DE2753782C2

DE2753782C2 -

Info

Publication number: DE2753782C2
Application number: DE2753782A
Authority: DE
Inventors: Lars-Erik Dipl.-Ing. Karlskoga Se Skagerlund
Original assignee: Bofors AB
Current assignee: Saab Bofors AB
Priority date: 1976-12-02
Filing date: 1977-12-02
Publication date: 1988-01-07
Also published as: SE7613514L; DE2753782A1; IT1090718B; CH629297A5; NL7713210A; SE416234B; NL189878C; JPS5374063A; JPS6161070B2; NO149402C; NL189878B; NO774115L; FR2373031B1; FR2373031A1; NO149402B; GB1596544A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur koordina tenmäßigen Bestimmung der Lage eines Zielobjektes mit einem optischen System zur Bündelung der von dem Ziel ausgesendeten Strahlung in einer Bildebene; mit einer mit der optischen Achse zentrierten, abwechselnd durch lässige und undurchlässige Segmente aufweisenden Blende, bei deren Rotation die Strahlung des Zielbildes vor dem Auftreffen auf ein Empfangselement moduliert wird, wo bei mindestens eine Begrenzungskante zwischen den licht durchlässigen und lichtundurchlässigen Segmenten eine Gerade und die andere eine Spirale bildet.The invention relates to a device for coordina determination of the position of a target object an optical system for bundling the from the target emitted radiation in an image plane; with a centered with the optical axis, alternating through casual and impermeable segments, rotating the radiation of the target image before Impingement on a receiving element is modulated where with at least one boundary edge between the light translucent and opaque segments Straight and the other forms a spiral.

Die Erfindung ist insbesondere in solchen Fällen anwend bar, bei denen das Zielobjekt eine Strahlung aussendet, die durch eine am Zielobjekt angebrachte Strahlungsquelle erzeugt wird, oder in den Fällen, wo das Zielobjekt selbst Infrarotstrahlung erzeugt. Die Strahlung kann aber auch von einem am Zielobjekt angeordneten Reflektor herkommen, der vom Ort der erfindungsgemäßen Bestimmungseinrichtung her bestrahlt wird.The invention is particularly applicable in such cases bar at which the target object emits radiation, the radiation source attached to the target object is generated, or in cases where the target object itself Generates infrared radiation. The radiation can also come from a reflector placed on the target object, of the location of the determination device according to the invention is irradiated here.

Eine derartige Vorrichtung zur Koordinatenmessung ist be kannt aus der DE-PS 9 77 909.Such a device for coordinate measurement is knows from DE-PS 9 77 909.

Bei dieser bekannten Vorrichtung weist die Blende, die das Strahlungsbild des Zielobjekts moduliert, transparen te Bereiche auf, die begrenzt werden durch eine Gerade einerseits und eine lineare Spirale andererseits. Hierbei ist die Spirale derartig angeordnet, daß der Blendenaus schnitt mit radialem Abstand vom Blendenmittelpunkt zu nimmt.In this known device, the aperture has the modulates the radiation image of the target object, transparen areas that are delimited by a straight line on the one hand and a linear spiral on the other. Here the spiral is arranged so that the aperture cut at a radial distance from the center of the aperture takes.

