DE1278133B

DE1278133B - Optische Anordnung fuer Spaltsensoren

Info

Publication number: DE1278133B
Application number: DEL55966A
Authority: DE
Inventors: Dr Georg Franke
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1967-03-10
Filing date: 1967-03-10
Publication date: 1968-09-19
Also published as: US3581099A

Description

Optische Anordnung für Spaltsensoren Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung für Spaltsensoren, die insbesondere für eine Verwendung in Satelliten geeignet ist.
Zur Stabilisierung der Fluglage von Satelliten ist es üblich, dieselben um ihre Längsachse rotieren zu lassen, um durch die Kreiselwirkung eine Achsenstabilisierung zu erreichen. Zur Bestimmung der Achsenlage gegenüber der Flugbahn werden dabei im allgemeinen Spaltensensoren verwendet, bei denen der Meridiandurchgang beispielsweise der Erde oder der Sonne unabhängig von der Höhe registnert wird.
Die Auswertung der Registrierimpulse kann zur Einregelung der Achsenlage oder, insbesondere bei Nachrichtensatelliten, zur Ansteuerung der jeweils der Erde zugewandten Antenne verwendet werden.
Die bisher für Spaltsensoren verwendeten optischen Anordnungen sind sehr aufwendig und außerdem verhältnismäßig schwer, was selbstverständlich bei Satelliten als außerordentlich nachteilig empfunden wird.
Es sind bereits bei Planetarien optische Anordnungen zur Projektion von Großkreisen verwendet worden, bei denen ein von einer Lichtquelle beleuchteter Spalt von 3600 Länge auf die Projektionsfläche des Planetariums projiziert wurde. Diese Anordnungen bestanden aus einem torischen Glaskörper mit einer zylindrischen Bohrung, in der die Lichtquelle angeardnet war. Auf der zylindrischen Fläche befindet sich der Spalt, der durch die torische Fläche ins Unendliche abgebildet wird.
Die optische Anordnung für Spaltsensoren nach der Erfindung benutzt eine ähnliche Anordnung und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein torischer Körper mit a) einem Umfangswinkel von 1800 und b) einem Formradius rf, der so bemessen ist, daß die Schnittweite s' für parallel einfallendes Licht etwas kleiner als der Rotationsradius rrOt ist, und c) einer konzentrischen zylindrischen Bohrung mit einem Radius erz = r, - s', die bis auf einen Spalt in der Mittelebene lichtundurchlässig ist, verwendet ist und daß im Mittelpunkt des torischen Körpers ein lichtempfindliches Element vorgesehen ist.
Nach einem weiteren Erfindungsgedanken kann der torische Körper durch Glaskörper mit reinen Kugel- und Zylinderflächen aufgebaut sein. Dabei besteht die optische Anordnung in Abhängigkeit vom Brechungsindex des verwendeten Materials aus zwei gürtelartigen Ringlinsen mit einem Öffnungswinkel von 1800, deren Außenflächen reine Kugel- flächen und deren Innenflächen Zylinderflächen sind, wobei die beiden Ringlinsen durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind. In der nachfolgenden Tabelle ist ein Beispiel für ein Material mit dem Brechungsindex n = 1,5 angegeben. r, = 60 4 = 10 r2 (Zyl)= 50 d2 (Luft) = 1 r3 = 49 =9 r4 (zyl) = 40 s'= = 29 Konzentrisch zu den beiden Ringlinsen ist eine zylindrische Spaltblende mit einem Radius r = 11 angeordnet und im gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt aller Flächen ein lichtempfindliches Element vorgesehen.
An Stelle der Zylinderflächen der Ringlinsen können natürlich auch sphärische Flächen aus Korrektionsgründen angebracht sein.
Bei der Verwendung eines Materials mit dem Brechungsindex n = 2,0 kann für den optischen Teil der Anordnung aber auch eine aus einer Kugel herausgeschnittene Scheibe verwendet sein, deren Mittelebene durch den Krümmungsmittelpunkt geht und deren gekrümmte Außenfläche über einen Winkel von 1800 bis auf einen in der Mittelebene liegenden Spalt lichtundurchlässig ist, wobei außerhalb dieses Spaltes ein sich ebenfalls über 1800 erstrekkendes lichtempfindliches Element vorgesehen ist.
Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß die Brennweite = Schnittweite im Material gleich nn~rl ist. An Stelle des Spaltes mit einem dahinter angeordneten lichtempfindlichen Element kann aber auch das lichtempfindliche Element unmittelbar auf der gekrümmten Außenfläche der Scheibe angeordnet sein, wenn das lichtempfindliche Element beispielsweise durch Aufdampfen hergestellt wird.
Da für Spaltsensoren in vielen Fällen der infrarote Spektralbereich verwendet wird und in diesem Spektralbereich Materialien mit noch höheren Brechungsindizes verwendbar sind, wie beispielsweise Germanium mit einem Brechwert n = 4,00, kann der optische Teil der Anordnung aber auch so ausgebildet sein, daß ebenfalls aus einer Kugel heraus eine Scheibe geschnitten wird, deren Mittelebene durch den Krümmungsmittelpunkt geht, wobei die Scheibe selbst einen Öffnungswinkel von 1800 besitzt. Da bei dem Brechungsindex n = 4,00 die Schnittweite s' nur noch gleich 1,33 r ist, kann die Scheibe mit einer zylindrischen Scheibe verkittet sein, deren Krümmungsmittelpunkt mit dem Krümmungsmittelpunkt der erstgenannten Scheibe zusammenfällt und die einen Krümmungsradius von 0,33 r aufweist. Auf der zylindrischen Außenfläche dieser zweiten Scheibe ist wiederum entweder in der Mittelebene ein Spalt, der sich über 1800 erstreckt, in der sonst lichtundurchlässigen zylindrischen Fläche vorgesehen oder unmittelbar auf die zylindrische Fläche in der Mittelebene ein lichtempfindliches Element aufgedampft.
Ein besonderer Vorteil ist bei der Verwendung von Materialien mit höherem Brechungsindex darin zu sehen, daß die sphärischen Abweichungen sehr klein werden. Selbst bei einem i)ffnungsverhältnis von beispielsweise 1 : 0-8 ist dieser Fehler kaum merkbar. Natürlich ist es zweckmäßig, in bekannter Weise für eine Reflexminderung zu sorgen.
In den Zeichnungen sind Beispiele für die drei möglichen Anordnungen dargestellt, und zwar zeigen Fig. 1 und la eine Aufsicht und einen Schnitt durch die Anordnung bei Verwendung eines torischen Körpers, Fig. 2 und 2 a eine Aufsicht und einen Schnitt durch die Anordnung bei Verwendung von zwei gürtelartigen Ringlinsen aus niedrigbrechendem Material, Fig. 3 und 3 a eine Aufsicht und einen Schnitt durch die Anordnung bei Verwendung hochbrechenden Materials.
Der torische Körper 1 aus transparentem Material besitzt einen Formradius r1 und einen Rotationsradius rt0. Konzentrisch zum Krümmungsmittelpunkt des Radius rrot ist eine zylindrische Bohrung mit dem Radius r2 vorgesehen. Die Zylinderfläche weist einen Spalt 2 auf. Im Krümmungsmittelpunkt ist das lichtempfindliche Element 3 angeordnet.
Bei der zweiten Anordnung sind zwei gürtelartige Ringlinsen 11 und 12 sowie eine zylindrische Spaltblende 13 konzentrisch zu einem lichtempfindlichen Element 14 vorgesehen. Die Außenflächen der beiden Linsen 11 und 12 sind dabei Kugelflächen, während die Innenflächen beider Linsen 11 und 12 als Zylinderflächen ausgebildet sind. Die Brennlinie dieser Anordnung fällt mit dem Spalt der zylindrischen Spaltblende 13 zusammen.
Bei der dritten Anordnung ist ein scheibenförmiger Körper 21 mit 1800 Öffnungswinkel, dessen gekrümmte Außenfläche 22 eine Kugelfläche ist, mit einem zweiten scheibenförmigen Körper 23 konzentrisch verkittet, wobei die gekrümmte Außenfläche 24 der zweiten Scheibe eine Zylinderfläche ist. Auf dem Umfang der : fläche 24 ist in der Mittelebene ein linienförmiges lichtempfindliches Element 25 aufgedampft. Die Brennlinie fällt mit dem lichtempfindlichen Element zusammen.

