DE2424073A1

DE2424073A1 - Einrichtung zum abtasten einer strahlung

Info

Publication number: DE2424073A1
Application number: DE2424073A
Authority: DE
Inventors: Elihu Craig Thomson
Original assignee: Electronics Corp of America
Current assignee: Electronics Corp of America
Priority date: 1973-05-21
Filing date: 1974-05-17
Publication date: 1974-12-12
Also published as: NL7406686A; US3825747A; IT1014215B; BE815141A; FR2231015A1

Description

Electronics Corporation of America, Cambridge,

(Mass., USA)

Einrichtung zum Abtasten einer Strahlung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Abtasten einer Strahlung, insbesondere mit einer Strahl lungsquelle,und einer Fühlvorrichtung für die von einem Ziel reflektierte Strahlung.

Bisher wurden optische Abtasteinrichtungen mit getrennten Sende- und Empfangsvorrichtungen verwendet, um im Strahlungspfad befindliche,bestimmte Reflektionsfähigkeiten aufweisende Ziele zu ermitteln. Die getrennte Ausführung hat zur Folge, dass die Abtasteinrichtung, kompliziert, voluminös und schwer zu bedienen ist. Ferner muss die Empfangs vor richtung mit dem Pfad und dem Neigungswinkel des vom Ziel zurückkehrenden Lichtbündels ausgerichtet werden, wobei das Ausrichten jedesmal wiederholt werden muss, wenn die Sende- und/

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oder die Empfangsvorrichtung bewegt wurden.

Deshalb wurde neulich eine koaxiale Abtastvorrichtung geschaffen, bei welcher sowohl die Sendeais auch die Empfangsvorrichtung im gleichen Gehäuse untergebracht sind. Bei dieser Ausführung wird im hinteren Teil des Gehäuses ein Strahlungsbündel erzeugt und rund um die Empfangsvorrichtung durch das vordere Ende des Gehäuses ausgestrahlt. Ein von einem Ziel reflektiertes Strahlungsbündel wird in das Gehäuse zurückgeleitet, dort von einer Linse im vorderen Teil der Empfangsvorrichtung fokussiert und schliesslich der Fühlvorrichtung gesammelt zugeführt. Durch das Anbringen sowohl der Sende- als auch der Empfangsvorrichtung in einem Gehäuse wurde eine Abtasteinrichtung geschaffen, die sehr genau und viel kompakter ist als bis dahin bestehende Ausführungen.

Obschon diese koaxiale Abtasteinrichtungen gegenüber den bis dahin bestehenden Ausführungen bedeutende Vorteile aufweisen, sind sie immer noch sehr kompliziert.

Zudem können die Fühlvorrichtungen von Umgebungsstrahlungen beeinflusst werden, die von aussen in die Abtasteinrichtung eindringen.

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Zweck der Erfindung ist somit eine Abtasteinrichtung zu schaffen, welche gegenüber bestehenden Ausführungen eine Verbesserung darstellt.

Die erfindunssgemässe Abtasteinrichtung schliesst einen Senderempfänger mit einer Fokussiervorrichtung ein, von welcher ein erster Teil davon verwendet wird, ein Strahlenbündel zur Ausstrahlung gegen ein Ziel zu bilden, während ein zweiter Teil zum Fokussieren eines vom Ziel zurückkehrenden Lichtbündels benutzt wird, das zu einer Fühlvorrichtung zurückreflektiert wird. Die Fokussiervorrichtung schliesst eine reflektierende Fläche ein, die sich im Strahlungspfad von einem der Strahlungsbündel befindet und dazu dient, dieses zurückzureflektieren, damit es die Fokussiervorrichtung ein zweites Mal durchläuft. Diejenige, von der Strahlungsquelle ausgehende Strahlung, welche später die Fühlvorrichtung erreicht, ändert ihre Richtung erstens am Ziel und zweitens an der reflektierenden Fläche und endet in einer solchen Richtung, dass die Fühlvorrichtung der Strahlungsquelle zugekehrt ist,' um das Strahlungsbündel zu .empfangen.

