DE1473993B2

DE1473993B2 - Lichtpei!vorrichtung

Info

Publication number: DE1473993B2
Application number: DE19651473993
Authority: DE
Inventors: John Mead Pasadena Calif. McLauchlan (V.St.A.). GOId
Original assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1964-08-31
Filing date: 1965-08-28
Publication date: 1970-10-01
Also published as: GB1083416A; DE1473993A1; US3354320A; BE668987A

Description

Die Erfindung betrifft Lichtbogenpeilvorrichtungen zum Erzeugen eines Ausgangssignals, welches die Stellung einer Lichtquelle mit Bezug auf zwei Achsen der Vorrichtung anzeigt, mit einer lichtempfindlichen Lichtabfühleinrichtung und einer optischen Projektionseinrichtung zum Fokussieren von Licht einer Lichtquelle auf die Abfühleinrichtung und mit einer schwingbaren Abdeckung zum abwechselnden Abdecken und Durchlassen von Licht zu der Abfühleinrichtung während veränderlicher Zeiträume, in Abhängigkeit von der Stellung der Lichtquelle in Richtung der Schwingbewegung der Abdeckung.

Wegen der Entfernungen, die beim Raumflug, insbesondere beim interplanetaren Raumflug, zurückgelegt werden, ist es notwendig, die Antennen an dem Raumfahrzeug in Richtung auf die Erde auszurichten, um Signale vom und zum Raumfahrzeug zu senden und zu empfangen, die beim Ankommen an ihren entsprechenden Empfangseinrichtungen schwach sind. Da es erwünscht ist, daß die empfangenen Signale einen möglichst hohen Pegel haben, müssen die Raumfahrzeugantennen in eine solche Stellung ausgerichtet werden, in welcher ein Maximalsignal gesendet und empfangen werden kann.

Es wurde gefunden, daß es durch Benutzung der. Erde als Lichtquelle und derartiges Ausrichten der Antennen, daß sie genau auf diese Lichtquelle weisen, möglich ist, die Anforderungen der Sender in dem Raumfahrzeug herabzusetzen. Normalerweise ist eine Lichtabfühleinrichtung so angeordnet, daß sie in die gleiche Richtung wie die Antenne weist. Die Lichtabfühleinrichtung bestimmt die Stellung der Lichtquelle mit Bezug auf die Antenne, und dann wird ein Korrektursignal erzeugt, so daß die Antenne derart eingestellt wird, daß ein Maximalsignal gesendet und empfangen werden kann.

Es wurde jedoch festgestellt, daß es bei längeren Raumflügen, insbesondere solchen, die ein Jahr oder länger dauern und bei denen Fehler an den sich bewegenden Teilen solcher Lichtabfühleinrichtungen wegen des langen fortlaufenden Gebrauchs auftreten können, erwünscht ist, daß die sich bewegenden Teile der Lichtabfühleinrichtung und der zugehörigen Ausrüstung auf einem Minimum gehalten werden. Die bisher für die Einstellung der Raumfahrzeugantennen praktisch benutzten Lichtpeileinrichtungen haben jedoch viele sich bewegende Teile erfordert und waren sehr unhandlich bzw. schwerfällig, viel Platz beanspruchend und äußerst kompliziert.

Es ist eine lichtempfindliche Lichtabfühleinrichtung zur Kontrolle der Arbeit von Schneidbrennern, Holzsägemaschinen, Schneideinrichtungen für Kleidungsstücke, Schweißwerkzeugen und Fräsmaschinen bekannt, bei welcher eine leistenförmige Abdeckung über die lichtempfindliche Fläche der Photozelle im Ansprechen auf ein durch einen Transformator aufgedrücktes Wechselstromsignal schwingt, wobei die lichtempfindliche Fläche der Photozelle wesentlich größer als die Breite der Abdeckung ist.

