Detektion dieses Signals K (V₁ und V₂) vornimmt, indem man als Bezugsgröße nicht mehr das von der Fotozelle S₃ geieferte Signal V₃, sondern ein Signal benutzt, welches gegenüber diesem um 90° in der Phase verschoben ist und mit

⁺Tj bezeichnet wird, so erhält man nach Ausscheidung der periodischen Ausdrücke in der oben angegebenen Weise ein anderes kontinuierliches Signal, dessen Amplitude und Vorzeichen sich jedoch in der durch die Kurve H der F i g. 8 angegebenen Weise ändern. Wie man sieht, ist dieses Signal in der ganzen Zone der Stellungen III — IV — V positiv und wird in der Stellung IV nicht Null. Ein derartiges Signal ist durchaus zur Definition einer Zone geeignet, in welcher das System seine Steueraufgabe erfüllen kann, da bei gleichzeitiger Benutzung der synchronen Detektion mit dem Signal V₃ das in F i g. 7 dargestellte Steuersignal, dessen Zeichen von dem Sinn der Abweichung von der gewünschten Stellung IV abhängt, in dieser Zone III — IV — V eine praktisch zu dieser Abweichung proportionale Amplitude besitzt. Bekanntlich ist ein Sanchrondetektor ein System, welchem ein periodisches Signal E (r) mit der Periode T und ein Bezugssignal zugeführt werden, welches die gleiche Periode hat, aber gegenüber dem ersten um β phasenverschoben ist. Dieses System kann ein Signal liefern:

D„ = ~

F₊,

T+H

/£(r)df- /*E(f)di

T⁺"

dessen Mittelwert D Detektionssignal genannt ist. Bei einer synchronen Detektion mit einer Phasenverschiebung von 90° erhält man für den Mittelwert D des Signals

¥♦<■

/£(f)df- JE(t)dt

Man kann auch andere Kombinationen der von den Fotozellen S₁ und S₂ gelieferten Signale benutzen.

So kann man, wenn man die Steuerzone von der Stellung I bis zu der Stellung VII erweitern will, folgende Kombination vornehmen:

Man nimmt den durch die Kurve J der F i g. 9 dargestellten Absolutwert des Signals der F i g. 7 und hierauf den durch die Kurve K der Fig. 10 dargestellten Absolutwert des Signals der F i g. 8. Man addiert diese Absolutwerte, was das durch die Kurve Ai der F i g. 11 dargestellte Signal ergibt.

Diese Lösung bietet den Vorteil, den Steuerbereich zu vergrößern, obwohl zwischen den Stellungen I und III und den Stellungen V und VII die durch die Kurve G der Fig. 7 dargestellte Steuerspannung nicht mehr zu der Abweichung proportional ist. Sie hat jedoch den Nachteil eines größeren Aufwands, welcher nicht immer wirtschaftlich gerechtfertigt ist.

F i g. 12 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Beleuchtung der Bezugszelle S₃ in Phase mit der Be- leuehtung des Meßobjekts. Die die Lichtquelle S bildende Lampe ist mit einem Konkavspiegel 5 kombiniert, in dessen Brennpunkt sie angeordnet ist. Dieser Spiegel wirft den größten Teil des Lichts in die Richtung der Linse oder des Lihsensystems L₁ mit dem optischen Mittelpunkt C₁. Das Lichtbündel tritt durch eine mit einem Fenster AOB versehene Blende D₁ nach periodischer Abblendung durch eine Trommel 2 mit Schlitzen 3 der in F i g. 3 dargestellten Art, welche sich in der Richtung des Pfeiles / dreht. Die obige Anordnung ist der in Fig. 1 dargestellten Sendeanordnung gleichwertig.

Zur Herstellung des Bezugssignals wird die Fotozelle S₃ hinter einer Blende D₂ angeordnet, welche mit der Blende "D₁ identisch ist und in bezug auf die Trommel 2 dieser diametral gegenüberliegt. Diese Blende empfängt einen geringen Teil des von der Lichtquelle S ausgesandten Lichts durch ein kleines in dem Spiegel 5 angebrachtes Loch 6. Die Beleuchtung der Fotozelle S₃ ist daher tatsächlich mit der des Hindernisses synchron und in Phase. 3a

Die F i g. 13 bis 20 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen optischen Entfernungsmessers unter Benutzung entweder der Kombination der.Signale der Fig. 7 und 8 (Fig. 13) oder nur des Signals der F i g. 7 (F i g. 18) oder schließlich der Kombination des Signals der F i g. 7 mit dem der Fig. 11 (Fig. 19).

