DE2062487B2

DE2062487B2 - Photoelektrische sensor-einrichtung

Info

Publication number: DE2062487B2
Application number: DE19702062487
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl Phys 7920 Heidenheim Kühne
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1970-12-18
Filing date: 1970-12-18
Publication date: 1972-12-07
Also published as: DE2062487A1

Description

Photoelektrische Sensoreinrichtungen im Sinne dieser Erfindung sollen solche photoe.ektrischen Einrichtungen sein, die die Lage eines einzelnen Sternes im Bildfeld eines Fernrohres zu indizieren erlauben, so daß dem Sternsensor nachgeschaltete elektronische Einrichtungen elektrische Si°nale 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 Objekten in zwei zueinander senkrechten Richtungen, sofern sich die Objekte als punkt- oder kreisförmige, selbstleuchtende Lichtquelle darstellen.

Unter den verschiedenen photoeiektrischen Systemen von Sterns :nsoren gibt es eine Klasse, die auf der Differentialphotometrie beruhen, wobei das Bildfeld durch geeignete optische Mittel unter Verwendung einer vierseitigen, reflektierenden Pyramide in vier Quadranien zerlegt wird und wobei die in die Quadranten fallenden Lichtströme des Sternes gegeneinander photometriert werden. Der Sternsensor ist dann im Gleichgewicht, wenn der Stern auf die Pyramid? ispitze fallt und sein Lichtstrom durch die vier reflektierenden Pyramidenflächen in vier gleichgroße Teile geteilt wird. Im allgemeinen pfleg* man die vier 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, daß wie gewünscht die beiden geometrisch zueinander senkrecht stehenden Ablagesignale entstehen.

Sternsensoren der beschriebenen Art, hier abgekürzt Differentialsensoren genannt besitzen gegenüber Sternsensoren anderer Systeme (insbesondere solchen, die den zu indizierenden Stern mit optischmechanischen Mitteln um den Nullpunkt des Bildfeldes rotieren lassen und die Größe der Ablage auf S eine Messung von Amplitude und Phasenlage oder von Zeitdifferenzen oder von Frequenzmodulation zurückführaijdie 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. Die geometrische Empfindlichkeit ist eine Folge des Umstandes, daß schon hei einer A^vIage von einem Sternradius der Sensor seine

is Vollaussteuerung erreicht, also schon bei Ablagen von kleinen Bruchteilen eines Sternradius ein merkliches Ablagesignal erzeugt werden kann. Differenualsensoren haben aber auch zwei Nachteile. Erstens ist die photometrische Empfindlichkeit in der Umgebung des Nullpunktes etwa viermal kleiner als bei den anderen Systemen, weil innerhalb jedes Quadranten nur etwa ein Viertel des Gesamtlichtstromes zur Verfügung steht. Zweitens ist die Herstellung einer Spitze als Schnittpunkt von vier Seitenflächen bei den bisher verwendeten vierseitigen Pyramiden schwierig, weil vier Flächen zur Erzeugung jines Punktes geometrisch überbestimmt sind und in der Praxis die Entstehung von zwei, durch eine kurze Kante mitein ander verbundene Schnittpunkte kaum vermeidbar ist. Diese Kante beeinträchtigt den Vorteil der geometrischen Empfindlichkeit.

Die hier beschriebene Erfindung stellt siel· zur Aufgabe, mit einfachsten Mitteln und unter voller Beibehaltung der Vorteile des Differentials"nsors den ersten der obengenannten Nachteile beträchtlich zu mildern und den zweiten Nachteil gänzlich zu vermeiden. Hierzu wird erfindungsgen.äQ vorgeschlagen, an Stelle tiner vierseitigen Pyramide als ein das Bildfeld teilendes Element eine regelmäßige drei-

.jo seitige Pyramide zu verwenden. Alle übrigen, obengenannten weiteren Merkmale des Diflerentialsensors. wie optische Unterbrecher und ein einziger Photoempfanger, sollen beibehalten werden. Dieser Sensor — wegen seiner Dreiteilung im folgei.den als

Tridrantensensor bezeichnet — hat gegenüber dem Quadrantensensor den Vorteil, daß die Pyramidenspitze geometrisch einwandfrei definiert und leichter herstellbar ist. Er ist ferner photometrisch empfindlicher. Erstens, weil sich in jedem Tridranten stets ein Drittel des gesamten Lichtstromes des Sternes gegenüber nur einem Viertel im Quadranten befindet. Zweitens, weil während der Unterbrecherperioden die Verweilzeiten in einem Tridranten ein Drittel, in einem Quadranten nur ein Viertel der Periodendauer behagen, und weil für die nachfolgende Demodulation nicht die Amplitude, sondern das zeitliche Integral des Lichtstromeü maßgebeno. ist.