Es ist ferner eine Abfühleinrichtung für Lichtpeilvorrichtungen bekannt, bei der eine schwingbare Blattfeder mit einer rechteckigen Platte mit einer kreisrunden Öffnung vorgesehen ist, wobei die Blattfeder durch ein Solenoid in Schwingung versetzt wird. Mit dem durch die kreisrunde Öffnung hindurchtretenden Licht wird dann eine bestimmte Fläche abgetastet.

Ferner ist eine Vorrichtung zur selektiven Meldung von Lichtquellen, insbesondere für Überhol· meider bei Kraftfahrzeugen, bekannt, bei denen eine; lichtempfindlichen Einrichtung ein Gitter vorgeschal tet ist, das aus abwechselnd nicht-durchscheinender und durchscheinenden Streifen besteht und in seiner Ebene im wesentlichen senkrecht zur Richtung dei Streifen eine Vibrationsbewegung ausführen kann.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

ίο Fig. 1 eine auseinandergezogene Teilansicht der Teile der Lichtpeilvorrichtung,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht der Lichtpeilvorrichtung,

F i g. 3 eine Ansicht von einem Teil der Lichtpeil-Vorrichtung, die benutzt wird, um verschiedene Stellungen der Lichtquelle zu zeigen,

F i g. 4 (a), 4 (b) und 4 (c) Kurven der Ausgangsspannungen, die von der Lichtpeilvorrichtung und verschiedenen Stellungen der Lichtquelle gemäß F i g. 3 erhalten werden,

F i g. 5 eine Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Abdeckung bzw. des Verschlusses, welcher in der Lichtpeilvorrichtung gemäß den F i g. 1 bis 3 benutzt ist.

Die Lichtpeilvorrichtung gemäß F i g. 1 weist im wesentlichen eine optische Einrichtung 12 auf, welche benutzt wird, um ein Bild der Lichtquelle auf einen fotoempfindlichen Lichtabfühler bzw. Lichtdetektor 14 zu fokussieren. Zwischen der optischen Einrichtung 12 und dem Lichtdetektor 14 ist ein Stellungsnormal bzw. eine Bezugsblende 16 angeordnet. Ferner ist eine Abdeckung 18, die eine trapezartige Form hat, zwischen der optischen Einrichtung 12 und der Bezugsblende 16 angeordnet. Die Abdeckung 18 schwingt hin und her über der Bezugsblende 16, so daß die Lichtquelle, deren Strahlen auf eine Stelle in der Ebene der Bezugsblende 16 fokussiert werden, abwechselnd abgehalten werden und frei hindurchgehen können.

Die Lichtpeilvorrichtung gemäß F i g. 1 ist normalerweise in Beziehung zu einer Antenne an einem Raumfahrzeug derart angeordnet, daß, wenn die Lichtquelle ins Zentrum der Bezugsblende 16 fokussiert wird, die Antenne in eine Stellung ausgerichtet ist, in welcher ein Maximalsignal sowohl gesendet als auch empfangen wird. Sollte die Lichtquelle sich mit Bezug auf die Antenne verschieben, so daß die Lichtquelle nicht länger ins Zentrum der Bezugsblende fokussiert wird, so ist die Antenne nicht mehr in der Optimalstellung. Der Betrag der Verschiebung der Lichtquelle vom Zentrum der Bezugsblende ist proportional zu dem Betrag, um welchen die Antenne sich aus ihrer Optimalstellung verschoben hat. Die Lichtpeilvorrichtung sieht ein System zum Erfassen bzw. Abfühlen und Bestimmen des Betrages der Verschiebung der Lichtquelle von dem Zentrum der Bezugsblende mit Bezug auf zwei Achsen in der Ebene der Bezugsblende vor. Ein Signal, welches die Stellung der Lichtquelle und der Antenne anzeigt, kann dann benutzt werden, um ein Korrektursignal für die Antenne eines Raumfahrzeuges zu erzeugen. Die Antenne kann dann in eine Stellung bewegt werden, in der maximale Ausgangssignale wiederum gesendet und empfangen werden können. Gleichzeitig wird natürlich die Lichtquelle wieder ins Zentrum der Bezugsquelle gebracht. Darüber hinaus würde das Fehlen eines Signals vom Lichtdetektor eine Anzeige dafür sein, daß keine Lichtquelle vorhanden ist.

