DE3131335A1

DE3131335A1 - Optischer codierer sowie verfahren und vorrichtung zur fernbestimmung mindestens eines fuer die winkelposition oder stellung eines koerpers charakteristischen winkels

Info

Publication number: DE3131335A1
Application number: DE19813131335
Authority: DE
Inventors: Christian 78310 Elancourt Pouit
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1980-08-07
Filing date: 1981-08-07
Publication date: 1982-06-03
Also published as: GB2082867B; GB2082867A; FR2488396A1; DE3131335C2; FR2488396B1; US4472054A

Description

Optischer Codierer sowie Verfahren und Vorrichtung zur Fernbestimmung mindestens eines für die Winkelposition oder Stellung eines Körpers charakteristischen

Winkels

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Codlerer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwendung eines derartigen Codierers.

Die räumliche Lage eines Körpers im Verhältnis zu einem Achsensystem kann durch sechs Parameter beschrieben werden, von denen drei beispielsweise die Koordinaten seines Schwerpunkts darstellen und die anderen drei seine Winkelposition oder Stellung um seinen Schwerpunkt definieren, wobei zum Beispiel die Orientierung eines diesem Körper zugeordneten Achsensystems durch das Verhältnis zum System der Bezugsachsen bestimmt ist.

Wenn es sich bei einem derartigen Körper um ein entferntes oder schwer zugängliches Objekt handelt, kann es zuweilen schwierig sein, aus der Entfernung einen oder mehrere seiner charakteristischen Lageparameter zu bestimmen, selbst wenn die Lage seines Schwerpunkts im

Raum ansonsten durch Anwendung konventioneller Mittel der Ortsbestimmung,zum Beispiel radioelektrischer Art/ bekannt Ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, MSg-

BestImmung lichkeiten für eine sehr genaue/wenigstens eines für die Stellung eines Körpers charakteristischen Lageparameters anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der nebengeordneten Ansprüche 1, 8 und 13 gelöst.

Es Ist beispielsweise in der Uhrentechnik bekannt, für Längenpräzisionsmessungen Interferenzfilter aus Platten mit parallelen Flächen zu verwenden. Diese Interferenzfilter haben die Eigenschaft, eine absolut genaue Frequenzselektion im Spektrum des einfallenden Lichts vorzunehmen, so daß nur Licht mit einer bestimmten Anzahl genau definierter Wellenlängen hindurchtreten kann, was durch die Stärke der Platte bestimmt wird.

Erfindungsgemäß wird ein derartiges Filter zur Bestimmung der Stellung eines Körpers verwendet, wobei der Umstand ausgenutzt wird, daß die Wellenlängen ausgesandter Lichtstrahlen ebenfalls eine Funktion des Einfallwinkels des auf den Filtereingang auftreffenden Lichts sind. Man kann so den Einfallswinkel eines polychromatischen Lichtbündels auf dem Körper bestimmen, dessen Stellungsparameter er— mittelt werden sollen, indem das Frequenzspektrum des vom Interferenzfilter ausgehenden Lichtes ausgewertet wird.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Interferenzfilters;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines optischen Codierers in Form eines rückstrahlenden Reflektors;

Fign. 3 und k geschnittene bzw. perspektivische Ansichten von Ausführungsbeispielen eines optischen Cod i erers;

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zum Erfassen der Winkelpos!tion eines Körpers;

Fign. 6 und 7 Schaltbilder von Ausführungsvarianten der Vorrichtung nach FIg. 5;

Flg. 8 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäß arbeitenden Vorrichtung.

Ein bekanntes Interferenzfilter (Fig. 1) des In den Interferometern von PEROT und FABRY verwendeten Typs umfaßt eine Platte 10 mit parallelen Flächen 12 und 14 aus transparentem Material mit dem Brechungsindex r±, wobei jede der Flächen 12 und 1^ von einer dünnen Schicht bzw. 15 einer reflektierenden Beschichtung überzogen ist., die ausreichend dünn ist, um einen Teil des auf die betreffenden Flächen fallenden Lichtes hindurchzu-1assen.

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Wenn ein einfallendes Bündel polychromatischen Lichts, welches durch den Strahl 16 angedeutet ist, auf die Fläche 12 der Platte 10 auftrifft, wird der größte Teil seiner Energie unmittelbar durch die Schicht 13 in einer durch den reflektierten Strahl 18 angedeuteten Richtung reflektiert. Die ηichtref1ektIerte Energie wird im Innern der Platte in Richtung eines Strahls 20 gebrochen und erfährt ihrerseits teilweise eine Reflexion an der Schicht 15 längs eines Strahls 22 und teilweise eine Brechung längs eines von der Platte 10 parallel zum Strahl ausgehenden Strahls 24. Das dem Strahl 22 entsprechende Licht kann seinerseits beim Auftreffen auf der reflektierenden Schicht 13 eine Reflexion oder eine Brechung im Innern der Platte 10 erfahren, und so fort. Die nach einem oder mehreren Reflexionen innerhalb der Platte 10 aus der Fläche 12 parallel zum reflektierten Strahl 18 austretenden Strahlen sind mit 25, 27.. etc. bezeichnet, während die nach mindestens einer Brechung innerhalb der Platte 10 aus der Fläche 14 parallel zum Strahl 24 austretenden Strahlen mit 24, 26, 28 etc. bezeichnet sind.

