DE1548455A1

DE1548455A1 - Lichtquellenverfolgungsgeraet,insbesondere fuer Navigationszwecke

Info

Publication number: DE1548455A1
Application number: DE19661548455
Authority: DE
Inventors: Barnes John W
Original assignee: Kollsman Instrument Corp
Current assignee: Kollsman Instrument Corp
Priority date: 1965-02-11
Filing date: 1966-02-10
Publication date: 1970-07-23
Also published as: US3449587A; GB1124805A

Description

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Kollsman Instrument Corporation, Elmhurst, New York, USA.

Lichtquellenverfolgungsgerät, insbesondere für Navigations zwecke

Die Erfindung "bezieht sich auf ein Lichtquellenverfolgungsgerät, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Ende einer optischen Faser in der Bildebene eines Abbildungssystems für eine Lichtquelle in Schwingungen versetzt wird, wobei die einfallende Lichtintensität nach dem Ende der Faser geleitet wird und aus dem Ende auf einen Lichtdetektor auftritt, so daß die "Veränderung der Lichtintensität funktionell von der Stellung der Lichtquelle gegenüber der Achse der Abtasteinrichtung abhängig ist.

Lichtquellenverfolgungsgeräte sind an sich bekannt. Sie weisen im allgemeinen ein Abtastsystem für das Bild der zu verfolgende Lichtquelle auf. Wenn sich hierbei die Abtasteinrichtung gegenüber dem Bild bewegt, ändert sich die übertragene Lichtintensität wiederholt und liefert eine Information über den Betrag der Auswanderung aus der optischen Achse und über die Richtung dieser Auswanderung. Ein derartiges Lichtquellenverfolgungsgerät ist z.B. in der deutschen Patentanmeldung K 44 437 IXb/42e der Anmelderin beschrieben.

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Die bekannten Lichtquellenverfolgungsgeräte besitzen im allgemeinen eine große Zahl bewegter Teile und sind so rein mechanischen Störungen unterworfen. Insbesondere wenn derartige Anordnungen im Weltraum harten Vakummbedingungen und niedrigen Temperaturen ausgesetzt werden, sind derartige mechanisch bewegte Teile störanfällig.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß nur ein einziger beweglicher Teil vorgesehen ist, nämlich eine schwingende optische Paser, deren eines Ende in der Bildebene der Abbildungsoptik beweglich ist. Diese optische Paser wird am anderen Ende benachbart zu einer lichtempfindlichen Einrichtung getragen, so daß der Lichteinfall auf dem schwingenden Ende der optischen Paser durch die Paser auf die lichtempfindliche Einrichtung übertragen wird, die die Änderung der Lichtintensität in geeignete elektrische Signale umformt.

Die gemäß der Erfindung vorgesehene optische Paser ist frei aufgehängt und schwingt ohne mechanische Reibung oder Berührung mit anderen Bauteilen. Demgemäß treten keine Probleme hinsichtlich .der Schmierung und mechanischen Abnutzung auf.

Die Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit einer Sternnachführung beschrieben. Es ist jedoch klar, daß die neuartige Abtastvorrichtung für jede zweidimensionale Bildabtastung für photometrische Zwecke oder Zwecke der Darstellung benutzt werden kann.

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Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, eine neuartige Lichtmodulationseinrichtung zu schaffen, die mit Mikroschaltelementen der Baukastenbauart vereinbar ist, eine niedrige Eingangsleistung und einen geringen Raum erfordert, dabei jedoch eine lange Lebensdauer hat, wenn die Anordnung zur Himmelsnavigation benutzt wird. Die erfindungsgeraäß vorgesehene optische Faser dient dabei als beweglicher Feldanschlag für die Lichtabtasteinrichtung.

Nach der Erfindung besitzt das Lichtquellenverfolgungsgerät eine Lichtmodulationseinrichtung, die.aus der schwingenden optischen Faser besteht, die an einem Ende eingespannt ist und am anderen Ende der Bildebene des Abbildungs-systems frei schwingen kann.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des magnetischen Oszillators, durch welchen eine optische Faser in Schwingungen versetzt wird,

Fig. 2 eine Schnittansicht der Anordnung nach Fig.1 im...zusammengebauten Sustand mit aufgehängter optischer Faser, die durch den magnetischen Oscillator in Schwingungen versetzt ist,

Fig. 3 eine St-rnansl cht ge.uäß Fig. 2 von rechts betrachtet,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 2-2 gemäiE Fig.2, der insbesondere die Auswanderung äes entgegengesetzten Endes der optischen Faser relativ zu de:a festgehaltenen Ende und der dort angeordneten liontempfindliohen Vorrichtung erkennen läßt,

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Fig. 5 einen Längsschnitt eines Lagergehäuses, das den Abtastmechanismus und das Teleskop beherbergt, wodurch ein Bild der zu verfolgenden Lichtquelle erzeugt wird.

