ES2248880T3 - Sistema rastreador. - Google Patents

Abstract

SE PROPORCIONA UN SISTEMA RASTREADOR PARA REALIZAR UN RASTREO AL TIEMPO QUE SE DETERMINA LA POSICION DE UN PUNTO EN RELACION CON UN DATO E INCLUYE UN CARRO (4) MONTADO DE FORMA QUE GIRE SOBRE UN MARCO (1) Y QUE PUEDE GIRAR EN TORNO A UNA ESFERA DE PRECISION (2). SE MONTA UN INTERFEROMETRO (16) PARA QUE GIRE CON EL CARRO, DE MANERA QUE COINCIDAN EN EL MISMO PUNTO UN CENTRO MECANICO DE ROTACION DEL DISPOSITIVO Y EL DATO DE MEDICION DEL INTERFEROMETRO.

Description

Sistema de seguimiento.

La presente invención se refiere a seguimiento por láser para uso, por ejemplo, en medición de distancias, medición de coordenadas, trilateración y multilateración.

El documento DE-A-1.961.595 describe, para una cabeza buscadora de misiles o proyectiles de seguimiento del blanco, un sistema óptico de formación de imágenes con un eje óptico que está montado sobre un rotor. El rotor está montado en el misil para movimiento universal de giro. Éste rota alrededor de su eje geométrico y está estabilizado por ello en el espacio inercial como un giróscopo. El sistema óptico forma imágenes de una escena de blanco sobre una agrupación circular de elementos detectores. Se puede hacer que el rotor realice movimientos controlados de precesión y nutación por bucles de control con transductores de posición de vuelo y con una bobina de motor de par, de manera que el eje óptico del sistema óptico realice un movimiento cíclico en hélice por un campo extendido de visión, en un modo de búsqueda y de captación de objetivos, se hace mover en precesión entonces hacia un objetivo detectado, haciéndose igual la amplitud de nutación, en un modo de fase previa, a la desviación del objetivo y, finalmente, en un modo de seguimiento del objetivo, realiza un movimiento circular dentro de un área limitada en el campo de visión que contiene el objetivo. En el modo de seguimiento del objetivo, la imagen objetivo da vueltas sobre la agrupación circular de elementos detectores.

El documento US-A-4.714.339 describe un sistema de seguimiento para medir al menos las coordenadas espaciales de un objetivo y, posiblemente, la orientación angular del mismo. Se dirige un haz colimado hasta el objetivo y un espejo fijado al mismo vuelve a reflejar este haz hasta un punto de seguimiento. Los fotosensores fijados al punto de seguimiento u objetivo suministran señales de error a un servosistema que controla la óptica en los puntos de seguimiento u objetivo para proporcionar la dirección necesaria para conseguir la coincidencia de los haces. Un interferómetro interfiere el haz de la fuente con el haz que ha hecho dos veces el recorrido entre los puntos de seguimiento y objetivo a fin de medir la separación. Midiendo las direcciones de los haces con relación a la estructura fijada a los puntos de seguimiento y objetivo, el punto objetivo se puede situar en coordenadas espaciales y, adicionalmente, se puede determinar la orientación de la estructura objetivo.

En algunas aplicaciones, es necesario medir, por interferometría, la distancia o el desplazamiento absoluto de un objetivo móvil desde un punto de referencia fijo. Los sistemas actuales de seguidor láser usan un espejo montado en una suspensión cardan para dirigir el haz del interferómetro a fin de seguir el objetivo móvil (véase la figura 1). En la práctica, el objetivo móvil está provisto de un retrorreflector que vuelve a reflejar el haz láser hacia el sistema de seguimiento. El movimiento del objetivo a lo largo del eje del interferómetro es detectado por este último -siendo el eje del interferómetro el haz de medición-. Cualquier componente del movimiento del objetivo que es perpendicular al eje del interferómetro hace que cambie la posición del haz de retorno. Este cambio en posición se detecta usando un detector usual sensible a la posición (PSD) para proporcionar señales de error que indican la cantidad de movimiento que ha ocurrido en los dos ejes ortogonales. El sistema no sólo obtiene una medida del movimiento del objetivo a lo largo del eje del interferómetro, sino también redirige el haz del interferómetro para seguir el objetivo mientras éste se mueve. De este modo, se puede conseguir el seguimiento del objetivo sobre una base continua.

