DE69213323T2

DE69213323T2 - Vorrichtung zum Erfassen der augenblicklichen Winkeleinstellung eines beweglichen Objekts und opto-mechanisches System mit solcher Vorrichtung

Info

Publication number: DE69213323T2
Application number: DE69213323T
Authority: DE
Inventors: Thierry Benchetrit; Jean-Claude Bourgeois; Joel Rollin
Original assignee: Thomson TRT Defense
Current assignee: Thomson TRT Defense
Priority date: 1991-05-24
Filing date: 1992-05-15
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2012-05-16
Also published as: DE69213323D1; EP0515252A1; EP0515252B1; FR2676822A1; US5247173A; FR2676822B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der winkelstellung eines beweglichen Gegenstands sowie optomechanische Systeme mit einer solchen Vorrichtung.
Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf die Herstellung einer thermische oder IR-Kamera mit Schwenkoptik anwendbar. Sie ist jedoch nicht auf eine solche Anwendung beschränkt und kann in zahlreichen optomechanischen Systemen eingesetzt werden wie z.B. Scannern, Abbildungssystemen, Laserprojektionssystemen oder Regelmechanismen.
Im Stand der Technik sind insbesondere von der Anmelderin entworfene thermische Kameras bekannt, die Positionsmeßund Regelmittel für den Schwenkspiegel verwenden. Diese Mittel sind in der Lage, die Richtung eines schwenkbaren Spiegels bezüglich des Sägezahnsteuerimpulses genau nachzuregeln. Die Genauigkeit der Positionsmessung beeinflußt stark die Qualität des Bildes und die Leistungen des Geräts, wobei eine Veränderung der Schwenkamplitude oder ein Linearitätsfehler in der Drehbewegung zu einer Anamorphose und zu nicht akzeptablen Bildverformungen führen.
Die Positionsmeßsonde muß außerdem Verschiebungen der optischen Achse des Ablenkspiegels erfassen, insbesondere, wenn the thermische Kamera bei der Erfassung und Verfolgung eines Ziels für den Abschuß und die Lenkung von Raketen verwendet wird.
Im Stand der Technik verwendet das System zur Erfassung der augenblicklichen Lage eines Ablenkspiegels eine erste Sonde für die Messung der Winkelstellung und eine zweite Sonde für den Bezugswert.
Die erste Sonde enthält eine Lichtquelle bestehend aus einer lichtaussendenden Diode, eine Kollimationsoptik, eine Blende besonderer Form, um das Ausgangssignal der Sonde zu linearisieren, einen Spiegel, der auf die Rückseite des Ablenkspiegels geklebt ist, und einen lichtempfindlichen Detektor, der zwei komplementäre Quadranten besitzt. Der ins Unendliche kollimatierte Lichtstrahl fällt auf die beiden Quadranten nach der Ablenkung am auf die Rückseite des Ablenkspiegels geklebten Spiegel.
Der von den beiden benachbarten Quadranten empfangene Lichtfluß variiert abhängig von der Winkelstellung des Ablenkspiegels. Wenn der Spiegel sich in einer mittleren Lage befindet, empfangen die beiden Quadranten identische Lichtflüsse. Wenn dagegen der Spiegel aus der mittleren Lage verschoben ist, empfängt einer der Quadranten den Lichtfluß nur auf einem Teil seiner Oberfläche, während der dazu komplementäre Quadrant einen Lichtfluß auf seiner gesamten Oberfläche empfängt. Die Spannung an den Klemmen des ersten Quadranten ist daher kleiner als die Spannung am Ausgang des komplementären Quadranten, und eine geeignete analoge Schaltung liefert ein Signal entsprechend der Ausgangsspannungsdifferenz.