Dies hat den Nachteil, daß bei großer Entfernung des Ziel objektes von der Meßeinrichtung, d. h. wenn das Bild des Zielobjekts in der Bildebene sehr klein wird, bei der be kannten Meßeinrichtung der transparente Blendenausschnitt sehr schmal wird. Das führt dazu, daß genaue Messungen der Koordinaten nicht mehr möglich sind, so daß zur Verbesserung der Meßgenauigkeit in Mittelpunktsnähe teure und raumgreifende Zoom-Optiken oder dgl. nötig sind.This has the disadvantage that when the target is far away object from the measuring device, d. H. if the picture of the Target becomes very small in the image plane, at which be knew the measuring device the transparent aperture becomes very narrow. That leads to accurate Measurements of the coordinates are no longer possible, so that to improve the measuring accuracy near the center expensive and extensive zoom optics or the like necessary are.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Koordinatenmeßvorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß ohne zusätzliche optische Ein richtungen eine gute Meßauflösung auch in Mittelpunkts nähe des Empfangselements, d. h. für weit entfernte Ziel objekte gewährleistet ist.The invention is therefore based on the object Coordinate measuring device of the type mentioned to improve such that without additional optical A directions a good measurement resolution also in the center near the reception element, d. H. for distant target objects is guaranteed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Koordinaten meßvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die spiralförmige Begrenzungskante eine logarithmische Spirale bildet, die so gekrümmt ist, daß die Breite des licht durchlässigen Segments in Umfangsrichtung radial nach außen abnimmt.This object is achieved according to the invention with a coordinate solved measuring device of the type mentioned, that the spiral boundary edge is logarithmic Forms spiral that is curved so that the width of the light permeable segment in the circumferential direction radially outwards decreases.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Begrenzungs kanten des transparenten Ausschnitts der Blende ist ge währleistet, daß in Mittelpunktsnähe der Blende bzw. des Empfangselementes der Ausschnitt groß ist, so daß eine große Meßgenauigkeit erzielt wird. Trotzdem kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung die Meßvorrich tung ein großes Gesichtsfeld behalten werden.Due to the inventive design of the limitation edges of the transparent cutout of the panel is ge ensures that the aperture or the Receiving element of the cutout is large, so that great accuracy of measurement is achieved. Still can by the configuration of the invention, the measuring device a large field of vision.

Eine weitere, sehr wesentliche Variante der Erfindung löst die obenerwähnte Aufgabe auf eine andere, aber ähnliche Weise. Bei diesem Meßgerät ist das Empfangselement nicht hinter der rotierenden Blende ange ordnet, sondern auf einer Scheibe, die die Blende ersetzt und um die optische Achse rotiert. In diesem Falle hat das Empfangselement die gleiche Form wie der Blendenaus schnitt in der ersten Ausführungsform der Erfindung. Das heißt, das Empfangselement wird auf der einen Seite be grenzt durch eine gerade Begrenzungskante, die sich vom Scheibenmittelpunkt aus nach außen erstreckt, und auf der anderen Seite von einer Begrenzungskante, die eine zur Geraden hin gerichtete logarithmische Spirale bildet. Durch diese alternative Ausführungsform ist wiederum ge währleistet, daß die Impulslänge des vom Empfangselement gelieferten Signals mit wachsendem radialen Abstand vom Mittelpunkt der Scheibe abnimmt. Das heißt, auch in die ser Ausführungsform ist die Meßgenauigkeit in Mittelpunkts nähe am größten und es kann trotzdem ein großes Gesichts feld beibehalten werden.Another very essential variant of the invention solves the above-mentioned task on another but similar one Wise. With this measuring device it is Receiving element not behind the rotating screen arranges, but on a disc that replaces the aperture and rotates around the optical axis. In this case the receiving element has the same shape as the aperture cut in the first embodiment of the invention. The means that the receiving element is on one side bounded by a straight boundary edge, which differs from the Disc center extends outwards, and on the other side of a boundary edge, the one forms a logarithmic spiral directed towards the straight line. This alternative embodiment is again ge ensures that the pulse length of the receiving element delivered signal with increasing radial distance from The center of the disc decreases. That is, also in the This embodiment is the measuring accuracy in the center close the biggest and it can still have a big face field are retained.

Um zu vermeiden, daß der dynamische Bereich der Meßvor richtung in Mittelpunktsnähe eine höhere Auflösung er reicht, als durch das Empfangselement verarbeitet werden kann, kann die Begrenzungskante des Blendenausschnitts bzw. des Empfängerelementes in Mittelpunktsnähe in eine lineare Spirale der gleichen Krümmungsrichtung übergehen. To avoid that the dynamic range of the meas higher resolution towards the center is sufficient to be processed by the receiving element can, the boundary edge of the aperture section or the receiver element near the center in a go over a linear spiral of the same direction of curvature.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe invention is described below with reference to the Drawing explained in more detail. It shows