In F i g. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt. Die optische Einrichtung weist eine Linse 24 auf, welche in einem Linsenhalter 26 befestigt ist. Der Linsenhalter 26 ist an einem Ende eines Gehäuses 28 befestigt. Außerdem ist in dem Gehäuse 28 ein lichtempfindlicher Lichtdetektor enthalten, welcher eine Fotoelektronenvervielfacherröhre 32 umfaßt, die eine Bezugsblende hat, welche von einem lichtundurchlässigen Teil 34 gebildet is';, der an dem lichtempfindlichen Ende der Fotoelektronenvervielfältigerröhre 32 angeordnet ist. Eine rechteckige Öffnung 36 in der Bezugsblende erlaubt es, Lichtstrahlen, welche auf die Linse 24 fallen, durch die Bezugsblende auf die lichtempfindliche Fläche der Fotoelektronenvervielfacherröhre durchzutreten.

Die Abdeckung umfaßt ein lichtundurchlässiges, trapezartig geformtes Teil 42. Die größte Breite der Abdeckung 42 ist wenig größer als die Breite der Öffnung 36. Die Abdeckung 42 wird veranlaßt, zu schwingen, und zwar mittels einer einfachen magnetischen Antriebseinrichtung. An einem Ende des Teiles 42 ist eine Schwingzunge befestigt, welche in ein Paar von Blättern 52, 54 aufgeteilt ist. Die Blätter 52, 54 sind an der in einem Gehäuse 56 enthaltenen magnetischen Antriebseinrichtung befestigt. Normalerweise kann die Antriebseinrichtung einfach aus einem Paar von Spulen bestehen, die in einem Dauermagnetfeld aufgehängt sind.

Die Abdeckung 42 schwingt auf der Vorderseite der Öffnung 36 zwischen den in F i g. 2 gestrichelt gezeichneten Extremstellungen. Diese Extremstellungen sind solche, daß, wenn die Abdeckung 42 sich in diesen Stellungen befindet, Licht von der Linse 24 jeden Teil der öffnung 36 treffen kann und nicht durch die Abdeckung 42 zurückgehalten wird.

In F i g. 3 sind zu Zwecken der Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach F i g. 2 drei verschiedene Stellungen der Quelle von Licht, das in die öffnung 36 fokussiert ist, und in F i g. 4 (a) bis 4(c) die resultierenden Ausgangssignale wiedergegeben, die durch diese drei Stellungen erzeugt bzw. dargestellt werden. In Stellung A ist die Lichtquelle genau ins Zentrum der öffnung 36 fokussiert. Wenn die Lichtquelle in diese Stellung fokussiert wird und die Abdeckung 42 sich direkt über der Öffnung 36 befindet, so wird von der Fotoelektronenvervielfacherröhre 32 kein Licht empfangen. F i g. 4 (a) stellt die Ausgangsspannung der Fotoelektronenverviel·· facherröhre 32 dar, wenn die Lichtquelle sich in Stellung A befindet. Zur Zeit Z₁ befindet sich die Abdeckung 42 genau in ihrem Bewegungszentrum. In dieser Stellung ist die Lichtquelle durch die Abdeckung 42 abgedeckt, und es gibt kein Ausgangssignal an der Fotoelektronenvervielfacherröhre 32. Wenn die Abdeckung 42 sich nach links bewegt, verdeckt zur Zeit J₁ die Abdeckung 42 nicht langer die Lichtquelle, und eine Ausgangsspannung wird erzeugt. Diese Ausgangsspannung setzt sich bis zur Zeit Λ, fort, wenn die Abdeckung 42 ihre Bewegung zur linken Seite der öffnung 36 beendet hat und die Lichtquelle bei ihrer Bewegung nach rechts wiederum verdeckt. Zur Zeit i_:1, wenn die Abdeckung 42 sich nach der rechten Seite der Lichtquelle bewegt hat, wird wieder eine Ausgangsspannung erzeugt. Die Abdeckung 42 setzt ihre Besvegung nach der rechten Seite der öffnung 36 fort und kehrt dann zur Zeit r, wiederum in eine Stellung zurück, in der sie die Lichtquelle abdeckt.