Die Abweichungen der aus den Veränderungen der emittierten Lichtleistung resultierenden Signale werden durch eine Nachregelung der Leistung der Quelle abhängig von der Summe der Spannungen kompensiert, die von den beiden Zellen geliefert werden. Die geometrische Form der Quadranten ist besonders wichtig, da jede Veränderung zu einem Linearitätsfehler des Ausgangssignals des lichtempfindlichen Detektors führen würde. Außerdem ist klar, daß die Abmessungen der beiden Quadranten im wesentlichen der Hälfte der vom reflektierten Strahl überstrichenen Strecke gleichen müssen, was unbedingt die Verwendung von fotoresistiven Zellen zur Herstellung der beiden Quadranten erfordert. Aufgrund der relativ großen Abmessungen dieses lichtempfindlichen Detektors ist es schwer, Abweichungen zu vermeiden, die auf unterschiedlichen Kennlinien für die beiden Quadranten und auf thermischen Veränderungen beruhen, die sich in diesen Quadranten auswirken.
Außerdem muß der Strahl eine im wesentlichen den Abmessungen des Detektors entsprechende Breite haben, um eine Auswertung der Vorrichtung für die ganze Auslenkung des beweglichen Spiegels zu erlauben. Die bekannten Sonden arbeiten nämlich gemäß einem Differential-Meßprinzip für den Lichtfluß. Es ist daher zwingend, daß jeder der Quadranten einen Teil des reflektierten Strahls bei jeder Stellung des reflektierten Strahls empfängt. Die Lichtquelle muß daher eine ausreichende Leistung abgeben, damit der Fluß des reflektierten Strahls mit einem korrekten Antwortsignal der beiden fotoresistiven Quadranten vereinbar ist, selbst wenn nur ein kleiner Teil des Quadranten beleuchtet ist, wie dies der Fall ist, wenn das bewegliche Element eine Endposition einnimmt. Daher ist der Energieverbrauch des bekannten Systems erheblich.
Zur Kompensation der Abweichungen der ersten Sonde ist andererseits eine zweite Sonde erforderlich, deren Aufgabe es ist, den Augenblickswert des von der ersten Sonde gelieferten Signals zu speichern, wenn der Spiegel eine Bezugsstellung einnimmt. Diese Spannung wird dann in die Regelschleife eingespeist, um die eventuellen Abweichungen zu kompensieren.
Die im Stand der Technik bekannten Mittel weisen verschiedene Nachteile auf. Insbesondere erfordert das Erfassungssystem gemäß dem Stand der Technik eine sehr genaue mechanische Justierung der verschiedenen Bauelemente und ist daher relativ empfindlich gegenüber thermisch bedingten Veränderungen. Außerdem erfordert dieses System teure spezifische Bauelemente wie z.B. ausgewählte und paarweise ausgesuchte fotoempf indliche Sonden oder spezielle Elektrolumineszenzdioden. Um außerdem die Genauigkeit der zweiten Sonde zu erhöhen, verwendet man eine Mehrfachreflexion, um einen optischen Hebelarm zu erzeugen. Diese Lösung führt zu Schwierigkeiten bei der Regelung und Abstimmung. Auch andere Lösungen wurden im Stand der Technik in Betracht gezogen. Manche verwenden induktive Sonden oder Potentiometersonden. Diese Lösungen sind jedoch nicht vollständig zufriedenstellend, da durch sie die Antriebssysteme für den Ablenkspiegel deutlich komplizierter werden und da sie keine ausreichende Genauigkeit bieten.