Die Teilung des Bildfeldes des Fernrohres in drei Sektoren von je 120° Zentriwinkel macht von der überraschenden, erfindungsgemäßen Erkenntnis Gebrauch, daß, wie eine genaue Fourieranalyse des Photostromes des Photoempfängers zeigt, lediglich durch geeignete Wahl der Phasenlagen der Demodulationssignale die Erzeugung von Ablagcsignalen gelingt, die der Ablage des Sternes in zwei zueinander senkrechten, also um 90^ü 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 Fourierglieder, 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 Hand, daß bei jeder Fourieranalyse dieses Verhältnis—essoll hier »Separationsverhslö:is« 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

Eine nähere Erläuterung des Erfindungsgedankens und der oben beschriebenen Eigenschaften eines Tridrantensensors sei an Hand der Zeichnungen TOr eine beispielsweise Ausführungsform gegeben. Von diesen Zeichnungen stellt dar:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Tridrantensensor.

Fig. 2 einen Schnitt H-II durch die Frontpartie des Tridrantensensors nach Fig. 1.

F i g. 3 Aufteilung des Bildfeldes durch ein dreiseitiges Prisma des Tridrantensensors (Fi g. 3a) bzw. durch ein vierseitiges Prisma eines Quadrantensensors (F i g. 3b) in der Umgebung der Prismenspit'.e,

F i g. 4 die Photoströme des Tridrantensensors (Fig. 4a) bzw. des Quadrantensensors (Fi^. 4b; bei sinusförmiger Schnittcharakteristik des Choppers.

In Fig.' ist mit 1 ein zylindrisches Gehäuse bezeichnet, das mit dem Teleskop derart fest verbunden ist. d;iß seine Achse stets parallel zur Teleskopachse j j verläuft. 2 ist eine Feldlinse in einer Stirnfläche des Gehäuses. 3 ist eine Trägerplatte aus Glas, auf die eine dreiseitige oberflächenverspiegelte Pyramide 4 so aufg^kittet ist, daß die Pyramidenspitze 5 in der Achse des Tridrantensensors sitzt. 6 ist ein Prisma, -;o 7 ein Verlängerungsstück und 8 eine Zwischenabbildungslinse. Die Pyramidenspitze 5 liegt in der Bildebene eines Leitfernrohres oder eines Führungsmikroskops eines astronomischen Teleskops, das mit hoher Genauigkeit der scheinbaren Bahn eines Leit-Sternes nachgeführt werden soll. Das Bild des Leitsternes wird zi.näcnst mit bekannten, hier nicht dargestellten optischen Hilfsmitteln auf die Spitze 5 oder deren nähere Umgebung gesetzt. Die Pyramidenspitze 5 zerlegt das Lichtbündel des Sternes in drei Teübündel, die über 6, 7, 8 in den Tridrantensensor eingeführt werden. Im Längsschnitt ist der besserer· Übersicht wegen nur eines der Bündel dargestellt. Die Aufteilung der Bündel im Querschnitt geht au» dem Schnitt H-II der F i g. 1 hervor.

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 180" versetzt angeordneten Löchern 9a und 9'fo besetzt, so daß immer nur genau eines der Teilbündel durchgelassen wird, während die beiden anderen zu gleicher Zeit abgedeckt werden. Das jeweils durchgelassene Teübündel durchläuft die Prismenanordnung 11, 12 und trifft dann auf die Frontkathode 13 eines Photomultipliers 14. Der Anschluß der elektrischen Versorgung von MoU" und Multiplier sowie sonstiger, im Rahmen vorliegender Erfindung nicht weiter interessierender, an sich jedoch bekannter Anordnung elektronischer Bauelemente erfolgt über einen Vielfachstecker 15.

Zum Verständnis der Wirkungsweise des Tridrantensensors und der Darstellung semes Vorteils gegenüber dem bekannten Quadrantensensor sei hier kurz auf die Erzeugung der Ablagesignale in zwei aufeinander senkrecht stehenden, in der Bildebene des Leitferrrohres bzw. des Führungsmikroskops liegenden Richtungen χ und y eingegangen. In den F i g. 3a und 3b ist die Umgebung der Pyramidenspitze — bei F i g. 3 a für den Tridrantensensor, bei Fig. 3b für den Quadrantensensor — in der Bildebene dargestellt Das Bild des Sternes hat den Radius r, seme Mitte M besitzt die Ablagen x, y von der Pyramidenspitze 0. Der auf die jeweilige Fläche eines Tridranten bzw. eines Quadranten fallende TeillicLtstrom erzeugt im Takt des Choppers einen Photostrom im Multiplier, dessen Amplitude dem Teillichtstrom proportional ist. Nimmt man an, der ''rüs 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

^lx

J₀ ist hierin der Photostrom, der entstünde, wenn das gesamte Licht des Sternes den Multiplier erreichte.

In der Praxis wird zwar das Sternbild weder kreisrund noch homogen ausgeleuchtet sein. An Stelle des Mittelpunktes Λί tritt dann der Lichtschwerpunkt des Sternbildes. Im übrigen bleibt die nachfolgende Überlegung davon unberührt. (Im folgenden sind die mathematischen Prinzipien der betreffenden Überlegungen abgegeben. Man sollte verstehen, daß die AI^-leitung der unten angegebenen Gleichungen weit genug geführt ist. um ihre Gültigkeit zu beweisen; da jedoch diese Ableitung nicht zum Verständnis des Grundgedankens der Erfindung beiträgt, ist sie hier weggelassen.)