El seguidor láser se basa en que haya un punto fijo en algún lugar dentro del sistema que se pueda usar como una referencia para medición de distancias o desplazamientos. Si esta referencia está mal definida o es móvil, se producirán entonces errores de medición.

El problema con el método anteriormente mencionado para dirigir el haz es que la referencia de medición está definida por varios sistemas sin relacionar mecánicamente. Éstos son los dos ejes de rotación, el plano del espejo de reflexión y el punto de reflexión del haz láser desde el espejo.

Definir una referencia perfecta desde estas partes requiere que:

\bullet los dos ejes de rotación estén alineados de manera que se corten en un punto;

\bullet el punto de intersección de los ejes se encuentre en el plano del espejo;

\bullet el haz láser dirigido sea reflejado en el espejo en el punto de intersección de los ejes de rotación y el plano del espejo.

Si no se cumple alguna de estas condiciones, entonces, la referencia resultante no es un punto, pero está contenida dentro de un volumen. Esto conduce a error de medición de distancias o desplazamientos.

Reducir los errores de medición de distancias por debajo del nivel de 1 \mum requiere que se hagan todas estas alineaciones mejor que 1 \mum. En la práctica, esto es difícil, si no imposible, de conseguir y mantener.

La presente invención busca cómo proporcionar una precisión mejorada de seguimiento.

Según un aspecto de la presente invención, se ha previsto un sistema de seguimiento, como se especifica en la reivindicación 1.

El dispositivo de medición de desplazamientos es, preferiblemente, un interferómetro.

Según otro aspecto de la presente invención, se ha previsto un método para determinar la posición de un objetivo, como se especifica en la reivindicación 9.

Se describe una realización de la presente invención en lo que sigue, sólo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

la figura 1 es un diagrama esquemático de un sistema de seguimiento de la técnica anterior;

la figura 2 es un diagrama esquemático de una realización preferida de sistema de seguimiento;

la figura 3 es una vista en perspectiva de la realización preferida de una estación de seguimiento láser que incorpora el sistema mostrado en la figura 2;

la figura 4 es una vista a escala ampliada del carro de la estación de seguimiento mostrada en la figura 3;

la figura 5 es una vista en perspectiva de un bastidor de curvatura en coordenadas X-Y del carro de la figura 4; y

la figura 6 es un diagrama esquemático del interferómetro preferido para la estación de seguimiento de la figura 3; y

la figura 7 es una vista en despiece ordenado de los filtros y espejos del interferómetro de la figura 6.

Un ejemplo de la realización preferida de sistema de seguimiento se puede ver en la figura 2 de forma esquemática. Se ha previsto una esfera de referencia hecha de alúmina alrededor de la que está montada un carro dirigible, que está libre para rotar alrededor del centro C de la esfera. Un interferómetro está montado sobre el carro dirigible a fin de ser movido con él. Se consigue la dirección usando motores que hacen girar el carro alrededor del punto central C, como resultará evidente en la descripción de las realizaciones preferidas proporcionadas en lo que sigue.

El haz de medición de interferómetro pasa desde el interferómetro a través de una lente hasta la esfera de referencia. Vuelve a ser reflejado por la esfera a lo largo de la misma trayectoria. El haz pasa entonces a través del interferómetro hasta un objetivo a seguir. En el objetivo, se ha previsto un retrorreflector que vuelve a reflejar el haz hacia el interferómetro, donde interfiere con el haz de referencia del interferómetro. La interferencia se analiza de manera usual para determinar el desplazamiento a lo largo del eje del interferómetro. Adicionalmente, cualquier movimiento del objetivo y, por ello, del retrorreflector perpendicular al eje del interferómetro hace que cambie la posición del haz de retorno. Este cambio en posición es detectado por un PSD para determinar la naturaleza del movimiento y, por consiguiente, para dirigir el eje del interferómetro hacia la nueva posición del objetivo.

La distancia o el movimiento medido por el interferómetro es referenciado al centro C de la esfera, enfocando el haz sobre el centro de la misma. El diseño del interferómetro es tal que el movimiento residual del carro/interferómetro a lo largo del eje del haz dirigido es autocompensador. Esto resultará evidente en lo que sigue.

