DE2330153A1

DE2330153A1 - Optisches instrument

Info

Publication number: DE2330153A1
Application number: DE2330153A
Authority: DE
Inventors: Arthur Ernest Laws
Original assignee: Hawker Siddeley Dynamics Ltd
Current assignee: Hawker Siddeley Dynamics Ltd
Priority date: 1972-06-08
Filing date: 1973-06-08
Publication date: 1973-12-20
Also published as: NL7307869A; BE800740A; LU67759A1; FR2188820A5; US3819940A; CH567247A5; GB1439322A

Description

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

Hawker Siddeley Dynamics Limited 240/568

Optisohes Instrument

Die Erfindung betrifft ein optisches Instrument, bei dem ein optisches Signal auf eine Sensoranordnung oder ein lichtempfindliches Medium projiziert wird, und bei dem Winkelabweichungen des Signalwegs um ein die Signalquelle des Instruments bildendes Zentrum herum als Versatz von einem vorgegebenen, in der Hauptebene der Sensoranordnung oder des lichtempfindlichen Mediums liegenden Punkt erseheinen, wobei das Instrument eine optische Achse besitzt, die durch die Signalquelle verläuft und auf, der Hauptebene senkrecht steht.

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Derartige Instrumente werden beispielsweise in

Satelliten als Teil des Pluglage-Regelsystems verwendet, um

den Satelliten auf ein Gestirn, "beispielsweise die Sonne, auszurichten.

Wenn bei solchen Instrumenten das beispielsweise von einer Punktquelle ausgehende optische Signal endlicher Breite in das Gesichtsfeld auf einem Weg verläuft, dessen Winkel zur optischen Achse des Instruments sich ändert, d.h. schräg zum Eintrittsschlitz, erzeugt es ein Bildelement, dessen Entfernung von der optischen Achse sich nichtlinear ändert. Mit anderen Worten verläuft das Bildelement über die Sensoroder Empfangsmittel entsprechend dem !Dangens des Eintrittswinkels .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Korrekturmittel vorzusehen, durch die solche Nichtlinearitäten beseitigt werden.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Korrektur des nach dem Tangensgesetz entstehenden Fehlers eine optische Korrektureinrichtung in den Signalweg eingeschaltet ist, deren das Signal empfangende Oberfläche in konkavem Sinn um einen Mittelpunkt gekrümmt ist, der auf der optischen Achse des Instruments liegt oder diese schneidet, daß der Radius der Krümmung größer ist als der Abstand zwischen der Signalquelle und demjenigen Punkt auf der gekrümmten Fläche, der auf der optischen ichse liegt, und daß die der Sensoranordnung zugekehrte Fläche der optischen Korrektureinrichtung eben ist.

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Die optische Korrektureinrichtung kann aus einer Vielzahl von faseroptischen Elementen bestehen, die parallel zur optischen Achse und senkrecht zu der ebenen Fläche angeordnet sind sowie unterschiedliche Längen besitzen.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung besteht die Signalquelle des Instruments aus einem Spalt, einer Reihe von parallelen Spalten oder einer Schattenkante, auf die Licht von einer externen Quelle fällt, wobei die gekrümmte Oberfläche der optischen Korrektureinrichtung eine teilzylindrische Fläche ist, die durch Drehung um eine Achse erzeugt wird, die parallel zu dem Schlitz bzw. zu den Schlitzen bzw. zu der Schattenkante verläuft.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Signalquelle des Instruments eine Punktquelle, z.B. ein Nadelloch, und die gekrümmte Fläche der optischen Korrektureinrichtung weist die Form einer Kugelkalotte auf.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines gemäß der Erfindung ausgebildeten optischen Instrumentes;

Fig. 2 eine graphische Darstellung von Kurven, die die Wirksamkeit des in Fig. 1 dargestellten Instruments veranschaulichen;

Fig. 3 eine praktische Ausführungsform des in

Fig. 1 dargestellten Instruments für die Verwendung als Sonnensensor und

Fig. 4» 5 und 6 verschiedene Abwandlungen der Anordnungen von Fig. 1 und 3.

