-
-
"Optische Ablenkvorrichtung" Französische Prierität von 10. Mai 1968
aus der frannëskischen Patentanmoldung Nr. 151 327 (Seine) Die Erfindung betrifft
eine optisched Ablenkvorrichtung zur Winkelablonkung sines Lichtstrahls, insba@ondere
für geringe Werte der Ablonkung und der sich zufolge optischer Abtastung ergebenden
Ge@antamplitude in der Größenor@nung von beispielswaise 10 -³ Endi@@. Kei bischer
bekdannten Verrichtungen dieser Art gesehicht die Ablonkung des lichtstra@ls auf
nachanischem wege, zei es durch kntoptische Anordungsen (@otierender Spiegel, schwingender
Spiegel), sei es durch diepti@she Anordungen (Diasporauster), desh liegon die Fotriobsfrequensend
aufgrund der Trägkoit der bowagten machdanischen Teile niedrig.
-
Die Abldon@ngd kann obomne auß elektre-sptischen @age durch Doppolbrochung,
die die Möglichkeit zur schrittweisen Vor@nderung boinheltot, eierd durch Vorwondung
von Ultra@chall @rsielt t@@kn.. @ie pri@niploll@n @achteile dieser Vorrichtungend
liegem in dem niodrigen optischend wirkungsgrad und der besintri@chtigten Edver@@s.
Der Erfimdung liegt die Aufgebe zug@@de, aute@ Vormoidung ddieser, don @a@@ aten
Verrichtun@ @@ au@ @terden Na@hteile, eit@ schnelle und gen@@ optisched Abl@@kvei@lcha@@@.
-
mit ka@@@ @ir@ngogr@@ @@ c@heffen, die die egtische sch@@t@@, von
allon die Mtorg@@@ des abgel@@@ @@@ Lichtstra@@
nicht beeinflußt
und die weiterhin die Eschteile der bisher bekannten Vorrichtungen vermoidat.
-
Diese Aufgabe ist bei der Vorrichtung der einleitend angegebenon
Gattung dedurchd gelöst, daß erfindungsgemäß ein abener Spiegel mit seiner nichtreflektderenden
Unterseite mechanisch fest mit zwei (oder drei) nach den piezoelektrischen Effekt
arbeitonden, elektromechanischend wandlern verhunden und an drei punktförmigen Stellen
abgestützt ist, über die die durch piezeelektrischen Effekt hervorgeraufonen, vendkrecht
zur Spiegelfläche wirkonden, machanischen Längenänderungen der @andler übertragen
werden, die von einer mit ihnen verbundenen elektrischen Schaltung in der weise
stouerber sind, daß die Drchung des Spiegels und eine vorbestimmte Achse oder einem
lunkt erfolgt.
-
@ine ferartige Anor@ung aus einem obenen Syiegel und elektomeche@
@@on @andlern, ist an sich bekannt, wird jedoch für andere @usehe varwenlet, k@@o@elensi@e
und eine verhestinnte sch@ gaun@@ @erallelverschichung des Spiegels verzunch@@n
oder um eine Füu@@che Stabilisiegeng der reflekbierenden Flüche zu erreicher, Ihror
Aufgehenstellung wird die Erfindung dadurch precht, daß die Ablenkang durch @@@ung
deis@@ oberen Eyliegels un eine torbastiente, diktive A@@@ Zddttals @@ektroseknanischer
Wand-@@@ deren @l@ktrische @@@@, @@ @orer sie moch@@ische Ins-@@@@@@@@@ @@@@@@,
@@@@@@ auf der Zpiegelobome stoht, @@@@ @@@@, @@@@ @@@@@@@@@@@@@@@@ @@dler @it ihren
@@@ @ @@@@ @@@ @@@@@ @@@@@ @@@@@ i@ @@dgen @bstond @ @@@@@ @@@ @@@@ @@@@ mit @@@@@
ver-@@@@@@@@@@ @@@ @@@@@@ @irer mit ih@@@@ ver-@@@@@@@@@@ in @@@@@ @@@@@@@ @@@@.
-
@@@@@@@@ @@ @@@@@ @@@ @@@@@ bestimm-@@@@@@@@@@ @@@@@@@ @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@
@@@@@@-
Arbeitsweise zu verwirklichen, wobei di Abtastung eindimensional
oder zweidimensional erfolgen kan und der Lichtstrahl sich dementsprochend in einem
festen Winkel oder einem Winkelbereich bowegt.