Bei der in Fi g. 13 dargestellten Ausführungsform sind die Fotozellen S₁ und S₂ an einem Schlitten 7 angebracht, welcher vor dem optischen Empfangssystem L₂ mittels einer Schraubenspindel 8 verschieblich ist, welche mit dem Schlitten im Eingriff steht und von einem den Steuermotor 9 bildenden Motor angetrieben wird.

Die von den Fotozellen S₁ und S₂ gelieferten Signale speisen Transformatoren 10 bzw. 11, deren Sekundärwicklungen in Reihe und gegeneinandergeschaltet sind, so daß sie ein Ausgangssignal K(V₁ und V₂) liefern. Dieses. Signal wird einem Verstärker 12 mit automatischer Steuerung der Verstärkung zugeführt, welcher den Pegel desselben erhöht. Zur Verringerung des Einflusses der Störungen weist der Verstärker eine Filterung auf, welche z. B. 8 ±0,8 kHz durchläßt. Dieser Verstärker 12 mit Bandfilter kann entweder ein gewöhnlicher aperiodischer Verstärker mit nachgeschaltetem Bandfilter oder ein Verstärker mit einem abgestimmten Stromkreis sein.

Das Ausgangssignal dieses Verstärkers 12 gelangt gleichzeitig in zwei Synchrondetektoren. Der erste, 13, wird unmittelbar von dem von der Fotozelle S₃ gelieferten Signal V₃ erregt und liefert an seinem Ausgang das Signal K (V₁ und V₂) nach Detektion durch V₃, wie dies durch die Kurve G der F i g. 7 dargestellt ist. Der zweite Detektor 14 wird durch das Signal V₃ über einen Phasenschieber 15 erregt, welcher eine

Phasenverschiebung von 4- erzeugt und z. B. durch einen Kondensator 16 gebildet wird. Dieser Detektor 14 liefert an seinem Ausgang das Signal K (V₁ und V₂) nach Detektion durch (^+^"j » wie dies durch die Kurve H der F i g. 8 dargestellt ist. Das Ausgangssignal von 14 speist ein polarisiertes Relais 17, welches nur auf der positiven Welle dieses Signals arbeitet. Das Relais 17 dient zur Speisung des Motors 9 zur Verschiebung des die beiden Fotozellen S₁ und S₂ tragenden Schlittens 7.

Wenn die Fotozellen S₁ und S₂ außerhalb der Steuerzone liegen, d. h. außerhalb der Stellungen III bis V, befindet sich das Relais 17 in Ruhe. Der Motor 9 wird mit konstanter Spannung mittels einer äußeren Spannungsquelle 18 gespeist, welche mit dem festen Kontakt b des Relais 17 verbunden ist, welcher seinerseits mit dem Motor 9 durch den beweglichen Kontakt P verbunden ist. Der.Motor dreht sich dann in einem gegebenen Sinn mit konstanter Drehzahl. Wenn sein Drehsinn dann so ist, daß sich der Schlitten 7 von der zwischen den Stellungen III und V der Fotozellen S₁ und S₂ liegenden Steuerzone entfernt, setzt er seine Bewegung fort, bis der Schlitten 7 in an sich bekannter Weise auf einen Endanschlag trifft, welcher mit einem Umschalter versehen ist, welcher den Drehsinn umsteuert und die Zellen S₁ und S₂ zu der Steuerzurückschickt. Sobald der Schlitten in die Steuerzone entweder durch die Stellung III oder durch die Stellung V eintritt, schaltet das Relais 17 ein und speist den Motor 9 des Schlittens 7 durch Anlage des beweglichen Kontakts P an dem mit dem Ausgang des Synchrondetektors 13 verbundenen festen Kontakt' α unter der durch V₃ einer Detektion unterworfenen Steuerspannung K (V₁ und V₁). Der Schlitten 7 bleibt dann in der gewünschten Stellung IV stehen. Zur Vereinfachung weist der Steuermotor 9 die Bauart mit Dauermagnet auf. Die Anordnung wird noch verbessert, wenn an dem Ausgang der Synchrondetektoren 13 und 14 Tiefpässe 19 und 20 (Fig. 14) vorgesehen werden, welche die Welligkeit der zur Speisung entweder des Motors 9 oder des Relais 17 bestimmten Gleichspannungen zum Verschwinden bringen.