Como se ha descrito, el sistema de seguimiento (no mostrado) incorpora un sensor de posición del haz de tipo usual para medir el desplazamiento del haz del interferómetro de retorno desde el objetivo móvil. Un sistema de control de realimentación, de tipo usual, está previsto para permitir que el sistema de seguimiento siga el objetivo móvil.

Se pueden prever dos codificadores de ángulo para proporcionar información del azimut y la elevación, de manera que el seguidor láser se pueda usar para medición de coordenadas polares (r, \theta, \phi).

La realización preferida proporciona las siguientes ventajas:

\bullet Reduce los errores de medición de distancias debido al mecanismo de dirección al orden de precisión de la esfera; que pueden ser menores que 50 nm.

\bullet Sólo requiere un componente de precisión: la esfera. Las esferas de calidad extremadamente alta son relativamente fáciles de hacer y están fácilmente disponibles.

\bullet Autocompensa el movimiento residual a lo largo del eje de medición.

Este ejemplo de un sistema de seguimiento láser de alta precisión se puede modificar como sigue:

\bullet en vez de enfocar en el centro de la esfera, el haz se podría enfocar sobre la superficie de la esfera. De este modo, se mantiene una referencia al centro de la esfera debido al radio constante de la esfera de precisión;

\bullet el interferómetro puede medir o la distancia absoluta o el desplazamiento relativo;

\bullet la esfera se podría remplazar por cualquier otra guía que proporcione dos dimensiones o incluso una rotación dimensional. Se podría proporcionar una rotación dimensional, por ejemplo, gracias a una guía cilíndrica de sección transversal axial circular.

Las realizaciones específicas mostradas en las figuras 3 a 7 usan el concepto descrito con referencia a la figura 2. En otras palabras, a fin de conseguir un error de medición muy bajo del desplazamiento inducido del mecanismo de dirección de haces, el mecanismo se implementa usando una esfera de precisión. El carro que porta el interferómetro está montado sobre la esfera y libre para rotar alrededor del centro de la misma. El centro de la esfera se usa, también, como la referencia de medición para el interferómetro.

La figura 3 muestra un diseño para una estación de seguimiento. Éste consiste en un bastidor 1 cuadrado rígido que soporta los mecanismos. Una esfera de precisión 2 -una bola de referencia de Clase 5 de máquina de medición de coordenadas (CMM)- está soportada centralmente sobre una espiga 3. Un carro 4, mostrado en corte en la figura 3, está soportado sobre la esfera en tres almohadillas 5, estando colocadas unas almohadillas 6 con carga elástica simétricamente debajo de la esfera para mantener el carro sobre la misma cuando éste se inclina hacia delante o hacia atrás.

Una clavija 7 une rígidamente el carro al mecanismo accionador. El carro se hace girar en dos planos ortogonales alrededor del centro de la esfera, haciendo girar las dos bridas 8 y 9 usando dos servomotores 10 y 11 de corriente continua de accionamiento directo. La fuerza de accionamiento se transfiere desde la brida hasta la clavija a través de un mecanismo 12 y 13 de canal de bolas que aprisiona cada brida. El mecanismo está diseñado para permitir que el carro rote en los dos planos ortogonales, sin rodar alrededor del eje de medición.

La figura 4 muestra una vista detallada del carro con el interferómetro fijado. El carro incorpora un bastidor 14 de traslación en x-y, que se muestra con más detalle en la figura 5, y un bastidor de traslación en z. Juntos, estos bastidores permiten la alineación del eje de medición del interferómetro con respecto al centro de la bola de referencia.

El bloque 16 de interferómetro está situado cinemáticamente sobre tres almohadillas 17 levantadas en el bastidor de curvatura y tres levas 18 cilíndricas. Dicho bloque se mantiene en su sitio gracias a resortes de fleje 19 y 20. Las levas y el bastidor de curvatura permiten, respectivamente, un ajuste basto y fino de la alineación del interferómetro con relación a la esfera de referencia. Se consigue la traslación fina del interferómetro usando dos tornillos 21 y 22 finamente roscados. La óptica 23, 24 y 25 de entrega de luz de fibra óptica y de recuperación de señales del interferómetro y el detector 26 sensible a la posición están montados, también, sobre el bastidor de curvatura.

