DE2608097A1

DE2608097A1 - Vorrichtung zur steuerung der ablenkung von lichtstrahlen

Info

Publication number: DE2608097A1
Application number: DE19762608097
Authority: DE
Inventors: Paul J Queeney
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1975-02-28
Filing date: 1976-02-27
Publication date: 1976-09-09
Also published as: US3995944A; GB1526921A; JPS51110345A

Description

DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS

8 München 7i. den 26. Febr. 1976

Melchloratraße 42

WS53P-1382

Mein Zeichen:

Westinghouse Electric Corp. Gateway Center, Pittsburgh, Penna. , USA

Vorrichtung zur Steuerung der Ablenkung von Lichtstrahlen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der winkligen Ablenkung von Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen, mit einer Serienschaltung von Spiegeln.

Es sind bereits Einrichtungen bekannt (US-PS 3 520 595), mit denen Lichtstrahlen in zwei Freiheitsgraden abgelenkt werden können, wobei eine digitale Steuerung etwa 60 Ablenkungen pro Sekunde zuläßt. Bei einer größeren Ablenkungszahl pro Sekunde ist eine Ablenkung nur zu einem gegebenen Zeitpunkt um eine Achse möglich. Bei dieser bekannten Anordnung wird eine Grenzschicht modifiziert, indem ein optisches Medium in Angrenzung an eine zunächst total reflektierende Grenzschicht gebracht wird. Bei einer weiteren bekannten Ausführung (US-PS 3 544 202) sind Dualreflektoren vorgesehen, bei denen unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts die Ablenkung des Lichtstrahles um eine Achse erfolgt. Bei der Ablenkung um zwei Achsen sind zwei gleichartige Anordnungen dieser Art

Fs/mü i η Serien-

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in Serienschaltung erforderlich, was den Nachteil mit sich bringt, daß die optischen Verluste zweimal auftreten.

Der- Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Steuerung von Lichtstrahlen zu schaffen, die eine zweidimensionale Ablenkung des Lichtes ohne hohe Ubertragungs Verluste möglich macht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Spiegel in zwei Positionen um jeweils zwei orthogonal zueinander verlaufende Achsen schwenkbar ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

- 2 - Die Vorteile

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L ϋ J ~ κ-WS53P-1382

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nach folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Laser-Mehrfachziel-Bestimmungssystems;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Spiegel und eine Antriebsvorrichtung für vier Positionen in zwei orthogonalen Achsen, wie es bei dem System gemäß Fig. 1 Verwendung findet;

Fig. 3 eine Seitenansicht längs der Linie IH-III der Fig. 2;

Fig. 4 ein Blockdiagramm zur Erläuterung des betriebsmäßigen Zusammenwirkens der Processor- und Befehlsgeneratoreinheit gemäß Fig. 1 mit dem Spiegel und der Antriebsvorrichtung für vier Positionen in zwei orthogonalen Achsen gemäß den Fig. 2 und 3;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Serienanordnung der Spiegel; Fig. 6 eine schematische Darstellung der individuellen Spiegel;

In Fig. 1 ist ein Zielbestimmungssystem 10 dargestellt, mit dem die Ziele für zwei oder mehr lasergeführte Waffen durch die Projizierung von Laser-Nadelstrahlen auf die Ziele festgelegt werden. Unter einer las er geführ ten Waffe versteht man eine solche, die ein semi-aktives Leitsystem verwendet, um die Waffe mit Hilfe der von dem Ziel reflektierten Laserenergie in das Ziel ζμ führen. Derartige Waffen werden in der Regel von einem Flugzeug abgeschossen, wobei eine Bedienungsperson die Waffe in das Ziel führt, indem sie den Laserstrahl und damit die die Achse des Laserstrahls darstellende Ziellinie LOS auf das Bodenziel ausrichtet.

Zur Erläuterung wird angenommen, daß die kleinste gewünschte Winkelabweichung der Spiegelauslenkung Δ O gleich einem halben Milliradianten

- 3 - nach der <

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nach der aus gangs seitigen Kollimatlon ist. Eine betriebsmäßige Ausführungsform des Zielbestimmungssystems 10 würde iypischerweise sieben Spiegel aufweisen, obwohl im Ini3resse einer einfacheren Darstellung weniger in der Zeichnung gezeigt sind. Damit würde eine Ziellinienüberdeckung von 127, 5 Milliradianten oder etwas mehr als 7 sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung für ein zweidimensionales Gesichtsfeld des Zielbestimmungs systems geschaffen werden.

Die Elemente, die optisch mit der Spiegelanordnung 12 zusammenarbeiten, bestehen aus einer Einheit 14, die einen elektro-optischen Sensor E/O, eine Optik und Stabilisations einrichtungen umfaßt. Dabei kann der elektro-optische Sensor der Einheit 14 aus einer Fernsehkamera bestehen. Ferner ist ein Laser-Sender oder Laserstrahlprojektor 16 und ein Las er -Empfänger 18 vorgesehen. Der Laser-Sender und der Las er-Empfänger stellen zusammen ein Las er-Echo-Meßsystem dar. Zwischen der Spiegelanordnung 12 und der Einheit 14 sowie dem Laser-Sender 16 und dem Las er-Empfänger 18 bestehen elektrische Verbindungen.