Bei einer Ausführungsform befindet sich auf der Rückseite der Fokussiervorrichtung ein Glied, das

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die reflektierende Fläche bildet und ferner die Fühlvorrichtung gegen eine direkte Beleuchtung durch die Strahlungsquelle abschirmt. Je nach der Form des Gliedes wird ein ausgehendes Strahlenbündel gebildet, das einen Querschnitt belegt,der kleiner ist als derjenige der Fokussiervorrichtung.Derjenige Teil der Fokussiervorrichtung, welcher nicht zur Bildung des gesendeten Strahlenbündels verwendet wird,dientzum Fokussieren eines zur Fühlvorrichtung zurückkehrenden Strahlenbündels. Anstelle eines einzigen Gliedes an der Fokussiervorrichtung können mehrere solche Glieder verwendet werden, deren Grosse, Form und Plazierung entsprechend der gewünschten Stärke des auszusendenden Strahlenbündels und des ErmittlungsVermögens des reflektierten Strahlenbündels gewählt wird.

Bei einer Ausführungsform befindet sich die Strahlungsquelle hinter der Fokussiervorrichtung, die vorzugsweise aus einer einzigen plankonvexen Linse besteht, während sich die Fühlvorrichtung vorne befindet und zur Strahlungsquelle nach hinten gerichtet ist. Ein ausgesandtes Strahlenbündel wird rund um ein Glied gebildet, das hinter der Fokussiervorrichtung angeordnet ist. Derjenige Teil des vom Ziel reflektierten Strahlenbündels, welcher auf Stellen der Fokussiervorrichtung auf-

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triffts die vom gesendeten Strahlenbündel nicht belegt sinda wird teilweise fokusiert und auf die reflektierende Fläche gerichtet» Von dor-t wird dieser Teil des Strahlenbündels durch die Fokusiervorrichtung zurückreflektiert und gänzlich auf den Fühlen fokusiert.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlungsquelle vor der Fokusiervorrichtung angeordnet, während sich die Fühlvorrichtimg dahinter befindet und gegen die Strahlungsquelle nach vorne gerichtet ist. Bei dieser Ausführung wird das ausgestrahlte Strahlenbündel von einer von der Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung gebildet«, Das Strahlenbündel durchläuft die Fokusiervorrichtung ein erstes MaI₉ wird dann von der reflektierenden Fläche zurückgeworfen und geht dann ein zweites Mal durch die FokusVerrichtung. Der Querschnitt des ausgehenden Strahlerbündels ist praktisch gleich gross wie die reflektierende Fläche. Die Strahlung ist auf die Fühlvorrichtung desjenigen Teils des vom Ziel zurückgeworfenen Strahlenbündels fokussiert, der, nicht mit der reflektierenden Fläche ausgerichtet, auf die Foküsiervorrichtung auftrifft.

Das die reflektierende Fläche'bildende Glied befindet sich auf der optischen Linie zwischen der Strah-

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lungsquelle und der Fühlvorrichtung und dient zur Abschirmung desselben. Die Grosse und die Form dieser Fläche sind so gewählt, dass ein gewünschter Aungleich zwischen der Stärke des angesandten Strahlbündels und dem Fühlvermögen des zurückkehrenden Strahlenbündels gewährleistet ist. Das Glied kann bezüglich der Brennachse symmetrisch oder asymmetrisch ausgebildet oder angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform ist zur Erhöhung des Fühlvermögens eine Vielzahl von diskreten Gliedern vorgesehen« Je nach Anordnung des Gliedes kann das ausgesandte Strahlenbündel symmetrisch oder asymmetrisch um die Brennachse angeordnet sein.

Die Abtasteinrichtung reagiert besonders empfindlich auf Ziele, die s.B. mit reflektierenden Flächen ausgestattet sind und somit ein Strahlungsbündel mit kleinem Streuwinkel zurücksenden. Ferner ist die Abtasteinrichtung zur Ermittlung von diffus reflektierenden Zielen geeignet, bei welchen sie, infolge ihrer Konstruktion, eine grosse Brenntiefe erzeugt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Einrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch

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eine Einrichtung gemäss c. zv ersten Ausführungsform;

Tig. 2 einen Que chnitt durch die Einrichtung nach Fig. 1, mit Fühlvorri;.,... -ung;

Fig. 3 eine schrägbildliche Darstellung einer Einrichtung, deren Fokussiervorrichtung mit einer zusätzlichen, reflektierenden Fläche versehen ist;

Fig. H eine Rückansicht einer Fokussierlinse mit zusätzlichen, reflektierenden Flächen;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Einrichtung mit einem Einwegspiegel, der auf der Rückfläche der Linse angeordnet ist; und

Fig. 6 eine Variante zu Fig. 5.

In Fig. 1 ist eine Einrichtung mit einer als Strahlungsquelle dienenden Lampe 10 gezeigt, die in einem, z.B. rohrförmigen, Gehäuse 12 angeordnet ist, in dem sich eine Fokussiervorrichtung IH und eine Fühlvorrichtung 16 befinden. Die Fokussiervorrichtung IH besteht vorzugsweise aus einer einzigen Linse (Fig. 1), die gleich gross ist, wie der Innendurchmesser des Ge- " häuses 12. Die Linse ist hinten mit einer ebenen, der Strahlungsquelle 10. zugekehrten Fläche und ferner mit einer nach vorne gerichteten, konvexen Fläche versehen. Die Fühlvorrichtung 16 ist längs der Brennachse an einer

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durchsichtigen· Glasplatte 18 montiert, die das Rohr vor dem Eindringen von Staub schützt. Die Rückseite der Linse 11 ist in der Mitte mit einem Glied in Form einer Scheibe 2 0 versehen, während die,Vorderfläche reflektierend ist. Die Rückfläche ist bezüglich einer Strahlung von der Strahlungsquelle 10 opak. Die Scheibe 20 kann auch von der Linse 14 getrennt angeordnet sein, indem die Scheibe 20 im Gehäuse 12 zwischen der Linse und der Strahlungsquelle angeordnet ist. Ferner kann ein separates Glied vorgesehen werden, das die Fühlvorrichtung 15 gegen die Strahlungsquelle 10 abschirmt. Vorzugsweise werden aber die beiden Funktionen in einem einzigen Element kombiniert, das, wie gezeigt, an der Linse montiert ist. Die Strahlungsquelle 10 ist in einem Abstand von einer Brennlänge hinter der" Linse 14 angeordnet, so dass ein durch die Linse gehendes Licht zu einem praktisch parallelen Strahlungsbündel geformt wird. Die Strahlungsquelle 10 kann aber auch etwas weiter hinten angeordnet sein, damit ein leicht konvergierendes Strahlenbündel entsteht. Da die Scheibe 20 bezüglich einer von hinten nach vorne verlaufenden Strahlung opak ist, entsteht ein ringförmiges Strahlenbündel, das einen Innenteil aufweist, deren Grosse etwa derjenigen der

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Scheibe 20 entspricht, die derart bemessen ist, dass siedie Fühlvorrichtung 16 gegen eine direkte Beleuchtung durch die Strahlungsquelle 10 abschirmt. Nach aussen gehende Strahlenbündel 22 (Fig. 1) werden z.B. von einer reflektierenden Fläche 24, zur Abtasteinrichtung zurückgeworfen. Das zurückkehrende Strahlenbündel 2C hat einen kleinen, von der Art der reflektierenden Fläche abhängigen Streuwinkel. Derjenige Teil des zurückkehrenden Strahlenbündels, welcher auf die Linse 14,in optischer Ausrichtung mit dem Glied bzw. der Scheibe 20,dort auftritt, wo die Linse nicht von der ausgehenden Strahlung belegt ist, wird durch die Linse 14 gegen die reflektierende Fläche der Scheibe 20 reflektiert. Dieses Strahlenbündel 26 wird von der Scheibe 20 durch die Linse reflektiert, welche das Strahlenbündel auf die Fühlvorrichtung 16 fokussiert. Das Strahlenbündel 26 geht durch eine kleine Oeffnung 27 in der Fühlvorrichtung 16 und trifft eine photoempfindliche Fläche 28, wo ein Signal ausgelöst wird, das durch zwei, nicht gezeigte Leitungen aus der Einrichtung herausgeführt wird. Die Fühlvorrichtung 16 befindet sich in einem Abstand von etwa einer halben Brennweite vor der Linse, wobei aber ein geringfügig kleinerer Abstand, wegen der leicht konver-

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gierenden Art des zurückkehrenden Strahlenbündels bevorzugt wird. Aus Fig. 2 geht hervor, dass die Fühlvorriehtung 16, statt an der vorderen Abtastplatte.18, in einem inneren zylinderförmigen Rohr 30 abgestützt werden kann, wobei die Fühlvorrichtung von drei dünnen Rippen 32, 34, 35 getragen wird. Die Innenseite des Rohres 12 kann mattiert sein, damit keine unerwünschte Strahlung in die Fühlvorrichtung 16 eindringt.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 wird nur ein Teil der Linse IU zur Bildung des ausgesandten Strahlenbündels verwendet. Derjenige Teil des zurückgeworfenen Strahlungsbündels, welcher entweder auf den Innenteil der Linse 14, der zur Bildung des ausgesandten Strahlenbündels beiträgt, oder auf die Linse 14 unter ein derart grossen Winkel zur Linsenachse auftritt, dass er auf die reflektierende Fläche des Gliedes bzw. der Scheibe 20 gebrochen wird, wird auf die Fühlvorrichtung 16 reflektiert. Die Empfindlichkeit der Einrichtung kann dadurch erhöht werden, dass die Aufteilung der Linse in Teile für ausgehende und zurückkehrende Strahlenbündel einstellbar ist. Bei der Ausführung nach Fig. 3 erstrekken sich reflektierende Arme 3 8 vom reflektierenden Glied 20 nach aussen, die an der Rückseite der Linse 14

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angeordnet sein können. Ein gesendetes Strahlungnbündel wird von einem von der Strahlungsquelle 10 kommenden Strahlungsbündel gebildet, das zwischen den Armen 38 läuft. Ferner wird eine eingehende Streurückstrahlung von den Armen 38 reflektiert und auf die Fühlvorrichtung 16 fokussiert. Obschon bei dieser Ausführung ein grössercr Teil der zurückkehrenden Strahlenbündel_swegen der grösseren Grenzfläche zwischen ausgehenden und zurückkehrenden Strahlenbündeln, der Fühlvorrichtung 16 zugeführt wird, wird das ursprünglich ausgesandte Strahlungsbündel von den Armen 38 reduzierte Je nach Verwendungszweck der Einrichtung wird ein geeignetes Gleichgewicht zwischen der Stärke des Strahlenbündels und der Ermittlungsfähigkeit bestimmt und die Einrichtung entsprechend ausgelegt.

In Fig.- H ist eine weitere Ausführung dargestellt, bei welcher diskrete, reflektierende Ringe 40, 42 auf der Rückseite der Linse It angeordnet sind. Die Strahlung geht zwischen den Ringen 40, 42 hinaus und die Rückstrahlung wird von innen gegen die Fühlvorrichtung 16 gerichtet. Es sind aber auch weitere, d.h. sowohl symmetrische als auch assymmetrische ,Modifikatio- . nen der Form der reflektierenden Fläche möglich. So kann

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z.B. das Glied'20 die Linse 14 in einen oberen und einen unteren Teil unterteilen, oder das Glied kann nur die eine Seite der Linse belegen. Ferner ist es nicht notwendig, dass die Strahlungsquelle 10 und die Fühlvorrichtung 16 an der Brennachse angeordnet sind, da ein von der Mitte abliegender Teil der Linse 14 dazu verwendet werden kann, das ausgehende Strahlenbündel zu bilden.

Bei einer weiteren, in Fig. 5 gezeigten Ausführung ist ein halbdurchlässiger Spiegel 44 vorgesehen, der dazu dient, einen bestimmten Teil der Strahlung von der Strahlungsquelle 10 gegen den Vorderteil des Rohres zu senden und die zurückgesandte Strahlung durch die Linse 14 gegen die Fühlvorrichtung 15 zu reflektieren. Dieser Spiegel 44 ist auf der Rückseite der Linse 14 rund um das reflektierende Glied 20 angeordnet. Bei dieser Ausführung wird eine hohe Wirksamkeit bei der ERmittlung einer Rückstrahlung erreicht, wobei praktisch das gesamte, vom Ziel der Einrichtung reflektiete Strahlenbündel auf die Fühlvorrichtung fokussiert wird. Der Spicgsl 44 strahlt aber nicht das gesamte, von der Strahlungsquelle 10 auffallende Licht aus.

Von den beschriebenen Ausführungen sind verschiedene Abweichungen möglich. So ist beispielsweise

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in Fig. 6 eine Einrichtung gezeigt, bei v/elcher die Strahlungsquelle 10 und die Fühlvorrichtung 16 bo-

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züglich der Linse 14 umgekehrt angeordnet sind. Die Strahlungsquelle 10 ist um etwa eine halbe Brennlänge von der Linse entfernt, wobei ein praktisch paralleles, ausgehendes Strahlungsbündel U6 entsteht, wenn das von der Strahlenquelle 10 ausgehende Strahlenbündel durch die Linse IH läuft, von der Scheibe 2Q reflektiert und dann auf den Weg aus dem Rohr nochmals durch die Linse 14 geht. Das reflektierte Strahlenbündel 48_? welches nicht mit dem Brennpunkt der Scheibe 20 ausgerichtet ist, wird auf die Fühlvorrichtung 16 fokussiert, die in einem Abstand von etwa einer Brennlänge oder etwas weiter nach hinten angeordnet ist, um die kleine Abweichung von dem parallelen Strahlenbündel der Rückstrahlung 48 zu kompensieren. Die Fühlvorrichtung 15 ist mittels der reflektierenden Scheibe 20 von der Strahlungsquelle 10 abgeschirmt, wodurch es möglich ist, ein sehr hohes Verhältnis zwischen dem Signal und der Störung zu erreichen.

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Claims

US

Patentansprüche

Iy Einrichtung zum Abtasten einer Strahlung, mit einer Strahlungsquelle und einer ihr zugekehrten Strahlungs-Fühlvorrichtung, wobei zwischen der Strahlungsquelle und der Fühlvorrichtung eine Fokussiervorrichtung angeordnet ist, die zum Richten eines von der Strahlungsquelle ausgehenden Strahlenbündels auf ein Ziel vor der Fokussiervorrichtung dient, die ein vom Ziel zurückreflektiertes Strahlengündel auf die Fühlvorrichtung fokussiert, das auf Punkte der Fokussiervorrichtung auffällt, die nicht vom ausgehenden Strahlenbündel belegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite der Fokussiervorrichtung mit einem Glied versehen ist, das zum Abschirmen der Fühlvorrichtung gegen eine direkte Bestrahlung durch die Strahlungsquelle dient und mit einer reflektierenden Vorderfläche ausgestattet ist, die im Strahlungspfad eines der Strahlenbündel angeordnet ist.

2. Einrichtung zum Werfen eines Strahlenbündels, gegen ein Ziel und zum Fühlen eines vom Ziel reflektieten Strahlenbündels, dadurch gekennzeichnet, dass sie

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eine Lichtquelle und eine plankonvexe Linse einschliesst, die in einem Gehäuse, in einem Abstand von etwa einer Brennweite vor der Linse angeordnet ist, und sich ferner eine Licht-Fühlvorrichtung in einem Abstand von etwa einer halben Brennweite vor der Linse im Gehäuse befindet, dass die Rückseite der Linse mit einem Glied ausgestattet ist, das eine opake,hintere Fläche, welche zum Abschirmen der Fühlvorrichtung gegen die Lichtquelle dient, sowie ferner eine reflektierende, vordere Fläche einschliesst, die zum Reflektieren eines Teiles des von einem Ziel zurückgeworfenen Lichtes zurück durch die Linse, gegen die Fühlvorrichtung dient.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strahlungsquelle hinter der Fokussiervorrichtung, und sich die Fühlvorrichtung vor ihr befindet, wobei die vom ausgehenden Strahlenbündel belegte Querschnitts fläche praktisch gleich gross ist wie diejenige der Fokussiervorrichtung, abzüglich der Querschnittsfläche des Gliedes.

H. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strahlungsquelle vor der Fokussiervorrichtung befindet, während die Fühlvorrich-

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tung hinter» der Fokussleitvorrichtung angeordnet ir;t, und die vom ausgehenden Strahlenbündel belegte Querschnitts fläche praktisch gleich gross ist wie die reflektierende Fläche.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Ermittlung eines mit einer reflektierenden Fläche ausgestatteten Zieles ausgebildet ist.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiervorrichtung zur Bildung eines ausgehenden Strahlenbündels mit einem nicht belegten Mittelteil ausgelegt ist.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, dass'die Fokussiervorrichtung eine plankonvexe Linse ist.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche j dadurch gekennzeichnet,· dass die Licht-Fühlvorrichtung an einer durchsichtigen Platte an der Vorderseite des Gehäuses angeordnet ist.

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von diskreten Gliedern einschliesst, die auf der Rückseite der Linse angeordnet sind und reflektierende

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Front flächen aufweisen.

10. Einrichtung nach einem der voranF.ohcnden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glied ein halbdurchsichtiger Spiegel ist, der zum Ausstrahlen von Licht von der Strahlungsquelle zu einem Ziel und zum Reflektieren des vom Ziel zurückgeworfenen Lichtes

durch die Linse gegen die Fühlvorrichtung dient, ι

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