DE2062487C - Photoelektrische Sensor Ein richtung - Google Patents

Description

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 Quadranlensensor. Es liegt auf der Hand, daß bei jeder Fourieranalyse dieses Verhältnis -essoll hier »Separationsverhältnis·' 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 uninteressanter. Informationen enthalten ist.

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

F i g. 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 (F ig. 3 a) bzw. durch ein vierseitiges Prisma eines Quadrantencensors (Fig. 3b) in der Umgebung der Prisinenspitze,

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

In F i g. 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 oberflächenversj'iegelte Pyramide 4 so au "gekittet ist, daß die Pyramidenspitze 5 in der Achse des Tridrantensensors sitzt. 6 ist ein Prisma. 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 zunächst 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 Teilbündel, die über 6, 7, 8 in den Tridrantensensor eingeführt werden. Im Längsschnitt ist der besseren Übersicht wegen nur eines der Bündel dargestellt. Die Aufteilung der Bündel im Querschnitt geht aus dem Schnitt II-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 9 a und 9 b besetzt, so daß immer nur genau eines der Teilbündel durchgelassen wird, während die beiden anderen zu gleicher Zeit abgedeckt werden. Das jeweils durchgelassene Teilbündel durchläuft die Prismenanordnung 11, 12 und trifft dann auf die Frontkathode 13 eines Photomultipliers 14. Der Anschluß der elektrischen 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.

Zum Verständnis der Wirkungsweise des fridrantcnsensors und der Darstellung seines Vorteils gegenüber dem bekannten Quadrantensensor sei hier kurz aut die Erzeugung der Ablagesignale in zwei aufeinander senkrecht stehenden, in der Bildebene des Leitfernrohres bzw. des Führungsmikroskops liegenden Riehtungen .v und y eingegangen. In den F i g. 3 a und 3 b ist die Umgebung der Pyramidenspitze bei F i g. 3a für den Tridrantensensor. bei Fig. 3b für den Quadrantensensor -- in der Bildebene dargestellt. Das Bild des Sternes hat den Radius r. seine Mitte A/ besitzt die Ablagen .v. y von der Pyramidenspitze O. Der auf die jeweilige Fläche eines Tridranten bzw. eines Quadranten fallende Teillichtstrom erzeugt im Takt des Choppers einen Photostrom im Multiplier. dessen Amplitude dem Teillichtstrom proportional ist. Nimmt man an, der Kreis des Sternbildes sei völlig homogen ausgeleuchtet, dann sind die Teil-PhotoEtröme den auf den jeweiligen Tridranten bzw. Quadranten fallenden Teilflächen des Sternbildes proportional. Für kleine Ablagen .w ν sind dann die Amplituden der Teil-Photoströme

bzw. für den Quadrantensensor

ix

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 Af 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 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'{ man sie der einfacheren analytischen Behandlung wegen als sinusförmig an, dann erhält man die Photoströme nach F i g. 4. Hierin ist T die Periodendauer des Choppers. Man erhält

J₁ sin 3* y für

- J₂ sin 3 .τ ~ Tür -L T < t < ~T (2a) J₁ sin 3 .τ -= Tür jT<t<T

; sin 4 .τ ~ für 0 < I < -j T - J₂ sm 4 .-t y lur -^- / < r < -y /

. j_ J__T</< J_r
^sin '"* T 2 4

-Ji sin 4.-iy

(2 b)

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

J(f) = ^ .-T7 — +^bjs\n2nj ^,. (3)

Die Fouricr-Koeffizienten berechnen sich zu

20 O₀ = -j- (J₁ + J₂ + J₃)

^cos

^(4a)

*" ⁼ ti

bzw. für den Quadrantensensor

«o = J- (J₁' + J₂ + J3 + Ji)

-Ul -J₂ -J₃'

j ungerade

.7(4-v

j gerade > 4

y ungerade ; gerade.

(4 b) Im Rahmen dieses Vergleiches ist es völlig aus reichend, an Stelle der binären Schaltfunklionen die Grundwellen der Schaltfunktionen einzusetzen, alsc

35

40 m_x = - sin 2.7 — +~

m_r = sin 2.-r

bzw.

45 ^ = — sin 2.-r

n' = sin 2.7 [ — + — 1.
VT 4/

Die Ablagesignale ergeben sich dann zu

_ 9|T3

Ix

55

⁼ ÜTP" ^⁰ "T

Wird der vom Multiplier gelieferte Photostrom (2 a) bzw. (2 b) bzw. (3) unter Abblockung des Gleichstromanteiles (O₀ bzw. O₀') verstärkt, dann lassen sich aus dem verstärkten Photostrom durch Demodulation 60 , _. , _. die Ablagesignale tür χ und y gewinnen, und zwar ^bzw· ^{ftr den} Quadrantenssnsor zu überraschenderweise auch aus dem Tridrantensignal,

obwohl die Teilungswinkel und Koordinatenwinkel 4 j_x

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

lationssignale m_x und m, werden im allgemeinen binäre Schaltfunktionen sein, und man gewinnt m (6a)

(6b)

(7a)

(7b)

bekannter Weise die Ablagesignale A_x und A_y bis auf einen uninteressanten Verstärkungsfaktor aus

^A> ⁼

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

υ —

— ZLl =117 An '<' '

A'_x.y 40

beträgt.