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Fig. 1 zeigt ein optisches Instrument, in welches das ankommende optische Signal 14- durch einen Eintrittsspalt am oberen Ende des Instrumentes eintritt und auf eine Anordnung von kleinen Fotodiodenzellen 12 fällt, die den Boden des Instrumentes bedecken. Ein solches Gerät kann als Teil eines Fluglage-Regelsystems für einen Satelliten verwendet werden, weil entsprechend der Orientierung des Satelliten und somit auch entsprechend der Orientierung des Instrumentes in Bezug auf die Sonne der Winkel θ zwischen dem ankommenden Strahl und der optischen Achse 13 des Instrumentes sich ändert. Folglich trifft der unterhalb des Eintrittsspaltes 11 im Instrument verlaufende Strahl 15 unter wechselndem Abstand vom Mittelpunkt 16 der Fotodiodenanordnung 12 auf diese auf, so daß die Ausgangssignale der Fotodioden, die ein Maß für diesen Abstand vom Mittelpunkt sind, in gleicher Weise eine Anzeige des Winkels θ darstellen. Der durch die Fotodiodenanordnung 12 gemessene Abstand vom Mittelpunkt ändert sich jedoch nicht proportional zum Winkel Θ, sondern mit dem Tangens dieses Winkels, welcher eine nicht lineare Funktion darstellt. Bei kleinen Werten des Winkel θ ist der Fehler, den man macht, wenn man diese Funktion als linear betrachtet, noch tolerierbar, bei großen Werten des Winkels θ wird dieser Fehler jedoch unannehmbar groß. Bei Satelliten, wo eine strikte Fluglagenkontrolle erforderlich ist, besteht ein Bedarf an Sonnensensoren, die für Lichteintrittswinkel θ bis hinauf zu 30° geeignet sein müssen.

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Um das Problem zu mildern, ist es bekannt, in das Instrument einen Block aus brechendem Material wie z.B. Spektrosil einzusetzen, um auf diese Weise den Winkel zwischen der optischen Achse und dem im Inneren verlaufenden Strahl herabzusetzen. Fig, I zeigt einen solchen Refraktor mit einem Brechungsindex /U, wodurch die Divergens zwischen dem Strahl 15 und der optischen Achse 13 auf den Winkel φ, der geringer ist als der Eintrittswinkel Θ, herabgesetzt wird, Das hierdurch erreichbare Maß der Herabsetzung des Winkels des Strahls 15 mit der optischen Achse ist jedoch für große Winkel θ nach wie vor nicht ausreichend.

Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, ist bei der Erfindung zwischen dem Refraktor 17 und der Anordnung 12 von Fotodioden eine Korrektureinrichtung eingefügt, die aus einer Vielzahl von Faseroptik-Elementen besteht, deren Achsen sämtlich parallel zur optischen Achse 13 verlaufen, d.h., sie verlaufen senkrecht zu der Ebene, in der die Fotodioden angeordnet sind, welche ihrerseits wiederum senkrecht zur optischen Achse 13 verläuft. Die an die Fotodioden anschließende untere Stirnfläche 19 der Einrichtung aus Faseroptik-Elementen ist eben, während die gegenüberliegende, obere Stirnfläche die Gestalt einer Zylindermantelfläche vom Radius R aufweist, deren Mittelachse die optische Achse 13 in einem Punkt 21 schneidet, welcher oberhalb des Eintrittsspaltes 11 liegt, d.h. außerhalb des Instrumentes auf der dem Objekt zugewandten Seite des Eintrittsspaltes. Dabei verläuft die Mittelachse der Zylindermantelfläche 20 parallel zum Eintrittsspalt 11.

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Bei dieser Anordnung trifft der durch den

Refraktor 17 laufende Strahl 15 im Punkt 22 auf die Linsenflache 20 auf, läuft dann weiter parallel zur optischen Achse 13 durch die Faseroptik 18 entlang eines Weges 23, um schließlich im Punkt 24 auf die Anordnung aus Fotodioden aufzutreffen.

Sei

t die maximale Dicke des Refraktors 17,

gemessen entlang der optischen Achse 13,

f der Abstand zwischen dem Spalt 11 .und dem Punkt 22, gemessen parallel zur optischen Achse 13,

d der Abstand zwischen dem optischen Mittelpunkt 16 und dem Punkt 24, und

Q der "Austrittswinkel", das ist der vom Instrument angezeigte Ausgangswert, der gleich Kd ist, wobei K eine Gerätekonstante ist.

Der Fehler des Instruments ist dann gegeben durch ß - Θ.

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Es bestehen die Beziehungen

r R² - d² - (R - t) = f (i)

tan φ = d/f Durch Substitution in Gleichung (l) erhält man

tan (J und daraus durch Umstellung

= \Tr² - d² - (R - t)

R² - d² β (tal~f ^{+ c)}» ^{wobei c} =

ist.