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungs gemäßen Meßvorrichtung, Fig. 1 is a schematic representation of a measuring device according to Inventive,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Teils der Meß vorrichtung zur Bestimmung der Form des Abtastbereichs sowie indirekt der Form eines Ausschnitts des Abtastbereichs, Fig. 2 is a schematic representation of a part of the measuring device for determining the shape of the scanning area, as well as indirectly the form of a section of the scanning,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des Mittelabschnitts der Fig. 2, Fig. 3 is an enlarged view of the central portion of Fig. 2,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform ähnlich Fig. 2 eines Teils der Meßvorrichtung zur Bestimmung der Form des Abtast strahls und Fig. 4 shows another embodiment similar to FIG. 2 of part of the measuring device for determining the shape of the scanning beam and

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht des Mittelabschnitts der Fig. 4. Fig. 5 is an enlarged view of the central portion of Fig. 4.

In Fig. 1 ist schematisch eine Seitenansicht der Meßvorrichtung dargestellt. Die von einem Objekt emittierte Strahlung wird durch eine Objektivlinse 11 aufge fangen und projiziert eine Abbildung auf eine Blende 12, die in der Bildebene der Objektivlinse angeordnet ist. Die Blende ist konzentrisch auf einem Lager 14 angeordnet und kann mit Hilfe eines Elektromotors 13 gedreht werden. In Verbindung mit der drehbaren Blende ist ein üblicher Sensor 16 vorgesehen. Dieser Sensor erzeugt ein elektrisches Signal, das eine eindeutige Funktion der momentanen Winkelstellung der Blende wiedergibt. In der Nähe der Blende ist ein Photodetektor 15 vorgesehen, dessen Ausgangssignal einem üblichen, signalverarbeitenden Schaltkreis 17 zugeführt wird. Dem Schaltkreis 17 wird auch das Ausgangssignal des Sensors 16 zu Berechnungszwecken zuge führt.In Fig. 1, a side view of the measuring device is shown schematically. The radiation emitted by an object is captured by an objective lens 11 and projects an image onto an aperture 12 which is arranged in the image plane of the objective lens. The diaphragm is arranged concentrically on a bearing 14 and can be rotated with the aid of an electric motor 13 . A conventional sensor 16 is provided in connection with the rotatable diaphragm. This sensor generates an electrical signal that represents a clear function of the current angular position of the diaphragm. A photodetector 15 is provided in the vicinity of the diaphragm, the output signal of which is fed to a conventional signal-processing circuit 17 . The circuit 17 is also the output signal of the sensor 16 leads for calculation purposes.

Die Objektivlinse 11 und die Blende 12 sind innerhalb eines zylindrischen Gehäuses 18 angeordnet und zum Objekt hin ge richtet, dessen Richtungskoordinaten bestimmt werden sollen. The objective lens 11 and the diaphragm 12 are arranged within a cylindrical housing 18 and directed towards the object whose directional coordinates are to be determined.

Die Meßvorrichtung ist vorzugsweise innerhalb eines größeren Gehäuses angeordnet, das Einrichtungen zur Erleichterung des Anvisierens des Objekts aufweist.The measuring device is preferably within a larger one Housing arranged that facilities to facilitate the Targeting the object.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der Blende 12 dargestellt. Die Blende besteht aus zwei Teilen, und zwar einem Teil 21, beispielsweise einer Öffnung, durch die die Strahlung in den Photodetektor 15 eintreten kann, und aus einem zweiten Teil 22, der gegenüber der von der Strahlungsquelle emittierten Strah lung undurchsichtig ist. Wenn die Blende sich dreht, erzeugt der durchsichtige Teil 21 einen Abtastbereich, der sich um den Drehmittelpunkt 23 der Blende dreht, der in diesem Fall mit dem Mittelpunkt des Gesichtsfeldes zusammenfällt. Die Form des Ab tastbereichs wird durch die Form der Öffnung 21 bestimmt, und aus der Fig. 2 ergibt sich, daß die an den undurchsichtigen Teil der Blende anschließende Grenzlinie hauptsächlich aus einer logarithmischen Spirale 26 sowie aus einer geraden Linie 25 besteht, die am Drehmittelpunkt 23 der Blende miteinander verbunden sind.In FIG. 2, an embodiment of the diaphragm 12 is illustrated. The diaphragm consists of two parts, namely a part 21 , for example an opening through which the radiation can enter the photodetector 15 , and a second part 22 which is opaque to the radiation emitted by the radiation source. When the diaphragm rotates, the transparent part 21 creates a scanning area that rotates about the center of rotation 23 of the diaphragm, which in this case coincides with the center of the field of view. The shape of the scanning area is determined by the shape of the opening 21 , and from FIG. 2 it follows that the border line adjoining the opaque part of the diaphragm consists mainly of a logarithmic spiral 26 and a straight line 25 which is at the center of rotation 23 of the aperture are connected.