Aus den Patenten EP-A-0 143 687 und US-4 127 781 sind Systeme zur Erfassung der Winkelstellung einer mechanischen Vorrichtung wie z.B. eines Ablenkspiegels bekannt. Diese Patente verwenden fotoempfindliche Systeme vom CCD-Typ, aber beschreiben keine Mittel zur Lieferung eines Sollsignals, um Achsabweichungen auszuschalten.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese verschiedenen Nachteile zu beheben und eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkelstellung eines um eine Achse beweglichen mechanischen Elements vorzuschlagen, mit einer Lichtquelle, die einen Strahl bekannter Richtung aussendet, mit einer reflektierenden Fläche, die mit dem beweglichen Element gekoppelt ist, mit einer Ladungstransfer-Detektorleiste vom Typ CCD zur Erfassung des von der reflektierenden Fläche reflektierten Strahls, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD- Leiste so angeordnet ist, daß sie mindestens zum Teil durch den reflektierten Strahl während der Bewegungen des beweglichen Elements überstrichen wird, und aus einer fluchtenden Anordnung zahlreicher aneinander anliegender Elementarzellen mit Ladungstransfer besteht, wobei jede Zelle deutlich kleinere Abmessungen als die Länge der vom reflektierten Strahl überstrichenen Zone besitzt, daß die Vorrichtung optische Mittel zur Begrenzung der Breite des ankommenden Strahls besitzt, daß Mittel zur Erzeugung eines Referenzsignals von einem ortsfesten halbreflektierenden Plättchen gebildet werden, das zwischen der Lichtquelle und der mit dem beweglichen Element gekoppelten reflektierenden Fläche liegt und einen Teil des ankommenden Lichtstrahls auf die gemeinsame Leiste von Ladungstransfersonden umlenkt, und daß die Leiste mit einer elektronischen Schaltung verbunden ist, die ein digitales Signal liefert, das abhängig von der durch die Anzahl der durch den reflektierten Strahl beleuchteten Elementarzellen definierten Lage variiert.
Diese Ausführungsform bietet besondere Vorteile, da das von der Vorrichtung gelieferte Signal ein digitales Signal ist und damit gut für Verarbeitungen geeignet ist, mit denen das Regelsignal linearisiert werden kann und verschiedene Abweichungen kompensiert werden können.
Außerdem erfordert die mechanische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine komplexen Justierungen und Nachregelungen und erlaubt eine erhebliche Toleranz bei der Fertigung, die durch die Informatikbehandlung der von der CCD-Leiste gelieferten Signale kompensiert werden kann (CCD - Charge Coupled Device)
Die mechanische Vereinfachung beruht auch auf der Tatsache, daß nur noch ein einziges lichtempfindliches Element verwendet wird, während im Stand der Technik die erste Sonde Abweichungsfehler aufwies, die durch Auswertung eines von einer zweiten Sonde gelieferten Bezugssignals kompensiert werden mußten, wobei die Lage und Justierung dieser zweiten Sonde aufgrund der bedeutenden Länge des verwendeten optischen Hebelarms besonders delikat waren.
Außerdem erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung die Verwendung eines Lichtstrahls, der auf dem Detektor einen praktisch punktförmigen Fleck erzeugt, da kein Differentialmeßverfahren für den Fluß verwendet wird. Daher kann man die Leistung der Lichtquelle und damit den Stromverbrauch erheblich verringern.
Die Mittel zur Lieferung eines Bezugssignals können von einem Rechner gebildet werden, der ein Signal abhängig von der Integration des Winkelstellungssignals während des Verlaufs mehrerer Bewegungszyklen des beweglichen Elements bildet. Diese Ausführungsform führt zu einer Vereinfachung des mechanischen Aufbaus der Vorrichtung. Die Verwendung eines gemeinsamen Bauteils, der CCD-Leiste, zur Erfassung des reflektierten Strahls einerseits für die Ermittlung der Winkelstellung des beweglichen Elements und andererseits für die Ausgabe des Bezugssignals verhindert außerdem die Gefahr einer Fehlregelung oder Abweichung des Bezugssignals bezüglich des Winkelstellungssignals.
Gemäß einer Variante reflektiert das halbreflektierende Plättchen den ankommenden Strahl auf den Nutzbereich der Leiste, wobei die Diskriminierung zwischen dem Winkelstellungssignal und dem Bezugssignal durch digitale Ver arbeitung des von der Leiste erzeugten Signals erfolgt. Gemäß einer vorteilhaften Variante bestehen die optischen Mittel zur Begrenzung der Breite des ankommenden Lichtstrahls aus einem Schlitz zwischen der Lichtquelle und dem ortsfesten halbreflektierenden Plättchen. Die Lichtquelle erzeugt so einen Strahl, dessen Querschnitt im wesentlichen elliptisch ist. Vorzugsweise wird die Breite des Lichtstrahls so festgelegt, daß er eine möglichst kleinen Fleck auf der CCD-Leiste erzeugt. Der Lichtfluß wird so optimal ausgenutzt und die Leistung der Lichtquelle kann dementsprechend verringert werden, ohne die Qualität des von der CCD-Leiste ausgegebenen Signals zu beeinträchtigen. Diese Verringerung der Leistung stellt einen erheblichen Vorteil für die Anwendung in Flugkörpern dar, wo man den Stromverbrauch möglichst klein halten will. Diese Verringe rung des Stromverbrauchs der erfindungsgemäßen Vorrichtung bezüglich der bekannten Vorrichtungen ist besonders bedeutend, da der Strahl extrem punktförmig sein kann, ohne die Genauigkeit oder die Reproduzierbarkeit des von der CCD- Leiste erzeugten Regelsignals und die zugeordneten elek tronischen Schaltungen zu beeinträchtigen. Daher ist die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders gut für Anwendungen in Flugkörpern geeignet, beispielsweise zur Nachregelung des Ablenkspiegels von thermischen Kameras, die sich an Flugzeugen oder auf Satelliten befinden.
Aufgrund der länglichen Form des Flecks beeinträchtigt ein Fluchtungsfehler der Lichtquelle kaum die Gültig keit des Signals oder seiner Definition.
Um die Breite des vom reflektierten Lichtstrahl projizierten Lichtflecks auf der CCD-Leiste zu optimieren, wird die Breite a des Schlitzes im wesentlichen folgendermaßen gewählt:
a= 2λD
Hierin bezeichnet D den optischen Abstand zwischen dem Schlitz und der CCD-Leiste und λ die Wellenlänge der Lichtquelle.
Als "im wesentlichen" gleich wird verstanden, daß die Breite des Schlitzes dem erwähnten Wert unter Berücksichtigung der Verarbeitungs- und/oder Fertigungstoleranzen in positiver und negativer Richtung entspricht. Unter diesen Bedingungen sind die Lichtstreuungseffekte an den Rändern des Schlitzes vernachlässigbar.
Vorzugsweise besteht die reflektierende Oberfläche, die den ankommenden Strahl in Richtung auf die CCD-Leiste reflektiert, aus einem unbenutzten Bereich der Oberfläche des beweglichen Elements. So umgeht man die Nachteile bezüglich der Verwendung eines zusätzlichen Spiegels und seiner Befestigung auf dem bewegten Element. Diese Ausführungsform verringert außerdem die Trägheit des beweglichen Systems.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Anwendung der Vorrichtung auf die Nachregelung des schwingenden Ablenkspiegels eines optomechanischen Systems, insbesondere in thermischen Kameras, Scannern oder Laserprojektionssystemen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines besonde ren Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung im Querschnitt.
Figur 3 zeigt vergrößert einen Schnitt entlang der Linie A-A' durch den ankommenden Strahl.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die in einer Ausführungsform in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, enthält einen Ablenkspiegel 1, der das bewegliche Element bildet, dessen Winkelstellung in Echtzeit erfaßt werden soll und dessen Bewegungen man nachregeln will. Dieser Ablenkspiegel wird mit einer Frequenz von etwa 50 Hz und einer Amplitude von ± 10º bezüglich einer Mittellage in schwingende Bewegung versetzt.