Wenn die Lichtquelle in eine Stellung B in der Öffnung 36 fokussiert wird, d. h. sich mit Bezug auf die öffnung 36 längs der .r-Achse bewegt, deckt die Abdeckung 42 die Lichtquelle ab, aber zu einer späteren Zeit während der Bewegung der Abdeckung 42 von links nach rechts in der Zeichnung, als wenn die Lichtquelle im Zentrum der Öffnung 36 wäre. F i g. 4 (b) stellt die Ausgangsspannung dar, v/enn die Lichtquelle in die Stellung B in F i g. 3 verschoben

ίο ist. Zur Zeit i_D, wenn die Abdeckung 42 die Öffnung 36 abdeckt, wird keine Ausgangsspannung erzeugt. Wenn jedoch die Abdeckung 42 sich nach links bewegt, wird zur Zeit t. eine Ausgangsspannung erzeugt, wenn die Lichtquelle nicht langer durch die Abdeckung 42 abgedeckt ist, was zu einem späteren Zeitpunkt als für eine zentral in der Öffnung 36 befindliche Lichtquelle geschieht. Wenn weiterhin die Abdeckung 42 sich wieder nach rechts bewegt, wird die Lichtquelle zur Zeit Z₆ abgedeckt, und es wird nicht länger eine Ausgangsspannung erzeugt. Wenn die Abdeckung fortfährt sich nach rechts zu bewegen, wird wiederum ein Impuls erzeugt, wenn die Abdeckung 42 zur Zeit t. die Lichtquelle freigibt. Während die Abdeckung 42 sich nach rechts bewegt und dann wieder nach links, ist natürlich die Breite des Ausgangsimpulses bis zur Zeit i₈, zu welcher Zeit der Ausgangsimpuls wegen des Abdeckens der Lichtquelle durch die Abdeckung 42 nicht länger erzeugt wird, größer als der anfängliche Ausgangsimpuls.

Mit der Lichtquelle in Stellung C, d. h., wenn sich die Lichtquelle längs der y-Achse mit Bezug auf die Öffnung 36 verschoben hat, wird der schmale Teil der Abdeckung 42 die Lichtquelle abdecken. Da der schmale Teil der Abdeckung 42 die Lichtquelle abdeckt, ist die Ausgangsimpulsbreite größer als wenn die Lichtquelle im Zentrum der öffnung 36 wäre. In F i g. 4 (c) sind die Ausgangsspannungen dargestellt für eine Lichtquelle, die sich in Stellung C in der Öffnung 36 befindet. Die Lichtquelle hat sich in eine Stellung bewegt, in welcher der Teil der Abdeckung 42, der die öffnung 36 bedeckt, schmaler ist. Zur Zeit i_D, wenn die Abdeckung 42 mit Bezug auf die Öffnung 36 zentral angeordnet ist, wird kein Ausgangssignal erzeugt. Wenn die Abdeckung 42 in ihrer normalen Bewegung schwingt, werden wegen der kürzeren Zeitdauer, während welcher die Abdeckung 42 die Lichtquelle abdeckt, größere Ausgangsimpulsbreiten erzeugt als für eine zentral angeordnete Lichtquelle, während gleichzeitig kürzere Perioden des Fehlens eines Spannungsausgangs erzeugt wird, in denen die Abdeckung 42 die Lichtquelle abdeckt. Sollte die Lichtquelle sich längs der y-Achse in der entgegengesetzten Richtung als die bei der Stelle C dargestellten bewegen, so würden solche Ausgangsimpulse schmaler bzw. kürzer sein, als wenn die Lichtquelle sich zentral in der öffnung 36 befände.