In Fig. 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt des Bereichs um den Drehmittelpunkt 23 der Blende dargestellt, so daß der Über gang zwischen der logarithmischen Spirale 36 und der geraden Linie 35 deutlicher wird. In der Nähe des Mittelpunktes geht die logarithmische Spirale in eine lineare Spirale 34 über, die mit der geraden Linie im Mittelpunkt 33 verbunden ist, oder derart, daß der Drehmittelpunkt gerade neben dem Verbin dungspunkt liegt. Der Grund für diese Formgebung des transpa renten Teils 21, 31 wird im folgenden näher erläutert.In Fig. 3, an enlarged section of the area around the center of rotation 23 of the diaphragm is shown, so that the transition between the logarithmic spiral 36 and the straight line 35 becomes clearer. In the vicinity of the center point, the logarithmic spiral changes into a linear spiral 34 which is connected to the straight line in the center point 33 , or in such a way that the center of rotation lies just next to the connection point. The reason for this shape of the transparent part 21, 31 is explained in more detail below.

Die von dem Objekt emittierte Strahlung wird durch die Lin se 11 auf einen Punkt auf der Blende 12 projiziert, wobei ange nommen sein, daß dieser Punkt anfänglich nicht mit dem Drehmit telpunkt zusammenfällt. Der Punkt beschreibt einen Kreis auf der Oberfläche der Blende, wobei der Mittelpunkt am Drehmittel punkt 23, 33 der Blende liegt. Während dieses Teil der Drehbe wegung, wenn der Punkt über den transparenten Teil 21, 31 der Blende streicht, wird ein Ausgangsimpuls durch den Detektor er zeugt, wenn die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung kontinuierlich ist, oder ein Impulszug, wenn die Strahlungs quelle impulsmoduliert ist. Der Impuls oder der Impulszug wiederholt sich bei jeder Umdrehung der sich drehenden Blende, und aufgrund der Formgebung des transparenten Teils ist die Länge des Impulses bzw. des Impulszuges direkt mit dem Abstand zwischen dem Punkt und dem Drehmittelpunkt korreliert. Die Phase des Impulses oder des Impulszuges relativ zur Drehbewe gung der Blende ist ein Maß für die Richtung des Drehmittel punkts gegenüber dem projizierten Punkt. Dadurch wird eine An zeige der Lage des Punktes in Polarkoordinaten erhalten und außerdem eine entsprechende Angabe für die Richtung des Objekts. The radiation emitted by the object is projected through the lens 11 onto a point on the diaphragm 12 , it being assumed that this point does not initially coincide with the center of rotation. The point describes a circle on the surface of the diaphragm, the center being at the center of rotation 23, 33 of the diaphragm. During this part of the rotational movement when the point passes over the transparent part 21, 31 of the diaphragm, an output pulse is generated by the detector if the radiation emitted by the radiation source is continuous, or a pulse train if the radiation source is pulse-modulated . The pulse or pulse train is repeated with every revolution of the rotating diaphragm, and due to the shape of the transparent part, the length of the pulse or pulse train is directly correlated with the distance between the point and the center of rotation. The phase of the pulse or pulse train relative to the rotational movement of the aperture is a measure of the direction of the center of rotation relative to the projected point. This gives an indication of the position of the point in polar coordinates and also a corresponding indication of the direction of the object.

