DE2753782A1 - Vorrichtung zum bestimmen der richtungskoordinaten eines entfernten objekts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Richtungskoordinaten eines entfernten Objekts, insbesondere eines zu führenden Objekts oder eines zu verfolgenden Ziels, mit einer bewegbaren Strahlabtastungseinrichtung.

Die Erfindung ist insbesondere in den Fällen anwendbar, bei denen das zu bestimmende Objekt eine Strahlung aussendet, die durch eine an dem Objekt angeordnete Strahlungsquelle erzeugt wird, oder in den Fällen, wo das Objekt oder das Ziel selbst eine Infrarot-Strahlung erzeugt. Die Strahlung kann auch von einem an dem Objekt angeordneten Reflektor abgeleitet werden, der einer von einer Strahlungsquelle emittierten Strahlung ausgesetzt wird, die am Ort der Meßvorrichtung angeordnet ist. Ein wesentliches Merkmal der Meßanordnung ist die Tatsache, daß sich der Abstand zwischen der Meßvorrichtung und dem Objekt ändert. Daher muß die Meßvorrichtung ein großes Gesichtsfeld aufweisen, wenn das Ziel im geringen Abstand auftritt, während die Empfindlichkeitsanforderungen gering sind. Wenn dagegen das Ziel im großen Abstand auftritt, ist in einem schmalen Gesichtsfeld eine größere Empfindlichkeit erforderlich.

Es ist eine Meßvorrichtung mit schmalen, genau definierten, fächerförmig ausgebildeten Abtaststrahlen bekannt, die abwechselnd in der Höhe und azimutal über das Gesichtsfeld der Meßvorrichtung verschwenkt werden, wobei die Zeitpunkte, wenn die Abtaststrahlen über das Objekt streichen, ein Maß für die Position des Objekts bilden. Um das erforderliche, große Gesichtsfeld abzudecken, wenn das Objekt einen geringen Abstand zur Meßvorrichtung aufweist, und trotz dieser Begrenzung der Meßdauer, ist es erforderlich, eine vergleichsweise hohe Schwenkgeschwindigkeit vorzusehen. Die sich daraus ergebende, schnelle Bewegung über das Objekt erfordert eine rasche Reaktion des Detektors der Meßvorrichtung, was häufig schwierig zu erreichen ist. Eine weitere Beschränkung tritt dann auf, wenn die Strahlungsquelle mit einer vergleichsweise geringen Frequenz moduliert ist, was häufig der Fall ist, wenn die Strahlungsquelle aus einem pulsierenden Laser besteht. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, ist es bisher bekannt, die Durchlaufzeit über das Objekt dadurch zu verlängern, dass die Breite der fächerförmig ausgebildeten Abtaststrahlen vergrößert wird, was jedoch zu einer entsprechenden Abnahme der Meßgenauigkeit führt. Um trotzdem eine zufrieden stellende Meßgenauigkeit zu erhalten, wenn das Objekt sich im großen Abstand zur Meßvorrichtung befindet, ist es möglich, bei der Meßvorrichtung eine Zoom-Optik vorzusehen, wodurch die Meßgenauigkeit verbessert werden kann und sich das Gesichtsfeld relativ zum Abstand des Objekts vermindert. Eine andere Alternative besteht darin, zwei Meßvorrichtungen zu verwenden, und zwar eine Meßvorrichtung mit einem großen Gesichtsfeld und geringer Meßgenauigkeit und eine andere Meßvorrichtung mit einem schmalen Gesichtsfeld und einer großen Meßgenauigkeit. Eine dritte Alternative besteht darin, austauschbare, feste optische Systeme mit verschiedenen Vergrößerungen zu verwenden.

Um bei kleinen Signalen eine gute Meßgenauigkeit zu erhalten, ist ein optisches System mit großem Öffnungsdurchmesser erwünscht, was jedoch dazu führt, dass die Zoom-Optik sehr teuer und unförmig wird. Das gleiche ergibt sich bei Verwendung austauschbarer optischer Systeme, wobei zusätzlich das Abschalten als ernsthafter Nachteil angesehen werden muß, das beim Austausch der optischen Systeme erforderlich ist. Die Vorrichtungen zur Erzeugung der verschwenkbaren, fächerförmigen

Abtaststrahlen sind regelmäßig sehr kompliziert und empfindlich wegen ihrer hohen Herstellungsgenauigkeit, so daß dieses Bauteil der Meßvorrichtung teuer wird. Daher ist auch die Alternative mit zwei getrennten Meßvorrichtungen teuer und kompliziert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Meßvorrichtung der oben beschriebenen Art zu schaffen, die einfacher ausgebildet ist und die Anforderungen eines großen Gesichtsfeldes mit den Anforderungen einer hohen Meßgenauigkeit in einem begrenzten Gesichtsfeld vereinigt. Diese Aufgabe wird insbesondere mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Teils der Meßvorrichtung zur Bestimmung der Form des Abtaststrahls sowie indirekt der Form eines Ausschnitts des Abtaststrahls,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des Mittelabschnitts der Fig. 2,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform ähnlich Fig. 2 eines Teils der Meßvorrichtung zur Bestimmung der Form des Abtaststrahls und

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht des Mittelabschnitts der Fig. 4.