Das Zielbestimmungssystem 10 umfaßt ferner eine Sichtanzeige 20, eine Einheit 22 zur Betriebsartwahl und zur Laserstrahlsteuerung, eine Processor- und Befehlsgeneratoreinheit 24 und einen Laser-Kodegenerator 26. Die Sichtanzeige 20 kann in Form eines Fernsehbildschirmes ausgebildet sein, auf dem für die Bedienungsperson die von der Processor- und Befehlsgeneratoreinheit 24 erzeugten Symbole zur Anzeige gelangen. Diese Symbole beziehen sich auf die Zielverfolgungsspuren sowie die Kennzeichnungen der Ziele durch die Bedienungsperson. Die Processor- und Befehlsgeneratoreinheit 24 enthält einen digitalen Rechner. Der Speicher dieses Rechners enthält Daten bezüglich der Zielorte sowie Daten von Bezugspunkten. Eine Funktion der Processor- und Befehlsgeneratoreinheit 24 besteht darin, die Spiegelanordnung 12 sowie die Spiegelantriebe mit Hilfe digitaler Signale zu steuern, um die Ziellinie LOS, d.h. die Achse des Laserstrahls, auszurichten. Durch die Spiegelanordnung 12 verläuft auch der Echostrahl, der vom Ziel zurückkommt und

_ 4 _ wird auf

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wird auf den elektro- optischen Sensor zur Abtastung für den Laser-Empfänger 18 ausgerichtet. Die Einheit 24 erzeugt ferner Befehls signale, die eine Überlagerung eines bestimmten Kodes auf einen einem bestimmten Ziel zugeordneten Laserstrahl bewirkt. Die einzelnen Kodes sind in Zusammenarbeit mit dem Laser-Empfänger individuellen lasergeführten Waffen zugeordnet, so daß die einzelnen Waffen auf das jeweils zugeordnete Ziel gelenkt werden. In Abhängigkeit von den von der Processor- und Befehls generatoreinheit 24 gelieferten Befehlenspricht der Laser-Kodegenerator 26 an und liefert die einzelnen Kodesignale zur Überlagerung auf den Laserstrahl und gibt den für ein bestimmtes Ziel ausgewählten Kode an den Laser-Empfänger 18. Die Einheit 24 korreliert ferner die ankommenden Zielinformationen mit früheren Zielinformationen, um echte Daten von Stördaten zu unterscheiden. Dabei finden die Entfernungsinformationen vom Las er empfänger 18 Verwendung. Die Ablenkbefehle für die Spiegelanordnung 12 werden ebenfalls von der Processor- und Befehlsgeneratoreinheit 24 geliefert.

Mit Hilfe der Einheit 22 zur Betriebsartwahl kann die Bedienungsperson eine der drei nachfolgenden Betriebsarten des Zielbestimmungssystems 10 auswählen:

1. Einzelspurpunkt

2. Doppelspurpunkt

3. Mehrfachzielverfolgung

Bei der ersten Betriebsart wählt die Bedienungsperson den Einzelspurpunkt innerhalb des Gesichtsfeldes der Sichtanzeige 20 aus, der den Zielbereich am besten im Zentrum der dargestellten Ansicht hält. Bei einem typischen Betrieb werden zehn Laserstrahl-Impulse pro Ziel und Sekunde ausgesendet. Wenn daher gleichzeitig sechs Ziele angegriffen werden, würde der Laser-Sender 60 Impulse pro Sekunde aussenden. Die Spiegelanordnung 12 wird lange genug in einer Position gehalten, um die vom Ziel reflektierte Laserenergie ebenfalls zu übertragen, so daß die Spiegelanordnung sowohl für

_ 5 _ die optische

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die optische Übertragung der ausgesandten Las er energie als auch der empfangenen Las er energie Verwendung finden kann. Die reflektierte Energie wird an den Las er empfänger 18 angelegt, der die Entfernung zu jedem Ziel feststellt, die in die Processor-und Befehlsgeneratoreinheit eingespeist and für die Korrelationsrechnung verwendet wird.

Die zweite Betriebsart entspricht der ersten Betriebsart mit der Ausnahme, daß die beiden besten Spurpunkte im Gesichtsfeld der Sichtanzeige ausgewählt werden.

Die dritte Betriebsart macht keine Speicherung von Bezugsdaten über die Ziele in der Processor- und Befehlsgeneratoreinheit 24 notwendig. Vielmehr wird jedes Ziel von der Bedienungsperson auf der Sichtanzeige verfolgt, für die Einheit 24 bezeichnet und auf den neuesten Stand gebrachte Informationen in die Einheit 24 eingegeben, um Fehler zu beseitigen, die sich aus der beobachteten Abweichung zwischen den elektronisch durch die Einheit 24 zur Anzeige gebrachten symbolischen Zielpunkten und den tatsächlichen auf der Anzeige zu sehenden Zielen erkennen lassen.