Die Zeitfunktion des Photostromes hängt von der Schnittcharakteristik des Choppers ab. Für den

Vergleich zwischen Tridranten- und Quadrantensensor ist diese Charakteristik in beiden Fällen die gleiche und daher von geringer Bedeutung. Nimmt J'U) man sie der einfacheren analytischen Behandlung wegen als sinusförmig an, dann erhält man die Photo- 5 ströme nach F i g. 4. Hierin ist T die Periodendauer des Choppers. Man erhält

- J₂* sin 4.Ty Tür ~T <t< ~T
J₃' sin 4 π -ψ ~jT<t< jT

(2b)

J, sin 3 π ~ für 0<t< -^

- J₂sin 3π

~T (2a)

J₃ sin 3 η ~ füryT<t< T

J₁'sin4π γ für 0<f<-jT — JA sin 4 .τ

4r<(<r.

ίο Die Zeitfunktion (2 a) bzw. (2 b) lassen sich je als Fourier-Reihe darstelle

, t

y=i

f (3.

Die Fourier-Koeffizienten berechnen sich zu

<k> = -=- (Ji + J₂ + in

a, =

^-i (4a)

bzw. für den Quadrantensensor

i = ^(Ji +Ji +Ji +Ji)

₂' = 0

j ungerade

j gerade > 4

-(-I)"¹" (J₁' + J₂' j ungerade
j gerade.

(4b) Im Rahmen dieses Vergleiches ist es völlig ausreichend, an Stelle der binären Schaltfunktionen die Grundwellen der Schaltfunktionen einzusetzen, also

35 = -™Ht ⁺ t)

(6a)

40

bzw. m'_x =

45 — sin 2.-1-=^

(6b)

55 Die Ablagesignale ergeben sich dann zu

, Δχ

Ay^

.τ²

Wird der vom Multiplier gelieferte Photostrom (2 a) bzw. (2 b) bzw. (3) unter Abblockung des Gleichstromanteites (O₀ bzw. O₀ ¹) verstärkt, dann lassen sich aus dem verstärkten Photostrom durch Demodulation 6o . _. . _Λ . . die Ablagesignale für χ und y gewinnen, und zwar ^bzw· ^{ftr den} Quadrantensensor zu überraschenderweise auch aus dem Tridrantensignal,

obwohl die Teilungswinkel und Koordinatenwinkel , 4 Ax

nicht miteinander übereinstimmen. Die Demodu- A_x = ^ ^₂ J₀ -p-

lationssignale m_x und m₇ werden im allgemeinen 65 binäre Schaltfunktionen sein, und man gewinnt in

bekannter Weise die Ablagesignale A_x und A_y bis A' = ⁴^

auf einen uninteressanten Verstärkungsfaktor aus ^y 3.π'

^Jo Τ-

(7a)

(7b)

' 7 C7

Es läßt sich sowohl rechnerisch als auch in der Praxis nachweisen, daß das Verhältnis υ der Ablagesignale A_x und Ay

A_x., _ 27Π

= 2,34

(9)

beträgt.

Dieses Verhältnis erweist die Überlegenheit des Tridrantensensors gegenüber dem Quadrantensensor, Bei sonst äquivalenten optischen und elektronischer Verhältnissen, also auch bei gleichem Rauschpegel ist der Tridrantensensor um den Faktor 2,34 besser Das heißt, er reicht um fast eine Sterngrößenklassi (Faktor 2,5) weiter als der Quadrantensensor.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209!

27

Claims

Patentanspruch:

Photoelektrische Sensoreinrichtung für die Erkennung der Ablage von Sternen—oder Objekten, die sich als punkt- oder kreisförmige seifastleuchteude Lichtquellen abbilden lassen, — von einer Sollposition im Bildfeld eines Telescopes, in zwei zueinander senkrechten Richtungen und für die Erzeugung eines proportionalen Ablagesignals unter Benutzung eines Choppers, eines Cbopperverstärkers und eines Photoempfängers, wobei als strahlenteilendes Element die reflektierendsj Seitenflächen einer Pyramide benutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine regelmäßige dreiseitige Pyramide benutzt wird, daß die bei Ablage entstehenden Teil-Lichtströme in bekannter Weise gechoppt und einem Photoempfanger ZU^ifiihrt werden und daß der vom Pholoempfänger gelieferte Photostrom mittels zweier geeigneter Demodulationssignale, insbesondere zweier phasenversetzter binärer Schahiignale in an sich bekannter Weise derart demoduliert werden, daß die entstehenden demodulierten Photoströme den Ablagen x, y des Sternes bzw. des Bildes der Lichtquelle von der Pyramidenspitze in der Umgebung der Gleichgewichtslage proportional sind.