El bastidor de curvatura se fija por su porción central 27 al bastidor de traslación 15. El bastidor de traslación prevé unos medios para ajustar el foco del haz de medición del interferómetro sobre la esfera de referencia. Se consigue el ajuste usando un micrómetro 28. Los resortes 29 a cada lado del carro mantienen el bastidor de traslación sobre el carro.

Se fija el peso 30 al carro de tal modo que asegure que el centro de gravedad de todo el montaje de carro esté situado en el centro de la esfera de referencia. Esto asegura que no haya ninguna componente horizontal del peso del carro que tienda a desplazarlo de su posición fija al curvar la clavija de apoyo 3.

La naturaleza y estructura de los componentes individuales descritos anteriormente serán evidentes inmediatamente para el experto en la técnica. Por lo tanto, no se considera necesario describir cada componente con detalles muy específicos.

La función del interferómetro es medir el desplazamiento del objetivo móvil retrorreflector con relación a la esfera de referencia en la estación de seguimiento por la línea que une sus centros. Se ilustra esquemáticamente en la figura 6 una configuración de interferómetro heterodino de doble frecuencia polarizante que consigue esto.

Se usan un cabezal láser y una tarjeta contadora (Zygo ZMI 2000) comerciales para procesar las señales de la fuente láser y del interferómetro, respectivamente. La ventaja de este sistema es que está diseñado para aceptar una señal óptica de referencia para la tarjeta contadora a través de una fibra óptica. La señal de salida del interferómetro puede estar conectada, también, a la tarjeta contadora por fibra óptica.

El interferómetro está montado sobre el carro móvil de la estación de seguimiento. Por esta razón, la fuente láser no puede ser alimentada directamente al interferómetro, se usa así una fibra de mantenimiento de la polarización para lanzar las dos polarizaciones ortogonales al interferómetro. Las perturbaciones de la fibra de mantenimiento de la polarización debidas, por ejemplo, a la deriva térmica o al movimiento mecánico inducen a la mezcla de las dos polarizaciones ortogonales dentro de la fibra. Para impedir que esta mezcla afecte a la precisión de la medición de desplazamientos, se extrae una señal contadora de referencia en el interferómetro gracias a un divisor de haz BS(I). De este modo, el efecto de la mezcla de polarización es común a la señal contadora de referencia y a la señal contadora de medición y, así, son eliminadas. Esta señal es alimentada a través de una fibra óptica a la entrada de recuento de referencia en la tarjeta contadora.

El divisor de haz polarizante PBS separa las dos polarizaciones ortogonales. Una primera pasa recta como una referencia. La segunda se envía a través de una placa de cuarto de onda hasta la esfera de referencia, y de vuelta a través de la placa de cuarto de onda hasta el PBS. Cada paso a través de la placa de cuarto de onda hace girar 45º el estado de polarización del haz, de manera que el haz pasa entonces a través del PBS y de una segunda placa de cuarto de onda hasta el objetivo móvil. El objetivo vuelve a retrorreflejar el haz a través de la placa de cuarto de onda, lo que asegura que, al golpear el PBS, el haz es reflejado para interferir con el haz de referencia. La señal de medición producida por esta interferencia se transmite a través de fibra óptica a la entrada de recuento de medición en la tarjeta contadora.

Un tercer divisor de haz BS(II) se usa para dirigir una fracción del haz de retorno desde el objetivo hasta un detector PSD sensible a la posición que proporciona una realimentación de posición para el servoseguimiento.

Una implementación en la práctica de este interferómetro se muestra en forma de despiece ordenado en la figura 7. Los espejos M1, M2 y M3 a 45º se usan para dirigir los haces hacia fuera y hacia dentro de las fibras situadas encima del carro.

En otra realización, en vez de tener una guía esférica, el sistema está provisto de una guía cilíndrica circular desplazable alrededor de un único eje de rotación. La guía cilíndrica circular proporciona tanto el centro mecánico de rotación como la referencia de medición, de manera similar a la guía esférica. La estructura de esta realización alternativa será evidente inmediatamente para el experto que haya considerado las enseñanzas anteriores.