Jeder Synchrondetektor 13 oder 14 kann in der in Fig. 15 dargestellten Weise ausgeführt werden. Dieser Detektor enthält einen Transformator 23 mit einer einzigen Primärwicklung 24, welcher das von der Fotozelle S₃ oder dem eine Phasenverschiebung

von -j erzeugenden Phasenschieber 15 gelieferte Bezugssignal zugeführt wird. Er besitzt ferner zwei Sekundärwicklungen 25 und 26. Die Sekundärwicklung 25 ist an einem Ende mit dem gemeinsamen Punkt von zwei Transistoren 27 und 28 und mit ihrem anderen Ende mit den Basiselektroden dieser Transistoren verbunden.

Die Filterung der von den Synchrondetektoren 13 und 14 gelieferten Signale vor der Benutzung kann anstatt mittels der Tiefpässe 19 und 20 auch mit Hilfe eines das polarisierte Relais überbrückenden Kondensators 21 (Fi g. 16) oder eines den Motor 9 überbrückenden Kondensators 22 (F i g. 17) erfolgen.

Wenn man nur die Steuerung des Steuermotors 9 ohne Begrenzung der Stfuerzone vornehmen will, wird die Schaltung der F ig. 13 entsprechend F i g. 18 verändert, in welcher die gleichen Teile wie in F i g. 13 mit dem gleichen Bezugszeichen und dem Index a bezeichnet sind. Das polarisierte Relais 17 sowie der

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Phasenschieber 15 und der Synchrondetektor 14 fallen dann fort. Der Ausgang des Synchrondetektors 13a kann an den Steuermotor 9 mittels eines Umschalters 33 so angelegt werden, daß der Steuermotor entweder mit der von dem Detektor 13a gelieferten Spannung oder mit der Spannung der Hilfsspannungsquelle 18 gespeist wird, um den die Fotozellen S₁ und S₂ tragenden Schlitten schrittweise bis zu dem Augenblick zu verstellen, in welchem der Motor stehen-' bleibt, was dem Wert Null des Signals der F i g. 7 für die gewünschte Stellung TV entspricht.

Falls gleichzeitig das Signal der F i g. 7 zur Steuerung und das Signal der Fig. 11 zur Begrenzung einer verbreiterten Steuerzone benutzt werden sollen, wird die Schaltung der Fig. 13 in der in Fig. 19 dargestellten Weise abgeändert, in welcher die gleichen TeflewieinFig. lSdiegleichenBezugszeichenJedoch mit dem Index 6 tragen. Das Ausgangssignal des Synchrondetektors 136 speist dann gleichzeitig den festen Kontakt ά des polarisierten Relais 176 und einen Brückendetektor 34, dessen Ausgangssignal den Absolutwert des von dem Synchrondetektor 136 gelieferten Signals darstellt. Der Synchrondetektor 146 ist mit einem Brückendetektor 35 verbunden, dessen Ausgangssignal den Absolutwert des von dem Synchrondetektor 146 gelieferten Signals darstellt. Die Brückendetektoren 34 und 35 sind mit einem Addierer 36 verbunden, dessen Ausgangssignal die Summe der Absolutwerte der von den Synchrindetektoren 136 und 146 gelieferten Signale darstellt und das polarisierte Relais 176 speist Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist die gleiche wie die der in Fig.' 13 dargestellten Vorrichtung, jedoch mit dem Unterschied, daß der Steuerbereich nun von der Stellung I bis zu der Stellung VII der Beobachtungszellen S₁ und S₂ reicht

Der in der Technik bisweilen Ringmodulator genannte Brückendetektor wird, wie in Fig. 20 dargestellt, durch eine Brücke gebildet, welche in ihren vier Zweigen Dioden 37 bis 40 enthält. Die die Dioden gleicher Durchlaßrichtung trennende Diagonale emp-Hingt bei 41 und 42 das von dem Synchrondetektor 136 oder 146 gelieferte Signal. Diese Brücke liefert bei 43 und 44 mit ihre Dioden entgegengesetzter Durchlaßrichtung trennenden Diagonalen das an den Addierer 36 angelegte Signal.