-
Durch eine derartige Ausgentaltung des Verfahrens besteht der Vorteil,
daß der Lichtstrahl in eine sehr genau bekannte Lage gebracht werden kann, sei es
mit oder ohne Abtautvorrichtung, wobei im orsteren Fall die Lage entweder analog
oder digital eingestellt werden kann. Es besteht weiter der Vorteil, daß die wesentlichen
Eigenschaften des Lichtstrahls während der Abtastung nicht verändert werden. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit besonders zur Herstellung eines optischen
Radars geeignet.
-
Rei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens
wird eine @igitals Ablenkung in N Schritten dadurch erreicht, daß N sp@@ungstufen
nacheinander an die piezoelektrischen Scheiben zweier aus N Scheiben gebildeten
Säulen angelegt werden.
-
Bei einer bosonders vielseitigen Ausführungsform der Vorrichtung
wird eine zweidimensionale Ablenkung durch Verwendung von drei piezoelektrischen
Scheiben (oder Säulen) erreicht.
-
In der Zeichnung ist die Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art in
einer beispielsweise wiedergegebonen Ausführungsform schematisch veranschnulicht.
Es zeigen: Fig. 1 ein vereinfachtes Schema dder erfindungsgemäßen optischen Ablenkvorrichtung.
-
Fig. 2 die Berührungstellen swischen Spiegel und Wandler bei einer
Vorrichtung mit zwei Wandlern,
Fig. 3 die Drahung das Spiegels um
eine vorbestimmte, fiktive Achse durch Gegentaktansteuerug, Fig. 4 die Explosionszeichnung
einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ablenkvorrichtung.
-
Fig. 5 die Verteilung der Berührungsstellen zwischen Spiegel und Wandlern
bei einer die zwieidimeneionale Drehung des Spiegels ermöglichenden Auführung mit
drei Wendlern.
-
Wie sus Fig. 1 hervorgeht, ist das optische, die Ablenkung bewirkende
Element, ein ebener Spiegel 1, dessen Oberfläche für optische Zwecke mit großer
Gonauigkeikt bohandelt und poliert ist. Auf den Spiegel 1 trifft ein einfallender,
paralleler oder leicht divergierender Lichtetrahl 2 aus der festen Eichtung A1 und
wird als Lichtstrahl 3 in die Richtung A 2 reflektiert.
-
Eine Winkoländerug, die dem Spiegel 1 beispielsweise un eine durch
seine Ebene verlaufende, zenkrecht zur Figurenchene stehonds Achse erteilt wird,
bewirkt eine dinkelabweichung in doppelter Größe lünge der in der Figurenchens liegenden
Achse A 2. Zur Ausführung einer solchen Bewegung enthält die Vorrichtung zwei Säulen
elektromcchanischer Wandler 4 und 5, die aus einer oder mehreren übereinanderliegenden
Scheilen mit piezoelektrischen Verhalten gebildet sind. Diese Säulen sind mit ihrem
unteren Ende machanisch fest mit einer Grundplatte 6 verbunden, Gegen ihr oberes
Ende wird mittels einer nichtdargestellten federnden Vorrichtung die nichtreflektierende
oder Fassive Spiegelunterseite gedrückt und zwar in einem Punkt oder einer Linie
D und C, so daß drei Berührungspunkte mit den Spisgel eine Unterstützungsfläche
bilden und die in einen besti@nten Zeitpunkt gegebene Lage definieren. Die mechanische
Verbindung, die durch einen bestimmten Auflagedruckd hergestellt ist, ist so beschaffen,
daß der Spiegel keine Formänderungen erfährt, weiterhin, daß keinerlei Spiel zwischen
den Berührungspunkten
verbleibt, und schließlich, daß die mechanischen
Längenänderungen der Wandler vollständig auf den Spiegel übertrngen werden. Die
elektrische Achec der Scheiben der Säulen 4 und 5, länge derer sie mechanische Längenänderungen
ausführen, steht senkrecht auf der Siegelfläche. Die in einen vorbestimmten Abstand
D sich befindenden Säulen 4 und 5 werden über eine mit ihnen verbundens, elektrische
Schaltung 7 im Gegentakt angesteuert. Demzufolge verkürzt sich die eine Säulo in
demselben Maße, wie sich die andere verlängert. Wenn L1 und L2 die Höhen der jeweiligen
Säulen zu einem bestimmten Zeitpunkt bezeichnen, so erhält men durch Anlagen geeigneter
Steuersignale einen Augenblick später die Höhen L1 und @ L und L2 - @L' Diese Höhen-
oder Längenänderungen haben eine Drehung des Spiegels um eine fiktive, senkrecht
auf der Figu@enabene stehende Achse, die durch den in der Mittelebene zwiechen B
und C geleganen Funkt 0 hindurchläuft, zufolge.