Inden Fig. 2 und 3 ist eine detaillierte Darstellung des konstruktiven Aufbaus 28, der Spiegelanordnung sowie des Antriebs für vier Positionen in zwei orthogonalen Achsen dargestellt. Mit diesem konstruktiven Aufbau kann die Spiegelanordnung 12 gemäß Fig. 1 ausgerüstet sein. Der Aufbau 28 besteht aus zwei federvorgespannten Betätigungsanordnungen 30 und mit einer Magnetspule und einem Anker und ferner einem Spiegel 34. Der Spiegel 34 ist vorzugsweise als Ellipsoid ausgebildet. Die elektromagnetischen Betätigungsanordnungen sind wie handelsübliche Relaisschalter aufgebaut. Für den vorliegenden Fall wird der Mechanismus als Antriebsmechanismus verwendet, um eine bistabile Schwenkung um eine lineare Schwenkachse auszuführen. Die zur Steuerung des Aufbaus 28 verwendeten Signale bestehen aus elektrischen Stromsignalen, wobei zur Steuerung der Strom ein- bzw. ausgeschaltet wird.

„ . Die Be- - b -

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Die Betätigungsanordnung 30 gemäß Fig. 2 dient der bistabilen Auslenkung um die Drehachse A. Da die Drehachse A senkrecht auf der Ebene der Darstellung gemäß Fig. 2 steht, erscheint diese als Punkt. Der Rahmen 36 und die Magnetspule 38 der Betätigungsanordnung 3D stellen eine starre einstückige elektromagnetische Einheit 40 dar. Die Betätigungsanordnung bewirkt eine relative Bewegung zwischen der elektromagnetischen Einheit 40 und dem Anker 42 um die Achse A. Der Anker 42 ist starr über einen Bolzen 46 mit einer Trägerplatte 44 verbunden. Die Magnetspule wird nachfolgend auch als A-Achsen-Ablenkspule bezeichnet.

In Fig. 3 ist die über der Betätigungsanordnung 30 montierte Betätigungs anordnung 32 dargestellt, mit der die Ablenkung um die lineare Achse B erfolgt. Wie bei der Betätigungsanordnung 30 ist ein Rahmen 48 und eine Magnetspule 50 fest als Einheit miteinander verbunden und bilden die elektromagnetische Einheit 52. Die Ablenkung erfolgt durch eine relative Drehbewegung zwischen dieser elektromagnetischen Einheit 52 und dem Anker 54 um die Achse B. Die elektromagnetische Einheit 52 ist mit dem Rahmen 36 der Betätigungsanordnung 30 fest verbunden. Die Magnetspule 50 wird nachfolgend auch als B-Achsen-Ablenkspule bezeichnet. Die Betätigungsanordnung 32 ist derart gegenüber der Betätigungsanordnung 30 ausgerichtet, daß die beiden Achsen A und B in zwei Richtungen orthogonal zueinander ausgerichtet sind.

Der Spiegel 34 ist mit dem Anker 54 fest verbunden.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Betätigungsanordnung 30 wird auf die Fig. 2 Bezug genommen. Zwischen das eine Ende des Ankers 42 und einen vorspringenden Teil 58 des Rahmens 36 ist eine Schraubenfeder 56 eingefügt. Diese Schraubenfeder bewirkt, daß der Rahmen und die elektromagnetische Einheit 40 außer Eingriff mit dem Anker 42 gehalten werden.

_ η Gegenüber der

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Gegenüber der Polfläche 62 der Magnetspule 38 ist am Anker 42 eine Dämpfungsscheibe 60 befestigt. Ferner ist ein Justierhebel 64 vorgesehen, der mit der elekt; ;magnetischen Einheit 40 fest verbunden ist und an seinem vorderen Ende eine Justierschraube 66 trägt. Eine weitere Dämpfscheibe 68 ist der Justierschraube 86 gegenüberliegend mit dem Anker 42 verbunden. Der Einschaltstrom wird an die elektrischen Anschlüsse 70 der A-Achsen-Ablenkspule 38 angelegt und bewirkt, daß die elektromagnetische Einheit 40 mit der Polfläche 62 auf der Dämpfungsscheibe 60 anliegend gehalten wird. Diese Stellung ist in Fig. 2 mit ausgezogenen Linien dargestellt. Der Abschaltstrom wird ebenfalls an die Anschlüsse der Magnetspule 38 angelegt und bedingt, daß die Schraubenfeder 56 die elektromagnetische Einheit 40 vom Anker 42 weg in eine Position zieht, in welcher die Justierschraube 66 an der Dämpfungs scheibe 68 anliegt. Diese Stellung ist in Fig. 2 mit gestrichelten Linien angedeutet. Durch diese Schwenkbewegung um die Achse A erfährt auch der Spiegel 34 und die Betätigungsanordnung 32 eine entsprechende Verschwenkung.

Für die Beschreibung der Wirkungsweise der Betätigungsanordnung 30 wird eine Bezugsebene M angenommen, die durch die Oberfläche des Spiegels 34 verläuft und eine achsenparallele Ebene zur Achse A darstellt. Aufgrund dieser geometrischen Anordnung ist die Bezugsebene M in der Zeichnung gemäß Fig. 2 als Linie darzustellen. Die Lage der Bezugsebehe M für eine erregte Magnetspule 38 wird als Bezugslage M bezeichnet. Beim Abfallen der Erregung der Magnetspule 38 entsteht eine Ablenkung des Spiegels im Gegenuhrzeigersinn um einen Ablenkwinkel Δ B,der durch die Einstellung der Justierschraube 66 bestimmt wird, wobei der Spiegel durch die Ebene M , bestimmte Position verschwenkt wird. Diese Bewegung der Bezugsebene M, welche der Bewegung des Spiegels 34 um die Achse A entspricht, verursacht eine bestimmte Teilablenkung der Ziellinie LOS in der X-Richtung, bezogen auf das zweidimensionale Gesichtsfeld des Zielbestimmungssystems 10. Dies ergibt sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Fig. 5 und 6. Die Position M_n des Spiegels entspricht der Bezugsposition für