Die Erfindung kann natürlich abgewandelt werden. So kann die das Bezugssignal gebende Fotozelle S₃ in einer beliebigen Stellung angeordnet sein und einen Teil des aus der Linse oder dem optischen System L₁ der F i g. 1 kommenden Lichtes nach einer Ablenkung empfangen. Ebenso kann die Bezugssignalquelle anstatt durch eine Fotozelle in der in Fi g. 21 dargestellten Weise durch einen Wechselstromerzeuger 45 gebildet werden, welcher auf der Welle 46 des die Trommel 2 mit den Schlitzen 3 oder das Zahnrad antreibenden Motors 4 befestigt ist; und dessen Polpaarzahl gleich der Zahl der Schlitze 3 oder der Zähne des Rades ist.

Wenn die Linsensysteme L₁ und L₂ identisch sind, hat das Bild A₂O₂B₂ gemäß dem Reziprozitätsprinzip bei beliebiger Entfernung des Hindernisses T, die gleiche Abmessung wie das Fenster AOB, so, daß jede der nebeneinanderliegenden Fotozellen S₁ und S₂ sowie die Bezugszelle S₃ die gleiche Breite* wie dieses Bild haben können. Wenn die Linsensysteme I₁ und L₂ verschieden sind, bleibt das Verhältnis zwischen dem Bild A₂O₂B₂ und dem Fenster AOB konstant.

Die Signalkurven sind dann etwas verformt, die Stillstandsstellung des Steuersystems wird jedoch hierdurch nicht beeinträchtigt.

Die Ablesung der Entfernung h kann auf beliebige bekannte Weise erfolgen. So können z.B. der eine Mutter bildende, die Fotozellen S₁ und S₂ tragende Schlitten 7 und die Antriebsspindel 8 nach Art einer Mikrometerschraube oder einer Schraubenlehre ausgebildet werden. Der Abstand wird dann gleichzeitig durch die Zahl der vollen Umdrehungen der Spindel und durch die Bruchteile einer Umdrehung der Spindel abgelesen, wobei gegebenenfalls eine Eichkurve benutzt wird.

Durch die Spindel 8 des Steuermotors 9 kann auch ein Untersetzungsgetriebe angetrieben werden, welches unmittelbar einen Zeiger vor einem Zifferblatt antreibt

Ebenso kann, wie in F i g. 22 dargestellt, die Spindel 8 ein Untersetzungsgetriebe· 47 antreiben, welches mechanisch mit dem Geberrotor'48 einer elektrischen Welle 49 verbunden ist, deren Empfangsrotor 50 mit einem in Entfernungen geeichten Entfernungsanzeiger 51 verbunden ist.

Der obige optische Entfernungsmesser kann insbesondere in der Luftfahrt benutzt werden, insbesondere zur Bestimmung der Höhe von Flugkörpern.

Claims

Patentansprüche':

1. Optischer Entfernungsmesser mit einer Lichtquelle zur Beleuchtung eines Meßobjektes und einem Organ zur periodischen Abblendung der Lichtquelle, welches durch ein Zahnrad von . Fizeau oder ein äquivalentes Organ gebildet wird, sowie mit zwei Fotozellen zur Aufnahme des vom Meßobjekt reflektierten Lichts, wobei ' die Fotozellen auf einem vor einem Visierfenster des Entfernungsmessers durch einen Elektromotor verschiebbaren Schlitten nebeneinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Generator zur Erzeugung des Differenzsignals der Beleuchtung der beiden Fotozellen (S₁, S₂) angeordnet ist, ferne/ eine Quelle (S₃) zur Bildung eines Bezugssignals, welches zur periodischen Beleuchtung des Meßobjekts synchron und phasengleich ist, sodann ein Synchrondetektor (13,13 a,! 136), welcher die Signale dieses Generators und dieser Quelle (S₃) empfängt und dessen Ausgangsgröße zur Steuerung des zum Antrieb des Schlittens (7) In der Steuerzone angeordneten Elektromotors vorgesehen ist, schließlich eine lokale Stromquelle (18) zur Steuerung des Elektromotors (9) zum Aufsuchen dieser Steuerzone und eine Einrichtung zur wahlweisen Verbindung des Elektromotors (9) mit dem Synchrondetektor oder mit der Stromquelle (18). . .,

2, Optischer Entfernungsmesser nachAnspruch 1, dadurch gekerinzeiciraei, daß der Generator zur Erzeugung des Differenzsignals der Beleuchtung der beiden Fotozellen (S₁, S₂) durch zwei Transformatoren (10,11) gebildet wird, deren Primärwickrungen nut den Fotozellen (S₁, S₂) verbünden sind, während die in Reihe und gegeneinandergeschalteten Sekundärwicklungen mit einem Verstärker (12) mit automatischer Steuerung der Verstärkung und einem Bandfilter verbünden sind, welcher das Differenzsignal verstärkt und mit dem Synchrondetektor (13) verbunden ist.