Unter Berücksichtigung des Vorstehenden wird

leicht ersichtlich, daß durch Ausbildung der Abdekkung 42 in Trapezform die Zeit, in welcher die Abdeckung 42 während ihrer Bewegung zuerst die Lichtquelle abdeckt, eine Anzeige für die Stellung der Lichtquelle längs einer Achse rechtwinklig zur Neigung der Kante der Abdeckung 42 ist. Weiterhin ist die Zeitdauer, während welcher kein Ausgangsimpuls erzeugt wird, eine Anzeige für die Stellung der Lichtquelle längs einer Achse, die parallel zur Höhe des Trapezes verläuft. So kann durch Vergleichen sowohl der Zeit, wenn ein Ausfülirungssignal nicht langer

auftritt und der Zeitdauer des Fehlens eines Ausgangssignals mit einem Bezugssignal die Stellung der Lichtquelle in der Ebene der Bezugsblende bzw. des Stellungsnormals über die Schaltungen ermittelt werden. Wie oben erläutert, kann der Lichtdetektor dann neu eingestellt werden, so daß die Lichtquelle sich wieder im Zentrum der Bezugsblende befindet.

In F i g. 5 ist eine andere Ausführungsform der in den F i g. 1 bis 3 gezeigten Abdeckung dargestellt. Die Abdeckung gemäß F i g. 5 weist einen trapezförmigen Abschnitt 62 auf, mit welchem ein Paar von rechteckigen Abschnitten 64 und 66 verbunden ist. Die Breiten des trapezförmigen Abschnitts 62 sind gleich der Breite der entsprechenden rechteckigen Abschnitte, mit welchen sie verbunden sind. Die Benutzung der Abdeckung nach F i g. 5 setzt die Änderungen der Ausgangsimpulse auf ein Minimum herab. Sollte z. B. bei Benutzung der Abdeckung nach den F i g. 1 bis 3 die Lichtquelle an den Enden der öffnung längs der y-Achse liegen, so würde entsprechend entweder eine große oder eine kleine Ausgangsimpulsbreite erzeugt.

Sollte sich die Lichtquelle bei der Ausführungsform nach F i g. 5 längs der y-Achse um einen ansehnlichen Betrag bewegen, wird ein Korrektursignal erzeugt, bis die Lichtquelle zum Zentrum zurückgekehrt ist. Sollte " die Lichtquelle sich in die Nähe eines der rechteckigen Abschnitte 64, 66 bewegen, würde das Ausgangssignal, welches von dem Detektor erzeugt wird, natürlich dasselbe sein in irgendeinem Bereich jedes rechteckigen Abschnitts 64, 66. Der Korrekturmechanismus bewegt dann den Lichtdetektor derart, daß die Lichtquelle wieder in Richtung auf das Zentrum der öffnung ausgerichtet wird. Da jedoch ein Zweck der Lichtpeilvorrichtung darin besteht, die Lichtquelle im Zentrum der öffnung anzuordnen, ist es unnötig, die Stellung der Lichtquelle längs der y-Achse genau zu bestimmen, bis die Lichtquelle in der Nähe des Zentrums der öffnung angeordnet ist, d. h., in der Nähe der öffnung, die durch den trapezförmigen Abschnitt 62 gemäß F i g. 5 abgedeckt ist. Bei Verwendung der rechteckigen Abschnitte 64, 66, die an den trapezförmigen Abschnitt 62 anschließen, und wenn Fehlersignale, die von der Impulsbreite abhängen, benutzt werden, um die Stellung des Fahrzeuges zu korrigieren, werden extrem große oder extrem kleine Ausgangssignale von dem Detektor nicht erzeugt. So kann die Schaltung der Korrektureinrichtung bequem für ein Minimum an Änderung der Ausgangssignalbreite ausgelegt werden.