-
Fig. 2 läßt erkennen, daß beispielsweise die Auflage B puktförmig,
die Auflage C linienförmig, mlinlich längs C1, C2, verläuft. Die fiktive Achse AF
geht durch@en Punkt D, der auf der Senkrechten BC3 auf C1 C2 liegt und gleichen
Abstand von B und C3 hat, und verläuft parallel zu C1 C2.
-
Fig. 3 zeigt für eine Verschichung der Funkte B und C um L die Drehung
des Spiegels 1 un @, um die fiktive Aches AF, welche durch 0 hindurchgeht, sewie
die hierdurch horvorgorufene Ablenkung 2 @ des reflektierten Lichtstrahlen längs
der Achso A 2. Die elektrische Anstzuerung kann entweder nach einem analegen oder
nach einen digitelen Verfahren erfolgen. Die durch diese Verrichtung erzeugte Ablonkung
ist eindinennienal, kann jedoch @uchVertendung von drei Zäulen und Drchung un einen
fihtiven Punkt steidinkeienal gemseht worden, wie weiter unton mesh susgeführt werden
wird, Die Vorwendung eines obenen Spiegels gestattet einen sehr beben sptischen
wirkungsgrad, der make an 1 zein kann. Farüberhi@ans ist die Abienkung
für
alle Punkte innerhalb eines Spiegelgebietes identisch und dieses Gebiet kann, was
von Wichtigkeit ist, beispielsweise einige em im Durchmesser haben.
-
Fig. 4 stellt eine Explasionszeichnung einer beispielsweise gewählten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Ablenkvorrichtung dar. Der Spiegel
ist auf einer Tragplatte 10 mittels der Winkel 11 und 12 befestigt. Die federnde
Vorrichtung, die diese Anordnung auf die S'aen n und 5 drückt, besteht in diesem
Beispiel lediglich aus einem elestischen Metallschaft, der die geringen Winkeländerungen
von beispielsweise 10-³ Radian überträgt. Dieser Metallschaft hat die Form eines
Bolzons 13, der mit der massiven Grundplatte 6 beispielsweise mittels einer Mutter
14 vorbunden ist. Die Berührungssstellen B und C bilden eine zwischen die Säule
4 und die Tragplatte 10 eingefügte Kugel 15 und eine zwischen die Säule 5 und diese
Tragplatte singefügte Rolle 16. Diese beiden Teile bewirken gleichzeitig die stabile
Unterstützung der optischen Anordnung und die vellständige Übertragung der machanischen
Lüngenänderungen der pieselektrischen Wandlor. Die Säulen 4 und können aus eier
bestimmten Ansahl übereinandergelegtor, ko@unischor, ferroelsktrischer Scheibend
bestehen.
-
Die koramischen, ferroslektrischen Scheiben weisen durch @agekehrte
Eloktrostriktion und Anverdung einer Polarientionsspannung, Eigenschaften, auf,
die denon piersolektrischer Steffe entsprechen. Die Gonauigkeit der Vorrichtung
hängt von dor Stabilität der @inkullage des Spiegels für einen gegebenen elektrischen
Zustand der Wandler ab. In vorliegenden Fall, nämlich für eine Verrichtung zur einli@@nsi@@alen
Ablezkung, kann diees Lagu @usschlieflich durch die Längenänderungen der heidon
- - -- -J £-b" j$Vd zQ'-4',&LL-''" G- L?'"L - und dor @@@ @ @@@@ @@@ @@@@@@@@@@@@@@
zuzuschrei-@@@ @@@ der @@, @@@@@@@ @@@@@@@ word@@ diese Anderunstets
von
beiden Säulen (oder von drei bei einer zwieidimensionalen Anordnung) auf die dri
Berührungspunkte mit dem Spiegel übertragen. Die Strsuung des Temperaturkoeffizienten
der einzelnen keramischen Scheiben ist sohr gering und praktisch nicht nachweisbar.