Das Verhältnis u der Sältigungsströme, das den Abstand vom Rauschpegel des Sensors bestimmt, bekommt man, wenn der Stern vollständig in einem der Tridranten bzw. Quadranten liegt

(z. B. /, = /₀, I₂ = /₃ = 0
und /,' = /„, I₂ = /i = K = 0).

Es beträgt

u =

-⁹-18
- 3 - 1,8

(10)

Der Tridrantensensor ist also dem Quadrantensensor hinsichtlich der Steilheit (Verhältnis v) um etwa 17% und hinsichtlich des Rauschabstandes (Verhältnis «) um etwa 80%(!) überlegen. Insbesondere das letztere Verhältnis bestimmt die Reichweite des Sternsensors im Zusammenwirken mit einem Teleskop. Sie ist um 0,65 astronomische Größenklasse größer als bei einem Quadrantensensor (1 astr. Größenklasse entspricht dem Faktor 2,5).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309633/

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Photoelektrische Sensoreinrichtung für die Erkennung der Ablage von Sternen — oder Objekten, die sich als punkt- oder kreisförmige selbstleuchtende Lichtquellen abbilden lassen. — von einer Sollposition im Bildfeld eines Teleskopes. in zwei zueinander senkrechten Richtungen und für die Erzeugung eines proportionalen Ablagesignals unter Benutzung eines Choppers, eines Chopperverstärkers und eines Photoempfängers, wobei als strahlenteilendes Element die reflektierenden Seitenflächen einer Pyramide benutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine regelmäßige dreiseitige Pyramide benutzt wird, daß die bei Ablage entstehenden Teil-Lichtströme in bek ter Weise gechoppt und einem Photoempfän_ocr zugeführt werden und daß der vom Photoempfatiger gelieferte Photostrom mittels zweier geeigneter Demodulationssignale, insbesondere zweier phasenversetzter binärer Schaltsignale 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.

   Photoelektrische Sensoreinr^htungen 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 Objekten in zwei zueinander senkrechten Richtungen, sofern sich die Objekte als punkt- oder kreisförmige, selbctleuchtende Lichtquelle darstellen.

   Unter den verschiedenen photoelektrischen Systemen von Sternsensoren gibt es eine Klasse, die auf der DifTcrentialphotometrie beruhen, wobei das Bildfeld durch geeignete optische Mittel unter Verwendung einer vierseitigen, reflektierenden Pyramide in vier Quadranten zerlegt wird und wobei die in die Quadranten fallenden Lichtströme des Sternes gegeneinander photometnert werden. Der Sternsensor ist dann im Gleichgewicht, wenn der Stern auf die Pyramidenspitze fällt und sein Lichtstrom durch die vier reflektierenden Pyramidenflächen in vier gleichgroße Teile geteilt wird. Im allgemeinen pflegt 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 gegen über 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 eine Messung von Amplitude und Phasenlage oder von Zeitdifferenzen oder von Frequenzmodulation zurückrühren) die Vorteile hoher mechanisch-optischer Stabilität und hoher geometrischer Empfindlichkeit. Die Stabilität ist gewährleistet, weil zwischen der Pyrumidenspitze als indizierendem Element und der Abbildung des Sternes keine beweglichen Glieder erforderlich sind. 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 merkliche^ Ablagesignal erzeugt werden kann. Difierentialsensoren 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 Cesamtlichtstromes zur Verfügung steht. Zweitens ist die Herstellung einer Spitze als Schnittpunkt von vier Seitenflächen bei den bisher verwencl "ten vierseitigen Pyramiden schwierig, weil vier 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 Empfindlichkeit.

   Die hier beschriebene Erfindung stellt sich zur Aufgabe, mit einfachsten Mitteln und unter voller Beibehaltung der Vorteile des Difierentialsensors den ersten der obengenannten Nachteile beträchtlich zu mildern und den zweiten Nachteil gänzlich zu vermeiden. Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, an Stelle einer vierseitigen Pyramide als ein das Bildfeld teilendes Element eine regelmäßige drei seitige Pyramide zu verwenden. Alle übrigen, oben genannten weiteren Merkmale des Differentialsensors, wie optische Unterbrecher und ein einziger Photoempfänger, sollen beibehalten werden. Dieser Sensor — wegen seiner Dreiteilung im folgenden 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 betragen, und weil für die nachfolgende Demodulation nicht die Amplitude, sondern das zeitliche Integral des Lichtstromes maßgebend 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 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-