Claims

Patentansprüche: 1. Optische Anordnung für Spaltsensoren, d a -durch gekennzeichnet, daß ein torischer Körper (1) mit a) einem Umfangswinkel von 1800 und b) einem Formradius rf, der so bemessen ist, daß die Schnittweite s'für parallel einfallendes Licht etwas kleiner als der Rotationsradius rrot ist, und c) einer konzentrischen zylindrischen Bohrung mit einem Radius r2 = rrot - s', die bis auf einen Spalt (2) in der Mittelebene lichtundurchlässig ist, verwendet ist und daß im Mittelpunkt des to rischen Körpers ein lichtempfindliches Element (3) vorgesehen ist.
2. Optische Anordnung für Spaltsensoren, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gürtelartige Ringlinsen (11, 12) mit sphärischen Außen-und Innenflächen sowie konzentrisch zu beiden Linsen eine zylindrische Spaltblende (13) sowie im Krümmungsmittelpunkt aller Flächen ein lichtempfindliches Element (14) vorgesehen sind.
3. Optische Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die in der folgenden Tabelle angegebenen Daten: n=1,5 r1 = dl = 10 r2 (zyl) = 50 d2 (Luft) = 1 r3 = 49 dz = 9 r4(zyl) = 40 s' = 29
4. Optische Anordnung für Spaltsensoren unter Verwendung hochbrechenden transparenten Materials, insbesondere für den infraroten Spektralbereich, dadurch gekennzeichnet, daß zwei halbkreisförmige Scheiben (21, 23) mit gemeinsamem Krümmungsmittelpunkt miteinander verkittet sind, wobei die Außenfläche der einen Scheibe (21) als sphärische Fläche und die der anderen Scheibe als Zylinderfläche (24) ausgebildet sind, und daß die zylindrische Außenfläche (24) als Spaltblende mit einem in der Mittelebene beider Scheiben liegenden Spalt ausgebildet ist und daß außerhalb dieses Spaltes ein lichtempfindliches Element angeordnet ist.
5. Optische Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die in der folgenden Tabelle angegebenen Daten: n = 4,00 t = 2,00 r2 (zyl) = 0,6667
6. Optische Anordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des Spaltes in der Spaltblende linienförmige lichtempfindliche Elemente (25) auf den Blendenflächen aufgedampft sind.
7. Optische Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2, 4 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Flächen mindestens teilweise durch sphärische Flächen ersetzt sind.