Zunächst wird auf Fig.5 der Zeichnung bezuggenommen. Diese Figur zeigt ein Lichtquellenverfolgungsgerät mit einem Gehäuserohr 10, das eine geeignete Objektivlinse 11 aufweist, die das Licht der zu verfolgendei Lichtquelle in einer Bildebene 12 abbildet.

Außerdem ist ein Abtastmechanismus vorgesehen, der einen Magnetantrieb 13, eine optische Faser 14 und einen Träger 15 aufweist. Die optische Faser 14 wird an ihrem linken Ende von dem Träger 15 freitragend gehaltert, der sowohl den Träger für die Faser 14 als auch für eine lichtempfindliche Vorrichtung bildet. Der Trä-

ger 15 ist starr innerhalb des Gehäuses 10 ebenso wie der Magnetantrieb 13 gehaltert. Das rechte Ende der Faser 14 kann dann zwischen den beiden strichpunktiert in Fig.5 eingezeichneten Stellungen schwingen, wobei sich das Ende in der Bildebene 12 bewegt*

Der Träger 15 ist weiter in den Fig.2 und 4 dargestellt. Er besteht aus einem metallischen Gehäuse 16, in dem die optische Faser 14 starr befestigt ist. Am linken Ende des Metallkörpers 16 ist ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse 17 befestigt, welches eine geeignete lichtempfindliche Zelle 18 beherbergt, z.B. eine Siliziumphotodiode geeigneter Bauart. Die beiden Anschlüsse der lichtempfindlichen Zelle 18 sind mit äußeren Klemmen 19,20 verbunden, die elektrische Signale gemäß der Modulation der Lichtquelle auf weiter unten beschriebene Art und Weise liefern.

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Wie aus fig.4 ersichtlich, bewegt sich die optische Faser 14 " über einen Gesamtweg, der etwa zweimal so lang ist wie der Durchmesser der-optischen Faser 1.4.

Die optische Faser 14 besteht aus Glas- mit hohem Brechungsindex mit einem Überzug mit niedrigem Brechungsindex. Die Faser hat eine Länge von etwa 50 mm und einen Durchmesser von 0,5 Mm.

Das Schwingungssystem,durch das die' optische Faser 14 zwischen den strichpunktiert dargestellten Stellungen in Schwingungen versetzt wird (siehe Fig.2,4 und 5), ist im einzelnen in den Fig.1, 2 und 3 dargestellt. Das magnetische Antriebssystem weist zunächst eine ferromagnetische Scheibe 30 auf (Fig.2 und 3), die von der optischen Fasei* 14 getragen wird und unmittelbar an dieser befestigt ist. Um die Scheibe 30 und demgemäß die Faser 14 in Schwingungen zu versetzen, ist ein Permanentmagnet 31 vorgesehen, der vier hintere Polsehuhe 32,33,34,35 aufweist, die mittels Sehrauben am Magneten befestigt sind. Außerdem besitzt der Magnet 31 vier vordere Polsehuhe 36,37,38 und 39, die auf der gegenüberliegenden Seite des Permanentmagneten 31 ebenfalls durch Schrauben befestigt sind. Jeder Polschuh 36 - 39 trägt eine Wicklung 40,41,42,43.

Die Wicklungen 40 und 42 sind in Reihe geschaltet und die Klemmen 50,51 sind mit einer Wechselspannungsquä-le verbunden. In gleicher Weise sind die Wicklungen 41 und 43 in Reihe geschaltet und ihre Ausgangsklemmen 52 und 53 sind mit einer Wechselspannung squelle verbünden. Die-Wicklungspaare 40,42 bzw. 41,43

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sind so gewickelt, daß, wenn der in einer Wicklung erzeugte Fluß dem Fluß des Permanentmagneten 31 entgegengesetzt gerichtet ist, der Fluß in der gegenüberliegenden Wicklung in der gleichen Richtung verläuft wie der Fluß des Magneten 31.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der Schwingungsanordnung beschrieben werden. Es soll zunächst angenommen werden, daß eine Abtastung nur in einer Richtung erforderlich ist, so daß die optische Faser 14 in einer Ebene in einer einfachen harmonischen Bewegung schwingt. Eine Wechselspannungsquelle ist an die Klemmen 52 und 53 angeschaltet, so daß die Faser 14 mit einer vorbestimmten Frequenz, z.B. einer Frequenz, die etwas geringer ist als die Resonanzfrequenz von Faser 14 und Scheibe 30, schwingt.

Wenn der Fluß in dem Pol 37 infolge der augenblicklichen Ampere-Windungen der Wicklung 41 absinkt, dann erhöht sich der Fluß in dem Pol 39· Deshalb bewegt sich die Magnetscheibe 30 näher an das Ende des Polschuhes 39 und das Ende des Polsehuhes 32 heran, d.h. die Faser bewegt sich mit der Scheibe 30 in die in Fig.2 strichpunktiert dargestellte Stellung.