Durch Quadrieren der Gleichung (2) ergibt sich

tan φ tan φ

Setzt man in Gleichung (3) a = R/t, dann erhält man folgende in (x) quadratische Gleichung:

V Φ² ^H Φ - (2a - 1) = 0

t ^{+ Χ)} Φ ^{+ 2} H φ ^% tan φ

Daraus erhält man I ■ -°i*²

± γ (Ja=I-.)² ₊ 2a-l J

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Unter Benutzung von

sin φ sin φ cos φ . tan φ - - ^ΒίΏ

cos φ = -κ sin 2φ

ergibt sich für ⁰T der Ausdruck

I = - \ sin 2φ (a - 1) ± sin φ /a² - (a - I)² sin² φ Läßt man nun φ gegen O streben, dann ist im Grenzfall Φ = -| und d = Ot = S|

Bei korrekter Empfindlichkeitseinstellung des Instrumentes

muß am Nullpunkt ß = θ gelten. Aus dieser Bedingung ergibt sich

Kd =

folglich hat die Konstante K den Wert K Gleichzeitig hat man die Beziehung

= /u/t

= /Sf = - sin gl/i - fÜä£-Ä (a-i) ± _slD el/_a ²-(_a-l)2 SisLfi

/^U

woraus sich

ß β sin θ (a-1)

sin² θ

ergibt. FUr den Instrumentenfehler ß - θ ergibt sich hiernach ß - θ = sin Q (a-1)

ra-l

2 sin² θ

sin²_Q

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Man sieht, daß der Wert dieses Ausdrucks vom Eintrittswinkel Θ, vom Brechungsindex /U und vom Parameter a = R/t abhängt. Folglich kann der Instrumentenfehler durch Auswahl des Verhältnisses R/t reguliert werden.

Fig. 2 zeigt eine Reihe von Fehlerkurven, in denen ß - θ gegen den Eintrittswinkel O aufgetragen ist. Die Kurve A gilt für ein Instrument, bei dem keine Fehlerkorrektur vorgenommen ist. Die Kurve B gilt für ein Instrument, welches einen Refraktor aus Quarzglas mit dem Brechungsindex/U = 1»453 besitzt. Die Kurven O, D und E gelten für Instrumente mit einer als Faseroptik aufgebauten Korrekturlinse. In Kurve C ist kein Refraktor verwendet worden und der Wert von a = R/t beträgt für das Instrument 1,520. In Kurve D ist ein Refraktor mit dem Brechungsindex /U = 1,453 verwendet worden und der Wert von a = R/t beträgt 1,509. Kurve E gilt für ein Instrument, dessen Refraktor ebenfalls den Brechungsindex /U = 1,4-53 aufweist, das Instrument jedoch den höheren Wert von 1,520-für a = R/t besitzt. Die mit M bezeichneten horizontal verlaufenden, gestrichelten. Linien geben den hochstzulässigen positiven und negativen Instrumentenfehler für den jeweils betrachteten Fall an.

Man sieht, daß beim Fehlen der als Faseroptik aufgebauten Korrekturlinse die Fehlerkurven A und B sehr bald die zulässige Fehlergrenze in positiver Riohtung überschreiten. Die Kurven C, D und 1 zeigen, daß der Fehler unterhalb eines Eintrittewinkels Ton 30° selbst dann sehr gering bleibt,

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wenn kein Refraktor vorgesehen ist. Das Instrument kann daher bei Eintrittswinkeln hinauf bis 35° als Skalenendwert zufriedenstellend arbeiten, wie in "Fig, 2 durch den mit PS bezeichneten senkrechten Strich angezeigt ist. Im Pail der Kurve E ist der Fehler sogar noch bei Eintrittswinkeln über 60° tolerierbar.

Fig. 3 zeigt eine praktische Ausführungsform eines als Sonnensensor für einen Satelliten bestimmten Instrumentes. Anstelle des Spaltes 11 wird eine Schattenkante verwendet, und anstatt in Berührungskontakt mit der Anordnung auf Fotodioden zu stehen, ist die als Faseroptik aufgebaute Korrektureinrichtung 18 in einigem Abstand von den Dioden angeordnet, wobei eine Linse 26 dazwischengeschaltet ist. Diese Anordnung wurde deshalb gewählt, weil in der Praxis Schwierigkeiten auftreten können, wenn man die Fotodioden in unmittelbaren Kontakt mit den Enden der Faseroptik-Elemente bringen will, und solche Schwierigkeiten vermeidet man, indem man eine zusätzliche Linse dazwischensetzt.