den justierten

- 8 - ^s

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den justierten optischen Strahlenverlauf, wogegen die Position M des Spiegels der Ablenkposition um die Achse A entspricht.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Betätigungsanordnung 30 wird auf die Fig. 3 Bezug genommen. Die Betätigungsanordnung 32 ist ebenfalls mit einer Schraubenfeder 72 versehen, die zwischen einem vorspringenden Teil 74 und dem einen Ende des Ankers 54 angeordnet ist. Dämpferscheiben 76 und 78 sind mit dem Anker 54 verbunden und liegen einerseits gegenüber einer Polfläche 80 der Magnetspule und andererseits gegenüber einer Justierschraube 82.

Zur Beschreibung der Betätigungsvorrichtung 32 wird eine weitere Bezugsebene N eingeführt, die ebenfalls durch die Oberfläche des Spiegels 34 verläuft und achsenparallel zur Achse A angeordnet ist. Beim Anlegen eines Einschaltstromes an die Klemmen 84 der B-Achsen-Ablenkspule wird der Spiegel 34 in eine mit N bezeichnete Bezugsposition gebracht, wobei die Dämpferscheibe 76 an der Polfläche 80 anliegt. Beim Abschalten des Stromes fällt die Erregung der Magnetspule 50 ab, so daß die Schraubenfeder 72 den Anker 54 von der Magnetspule wegziehen kann und diesen mit der Dämpferscheibe 78 zur Anlage an die Justierschraube 82 bringt. Damit wird wiederum die N-Bezugsebene des Spiegels im Uhrzeigersinn um einen Ablenkwinkel A Θ· verschwenkt. Diese durch die Ablenkung neu eingenommene Position ist mit N bezeichnet. Die Schwenkung der Bezugsebene N entspricht auch der Schwenkung des Spiegels 34, womit eine Teilablenkung der Ziellinie LOS in der Y-Richtung, bezogen auf das zweidimensionale Gesichtsfeld des Zielbestimmungssystems 10 erfolgt. Die Bezugsposition N entspricht der Bezugsposition des Spiegels 34 für den ein justierten optischen Strahlenverlauf, wogegen die Ablenkposition N der Ablenkposition des Spiegels um die Achse B entspricht.

Der konstruktive Aufbau 28 für den Spiegel und die Antriebsvorrichtung für vier Positionen in zwei orthogonalen Achsen verursacht eine endliche

_ 9 _ Parallaxe

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Parallaxe aufgrund der Tatsache, daß die Achse A geringfügig gegen die Mitte des Spiegels, welche durch den Punkt C in Fig. 2 charakterisiert wird, versetzt ist. Bei Anwendungen für die Steuerung der Ziellinienablenkung, wobei die Ziellinie LOS sehr lang, d. h. der Abstand zum Ziel sehr groß ist, verglichen mit dem Abstand zwischen der A-Achse und dem Punkt C ist die erwähnte Parallaxe vernachlässigbar klein. Unter der Ablenkung des Spiegels um eine lineare Achse entsprechend der Erläuterung in dieser Beschreibung werden alle Verschwenkungen des Spiegels verstanden, wie sie durch das erläuterte Beispiel sich ergeben und auch Verschwenkungen, die mit Hilfe von Ausführungsförmen erzielt werden, bei denen die Achse bzw. Achsen durch das Zentrum des Spiegels verlaufen.

Die Erläuterungen des vorausgehenden Absatzes sind in gleicher Weise auch für den Betrieb des konstruktiven Aufbaus 28 bezüglich einer Ablenkung der Ziellinie LOS in Y-Richtung zutreffend. Bei diesem Fall ergibt sich eine endliche Parallaxe aufgrund des Abstandes der Achse B von dem Zentrum des Spiegels, das durch den Punkt D in Fig. 3 gekennzeichnet ist.

Die Betätigungsanordnungen 30 und 32 sind von einem Typ, der verhältnismäßig große Steuerströme benötigt, um eine schnelle Schwenkbewegung durchzuführen. Das Material für die Dämpfungsscheiben 60, 68, 76 und 78 ist so ausgewählt, daß es eine sehr starke Dämpfung bewirkt.

Bei der speziellen Ausführungsform des beschriebenen konstruktiven Aufbaus 28 wird der Spiegel durch die Erregung der entsprechenden elektromagnetischer Einheit in einer Richtung verschwenkt, wogegen das Zurückschwenken mit Hilfe einer Federkraft erfolgt. Selbstverständlich sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen zum Zurückschwenken des Spiegels die elektromagnetische Einheit durch einen in entgegengesetzter Richtung fließenden Strom beaufschlagt wird.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wird der Spiegel im Uhrzeigersinn

_ 10 - aus den

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I b -.-■ ο ο _

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aus den geometrischen Bezugsebenen M und N, d.h. aus den Bezugspositionen M und N geschwenkt. Es sind auch Alternativlösungen möglich, bei denen eine Verschwenkung im Gegenuhrzeigersinn dadurch erreicht wird, daß entweder eine oder beide Betätigungsanordnungen 30 bzw. 32 in umgekehrter Richtung orientiert werden.