Claims (13)

1. Un sistema de seguimiento para seguir o determinar la posición de un punto con relación a una referencia, estando situado el punto en un objetivo, comprendiendo dicho sistema de seguimiento:

una guía (2) esférica, y

un carro (4) accionable para rotar alrededor de al menos una porción de dicha guía (2) esférica, incluyendo dicho carro (4) un dispositivo (23) de generación de haces y un dispositivo (24, 25) de medición de desplazamientos montado en él,

estando configurado dicho dispositivo (23) de generación de haces para generar un haz, estando dirigido dicho haz hacia dicha guía esférica y, después de la reflexión desde ella, hacia el objetivo,

estando configurado dicho dispositivo (24, 25) de medición de desplazamientos para recibir al menos una porción de dicho haz, después de que dicho haz se refleje desde el objetivo, de manera que dicho sistema de seguimiento mida el desplazamiento del objetivo respecto a dicha guía esférica, correspondiendo dicha guía esférica a la referencia.

2. Un sistema de seguimiento según la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo de medición de desplazamientos incluye un interferómetro.

3. Un sistema de seguimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que dicha guía (2) esférica tiene un punto central, y dicho dispositivo (23) de generación de haces está configurado para enfocar dicho haz sobre dicho punto central de dicha guía esférica, cuando dicho sistema de seguimiento mide el desplazamiento del objetivo respecto a dicha guía esférica.

4. Un sistema de seguimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que dicha guía (2) esférica tiene una superficie exterior, y dicho dispositivo (23) de generación de haces está configurado para enfocar dicho haz sobre dicha superficie exterior de dicha guía esférica, cuando dicho sistema de seguimiento mide el desplazamiento del objetivo respecto a dicha guía esférica.

5. Un sistema de seguimiento según cualquier reivindicación precedente, en el que dicho carro incluye medios (1) para soportar el mismo, y en el que un centro mecánico de rotación de dicho carro y la referencia coinciden en un punto.

6. Un sistema de seguimiento según la reivindicación 5, en el que dicha guía (1) esférica tiene un punto central, y en el que el centro mecánico de rotación de dicho carro y la referencia coinciden en dicho punto central de dicha guía esférica.

7. Un sistema de seguimiento según la reivindicación 2, en el que dicho interferómetro (24, 25) está configurado para estar dispuesto entre dicha guía (2) esférica y el objetivo, cuando dicho sistema de seguimiento está midiendo el desplazamiento del objetivo respecto a dicha guía (2) esférica, de manera que dicho haz pase desde dicho interferómetro a lo largo de una primera trayectoria, sea reflejado por dicha guía (2) esférica y, luego, se vuelva a dirigir hacia dicho interferómetro a lo largo de una segunda trayectoria y, luego, hacia el objetivo.

8. Un sistema de seguimiento según la reivindicación 7, en el que dicha primera trayectoria y dicha segunda trayectoria son de la misma extensión.

9. Un método para determinar la posición de un objetivo con relación a una referencia, que incluye las operaciones de:

proporcionar una guía (2) esférica que tiene un punto central;

generar un haz;

dirigir el haz hacia la guía (2) esférica a lo largo de una primera trayectoria, de manera que el haz se refleje en la guía (2) esférica y hacia el objetivo;

recibir al menos una porción del haz reflejado desde el objetivo; e

interpretar la al menos una porción del haz recibido del objetivo.

10. Un método según la reivindicación 9, en el que la operación de dirigir el haz comprende hacer pasar el haz reflejado en la guía (2) esférica a través de un interferómetro (24, 25).

11. Un método según la reivindicación 9 o 10, en el que el haz es dirigido desde el interferómetro y hacia el punto central de la guía (2) esférica, de manera que el haz sea reflejado por una superficie exterior de la guía (2) esférica, permitiendo por ello que el haz sea dirigido a través del interferómetro y hacia el objetivo.

12. Un método según la reivindicación 11, en el que la operación de dirigir el haz comprende enfocar el haz sobre el punto central de la guía (2) esférica.

13. Un método según la reivindicación 9, en el que la operación de dirigir el haz comprende enfocar el haz sobre la superficie exterior de la guía (2) esférica.