Ein Ausführungsbeispiel des Lichtdetektors, welcher die in F i g. 5 dargestellte Abdeckung verwendet, wurde hergestellt unter Benutzung eines 7-gliedrigen Brechungssystems F/l, 2, 50 mm Brennweitenlinse für die optische Einrichtung. Das Blickfeld war 4° längs der .r-Achse und 10° längs der y-Achse. Die Abdeckung wurde mit einer Frequenz von 20 Perioden/ see. angetrieben. Für den Lichtdetektor wurde ein 10-Stufen-Fotoelektronenvervielfacher benutzt. Dieser Fotoelektronenvervielfacher hat Silber-Magnesium-Dynoden und eine Stromverstärkung von 1,25 . 10⁵ mit 1250 Volt Erregung.

Der Detektor war ausgelegt, um Himmelskörper auszumachen, die in ihrer Intensität im Bereich von 1 ■ 10-« bis 5 ■ 10-'¹ Watt pro Quadratzentimeter liegen und mit einem Nennfarbbereich von 6000° K.

Während die Lichtpeilvorrichtung mit Bezug av. Einrichtungen beschrieben wurde, in denen der Licht detektor nachgestellt wurde, so daß die Lichtquell im Zentrum der Bezugsblende verbleibt, ist natürlic: zu verstehen, daß der Lichtdetektor feststehen blei ben kann und Ausgangssignale des Lichtdetektor benutzt werden, um die Stellung einer sich bewegen den Lichtquelle zu bestimmen.

Während die Öffnung als eine rechteckige Öffnum dargestellt ist, können natürlich auch andere Formen z. B. elliptische oder kreisförmige Öffnungen, benutz werden.

Obwohl die Abdeckung sowohl als trapezförmige Teil als auch als ein trapezförmiges Teil, welches ei: Paar rechteckiger Teile verbindet, dargestellt wurde könnten andere Formen, z. B. dreieckförmige Teile benutzt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtpeilvorrichtung zum Erzeugen eine Ausgangssignals, welches die Stellung einer Licht quelle mit Bezug auf zwei Achsen der Vorrich tung anzeigt, mit einer lichtempfindlichen Licht abfühleinrichtung und einer optischen Projek tionseinrichtung zum Fokussieren von Licht eine Lichtquelle auf die Abfühleinrichtung und mi einer schwingbaren Abdeckung zum abwechseln den Abdecken und Durchlassen von Licht zu de Abfühleinrichtung während veränderlicher Zeit räume, in Abhängigkeit von der Stellung de Lichtquelle in Richtung der Schwingbeweguni der Abdeckung, dadurch gekennzeich net, daß die schwingbare Abdeckung (18; 42 62; 64; 66) mit Bezug auf ihre senkrecht zu Schwingbewegung liegende Achse veränderliche Breite aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abdeckung (18; 42; 62 64; 66) wenigstens teilweise trapezartige Form hat

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abdeckung außer einen trapezartig geformten Abschnitt (62) einen erster (64) und einen zweiten (66) rechteckigen Abschnitt (64, 66) gleich der Breite der paralleler Seiten des trapezförmigen Abschnitts (62) auf weist und die Abschnitte (64, 66) mit der ent sprechenden parallelen Seite verbunden sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Abfühleinrichtung (14, 32) au: einem Fotoelektronenvervielfacher mit zwei Ausgangszuständen zur Anzeige des Vorhandenseim oder NichtVorhandenseins von Licht, das vor der schwingbaren Abdeckung (18; 42; 62; 64 66) durchgelassen ist, besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Motor zun: Schwingen der Abdeckung (18; 42; 62; 64; 66 mit konstanter Geschwindigkeit.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 5, gekennzeichnet durch eine Bezugsblendc (16, 34) die eine rechteckige öffnung (36) hat über welcher die Abdeckung (18; 42; 62; 64; 66 schwingt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen