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Photoelektrische Sensor-Einrichtung Photoelektrische Sensor-Einrichtungen
im Sinne dieser Erfindung sollen solche photoelektrischen Einrichtungen sein, die
die Lage eines einzelnen Sternes im Bildfeld eines Fernrohres zu'indizieren erlauben,
so daß dem Sternsensor nachgeschaltete elektronische Einrichtungen elektrische Signale
herstellen können, die der Ablage des Sternes in zwei Komponenten bezogen auf einen
festen Nullpunkt wenigstens in einer hinreichend großen Umgebung des Nullpunktes
proportional sind. Der Gegenstand vorliegender Erfindung ist allerdings nicht auf
astronomische Instrumente beschränkt. Vielmehr eignet er sich ebenso zur Lageerkennung
von Obåekten in zwei zueinander senkrechten Richtungen, sofern sich die Objekte
als punkt- oder kreisförmige, selbstleuchtende Lichtquelle darstellen.
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Unter den verschiedenen photoelektrischen Systemen von Sternsensoren
gibt es eine Klasse, die auf der Differentialphotometrie beruhen, wobei das Bildfeld
durch geeignete optische Mittel unter Verwendung einer vierseitigen, reflektierenden
Pyramide in vier Quadraten zerlegt wird und wobei die in die Quadranten fallende
Lichtströme des Sternes gegeneinander photometriert werden. Der Sternsensor ist
dann im Gleichgewicht, wenn der Stern auf die Pyramidenspitze fällt und sein Lichtstrom
durch die 4 reflektierenden Pyramidenflächen in 4 gleichgroße Teile geteilt wird.
I.a. pflegt man die 4 voneinander separierten Lichtströme dann durch einen geeigneten
optischen Unterbrecher im zeitlichen Nacheinander auf die Kathode eines einzigen
Photoempfängers zu geben und den so entstehenden Photostrom derart zu modulieren,
daB wie gewünscht die beiden geometrisch zueinander senkrecht stehenden Ablage signale
entstehen.
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ßternsensoren der beschriebenen Art, hier abgekürzt Differential-Sensoren
genannt, besitzen gegenüber Sternsensoren anderer
Systeme (insbesondere
solchen, die den zu indizierenden Stern mit optisch-mechanischen Mitteln um den
Nullpunkt des Bildfeldes rotieren lassen und die Größe der Ablage auf eine Messung
von Amplitude und Phasenlage oder von Zeitdifferenzen oder von Frequenzmodulation
zurückführen) die Vorteile hoher mechanisch-optischer Stabilität und hoher geometrischer
Empfindlichkeit. Die Stabilität ist gewährleistet, weil zwischen der Pyramidenspitze
als indizierendem Element und der Abbildung des Sternes keine beweglichen Glieder
erforderlich sind.
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Die geometrische Empfindlichkeit ist eine Folge des Umstandes, daß
schon bei einer Ablage von einem Sternradius der Sensor seine Vollaussteuerung -
erreicht, also schon bei Ablagen von kleinen Bruchteilen eines Sternradius ein merkliches
Ablagesignal erzeugt werden kann. Differential;- Sensoren haben aber auch zwei Nachteile.
Erstens ist die photometrische Empfindlichkeit in der Umgebung des Nullpunktes ca.
viermal kleiner als bei den anderen Systemen, weil innerhalb jedes Quadranten nur
ca. 1/4 des Gesamtlichtstromes zur Verfügung steht.
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Zweitens ist die Herstellung einer Spitze als Schnittpunkt von 4 Seitenflächen
bei den bisher verwendeten vierseitigen Pyramiden schwierig, weil 4 Flächen zur
Erzeugung eines Punktes geometrisch überbestimmt sind und in der Praxis die Entstehung
von zwei durch eine kurze Kante miteinander verbundene Schnittpunkte kaum vermeidbar
ist Diese Kante beeinträchtigt den Vorteil der geometrischen EmpSindlichkeitO Die
hirbeschriebene Erfindung stellt sich zur Aufgabe, mit einfachsten Mitteln und unter
voller Beibehaltung der Vorteile des Differential-Sensors den ersten der obengenannten
Nateile beträchtlich zu mildern und den zweiten Nachteil gmælich zu vermeiden. Hierzu
wird erfindungagemäß vorgeschlagen9 anstelle einer vierseitigen Pyramide als ein
das Bildfeld teilendes Element eine regelmäßige dreiseitige Pyramide zu verwenden.
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Alle übrigen, obengenannnten weiteren Merkmale des Differantial-Sensors,
wie optische Unterbrecher und ein einziger
Photoempfänger soll beibehalten
werden. Dieser Sensor- wegen seiner Dreiteilung im folgenden als Tridranten-Sensor
bezeichnet - hat gegenüber dem Quadranten-Sensor den Vorteil, daß die Pyramidenspitze
geometrisch einwandfrei definiert und leichter herstellbar ist. Er ist ferner photometrisch
empfindlicher.
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Erstens, weil sich in jedem Tridranten stets 1/3 des gesamten Lidhtstromes
des Sternes gegenüber nur 1/4 im Quadranten befindet. Zweitens, weil während der
Unterbrecherperioden die Verweilzeiten in einem Tridranten 1/3, in einem Quadranten
nur 1/4 der Periodendauer betragen, und weil fiir die nachfolgende Demodulation
nicht die Amplitude, sondern das zeitliche Integral des Lichtstromes maßgebend ist.
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Die Teilung des Bildfeldes des Fernrohres in 3 Sektoren von je 1200
Zentriwinkel macht von der überraschenden, erfindungsgemäßen Erkenntnis Gebrauch,
daß, wie eine genaue Fourieranalyse des Photostromes des Photoempfärlgers zeigt,
lediglich durch geeignete Wahl der Phasenlagen der Demodulationssignale die Erzeugung
von Ablagesignalen gelingt, die der Ablage des Sternes in zwei zueinander senkrechten,
also um 90° auseinanderliegenden Richtungen proportional sind. Die Analyse fördert
darüber hinaus einen zusätzlichen Vorteil des Tridranten-Sensors gegenüber dem Quadrantensensor
zutage. Interpretiert man den Photostrom des Empfängers als eine Fourierreihe, dann
zeigt sich nämlich, daß das Verhältnis der Amplituden derjenigen Fourier glieder,
die zur Erzeugung der Ablagesignale beitragen, zu den Amplituden-aller anderen Glieder,
die durch die Demodulation zu unterdrücken sind, beim Tridrantensensor größer ist
als beim Quadrantensensor. Es liegt auf der Rand, daß bei jeder Fourieranalyse dieses
Verhältnis - es soll hier "Separationsverhältnis't genannt werden - zwischen den
durch die Demodulation herauszuziehenden Komponenten und den zu unterdrückenden
Komponenten möglichst groß werden sollte. Es stellt ein Maß dar, mit welchem Anteil
eine erwünschte Information in einem Gemisch von sonst uninteressanten Informationen
enthalten ist.
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Eine nahere Erläuterung des BrfindungsgeaaSkens und der oben beschriebenen
Eigenschaften eines Tridrantensensors sei an Hand der beifolgenden Abbildungen für
eine beispielsweise Ausführungsform gegeben. Von diesen Abbildungen stellen dar:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Tridrantensensor Fig. 2 einen Schnitt AB durch
die Frontparie des Tridrantensensors nach Fig. 1, Fig. 3 Aufteilung des Bildfeldes
durch ein dreiseitiges Prisma des Tridrantensensors (Fig. 3a) bzw. durch ein vierseitiges
Prisma eines Quadrantensensors (Fig. 3b) in der Umgebung der Prismenspitze, Fig.
4 die Photoströme des Tridrantensensors (Fig. 4a) bzw. des Quadrantensensors (Fig.
4b) bei sinusförmiger Schnittcharakteristik des Choppers.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein zylindrisches Gehäuse bezeichnet, das mit
dem Teleskop derart fest verbunden ist, daß seine Achse stets parallel zur Teleskopachse
verläuft. 2 ist eine Feldlinse in einer Stirnfläche des Gehäuses. 3 ist eine Trägerplatte
aus Glas, auf die eine dreiseitige oberflächenverspiegelte Pyramide 4 so aufgekittet
ist, daß die Pyramidenspitze 5 in der Achse des Tridrantensensors sitzt. 6 ist-
ein Prisma, 7 ein Verlängerungsstück und 8 eine Zwischenabbildungslinse.
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Die Pyramidenspitze 5 liegt ins er Bildebene eines Leitfernrollres
oder eines Fuhrungsmikroskopes eines astronomischen Teleskopes, das mit hoher Genauigkeit
der scheinbaren Bahn eines Leitsternes nachgeführt; werden soll. Das Bild des Leitsternes
wird zunächst mit bekannten, hier nicht dargestellten optischen Hilfsmitteln auf
die Spitze 5 oder deren nähere Umgebung gesetzt. Die Pyramidensptze 5 zerlegt- das
Lichtbündel des Sternes in 3 Teilbündel, die über 6,7,8 in den Tridrantensensor
eingeffflrt werden. Im Läflgrjschnitt ist der besseren tibersicht wegen nur eines
der Biindel dargestellt. I)ie Aufteilung der Bündel im Querschnitt geiit aus dem
Schnitt AB der
Fig. 1 hervor.
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Die Teilbündel passieren einen rotierenden Unterbrecher (Chopper)
9, der von einem Motor 10 angetrieben wird. Der Chopper 9 ist derart mit Löchern,
im dargestellten Beispiel mit zwei um 1800 versetzt angeordneten Löchern 9a und
9b besetzt, so daß immer nur genau eines der Teilbündel durchgelassen wird, während
die beiden anderen zu gleicher Zeit abgedeckt werden.
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Das jeweils durchgelassene Teilbündel durchläuft die Prismenanordnung
11,12*und trifft dann auf die -Frontkathode 13 eines Photomultipliers 14. Der Anschluß
der elektr. Versorgung von Motor und Multiplier sowie sonstiger, im Rahmen vorliegender
Erfindung nicht weiter interessierender, an sich jedoch bekannter Anordnung elektronischer
Bauelemente erfolgt über einen Vielfachstecker 15.
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Zum Verständnis der Wirkungsweise des Tridrantensensors und der Darstellung
seines Vorteiles gegenüber dem bekannten Quadrantensensor sei hier kurz auf die
Erzeugung der Ablage signale in zwei aufeinander senkrecht stehenden, in der Bildebene
des Leitfernrohres, bzw. des Führungsmikroskopes liegenden Richtungen x und y eingegangen.
Tr n den Fig. 2a und 2b ist die Umgebung der Pyramidenspitze - bei Fig. 2a für den
Tridrantensensor, bei Fig. 2b für den Quadrantensensor - in der Bildebene dargestellt.
Das Bild des Sternes hat den Radius r, seine Mitte M besitzt die Ablagen x, y von
der Pyramidenspitze O. Der auf die jeweilige Fläche eines Tridranten bzw. eines
Quadranten fallenden Teillichtstrom erzeugt im Takt des Choppers einen Photostron
im Multiplier, dessen Amplitude dem Teillichtstrom proportional ist. Nimmt man an,
der Kreis des Sternbildes sei völlig homogen ausgeleuchtet, dann sind die Teil-Photoströme
den auf den jeweiligen Tridranten bzw. Quadranten fallenden Teilflächen des Sternbildes
proportional. Für kleine Ablagen x, y sind dann die Amplituden der Teil-Photoströme
bzw. für den Quadrantensensor
JO ist hierin der Photostrom, der entstünde, wenn das gesamte Licht des Sternes
den Multiplier erreichte.
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In der Praxis wird zwar das Sternbild weder kreisrund noch homogen
ausgeleuchtet sein. Anstelle des Mittelpunktes M tritt dann der Lichtschwerpunkt
des Sternbildes. Im übrigen bleibt die nachfolgende Überlegung davon unberührt.
(Im folgenden sind die mathematischen Prinzipien der betreffenden Überlegungen angegeben,
Man sollte verstehen, daß die Ableitung der unten angegebenen Gleichungen weit genug
geführt ist, um ihre Gültigkeit zu beweisen; da jedoch diese Ableitung nicht zum
Verständnis des Gxundgedankens der Erfindungteiträgt, ist sie hier weggelassen.)
Die Zeitfunktion des Photostromes hängt von der Schnittcharakteristik des Choppers
ab. Für den Vergleich zwischen Tri dranten- und Quadrantensensor ist diese Charakteristik
in beiden Fällen die gleiche und daher vernachlässigbar. Nimmt man sie der einfacheren
analytischen Behandlung wegen als sinusförmig an, dann erhält man die Photo ströme
nach Fig. 4. Hierin ist T die Periodendauer des Choppers. Za: erhält
bzw.
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Die Zeitfunktion (2a) bzw. (2b) lassen sich je als FOURIER-Reihe darstellen.
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Die FOURIER-Koeffizienten bereclmen sich zu
bzw. für den Quadrantensensor
Wird der vom Multiplier gelieferte Photostrom (2a) -bzw. (2b) bzw. (7) unter Abblockung
des Gleichstromanteiles-(aO bzw.aO) verstärkt, dann lassen sich aus dem verstärkten
Photostrom durch Demodulation die Ablage signale für x und y gewinnen und zwar überraschenderweise
auch aus dem Tridrantensignal, obwohl die Teilungswinkel und Koordinatenwinkel nicht
miteinander übereinstimmen. Die Demodulationssignale mx und my werden i.a. binäre
Schaltfunktionen sein, und man gewinnt in bekannter Weise die Ablage signale Je
und Ay bis auf einen uninteressanten Verstärkungsfaktor aus
Im Rahmen dieses Vergleiches ist es völlig ausreichend, anstelle der binären Schaltfunktionen
die Grundwellen der Schaltfunktionen einzusetzen also
Die Ablagesignale ergeben sich dann zu
bzw. für den Quadrantensensor zu
Es läßt sich sowohl rechnerisch als auch in der Praxis nachweisen,
daß das Verhältnis v der Ablagesignale 9, und Ay
beträgt. Dieses Verhältnis erweist die Überlegenheit des Tridrantensensors gegenüber
dem Quadrantensensor. Bei sonst äquivalenten optischen und elektronischen Verhältnissen,
also auch bei gleichem Rauschpegel, ist der Tridrantensensor um den Faktor 2,34
besser. Das heißt, er reicht um fast eine Sterngrößenklasse (Faktor 2,5) weiter
als der Quadrantensensor.