In Fig. 1 ist schematisch eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung dargestellt. Die von einem Objekt emittierte Strahlung wird durch eine Objektivlinse 11 aufgefangen und projiziert eine Abbildung auf eine Maske, die in der Bildebene der Objektivlinse angeordnet ist. Die Maske ist konzentrisch auf einem Lager 14 angeordnet und kann mit Hilfe eines Elektromotors 13 gedreht werden. In Verbindung mit der drehbaren Maske ist ein

(nicht lesbar)

Sensor vorgesehen. Dieser Sensor erzeugt ein elektrisches Signal, das eine eindeutige Funktion der momentanen Winkelstellung der Maske wiedergibt. In der Höhe der Maske ist ein Photodetektor 15 vorgesehen, dessen Ausgangssignal einen üblichen, signalverarbeitenden Schaltkreis 17 zugeführt wird. Dem Schaltkreis 17 wird auch das Ausgangssignal des Sensors 16 zu Berechnungszwecken zugeführt.

Die Objektivlinse 11 und die Maske 12 sind innerhalb eines zylindrischen Gehäuses 18 angeordnet und zum Objekt hin gerichtet, dessen Richtungskoordinaten bestimmt werden sollen.

Die Meßvorrichtung ist vorzugsweise innerhalb eines größeren Gehäuses angeordnet, das Einrichtungen zur Erleichterung des Anvisierens des Objekts aufweist.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der Maske 12 dargestellt. Die Maske besteht aus zwei Teilen, und zwar einem Teil 21, beispielsweise einer Öffnung, durch die die Strahlung in den Photodetektor 15 eintreten kann, und aus einem zweiten Teil 22, der gegenüber der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung undurchsichtig ist. Wenn die Maske sich dreht, erzeugt der durchsichtige Teil 21 einen Abtaststrahl, der sich um den Drehmittelpunkt 23 der Maske dreht, der in diesem Fall mit dem Mittelpunkt des Gesichtsfeldes zusammenfällt. Die Form des Abtaststrahls wird durch die Form der Öffnung 21 bestimmt, und aus der Figur ergibt sich, daß die an den undurchsichtigen Teil der Maske anschließende Grenzlinie hauptsächlich aus einer logarithmischen Spirale 26 sowie aus einer geraden Linie 25 besteht, die am Drehmittelpunkt 23 der Maske miteinander verbunden sind.

In Fig. 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt des Bereichs und der Drehmittelpunkt 23 der Maske dargestellt, so daß der Übergang zwischen der logarithmischen Spirale 36 und der geraden Linie 35 deutlicher wird. In der Nähe des Mittelpunktes geht die logarithmische Spirale in eine lineare Spirale 34 über, die mit der geraden Linie im Mittelpunkt 33 verbunden ist, oder derart, daß der Drehmittelpunkt gerade neben dem Verbindungspunkt liegt. Der Grund für diese Formgebung des transparenten Teils 21, 31 wird im folgenden näher erläutert.

Die von dem Objekt emittierte Strahlung wird durch die Linse 11 auf einen Punkt auf der Maske 12 projiziert, wobei angenommen sei, daß dieser Punkt anfänglich nicht mit dem Drehmittelpunkt zusammenfällt. Der Punkt beschreibt einen Kreis auf der Oberfläche der Maske, wobei der Mittelpunkt am Drehmittelpunkt 23, 33 der Maske liegt. Während dieses Teils der Drehbewegung, wenn der Punkt über den transparenten Teil 21, 31 der Maske streicht, wird ein Ausgangsimpuls durch den Detektor erzeugt, wenn die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung kontinuierlich ist, oder ein Impulszug, wenn die Strahlungsquelle impulsmoduliert ist. Der Impuls oder der Impulszug wiederholt sich bei jeder Umdrehung der sich drehenden Maske, und aufgrund der Formgebung des transparenten Teils ist die Länge des Impulses bzw. des Impulszuges direkt mit dem Abstand zwischen dem Punkt und dem Drehmittelpunkt korreliert. Die Phase des Impulses oder des Impulszuges relativ zur Drehbewegung der Maske ist ein Maß für die Richtung des Drehmittelpunkts gegenüber dem projizierten Punkt. Dadurch wird eine Anzeige der Lage des Punktes in Polarkoordinaten erhalten und außerdem eine entsprechende Angabe für die Richtung des Objekts.