Das Zusammenwirken der Processor- und Befehlsgeneratoreinheit 24 und des konstruktiven Aufbaus für den Spiegel und die Antriebsvorrichtung für vier Positionen in zwei orthogonalen Ebenen wird anhand der Fig. 4 erläutert. Eine Funktion der Einheit 28 besteht darin, die Ablenkung der Ziellinie mit Hilfe von Spiegeln der Spiegelanordnung 12 in einer solchen Richtung zu steuern, daß sie als X-Auslenkung auf dem Bildschirm in Erscheinung tritt. Zur Durchführung dieser Funktion überträgt die Einheit 24 einen Einschaltstrom oder einen Ausschaltstrom an die Betätigungsanordnung 30 der Anordnung 28. Mit Hilfe eines Einschaltstromes wird die A-Achsen-Ablenkspule 38 gemäß Fig. erregt und die Betätigungsanordnung 30 veranlaßt, daß die Bezugsebene M die Bezugspositlon M_n einnimmt. In dieser Bezugsposition M entnimmt der Spiegel 34 die dem justierten optischen Strahlenverlauf entsprechende Bezugsposition ein. Beim Anlegen eines Abschaltsignals wird die Erregung vbn der Ablenkspule 38 abgeschaltet, so daß die Bezugsebene M um den Ablenkwinkel /^ θ in die Ablenkposition M verschoben wird, womit auch der Spiegel 34 in die Ablenkposition verschwenkt wird. Die Processor- und Befehlsgeneratoreinheit 24 führt eine entsprechende Funktion zur Steuerung der Ziellinie LOS bezüglich der Y-Richtung in der Sichtanzeige aus. Für diese Funktion wird ein Einschaltstrom an die B-Achsen-Ablenkspule 50 angelegt und die Anordnung 28 in eine solche Stellung gebracht, in der die N-Bezugsebene durch die Bezugsposition N_n verläuft. Das Abschaltsignal bedingt ein Verschwenken der Bezugsebene in die Ablenkposition N . Aus der vorstehenden Erläuterung kann man entnehmen, daß der Spiegel auf diese Weise in irgendeine der vier möglichen Positionen um die beiden orthogonal aufeinanderstehenden Achsen A und B verschwenkbar ist. Dies wurde im wesentlichen dadurch erzielt, daß federvorgespannte elektromagnetische Einheiten bezüglich ihrer Wirkungsweise.

- 11 - und ihrer

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WS53P-1382 und ihrer Drehachsen in orthogonaler Zuordnung in Serie geschaltet sind.

In Fig. 5 ist eine Serienanordnung von fünf Spiegeln mit zugehöriger Antriebsvorrichtung schematisch dargestellt, wobei diese einen Aufbau aufweisen können, wie er anhand der Fig. 2, 3 und 4 beschrieben wurde. Die einzelnen Spiegel 34, 34a, 34b, 34c und 34d sind so angeordnet, daß ein Strahl rechtwinklig abgelenkt in Form einer Rechteckwelle übertragen wird, wenn sich die Spiegel jeweils in der Bezugsposition M„ befinden. In dieser Lage folgt der Strahlengang dem justierten Verlauf. Die in Fig. 5 gestrichelt eingezeichnete Stellung der Spiegel 34, 34a, 34b, 34c und 34d entsprechen dieser Stellung der Bezugsebenen M in der Bezugsposition M . In dieser gestrichelt eingezeichneten Position wird die Ziellinie LOS mit gleichen Winkeln von 45 als Einfallswinkel und als Reflektionswinkel an jeder Spiegeloberfläche reflektiert. Jeder der Spiegel ist vorzugsweise als ellipsoid aufgebaut, um ihn dem elliptischen Bereich anzupassen, innerhalb welchem der Strahl auftrifft, wenn er den rechteckförmigen Strahlengang durchläuft. Die Vorteile, die sich aus der Verwendung von als ellipsoid ausgebildeten Spiegeln ergeben, sind :

A) eine Verringerung der Masse, welche von der Antriebsvorrichtung für die vier Positionen in zwei orthogonalen Ebenen bewegt werden muß;

B) eine Verringerung des Platzbedarfes für den Spiegel;

Die gestrichelte Linie 86 repräsentiert den Verlauf des auf die Bezugsachse des Zielbestimmungssystems 10 justierten optischen Strahlenganges.

Obwohl die Anordnungen, auf welche die Spiegel 34, 34a, 34b, 34c und 34d montiert sind, im wesentlichen denselben konstruktiven Aufbau haben, gibt es doch Unterschiede. Die Spiegel 34a und 34c verdrehen sich im Uhrzeigersinn aus der Bezugsposition in die Ablenkposition. Der Ablenkwinkel beträgt aus der Bezugsposition für den justierten optischen Strahlenverlauf in die Ab-

- 12 - lenkposition

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lenkposition/^θ. Die Winkeldistanz steigt in der Serienschaltung mit der zweiten Potenz an.

Zum Zwecke der Beschreibung in Verbindung mit den Fig. 5 und 6 wird angenommen, daß das elektrische Signal zur Steuerung der verschiedenen A-Achsen-Ablenkspulen 38 gemäß Fig. 2,die die Spiegel 34, 34a, 34b, 34c und 34d bezüglich der Ablenkung steuern, als binäres Signal aufgebaut ist. Dabei soll das binäre Signal mit dem Signalzustand O den jeweiligen Spiegel in der Bezugsposition, wogegen der binäre Signalzustand 1 die Ablenkung des jeweiligen Spiegels in die Ablenkposition verursacht.

In Fig. 5 ist ein Teil des Zielbestimmungssystems 10 mit Spiegelanordnungen 12 in dem Zustand nach dem Anlegen einer binären 1 an die A-Achsen-Ablenkspulen der einzelnen Spiegel dargestellt. In diesem Zustand erfährt die Ziellinie LOS eine maximale Auslenkung in der X-Richtung. Der Spiegel wird um den Winkel Δ θ-, wie in dem Kreisausschnitt vergrößert dargestellt, ausgelenkt, so daß der der Ziellinie folgende Laserstrahl entsprechend der ausgezogenen Linie 88 einen Einfallswinkel am Spiegel 34A hat, der sich von dem auf den in gestrichelter Position dargestellten Spiegel 34 einfallenden Strahl um den Winkel© unterscheidet. Damit erfährt der reflektierte Strahl eine gleichgroße Winkeländerung in entgegengesetzter Richtung, so daß die reflektierte Ziellinie LOS mit einer Winkelablenkung von 2 Δ θ vom Spiegel 34, wie in der Zeichnung angedeutet, reflektiert wird. Die Spiegelanordnung mit dem Spiegel 34a wird mit Hilfe der Justierschraube 66 gemäß Fig. 2 derart eingestellt, daß der Spiegel gegen die Bezugsposition um 2^ θ verschwenkt ist. Damit erfährt die Ziellinie LOS eine weitere Ablenkung und verläßt den Spiegel mit einem Ablenkwinkel von 6 Δ θ, wie in der Zeichnung dargestellt. Der Spiegel 34B ist derart einjustiert, daß eine Spiegelablenkung von 4ΔΘ eine Ablenkung der Ziellinie LOS um 8 A θ auslöst, was zusätzlich zu der Ablenkung des Strahles am Spiegel 34A um 6 Δ θ zu einer Ablenkung der Ziellinie von 14 Δ θ¹ führt, wie aus der Zeichnung zu entnehmen ist. Entsprechend wird auch der Spiegel 34c um 8 Δθ verstellt, was zu einer Ablenkung der Ziellinie LOS von 16 Δ β führt so daß diese Ablenkung

addiert

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addiert zu der Ablenkung des Strahles am Spiegel 34b von 14 Δ θ zu einer Gesamtablenkung der Ziellinie LOS beim Verlassen des Spiegels 34C von 30^ θ führt, Der Spiegel 34d ist um 16ΔΘ verstellt, wie aus der Zeichnung hervorgeht, und bewirkt damit eine Ablenkung der Ziellinie um 32A^. Addiert man diesen Wert zu dem Wert der Ablenkung des vom Spiegel 34C kommenden Strahles von 30 Λ θ, so erhält man eine Gesamtablenkung der Ziellinie LOS um 62 Δ θ nach dem Durchlaufen von fünf Spiegeln, wie aus der Zeichnung zu entnehmen ist. Nach dem Durchlaufen der Spiegelserie trifft der Strahl auf einen Kollimator 90, der schematisch angedeutet ist und in dem optischen Lichtweg nach dem Spiegel 34d angeordnet ist. Durch diesen Kollimator wird die Ablenkung der Ziellinie gegenüber der optischen Achse der Ziellinie um einen bestimmten Betrag verringert, der jedoch aufgrund des Maßstabs der schematischen Darstellung aus der Zeichnung nicht entnehmbar ist.

Aus dem Vorstehenden kann man entnehmen, daß durch das Anlegen eines Signals in Form einer binären 1 an die A-Achs en-Ablenkspulen der Spiegelanordnungen mit den Spiegeln 34, 34a, 34b, 34c und 34d zu einer Ablenkung der Ziellinienachse des Laserstrahls am Ausgang des optischen Systems um einen Winkel von 62 Δθ -»-Ν, wobei N die Leistung des Kollimators bezeichnet. Die Ziellinienachse LOS des Laserstrahls ist dabei um die Parallaxe E versetzt.

Aus dem Vorstehenden kann man entnehmen, daß durch eine Serienschaltung der Spiegel 34 bis 34d die gewünschte Ablenkung der Ziellinienachse LOS erzielbar ist, obwohl diese um eine Ablenkachse erfolgt, die parallel zu der Drehachse A der Antriebsvorrichtung für die vier Positionen in zwei orthogonalen Ebenen der Spiegel liegt. Dies ist eine virtuelle Achse und ist keine Achse, welche aus der Struktur der Serienanordnung der Spiegel identifiziert werden kann. Aus diesem Grund wird auch von der virtuellen Ablenkachse der Ziellinienachse LOS gesprochen.

- 14 - In Fig. 6

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ff

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In Fig. 6 ist dasselbe System dargestellt wie in Fig. 5, jedoch werden die Spiegelanordnungen mit der Serienschaltung der Spiegel 34, 34a, 34b, 34c und 34d von verschiedenen binären Signalen angesteuert. Das binäre Signal 0 wird an die A-Achs en-Ablenkspulen der Spiegelanordnungen mit den Spiegeln 34, 34b und 34d angelegt, wogegen die A-Achsen-Ablenkspulen der Spiegelanordnungen mit den Spiegeln 34a und 34c von dem binären Signal 1 beaufschlagt werden. Der Spiegel 34 befindet sich in seiner Bezugs position, in der der Laserstrahl und damit die Achse 88 der Ziellinie LOS ohne Ablenkung übertragen wird. Der Spiegel 34a ist um einen Winkel von 2Δθ verschwenkt, wodurch die Ziellinienachse bzw. die Ziellinie LOS eine Ablenkung von 4 AOnach der Reflektion am Spiegel erfährt. Der Spiegel 34b befindet sich dagegen wieder in seiner auf den optischen Strahlenverlauf justierten Bezugsposition, wodurch der reflektierte Strahl keine Ablenkung erfährt und die Ziellinienachse nach der Reflektion am Spiegel dieselbe Ablenkung wie zuvor hat, d. h. die Ablenkung der Ziellinienachse beträgt nach wie vor 4 /\> θ. Der Spiegel 34c ist dagegen um 8 ΑΘ aus seiner Bezugs position verschwenkt, wodurch sich eine Ablenkung der Ziellinie um 16ΑΘ ergibt, was addiert zu der vorausgehenden Ablenkung von 4ΔΘ zu einer Gesamtablenkung von 20 /\ θ für den am Spiegel 34c reflektierten Strahl führt. Der Spiegel 34d bewirkt keine weitere Ablenkung der Ziellinienachse, so daß die Ziellinie LOS den fünften Spiegel, nämlich den Spiegel 34d, mit einer Ablenkung von 20 Δ O verläßt. Die Gesamtablenkung der Ziellinienachse des Laserstrahl^ der am räumlich stabilisierten Spiegel 96 reflektiert wird, beträgt somit 20 Δ θ —Ν, wie aus der Zeichnung hervorgeht. Der Parallaxenabstand E' auf der Ausgangsseite des stabilisierten Spiegels 96 ist kleiner, was sich aus den gegenüber dem Aufbau gemäß Fig. 5 veränderten Spiegelpositionen ergibt.

In den Fig. 5 und 6 ist die Ablenkung der Ziellinienachse bzw. der Ziellinie LOS in der X-Richtung auf dem Gesichtsfeld der Sichtanzeige des Zielbestimmungssystems 10 dargestellt. Gleichzeitig werden auch entsprechende

- 15 - Befehle an die

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Befehle an die B-Achs en-Ablenkspulen 50 gemäß Fig. 3 der Spiegelanordnungen angelegt, womit sich gleichzeitig auch eine Steuerung der Ziellinienachse in Y-Richtung ergibt.

Es wird angenommen, daß die kleinste gewünschte Spiegelverstellung dem Wert des Winkels Q entspricht, der beispielsweise der halben Laserstrahlbreite entsprechen soll. Die geringste Ziellinienverschiebung oder Ablenkung entspricht dem doppelten Wert der Spiegelverschwenkung oder 2 A β. Man kann nun zeigen, daß eine richtige Auswahl der Lagen der einzelnen Spiegel in der Serienanordnung eine Möglichkeit bietet, die Ziellinienachse auf eine Ablenkung einzustellen, die einem durch die nachfolgende Gleichung

2 £(2^N) - IJA θ

bestimmten Gesamtwinkel entspricht, wobei N die Anzahl der Spiegel in der Sßrienanordnung ist.

Der in Fig. 5 dargestellte schematische Aufbau des Zielbestimmungssystems 10 umfaßt weitere Elemente außer dem Spiegel und dem Kollimator, nämlich eine elektro-optische Sensoreinheit 92, z.B. in Form einer Fernsehkamera, einen dichroitischen Spiegel 94 und einen räumlich stabilisierten Spiegel 96. Alle diese Elemente sind Teil der in Fig. 1 mit 12 bezeichneten Spiegelanordnung.

Zwischen dem Laser-Sender 14 und dem ersten Spiegel 34 der Spiegelanordnung 12 ist ein schrägstehender Ringspiegel 98 fest angeordnet, um Laserenergie für den Laser-Empfänger 18 abzuzweigen. Der Ringspiegel 98 ist unter einem Winkel von 45 zur Bezugsachse des justierten optischen Strahlenverlaufes angebracht. Die Größe und die Form der Zentrums Öffnung des Ringspiegels 98 ist derart gewählt, daß der ausgesendete Laserstrahl durch diese hindurchtreten kann. Die Spiegel 34, 34a, 34b, 34c und 34d sowie der räumlich stabilisierte Spiegel 96 sind größer ausgeführt als dies der Querschnittsebene des Laserstrahls entspricht, um in der Lage zu sein, Energie zum