Wenn sich der Fluß des den Klemmen 52 und 53 zugeführten Wechselstroms umkehrt, tritt die entgegengesetzte Wirkung ein, so daß sich die Magnetscheibe 30 nach oben bewegt, wobei sich das obere Ende der Scheibe 30 den Polschuhen 36 nähert und das untere Ende der Scheibe 30 den Polschuhen 34 nahekommt. Demgemäß schwingen die optische Faser 14 und die Scheibe 30 mit der Frequenz der

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WechselSpannungsquelle,an die die Klemmen 52 und 53 angeschaltet sind.

Das freie Ende der optischen Faser 14 bewirkt demgemäß eine Abtastung innerhalb der Bildebene 12. Wenn dabei das Bild der zu verfolgenden Lichtquelle auf der optischen Achse liegt, dann weist das durch die optische Faser 14 übertragene Bild/ine Intensitätsmodulati onsfrequenz auf, die zweimal so groß ist wie die Frequenz der Abtastbewegung der optischen Faser 14 und demgemäß erscheint an den Klemmen 19 und 20 eine Ausgangsgröße von doppelter Frequenz. Wenn jedoch das Bild aus der optischen Achse auswandert, dann wird das längs der optischen.Faser 14 nach der lichtempfindlichen Zelle übertragene Licht durch eine Frequenz moduliert, die gleich der Abtastfrequenz der optischen Faser 14 ist. Dabei wird die Richtung, in der das Bild aus der optischen Achse auswandert, durch die Phasenlage des Modulationsfrequenzsignals bestimmt, das der lichtempfindlichen Zelle 18 zugeführt wird.

Demzufolge liefert die erfindungsgemäße Vorrichtung, wenn sie zur Abtastung einer einzigen Achse benutzt wird, ein identifizierbares Doppelfrequenzsignal, wenn das Bild ordnungsgemäß auf die optische Achse ausgerichtet liegt und es werden Abtastfrequenzsignale mit einer von der Richtung der Auswand«rung abhängigen fhasenlage erzeugt, wenn das Bild aus der optischen Achse auswandert.

Um sowohl Azimutinformationen als auch Informationen bezüglich der Höhe zu erhalten, d.h. um eine Abtastung in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen durchführen zu können, kann eine weitere Abtastung dadurch bewirkt werden, daß abwechselnd die

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Wicklungen 40 und 42 erregt werden, die eine Abtastung bzw. e'ine Schwingung der optischen Faser 14 in einer Richtung senkrecht zu der vorbeschriebenen Auswanderungsrichtung bewirken. So können durch abwechselnde Abtastung sowohl Azimutinformationen als auch Höheninformationen erlangt werden.

Außerdem/ä/urch gleichzeitige Erregung sämtlicher Wicklungen 40 bis 43 bewirkt werden, daß die optische Faser 14 sich nach Art von LissajotB¹ sehen Figuren bewegt, die im einzelnen durch die Amplituden und Frequenzen der Speisespannungen bestimmt werden. Dabei können sowohl Höheninformationen als auch Informationen bezüglich des Azimut dem Ausgangssig-nal an den Klemmen 19 und 20 in der gleichen Weise entnommen werden, wie dies in der erwähnten deutschen Patentanmeldung/44 437 IXb/42e der Anmelderin beschrieben ist.

Patentansprüche t

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Claims

Patentansprüche:

1. Lichtquellenverfolgungsgerät mit einem Objektiv zur Abbildung der au verfolgende Lichtquelle, wobei dem Lichtstrom eine von der Stellung des Objektbildes in der Bildebene abhängige Modulation aufgeprägt wird, die einem Lichtdetektor zugeführt wird, der eine Nachführung bewirkt,
dadurch gekennzeichnet, daß das Bild der zu verfolgendenLichtquelle auf einer optischen faser (14) abgebildet wird, die senkrecht zur Bildebene der Abbildungsoptik (11) in Sohwingungen versetzbar ist, wobei in Ruhestellung die Achse der Faser (14) mit der optischen Achse des Objektivs (11) zusammenfällt,und daß der Lichtdetektor (18) in der optischen Achse hinter dem Ende der Paser (H)- liegt.

2. Lichtquellenverfolgungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die optische Faser (H) von einem stationären Träger (16) an einem Ende gehaltert wird und mit ihrem freien Ende frei schwingen kann,

3. Lichtquellenverfolgungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Schwingungsantrieb der Faser (14) eine ferromagnetische Scheibe (30) aufweist, die auf der optischen Faser (H) befestigt ist und eich senkrecht zur optischen Aohse der Faser eretreokt^und" daß die Scheibe über einen Magneten (31) in Schwingungen versetzt wird.

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