Die Länge des Impulses oder des Impulszuges bzw. die Phase wird bestimmt mit Hilfe des Schaltkreises 17, wobei ein Bezugssignal für den Phasenvergleich von dem Sensor 16 abgeleitet wird. Der Schaltkreis 17 kann vorzugsweise einen Mikrocomputer aufweisen, mit dessen Hilfe neben der Verarbeitung der Signale mit Hilfe eines Rechenprogramms die Position des Objekts durch Umwandlung der Polarkoordinaten in kartesische Koordinaten berechnet wird, falls dies erwünscht ist.

Durch die Form der Grenzlinie des transparenten Teils der Maske gemäß den Fig. 2 und 3, d.h. durch eine Grenzlinie, die aus einer geraden Linie 25, 35 sowie einer logarithmischen Spirale 26, 36 besteht, wird ein Impuls oder ein Impulszug erhalten, dessen Länge proportional zum Logarithmus des Kehrwertes des Abstandes zwischen dem Punkt und dem Drehmittelpunkt der Maske ist. Daraus ergibt sich, daß die Meßungenauigkeit in radialer Richtung linear mit dem Abstand zwischen dem Punkt und dem Mittelpunkt abnimmt. Da sich die Richtung zu dem Meßpunkt aus der Durchlaufzeit der geraden Linie 25, 35 ergibt, nimmt auch die Meßungenauigkeit in tangentialer Richtung mit dem Abstand vom Mittelpunkt ab. Dadurch ist es möglich, eine gute Meßgenauigkeit im Mittelabschnitt des Gesichtsfeldes mit einem großen Gesichtsfeld zu kombinieren. Die erwähnte Beziehung zwischen der Meßungenauigkeit und dem Abstand des Mittelpunkts trifft zu, wenn die begrenzte Schnelligkeit des Photodetektors oder die Impulsfrequenz der

Strahlungsquelle die Auflösung begrenzt. Die Beziehung gilt jedoch nicht bei starker Annäherung an den Mittelpunkt, wo die erwähnten Bedingungen eine derart gute Auflösung ergeben, daß andere Bedingungen, beispielsweise die begrenzte Abbildungsschärfe, eine Begrenzung bilden. Daher ist es vorteilhaft, die Grenzlinie der Maske in der Nähe des Mittelpunktes als lineare Spirale 34 auszubilden, so daß verhindert wird, daß der dynamische Bereich der Meßvorrichtung eine höhere Auflösung erreicht, als grundsätzlich verwendet werden kann.

Im folgenden werden einige andere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung näher erläutert. Mit Hilfe verschiedener Ausbildungen des transparenten Teils der Maske können bei verschiedenen Anwendungen die Genauigkeitseigenschaften der Meßvorrichtung eingestellt werden. Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt, wo die gesamte Maske gezeigt ist, und Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Mittelabschnitts dieser Maske. In diesen beiden Figuren ist der undurchsichtige Teil der Maske mit den Bezugszeichen 41, 43 bzw. 51, 53 gekennzeichnet, während die transparenten Teile mit den Bezugszeichen 42, 44 bzw. 52, 54 versehen sind. Bei einer derartigen Form des transparenten Teils werden zwei Impulse mit konstanter Länge bei jeder Umdrehung der Maske von dem Photodetektor 15 erhalten, wobei das Intervall zwischen den Impulsen ein eindeutiges Maß für den Abstand zwischen dem projizierten Meßpunkt und dem Drehmittelpunkt der

Maske bildet. Die konstante Länge der Impulse ermöglicht eine Unterdrückung von Störimpulsen in dem Schaltkreis 17. Daraus ergibt sich, daß diese Ausführungsform insbesondere in den Fällen vorteilhaft eingesetzt wird, wo Störungen auftreten können. Um eine Verwechslung zwischen beiden Impulszügen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die Bereiche 42, 52 bzw. 44, 54 verschieden breit zu wählen.

Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die drehbare Maske durch einen drehbaren (umlaufenden) Photodetektor ersetzt, dessen empfindliche Fläche entsprechend dem transparenten Teil der oben erläuterten Maske ausgebildet ist und dessen elektrisches Ausgangssignal beispielsweise durch Schleifringe abgegriffen wird. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlungsquelle in der Meßvorrichtung anstelle eines Photodetektors angeordnet, wobei dann der Photodetektor anstelle der Strahlungsquelle am Objekt angeordnet ist.

Diese Ausführungsform ist dann von Vorteil, wenn es erwünscht ist, die Positionsdaten des Objekts bei diesem anstelle bei der Meßvorrichtung zu erhalten. Die Winkeldaten des drehbaren Teils der Meßvorrichtung werden in diesem Fall telemetrisch zu dem Objekt übertragen, und zwar beispielsweise durch Modulation der Strahlungsquelle.

Leerseite

Fig. 1 bis Fig. 5

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Richtungskoordinaten eines entfernten Objekts, insbesondere eines zu führenden Objekts oder eines zu verfolgenden Ziels, mit einer bewegbaren Abtaststrahleinrichtung, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Abtaststrahleinrichtung einen oder mehrere, genau definierte Abtaststrahlen erzeugt, die in einer festen Relativbeziehung zueinander stehen und derart angeordnet sind, daß sie um einen festen Punkt verschwenkbar sind, der an oder in der Nähe der Grenzlinie des Abtaststrahls bzw. der Abtaststrahlen liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Meßvorrichtung mit einem Detektor (15) zum Empfangen der von einer Strahlungsquelle am Objekt emittierten Strahlung, wenn dieses von dem Abtaststrahl erfaßt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schwenkpunkt der Abtaststrahlen innerhalb oder außerordentlich nahe des Sichtbereichs der Meßvorrichtung bzw. des durch die Strahlen überdeckten Bereichs und vorzugsweise in der Mitte des Sichtfeldes angeordnet ist.

z e i c h n e t , daß die Meßvorrichtung eine Strahlungsquelle aufweist, deren emittierte Strahlung von einem am Objekt angeordneten Detektor empfangen wird, wenn die Strahlungsbündel das Objekt überstreichen.

z e i c h n e t , daß bei Anordnung eines hypothetischen Kreises im Querschnitt der Strahlen mit seinem Mittelpunkt im Schwenkpunkt der Strahlen diese derart geformt sind, daß die Verteilung und die Länge des Teils oder der Abschnitte des Kreises, die innerhalb der Strahlen sind, eine eindeutige Funktion des Kreisradius sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Form der Strahlen durch eine drehbare Maske (12) bestimmt wird, die in dem Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor (15) angeordnet ist und die ein für die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung transparentes Bauteil (21, 31, 42, 44, 52, 54) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die drehbare Maske (12) in der Bildebene der Objektivlinse (11) ist, so daß eine Abbildung durch die Strahlungsquelle auf die Maske (12) projiziert wird und daß die Abbildung einen Kreis auf der Oberfläche der drehbaren Maske (12) beschreibt, dessen Mittelpunkt in der Drehachse der Maske liegt, und daß der Detektor (15) ein Ausgangssignal mit einem oder mehreren Impulsen während der Umdrehungsperiode oder der Umdrehungsperioden erzeugt, wenn die Abbildung den transparenten Teil der Maske überstreicht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Sensor (16) in der Nähe der drehbaren Maske (12) zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das eine eindeutige Funktion der momentanen Winkelstellung der Maske bildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der transparente Teil der drehbaren Maske (12) eine durch eine Grenzlinie eingeschlossene Fläche (21) aufweist, daß die Grenzlinie eine gerade Linie (25, 35) sowie eine logarithmische Spirale (26, 36) umfaßt, die im Drehmittelpunkt der Maske miteinander verbunden oder aneinander angenähert sind und daß die Länge der von dem Detektor emittierten Impulse eine eindeutige Funktion des Abstandes zwischen der Abbildung und dem Drehmittelpunkt bildet und die Impulsphase relativ zur Drehung der Maske ein Maß für die Richtung des Rotationsmittelpunkts gegenüber der projizierten Abbildung bildet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die logarithmische Spirale (26, 36) in der Nähe der Drehachse in eine lineare Spirale (34) übergeht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der transparente Teil der drehbaren Maske aus einer Anzahl Bereichen (42, 52; 44, 54) besteht, die derart ausgebildet sind, daß die Länge der von dem Detektor (15) emittierten Impulse konstant und das Intervall zwischen den Impulsen ein eindeutiges Maß für den Abstand zwischen der Abbildung und dem Drehmittelpunkt ist. z e i c h n e t , daß die Form der Strahlen durch die empfindliche Oberfläche des Detektors (15) bestimmt wird.