Der Einfluß kann beispielsweise in der Grö-Benordnung von 10-6 Radian liegen. Der
Abstand zwischen den Säulen 4 und 5 hängt insbesondere von den Almessungen des Spiegels
1 ab. Dieser Abstand noll so gewählt werden, daß er einen günstigen Kompromiß zwischen
den Beanspruchungen der keramischen SCheiben und er Polarisationsspannung darstellt,
da für einen gegebenen Drehwinkel sich mit wachsender Entfernung die Spannungen
Beanspruchungen in den keramischen Schaiben verringern, die notwendige Polarisationsspannung
sich jedoch vorgrö-Bert.
-
Bei einer besonders günstigen Ausführungsform der Vorrichtung werden
beim Übereinanderstapeln der keramischen Scheiben zwischen ihre met@llsierten Kontaktflächen
Metallfolien eingelegt. Diese Anordnung wird mittels eines durch den Bolzen 13 und
seine Mutter 14 erzeugten Druckes zuenmmengehalten. Die elektrischen Verbindungen
vom Steuergerät 7 zu den keramischen Scheiben sind mit den zwischengelegten Metallfolien
verbunden und zwar einzeln oder in Gruppen parallel geschaltet, abhüngig davon,
ob die gewählte einer Betriebsweise digital oder analog ist. Im Falle beispielsweise
einer digitalen Betriebsweise, bei der der Lichtstrahl durch schrittweise Winkeländerungen
um einen gleichen Betrag in N Lagen gebracht werden soll, müssen durch geeignete
Verbindungen N - 1 verschiedene Längenänderungen jeder Scheibe erzeugt werden, deren
jode, je nach Scheibe, eine Verlängerung oder Verkürzung um den gleichen Betrag
hervor- aus ruft. Dies kann beispielsweise durch den Aufbau zweier Säulen/ N Scheiben
und eine bestimmte Verteilung von F/2 Steuer@ignalen erreicht werden, die aus N
- 1 Signalen der Amplitude V und einem Signal der Amlitude V/2 bestehen Die Vervendung
von ein-@elnen Scheiben bietet einen doppelton Vorteil, denn zum einen
erlaubt
sie die Verminderung der gesamten Versorgungshochspannung, zum anderen kann man
unmittelbaren, digitalen Betricb dadurch erreichen, daß man eine Polarisationsepannung
Scheibe für Scheibe anlegt.
-
Eine Vorrichtung zur Ablenkung in zwei Dimensionen besteht aus drei
elektromechanischen, säulenförmigen Wandlern, die den Spiegel 1 (oder seine Tragplatte)
lediglich punktförmig berühren, was durch Verwendung von Kugeln, wie sie bereits
bsschrizeben erreicht wird. Fig. 5 zeigt die Berührungspunkte B und C3 der beiden
im Gegentakt angesteuertan Säulen und den Berührungspunkt E einer drittan Säule,
der in der Mittelebene der Strecke DC5 liegt. Wenn der Punkt E fest liegt und die
Längenänderungen in D und C3 im Gegentakt erfolgen, führt der Spiegel eine Drehbewegung
um die fiktive Achse AF aus, die durch E und 0 verläuft, wobei 0 auf der Mitte zwischen
BC3 liegt. Wenn B und C3 fest liegen, führen Lageänderungen des Punktes E zu einer
Drchung des Spiegels 1 um eine Achse, die mit BC3 zusammenfällt. Folglich bewirkt
eine gleichsaitige Ansteuerung der drei Wandler, von denen zwei in Gegentakt angesteuert
werden, zu einer Drehbewegung in zwei Richtungen, dis um einen festen Drehpunkt
und zwar den fiktiven Punkt 0 erfolgen. Es bandelt sich somit um eine optische Abtastvorrichtung
oder um eine XY-Abbildung eines reflektierten Lichtstrahles 3, walche nach Belieben
mit vorbestimmten, maximalen Winkelablenkungen gesteuert werden kann. Demzufolge
wird mit der Gegentaktansteuerung der beiden Wandler beispielsweise eine schnelle
horizontale Ablonkung in der X-Richtung errsicht, während der dritte Wandler eine
sehr langsame Ablenkung in der vertikalen Y Richtung hervorruft.