Die Ergebnisse, die man mit einem derartigen

Sonnensensor mit und ohne eine Faseroptik-Korrektureinrichtung erhält, zeigen, daß der durch die Lage des Schattens auf einer flachen Oberfläche der Fotodiodenanordnung gemessene Sonnenwinkel einer starken Nichtlinearität unterliegt, die typisch zu einem Fehler von 5° bei einem Eintrittswinkel von 35° führt, wie Kurve A in Fig. 2 zeigt.

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Verwendet man jedoch zur Korrektur die Faseroptik, dann kann dieser Fehler um den Faktor 5000 gesenkt
werden. Für den verbleibenden Eigenfehler in der Linearität des Instrumentes zeigt die folgende Tabelle typische Werte. Sie Prozentangaben sind dabei jeweils auf den Skalenendwert bezogen.

Refraktor	Skalenbereich	Größter	Fehler	0.003	I»	Kurve
Spektroail	±350	- 0.0011	⁰ _ +	02 1°		D
Spektrosil	• ±55°	± 0.01°	= 0.	04 $>		E
ohne	±35°	± 0.013°	a O.		0

Im Rahmen des Erfindungsgedankens kann das Instrument vielfach abgewandelt werden. So weist z.B. das in Fig. dargestellte Instrument einen mehrfachen Eintrittsspalt anstelle eines einzelnen Spaltes auf, so daß das ankommende optische Signal als eine Folge von Linien auf die Anordnung 12 aus
Fotodioden auftrifft, so, daß eine Feineinstellung ermöglicht wird. Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung die Faseroptik auch ohne einen Refraktor verwendet werden, wie man an Hand der in Fig. 2 dargestellten Ergebnisse erkennt. Eine solche Anordnung iBt in Fig. 5 dargestellt.

Fig. 6 zeigt eine Abwandlung, in der die Anordnung der Fotodioden in drei aufeinander folgenden !Teilbereichen 12A_t 12B und 120 erfolgt, von denen jeder in einer

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Ebene angeordnet ist, die senkrecht zu der Linie vom Eingangsspalt 11 zu seinem Mittelpunkt verläuft, so daß lediglich der mittlere Teilbereich 12B sich in einem rechten Winkel zur optischen Achse 13 befindet, während die beiden Teilbereiche 12A und 12C zu beiden Seiten des mittleren Teilbereichs 12C jeweils in einander entgegengesetzte Richtungen gekippt sind. Hierdurch wird der Gesamtwinkel Θ, den das Instrument verarbeiten muß, in drei Bereiche aufgespalten, d.h., es werden zwei weitere optische Achsen 13' und 13'' erzeugt, so daß der Instrumentenfehler auf einen Wert reduziert wird, der einem Gerät mit nur einem Drittel des Skalenbereichs des vorliegenden Instrumentes zukommt. In anderen Worten, wenn der Skalenbereich 30° beträgt, dann ist der größte auftretende Fehler nur so groß wie der bei θ = 10° in den Kurven der Fig. auftretende Fehler.

Die Anordnung aus Fotodioden kann natürlich auch in gleicher Weise in jede andere gewünschte Anzahl von Teilbereichen aufgeteilt werden, ohne daß dadurch die in Fig. gezeigte Anordnung Einschränkungen erführe. Auch kann jeder Teilbereich mit seiner eigenen Faseroptik 18A, 18B oder 18C ausgestattet werden.

Die zeichnerischen Darstellungen zeigen zwar

nur Änderungen des Winkels θ in einer Ebene, selbstverständlich kann ein Instrument gemäß der Erfindung aber auch so ausgebildet werden, daß Winkelabweichungen in zwei zueinander senk-

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rechten Ebenen verfolgt werden können, indem zwei zueinander senkrecht angeordnete Eingangsspalte vorgesehen werden, die jeweils einer entsprechend orientierten Empfängeranordnung aus Fotodioden sowie Faseroptik-Korrektureinrichtung zugeordnet sind. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Lichteintritts in Gestalt eines Nadellochs, sowie anstelle einer zylinderförmigen oberen Stirnfläche der Faseroptik eine solche, die Seil einer Kugelfläche mit dem Radius R ist, dessen Mittelpunkt 21 auf der optischen Achee liegt. ^ .