- 16 - Ringspiegel

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Ringspi egel 98 zurückzureflektieren, ohne daß sich eine Interferenz mit dem ausgesendeten Laserstrahl ergibt. Wenn z. B. der ausgesendete Laserstrahl einen Durchmesser von etwa 6, 35 mm hat, kann für den Ringspiegel 98 ein Außendurchmesser von etwa 9, 525 mm und ein Innendurchmesser von etwa 6, 35 mm vorgesehen sein. Die übrigen Spiegel 34 bis 34d sowie der räumlich stabilisierte Spiegel 96 würden mit einem größeren Durchmesser versehen werden, als für die Ablenkung des ausgesandten Laserstrahls notwendig ist, damit genügend zurückkommende Laserenergie auf den Ringspiegel 98 zur Ansteuerung des für die Entfernungsmessung vorgesehenen Las er-Empfängers 18 auftrifft. Je nach dem Durchmesser des verwendeten Laserstrahls können die Spiegeldurchmesser in der Größenordnung von etwa 50 bis etwa 80 mm für die Hauptachse der elliptisch ausgeführten Spiegel liegen. Der schrägstehende Ringspiegel 98 richtet die reflektierten Laserstrahlen auf die elektro-optische Sensoreinheit 100, die als Eingangsstufe für den Las er empfänger 18 wirksam ist. Der dichroitische Spiegel 94 reflektiert die Laserenergie bzw. den Laserstrahl und läßt jedoch andere Komponenten der optischen Energie ohne Reflexion durch. Die Spiegelfläche dieses dichroitischen Spiegels 94 ist unter einem Winkel von 45 zur optischen Bezugsachse des justierten Strahlenganges angeordnet.

Aus dem Voraus stehenden kann man entnehmen, daß die Spiegelanordnung 12 aus einer Serie von Einzelspiegeln mit den dazugehörigen Antrieben sowie den übrigen Elementen, nämlich dem Kollimator 90, dem dichroitischen Spiegel 94, dem räumlich stabilisierten Spiegel 96 sowie dem Ringspiegel 98 eine optische Einheit bilden. Dabei stellt der räumlich stabilisierte Spiegel 96 für diese optische Einheit die Austritts öffnung für den Laserstrahl und die Eintritts öffnung für den reflektierten Laserstrahl dar.

Die Verwendung des Begriffes Ziellinie bezieht sich auf folgendem Inhalt:

A) Sie charakterisiert die optische Achse des Laserstrahles

B) und gleichzeitig die optische Achse der optischen Einheit.

17 Durch

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Durch die voraus stehende Wirkungsweise der Spiegel 34 bis 34d wird die Ziellinienachse 88 bzw. die Ziellinie LOS des Laserstrahls abgelenkt. Gleichzeitig dienen die Spiegel dazu, den reflektierten Laserstrahl zurück- und dem Las er empfänger zuzuführen. Die Verwendung des Begriffes Ziellinie bzw. Ziellinienachse soll diese beiden Maßnahmen in sich beinhalten.

Hinter dem dichroitischen Spiegel 94 ist die elektro-optische Sensoreinheit 92 derart angeordnet, daß die Verlängerung der Bezugsachse 86 zwischen dem dichroitischen Spiegel 94 und dem räumlich stabilisierten Spiegel 96 sich mit der optischen Achse derSensoreinheit deckt. Damit kann die Sensoreinheit durch den dichroitischen Spiegel hindurchtretende optische Energie aufnehmen. Sowohl die Sensoreinheit 92 als auch der Lasersender 14 benutzen damit den stabilisierten Spiegel 96 für ihre Zwecke.

Weitere nicht dargestellte Ausführungsformen für die Spiegelanordnung können Kardanringe umfassen, die jeweils orthogonal zueinander verlaufende Drehachsen aufweisen, wobei sich diese jeweils im Zentrum des Spiegels schneiden. Bei einer derartigen Kardanaufhängung würden geeignete Antriebselemente mit den Schwenkarmen der entsprechenden Kardanringe verbunden sein.

- 18 - Patentansprüche

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Claims

WS53P-1382 Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Steuerung der winkligen Ablenkung von Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen, mit einer Serienschaltung von Spiegeln, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spiegel (34 bis 34d) in zwei Positionen um jeweils zwei orthogonal zueinander verlaufende Achsen (A, B) schwenkbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl auf jeden Spiegel unter einem Winkel von etwa 45 auftrifft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkung der Spiegel mit einer Antriebsvorrichtung erfolgt, die zwei elektromagnetische Betätigungsanordnungen (30, 32) umfaßt.

4- Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Betätigungsanordnung eine Magnetspule und einen Anker umfaßt und mit digitalen Signalen steuerbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Ansteuerung der Betätigungsanordnung verwendeten digitalen Signale von einem Netzwerk geliefert werden, daß eine Serie von ersten und zweiten digitalen Signalen in zeitmultiplexer Anordnung aus zumindest zwei verschiedenen Ablenkbefehlen liefert, die in einer bestimmten synchronen zeitlichen Beziehung zueinander gemeinsam für die erste und zweite Serie von digitalen Signalen auftreten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl bzw. der Laserstrahl von einem Sender in Form periodischer Impulse in der bestimmten synchronen zeitlichen Beziehung zueinander abgegeben wird.

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7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl bzw. der Laserstrahl über eine optische Einheit übertragen wird, welche die Spiegel umfaßt, und durch eine Austritts Öffnung austritt, durch welche auch die reflektierten Lichtstrahlen empfangen und über die Serienschaltung der Spiegel zurück bis zu einem Ringreflektor geführt werden, der zwischen dem Sender und der Serienschaltung der Spiegel angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringreflektor aus einem schrägstehenden Ringspiegel besteht.

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