Die Länge des Impulses oder des Impulszuges bzw. die Phase wird bestimmt mit Hilfe des Schaltkreises 17, wobei ein Be zugsignal für den Phasenvergleich von dem Sensor 16 abgelei tet wird. Der Schaltkreis 17 kann vorzugsweise einen Mikro computer aufweisen, mit dessen Hilfe neben der Verarbeitung der Signale mit Hilfe eines Rechenprogramms die Position des Objekts durch Umwandlung der Polarkoordinaten in kartesische Koordinaten berechnet wird, falls dies erwünscht ist.The length of the pulse or pulse train or the phase is determined with the aid of the circuit 17 , a reference signal for the phase comparison being derived from the sensor 16 . The circuit 17 may preferably have a microcomputer, by means of which, in addition to processing the signals with the aid of a computer program, the position of the object is calculated by converting the polar coordinates into Cartesian coordinates, if this is desired.

Durch die Form der Grenzlinie des transparenten Teils der Blende gemäß den Fig. 2 und 3, d. h. durch eine Grenzlinie, die aus einer geraden Linie 25, 35 sowie einer logarithmischen Spirale 26, 36 besteht, wird ein Impuls oder ein Impulszug erhalten, dessen Länge proportional zum Logarithmus des Kehr wertes des Abstandes zwischen dem Punkt und dem Drehmittel punkt der Blende ist. Daraus ergibt sich, daß die Meßungenauig keit in radialer Richtung linear mit dem Abstand zwischen dem Punkt und dem Mittelpunkt abnimmt. Da sich die Richtung zu dem Meßpunkt aus der Durchlaufzeit der geraden Linie 25, 35 ergibt, nimmt auch die Meßgenauigkeit in tangentialer Rich tung mit dem Abstand vom Mittelpunkt ab. Dadurch ist es mög lich, eine gute Meßgenauigkeit im Mittelabschnitt des Ge sichtsfeldes mit einem großen Gesichtsfeld zu kombinieren. Die erwähnte Beziehung zwischen der Meßungenauigkeit und dem Abstand des Mittelpunkts trifft zu, wenn die begrenzte Schnelligkeit des Photodetektors oder die Impulsfrequenz der Strahlungsquelle die Auflösung begrenzt. Die Beziehung gilt jedoch nicht bei starker Annäherung an den Mittelpunkt, wo die erwähnten Bedingungen eine derart gute Auflösung ergeben, daß andere Bedingungen, beispielsweise die begrenzte Abbil dungsschärfe, eine Begrenzung bilden. Daher ist es vorteilhaft, die Grenzlinie der Blende in der Nähe des Mittelpunktes als lineare Spirale 34 auszubilden, so daß verhindert wird, daß der dynamische Bereich der Meßvorrichtung eine höhere Auflö sung erreicht, als grundsätzlich verwendet werden kann.Due to the shape of the boundary line of the transparent part of the diaphragm according to FIGS. 2 and 3, ie through a boundary line consisting of a straight line 25, 35 and a logarithmic spiral 26, 36 , a pulse or pulse train is obtained, the length of which is proportional to the logarithm of the reciprocal of the distance between the point and the center of rotation of the aperture. It follows that the measurement inaccuracy decreases linearly in the radial direction with the distance between the point and the center. Since the direction to the measuring point results from the throughput time of the straight line 25, 35 , the measuring accuracy in the tangential direction also decreases with the distance from the center. This makes it possible to combine good measurement accuracy in the central section of the field of view with a large field of view. The above-mentioned relationship between the measurement inaccuracy and the distance of the center point applies if the limited speed of the photodetector or the pulse frequency of the radiation source limits the resolution. However, the relationship does not apply when the center is approached very closely, where the conditions mentioned result in such a good resolution that other conditions, for example the limited image sharpness, form a limitation. Therefore, it is advantageous to form the boundary line of the diaphragm near the center as a linear spiral 34 , so that the dynamic range of the measuring device is prevented from reaching a higher resolution than can be used in principle.