Wenn man sich noch einmal der Fig. 2 zuwendet, so sieht man, daß bei Verwendung einer Faseroptik-Korrektureinrichtung der Instrumentenfehler zunächst einen geringen positiven Wert annimmt, wenn der Winkel θ beginnend mit dem Wert 0 anwächst, später wechselt der Fehler jedoch sein Vorzeichen zu negativen Werten hin und nimmt dabei stetig zu. In diesem Zusammenhang erweist sich als bemerkenswerter Vprteil, daß man durch geeignete Wahl des Wertes von a = R/t den Wert des Winkels Θ, an dem der Fehler sein Vorzeichen wechselt, beliebig einstellen kann.

Die Erfindung ist zwar an Hand eines Sonnensensors beschrieben worden,. wie bereits erwähnt, ist sie jedoch nicht darauf beschränkt. Ein anderes Anwendungsgebiet liegt bei Instrumenten mit Zeilenabtastung, in denen ein rotierender Spiegel periodisch einen wandernden Lichtpunkt über ein

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Aufnahmemedium wandern läßt und der gleiche, durch die Tangena-Punktion bestimmte Fehler auftritt, wenn das Aufnahmemedium eben ist. Die beschriebenen Techniken können in gleicher Weise verwendet werden, um diesen Fehler zu korrigieren, wobei die Drehachse des Spiegels an die Stelle des Eintrittsspaltes tritt.

-Patentansprüche-

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Claims

Patentansprücbe

{ IJ Optisches Instrument, "bei dem ein optisches Signal auf eine iiensoranordnung oder ein lichtempfindliches Medium projiziert wird und bei dem Winkelabweichungen des Signalwegs um ein die Signalquelle des Instruments bildendes Zentrum herum als Versatz von einem vorgegebenen, in der Hauptebene der Sensoranordnung oder des lichtempfindlichen Mediums liegenden Punkt erscheinen, wobei das Instrument eine optische Achse besitzt, die durch die Signalquelle verläuft und auf der Hauptebene senkrecht steht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur des nach dem Tangens-Gesetz entstehenden Fehlers eine optische Korrektureinrichtung in den Signalweg eingeschaltet ist, deren das Signal empfangende Oberfläche in konkavem Sinn um einen Mittelpunkt gekrümmt ist, der auf der optischen Achse des Instruments liegt oder diese schneidet, daß der Radius (R) der Krümmung größer ist als der Abstand (t) zwischen der Signalquelle und demjenigen Punkt auf der gekrümmten Fläche, der auf der optischen Achse liegt, und daß die der Sensoranordnung zugekehrte Fläche der optischen Korrektureinrichtung eben ist.
2. Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Korrektureinrichtung aus einer Vielzahl von faseroptischen Elementen besteht, die parallel zur optischen Achse und senkrecht zu der ebenen Fläche angeordnet sind sowie unterschiedliche Längen besitzen.

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3. Instrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle des Instruments aus einem Spalt, einer Jleihe von parallelen Spalten oder einer Schattenkante "besteht, auf die Licht von einer externen Quelle fällt, und daß die gekrümmte Oberfläche der optischen Korrektureinrichtung eine teilzylindrische Fläche ist, die durch Drehung um eine Achse erzeugt wird, die parallel zu dem Schlitz bzw.zu den Schlitzen bzw. zu der Schattenkante verläuft.
4. Instrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle des Instruments eine Punktquelle, z.B. ein Nadelloch ist, und daß die gekrümmte Fläche der optischen Korrekturvorrichtung die Form einer Kugelkalotte aufweist.
5. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Signalquelle des Instruments und der optischen Korrektureinrichtung ein Refraktor angeordnet ist, der der gekrümmten Oberfläche benachbart ist.
6. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene Fläche der optischen Korrektureinrichtung von der Sensoranordnung einen Abstand aufweist und dazwischen eine Linse angeordnet ist.
7. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung aus einer Vielzahl von Fotodioden-Zellen besteht.

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8. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere winkelmäßig gegeneinander versetzte optische Achsen einander in der Signalquelle des Instruments schneiden, und daß die Sensoranordnung in Bereiche unterteilt ist, die jeweils in einer Ebene angeordnet sind, die einen rechten Winkel zu einer zugehörigen optischen Achse bilden.
9. Instrument nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensoranordnung eine entsprechende optische Korrektureinrichtung zugeordnet ist, die sich zwischen ihr und der Signalquelle des Instruments "befindet.

Bs/Tw/N

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