Eine thermische Kamera enthält üblicherweise einen Infrarotdetektor 23, der durch ein bei niedriger Temperatur in einem Behälter 24 gehaltenes Fluid gekühlt wird. Das Beobachtungsfeld wird von einem Zeilenspiegel und einem Spaltenspiegel überstrichen, die elektronischen Synchronisierungsschaltungen zugeordnet sind. Der ankommende Strahl entsprechend einem analysierten Punkt wird vom Ablenkspiegel 1 reflektiert. Der am Ablenkspiegel reflektierte Strahl 21 wird dann durch eine geeignete Optik 22 auf den Infrarotdetektor 23 konzentriert. Der Zeilen- und der Spaltenspiegel besitzen je Meß-Mittel, die in jedem Augenblick genau die Winkelstellung angeben können, damit sich ein verformungsfreies Bild ergibt.
Die Meßmittel bestehen aus einer Lichtquelle 2, einem kalibrierten Schlitz 3, einem halbreflektierenden Plättchen 4 und einer Leiste von lichtempfindlichen Elementen 5. Die Lichtquelle 2 besteht aus einer Laserdiode, die einen Strahl eines sichtbaren Lichts der Wellenlänge von 675 nm mit einer modulierbaren Ausgangsleistung von etwa 1 mW aussendet. Die Quelle besitzt eine optische Linse 6 und erzeugt einen Lichtstrahl, dessen Divergenz geringer als 0,9 mrad in der Hauptausbreitungsachse und 0,3 mrad in der zur Hauptachse senkrechten sekundären Achse beträgt. Die Hauptachse steht senkrecht auf der durch die Ausbreitungsachse des ankommenden Strahls 7 und durch die Achse des reflektierten Strahls 16 gebildeten Ebene, so daß der vom reflektierten Strahl 16 auf der CCD-Leiste 5 gebildete Fleck sich im wesentlichen in einer Richtung senkrecht zur Hauptachse der CCD-Leiste erstreckt.
Figur 3 zeigt eine Querschnitt durch den ankommenden Strahl 7 in Höhe des Schlitzes 3. Vor Durchgang durch den Schlitz 3 ist der Querschnitt des Strahls im wesentlichen elliptisch, wobei die Abmessung in Richtung der großen Achse OY (8) etwa 4,5 mm und die Abmessung gemäß der kleinen Achse OX (9) etwa 1 mm beträgt. Die Beleuchtung in Höhe des Schlitzes entspricht einer elliptischen Gauss'schen Verteilung.
Nach der Formung durch den Schlitz 3 wird der ankommende Strahl von einem halbreflektierenden Spiegel 4 in zwei Teile geteilt, der eine antireflektierende Vorderseite 10 und eine Rückseite 11 mit einem Reflexionsfaktor etwa 0,5 besitzt. Diese Ausführungsform verhindert Zweifachreflexionen, die den Betrieb der Erfassungsvorrichtung stören könnten.
Ein Teil 12 des Strahls wird von dem halbreflektierenden Plättchen 4 auf eine erste Zone 13 der CCD-Leiste 5 abgelenkt, die Bezugszone genannt wird. Die Auftreffstelle dieses reflektierten Strahls 12 auf der ersten Zone 13 ist für die Richtung des ankommenden Strahls 7 repräsentativ, und das entsprechende Signal kann somit zur Kompensierung von Fluchtungsfehlern, von Veränderungen der mechanischen Anordnung und von thermisch bedingten Veränderungen der Achse der Lichtquelle 2 verwendet werden.
Der zweite Teil 14 des Strahls, der nicht durch das halbreflektierende Plättchen 4 abgelenkt wurde, wird von der Rückseite 15 des Ablenkspiegels 1 reflektiert. Der Spiegel ist in den Figuren 1 und 2 in einer mittleren Stellung sowie in seinen beiden Endstellungen dargestellt, wobei die gestrichelten Linien die Richtung des reflektierten Strahls 7 angeben, wenn der Ablenkspiegel 1 eine Endstellung einnimmt.