Im folgenden werden einige andere Ausführungsbeispiele ge mäß der Erfindung näher erläutert. Mit Hilfe verschiedener Aus bildungen des transparenten Teils der Blende können bei ver schiedenen Anwendungen die Genauigkeitseigenschaften der Meß vorrichtung eingestellt werden. Ein anderes Ausführungsbei spiel ist in Fig. 4 dargestellt, wo die gesamte Blende gezeigt ist, und Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Mit telabschnitts dieser Blende. In diesen beiden Figuren ist der undurchsichtige Teil der Blende mit den Bezugszeichen 41, 43 bzw. 51, 53 gekennzeichnet, während die transparenten Teile mit den Bezugzeichen 42, 44 bzw. 52, 54 versehen sind. Bei einer derartigen Form des transparenten Teils werden zwei Impulse mit konstanter Länge bei jeder Umdrehung der Blende von dem Photodetektor 15 erhalten, wobei das Intervall zwi schen den Impulsen ein eindeutiges Maß für den Abstand zwi schen dem projizierten Meßpunkt und dem Drehmittelpunkt der Blende bildet. Die konstante Länge der Impulse ermöglicht eine Unterdrückung von Störimpulsen in dem Schaltkreis 17. Daraus ergibt sich, daß diese Ausführungsform insbesondere in den Fällen vorteilhaft eingesetzt wird, wo Störungen auftreten können. Um eine Verwechslung zwischen beiden Impulszügen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die Bereiche 42, 52 bzw. 44, 54 verschieden breit zu wählen.In the following, some other exemplary embodiments according to the invention are explained in more detail. With the help of various designs from the transparent part of the diaphragm, the accuracy properties of the measuring device can be set in different applications. Another embodiment is shown in Fig. 4, where the entire aperture is shown, and Fig. 5 shows an enlarged section of the central portion of this aperture. In these two figures, the opaque part of the panel is identified by the reference numbers 41, 43 and 51, 53 , while the transparent parts are provided by the reference numbers 42, 44 and 52, 54 . With such a shape of the transparent part, two pulses of constant length are obtained from the photodetector 15 with each revolution of the diaphragm, the interval between the pulses forming a clear measure of the distance between the projected measuring point and the center of rotation of the diaphragm. The constant length of the pulses enables suppression of interference pulses in the circuit 17 . It follows from this that this embodiment is used particularly advantageously in cases where faults can occur. In order to avoid confusion between the two pulse trains, it is advantageous to select areas 42, 52 and 44, 54 of different widths.

Bei einer anderen Ausführungsform wird die drehbare Blende durch einen drehbaren (umlaufenden) Photo detektor ersetzt, dessen empfindliche Fläche entsprechend dem transparenten Teil der oben erläuterten Blende ausgebildet ist und dessen elektrisches Ausgangssignal beispielsweise durch Schleifringe abgegriffen wird.In another embodiment the rotating cover by a rotating (rotating) photo detector replaced, the sensitive area according to the transparent part of the aperture explained above is formed and its electrical output signal, for example Slip rings is tapped.

Claims

1. Device for the coordinate determination of the position of a target object with an optical system for bundling the radiation emitted by the target in an image plane; with a centered with the optical axis, alternately transparent and opaque segments on facing aperture, the rotation of which modulates the radiation of the target image before hitting a receiving element, with at least one boundary edge between the translucent and opaque segments being a straight line and the other one Spiral forms, characterized in that the spiral Be boundary edge forms a logarithmic spiral ( 26 ) which is curved so that the width of the translucent segment ( 21; 42, 44; 52, 54 ) decreases radially outward in the circumferential direction.

2. Device for the coordinate determination of the position of a target object with an optical system for bundling the radiation emitted by the target in an image plane and with a receiving element arranged in the image plane, characterized in that the receiving element ( 15 ) on one with the optical axis centered disc is arranged that the optical element takes up only a part of the disc and is limited by a boundary edge ( 25 ) which runs from the center of the disc ( 23 ) as a straight line to the edge of the disc, and by a boundary edge ( 26 ) which is from the center of the disc ( 23 ) runs in the form of a logarithmic spiral to the edge of the pane, the logarithmic spiral being curved such that the width of the receiving element decreases radially outward in the circumferential direction.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the logarithmic spiral ( 26, 36 ) in the vicinity of the axis of rotation ( 23 ) merges into a linear spiral ( 34 ).