3. Optischer Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle zur Bildung des Bezugssignals durch eine dritte Fotozelle (S₃) gebildet wird, welche entweder durch einen Teil des auf das Meßobjekt gerichteten Lichtes oder durch ein in Phasenbeziehung mit diesem moduliertes Licht beleuchtbar ist.

4. Optischer Entfernungsmesser nach Anspruch 1, bei welchem das Abblendglied rotiert und durch ein Zahnrad oder einen mit Schlitzen versehenen Zylinder mit geschlossenen und offenen, je einander gleichen Zonen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugssignalquelle durch einen Wechselstromgenerator (45) gebildet wird, der auf der Antriebswelle des Abblendgliedes befestigt ist und dessen Polpaarzahl gleich der Zahl der offenen Zonen ist.

5. Optischer Entfernungsmesser nachAnspruchl, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Verbindung des Elektromotors (9) mit dem Synchrondetektor (13) oder der Stromquelle (18) von Hand betätigbar ist und durch einen Umschalter (33) gebildet wird, dessen gemeinsamer Kontakt mit dem Elektromotor (9) verbunden ist.

6.Optischer EntfernungsmessernachAnspruchl, bis 4, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Lieferung eines die Steuerzone begrenzenden Signals, welche ein polarisiertes Relais (17) speist, dessen mit dem Elektromotor (9) des Schlittens (7) verbundener beweglicher Kontakt (P) als Verbindungseinrichtung vorgesehen ist.

7. Optischer Entfernungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Begrenzung der Steuerzone durch einen eine Phasenverschiebung von y herstellenden Phasen-Schieber (15) gebildet wird, welcher die Signale der Bezugssignalquelle (S₃) empfängt und sie einem zweiten Synchrondetektor (14) zuführt, welcher außerdem die Signale des Verstärkers

(12) mit Bandfilter empfängt, und daß dieser zweite Synchrondetektor (14) mit der Spule (17)

, des polarisierten Relais verbunden ist, bei welchem

, der eine feste Kontakt (α) mit dem Ausgang des ersten Synchrondetektors (13) und der andere feste Kontakt (b) mit der örtlichen Stromquelle (18) verbunden ist.

8. Optischer Entfernungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Begrenzung der Steuerzone durch einen eine

Phasenverschiebung von y herstellenden Phasenschieber {15b) gebildet wird, welcher die Signale der Bezugssignalquelle (S₃) empfängt und sie einem zweiten Synchrondetektor (14Z>) zuführt, welcher außerdem die Signale des Verstärkers (12b) mit Bandfilter empfängt, und daß die beiden Synchrondetektoren (13 b und 14 b) Brückendetektoren (34, 35) speisen, deren Ausgänge mit einem Addierer (36) verbunden sind, welcher das polarisierte Relais (17 b) speist, von welchem ein fester Kontakt (α) mit dem Ausgang des ersten Synchrondetektors (136) und der andere feste Kontakt (b) mit der örtlichen Stromquelle (18) verbunden ist.

9. Optischer Entfernungsmesser nach den Ansprüchen 5, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang eines jeden Synchrondetektors (13,14) unmittelbar mit einem die Signale vor ihrer Verarbeitung filternden Tiefpaß (19,20) verbunden ist.

10. Optischer Entfernungsmesser nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Filterung der Signale vor ihrer Verarbeitung ein Kondensator (22, 21) den Antriebsmotor (9) des Schlittens (7) oder das polarisierte Relais (17) überbrückt.

11. Optischer Entfernungsmesser nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (9) mit einem Dauermagneten ausgerüstet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1103 050;
deutsche Patentanmeldung S 23559 DCa/42h (bekanntgemacht am 15. Januar 1953);
französische Patentschrift Nr. 1296011;
Nachrichtentechnik, 11 (1961), S. 5.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

809 619/101 9. N O Bundesdruckerei Berlin