In dieser besonderen Ausführungsform ist die Rückseite des Ablenkspiegels 1 behandelt und besitzt Streifen parallel zur den ankommenden und den reflektierenden Strahl enthaltenden Ebene, so daß ein ggf. verwertbares Beugungsnetz gebildet wird. Der ankommende Strahl 14 wird an der reflektierenden Fläche 15 des Ablenkspiegels 1 in Richtung auf die CCD- Leiste 5 von lichtempfindlichen Zellen abgelenkt.
Diese Leiste enthält beispielsweise 1024 Pixel oder Elementarzellen einer Größe von 13 µm 13 µm und ein opti sches Durchlaßband zwischen 400 und 1100 nm. Beispielsweise kann die Leiste von einem Bauteil gebildet werden, das von der Firma THOMSON unter der Referenz TH7804(Z) vertrieben wird. Der reflektierte Strahl 16 bildet auf der Leiste 5 einen Lichtfleck in der Nutzzone 17, wobei die Lage des Flecks abhängig von der Winkelstellung des Ablenkspiegels 1 variiert. In dem beschriebenen Beispiel werden 224 Pixel für die Bezugszone 13 und die übrigen etwa 800 Zellen für die Nutzzone 17 verwendet.
Die einerseits durch den an dem halbreflektierenden Plättchen 4 reflektierten Lichtstrahl und andererseits durch den Ablenkspiegel 1 gebildeten Lichtflecke besitzen eine Breite von mehreren Pixeln. Die Bestimmung des Zentrums jedes Flecks erfolgt im Rahmen einer digitalen Verarbeitung der von der CCD-Leiste 5 gelieferten Signale und besteht in einer rechnerischen Ermittlung des Schwerpunkts.
Die Leiste 5 ist an eine elektronische Schaltung 18 angeschlossen, die die Speisespannungen für die CCD-Leiste 5 sowie die verschiedenen für deren Betrieb erforderlichen Signale (Takt zur Tastung) liefert. Die elektronische Schal tung enthält weiter einen Schwellwertkomparator, oder im Fall einer parallelen Verarbeitung mehrere Schwellwertkomparatoren zur Lieferung eines Binärsignals entsprechend dem Ausgangssignal jeder Elementarzelle. Für die vom reflektierten Strahl 16 beleuchteten Elementarzellen liefert die Schaltung ein Signal eines ersten Werts und für die Elemen- Schaltung ein Signal eines ersten Werts und für die Elemen tarzellen, die durch den reflektierten Strahl 16 nicht beleuchtet werden, liefert sie ein Signal eines zweiten Werts. Die elektronische Schaltung 18 liefert ein digitales Ausgangssignal bestehend aus einem Binärwort mit einer Anzahl von Bits entsprechend der Anzahl von Elementarzellen und ggf. zusätzlich von Kontrollbits. Im beschriebenen Beispiel besteht das Ausgangssignal aus einem Wort von 1024 Bits plus Kontrollbits. Dieses Signal wird in einer Recheneinheit 19 verarbeitet, die den Schwerpunkt jedes Flecks gemäß einem Algorithmus bestimmt, für den der Fachmann über zahlreiche Beispiele verfügt. Der Schwellwertkomparator beseitigt den Einfluß von Fluktuationen des Lichtflusses der Lichtquelle 2.
Um die Vorrichtung zu optimieren und die erforderliche Lichtleistung zu verringern, muß die Breite der Flecke minimiert werden. Die Breite der Flecke hängt unmittelbar von der Breite des Schlitzes 3 ab. Gründe für eine Verbreiterung des Lichtstrahls sind im wesentlichen folgende:
- seine Eigenstreuung,
- die Beugung in Höhe des Schlitzes,
- das geometrische Bild des Kollimationsschlitzes.
Für eine Lichtquelle des in Betracht gezogenen Typs beträgt die Eigenstreuung 0,9 mrad. Der Durchmesser des Laserflecks hat dann folgenden Wert:
φdiv = αD
Hierbei bezeichnet α die Eigenstreuung der Laserquelle und D den Abstand zwischen der Laserquelle und der CCD- Leiste.
Der Durchmesser des Beugungsflecks aufgrund des Schlitzes wird durch die folgende Formel bestimmt:
φdiff = 2λD/a
Hierbei bezeichnet λ die Wellenlänge des Laserstrahls, D den Abstand zwischen der Laserquelle und der CCD Leiste und a die Breite des Schlitzes.
Schließlich entspricht der Durchmesser des sich aus der Geometrie des Schlitzes ergebenden Flecks der Breite dieses Schlitzes, nämlich
φimage = a.
Insgesamt ist der Durchmesser des Flecks in Höhe der Leiste höchstens gleich der Summe der drei oben angegebenen Parameter, also:
L = φdiff + φimage + φdiv
Daraus folgt:
2λD/a + a + αD - L = 0
Formal lautet die Lösung dieser Gleichung zweiten Grades:
a1,2 = (L-αD± A)/2
Hierbei gilt: Δ = (αD-L)² - 8λD
Da der Durchmesser L des auf der Leiste gebildeten Flecks möglichst klein sein soll, wählt man die Diskriminante Δ zu Null und erhält damit:
L = αD ± 8 λD
Natürlich hat nur die positive Lösung eine Bedeutung.
Der Wert D hängt von der räumlichen Ausdehnung der Vorrichtung ab. Beispielsweise gilt:
- α = 0,9 mrad (Streuung der Laserdiode),
- D = 26 mm (Abstand zwischen Schlitz und Leiste),
- λ = 675 nm (Wellenlänge der Laserdiode).
Daraus ergibt sich: L = 399 µm.
Daraus ergibt sich die optimale Breite a des Schlitzes zu etwa 200 µm.
Zusammengefaßt wird hinsichtlich des oben beschriebenen Beispiels festgestellt, daß die optimale Breite des Schlitzes 3 etwa 200 µm und die Abmessung des daraus resultierenden Flecks etwa 400 µm bedeckt und damit etwa 30 Pixel überdeckt.
Ein anderer, die Qualität der Vorrichtung unmittelbar beeinflussender Parameter ist die Leistung der Lichtquelle. Diese muß ausreichen, um ein gutes Ansprechen der Elemente Leiste in die Sättigung gelangen.
Die Sendeleistung der Diodenlaser kann eingeregelt werden. Sie wird durch eine Berechnung des an der Leiste ankommenden Lichtflusses abhängig von den Abmessungen des Schlitzes, den Eigenschaften des halbreflektierenden Plättchens und der reflektierenden Oberfläche sowie den Eigenschaften der Laserdiode und der CCD-Leiste bestimmt.
Die Erfindung wurde oben anhand eines nicht beschränkend zu verstehenden Beispiels erläutert. Natürlich kann der Fachmann zahlreiche Varianten realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Insbesondere kann die Aufteilung der Pixel der CCD- Leiste in zwei Zonen, nämlich eine Referenzzone und eine Meßzone, durch die Verwendung zweier unabhängiger CCD-Leisten ersetzt werden, von denen eine ausschließlich für die Bildung eines Bezugssignals und die andere für die Erfassung der Lage des vom reflektierten Strahl gebildeten Flecks verwendet wird. Diese Ausführungsform kann in Betracht gezogen werden, wenn Zwänge hinsichtlich des Raumbedarfs und der Form die Verwendung einer CCD-Leiste großer Abmessungen erschweren.
Außerdem ist die Erfassungsvorrichtung in der beschriebenen Ausführungsform optisch vom Abbildungssystem durch den Ablenkspiegel isoliert. Dadurch vermeidet man Betriebstörungen der CCD-Leiste. Es ist aber auch möglich, die Nutzoberfläche des Abtastspiegels zu verwenden, wenn die Leistung des von der Lichtquelle erzeugten Strahls deutlich über der Umgebungsbeleuchtung liegt, oder wenn die Wellenlänge der Lichtquelle 2 sich deutlich vom Durchlaßband des Abbildungssystems unterscheidet.

Claims

1. Vorrichtung zur Erfassung der Winkelstellung eines um eine Achse beweglichen mechanischen Elements (1), mit einer Lichtquelle (2), die einen Strahl (7) bekannter Richtung aussendet, mit einer reflektierenden Fläche (15), die mit dem beweglichen Element (1) gekoppelt ist, mit einer La dungstransfer-Detektorleiste vom Typ CCD zur Erfassung des von der reflektierenden Fläche reflektierten Strahls (16), dadurch gekennzeichnet, daß die CCD-Leiste (5) so angeordnet ist, daß sie mindestens zum Teil durch den reflektierten Strahl (16) während der Bewegungen des beweglichen Elements (1) überstrichen wird, und aus einer fluchtenden Anordnung zahlreicher aneinander anliegender Elementarzellen mit Ladungstransfer besteht, wobei jede Zelle deutlich kleinere Abmessungen als die Länge der vom reflektierten Strahl (16) überstrichenen Zone besitzt, daß die Vorrichtung optische Mittel (3) zur Begrenzung der Breite des ankommenden Strahls (7) besitzt, daß Mittel zur Erzeugung eines Referenzsignals von einem ortsfesten halbreflektierenden Plättchen (4) gebildet werden, das zwischen der Lichtquelle (2) und der mit dem beweglichen Element (1) gekoppelten reflektierenden Fläche (15) liegt und einen Teil (12) des ankommenden Lichtstrahls (7) auf die gemeinsame Leiste von Ladungstransfersonden (5) umlenkt, und daß die Leiste (5) mit einer elektronischen Schaltung (18, 19) verbunden ist, die ein digitales Signal liefert, das abhängig von der durch die Anzahl der durch den reflektierten Strahl (16) beleuchteten Elementarzellen definierten Lage variiert.

2. Vorrichtung zur Erfassung der Winkelstellung eines um eine Achse beweglichen mechanischen Elements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine elektronische Schaltung (18) mit mindestens einem Schwellwertkomparator aufweist, der ein Signal eines ersten Werts für die vom reflektierten Strahl (16) beleuchteten Elementarzellen und ein Signal eines zweiten Werts für die vom reflektierten Strahl (16) nicht beleuchteten Elementarzellen liefert.

3. Vorrichtung zur Erfassung der Winkelstellung eines um eine Achse beweglichen mechanischen Elements nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Begrenzung der Breite des ankommenden Strahls (7) von einem Schlitz (3) gebildet werden, der zwischen der Lichtquelle (2) und dem ortsfesten halbreflektierenden Plättchen (4) liegt, wobei die Hauptachse des Schlitzes (3) senkrecht zu der vom ankommenden Strahl (7) und dem reflektierten Strahl (16) gebildeten Ebene ausgerichtet ist.

4. Vorrichtung zur Erfassung der Winkelstellung eines um eine Achse beweglichen mechanischen Elements nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite a des Schlitzes (3) im wesentlichen folgendem Wert gleicht:

a = 2λD

wobei D den optischen Abstand zwischen dem Schlitz und der CCD-Leiste und λ die Wellenlänge der Lichtquelle bedeutet.

5. Vorrichtung zur Erfassung der Winkelstellung eines um eine Achse beweglichen mechanischen Elements nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die reflektierende Fläche (15) von einem nicht genutzten Bereich der Oberfläche des beweglichen Elements (1) gebildet wird.

6. Anwendung der Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche auf die Herstellung einer thermischen Kamera, die einen hinsichtlich seiner Lage nachgeregelten Ablenkspiegel enthält.

7. Anwendung der Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5 auf die Herstellung eines Scanners, der einen hinsichtlich seiner Lage nachgeregelten Ablenkspiegel enthält.

8. Anwendung der Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5 auf die Herstellung eines Laserprojektionssystems, das einen hinsichtlich seiner Lage nachgeregelten Ablenkspiegel enthält.