Entsprechend einer Grundeigenschaft von Interferenzfiltern hat das Licht der Strahlen 24, 26, 28 ein auf eine Anzahl ganz bestimmter Cmonochromatischer) Spektral 1iη!en begrenztes Frequenzspektrum, die von dem Filter durchgelassen werden. Für die Wellenlängen, bei denen die Platte für den Lichtstrahl 16 durchlässig ist, gilt folgende Gleichung:

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Κ·λ = 2ne cos r , CO

wöbe i

K eine ganze Zahl,

λ eine Wellenlänge,

η der Brechungsindex der Platte 10, e die Stärke der Platte 10, und r der Einfallswinkel des Strahls 20 auf

die Fläche 14 im Innern der Platte ist.

Der Einfallswinkel r_ errechnet sich aus

dem Einfallswinkel j_ des auf die Platte

10 einfallenden Strahls 16 2u:

sin i = η sin r (2)

Wenn das Licht des einfallenden Bündels 16 weiß Ist und sich mithin durch ein kontinuierliches Frequenzspektrum auszeichnet, wird das die Strahlen 24, 26 und 28 bildende Licht durch Überlagerung der monochromatischen Spektrallinien gebildet, deren Frequenzen F1, F2 .., Fk folgender Gleichung genügen:

ρ _ k 1

k ~ 2ne ' cos r ' ^c ' (3)

wobei C die Lichtgeschwindigkeit ist.

Geht man davon aus, daß das Licht aus der Eintrittsfläche der Platte 10 austritt, so besteht das Licht der Strahlen 25, 27.. etc. aus gleichfalls monochromatischen Spektrallinien, welche der vorgenannten Gleichung genügen, Jedoch

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gegenphaslg zum reflektierten Hauptstrahl 18 des Lichtes stnd. Das am Ausgang der Fläche 12 der Platte 10 aufgefangene Licht weist ein Spektrum dunkler Spektral 1I ηien auf, die denjenigen Frequenzen entsprechen, deren Energie durch die zu den Strahlen 25 und 27 gegenphasigen Wellen gedämpft wird.

Lenkt man daher e in polychromatIsches Lichtbündel auf ein auf einem entfernten Körper befestigtes Interferenzfilter der in Fig. 1 dargestellten Art, so enthält das Frequenzspektrum des aus dem Filter austretenden Lichts eine Information in bezug auf den Einfallswinkel J_ des Bündels auf der dieses Filter bildenden Platte entsprechend den Gleichungen CO und C2). Diese Platte bildet damit einen optischen Codierer für den charakteristischen Winkel parameter der WinkelposItion oder Stellung des Körpers in bezug auf die Richtung des einfallenden Bündels. Die Funktion dieses Codierers kann auf der Brechung oder auf der Reflexion beruhen, je nach dem, ob das vom Filter austretende Licht auf der dem einfallenden Bündel in bezug zur Platte gegenüberliegenden oder gleichen Seite empfangen wi rd.

Ein erfindungsgemäßer optischer Codierer für einen Lageparameter (Fig. 2) enthält eiη Interferenzfi1ter 40 und einen nach rückwärts strahlenden Reflektor 42 in Form eines rechtwinkligen Tetraeders, welcher aus drei ebenen Spiegeln besteht, deren reflektierende Flächen zueinander senkrecht stehen und In das Innere des Tetraeders gerichtet sind. Ein solches Tetraeder besitzt die bekannte

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Eigenschaft, jeden auf eine seiner Spiegelflächen auftreffenden Strahl gegensinnig parallel zurückzuleiten, sofern der einfallende Strahl In einem Winkelbereich von — 30 Grad bezogen auf die Achse des Tetraeders bleibt. Die Platte 40 liegt vor dem Tetraeder 42 in einem durch einen Strahl 45 symbolisierten Strahlengang des einfallenden Lichtbündels, das an der Stelle 46 auf die Eintrittsfläche 41 der Platte unter dem Einfallswinkel J_ auftrifft, Ein Teil des Lichtbündels 45 wird durch die Platte in Richtung des Pfeiles 47 reflektiert, wohingegen ein anderer Teil nach Hindurchtritt durch die Platte 40 aus der Fläche 43 In Richtung eines austretenden Strahls austritt und im Punkt 50 auf eine der Flächen 49 des Tetraeders 42 trifft. Nach Reflexion an dieser Fläche trifft der Strahl 48 im Punkt 52 auf eine andere Fläche 51 des Tetraeders auf, wodurch ein zum Strahl 48 parallel und gegensinnig verlaufender Strahl 54 entsteht, der auf die Innenfläche 43 der Platte 40 unter einem Einfallswinkel i'= I auftrifft, um daraus wieder als parallel und gegensinnig zum Strahl 45 verlaufender Strahl 56

auszutreten. Zur besseren Übersicht sei angenommen, daß der Strahl 45 zur Ebene der dritten reflektierenden Fläche 53 des Tetraeders 42 parallel verläuft und nur zwei Reflexionen im Innern des Tetraeders erfährt. Im allgemeinen tritt der Strahl 56 nach drei Reflexionen an den Flächen des Tetraeders 42 als Strahl 45 aus.

Die Energie des den Strahl 48 bildenden Lichts Ist für alle Wellenlängen praktisch gleich null mit Ausnahme einer bestimmten Anzahl Spektraliiηien, deren Frequenzen durch die Gleichung (3) gegeben sind. Das Spektrum dieses

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Lichts Ist eine Funktion des Neigungswinkels j_ des Strahls 45 bezüglich der Normalen der Fläche 41 der Platte 40. Aufgrund der Eigenschaften des rückstrahlenden Tetraeders 42 durchläuft der Strahl 54 die Platte 40 erneut In umgekehrter Richtung. Somit enthält die spektrale Zusammensetzung des Strahls am Ausgang des optischen Codierers, der durch das Interferenzfilter 40 und den Tetraeder 42 gebildet wird, eine codierte Information über den Wert eines Stellungsparameters des Körpers.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines optischen Codierers CFign. 3 und 4) ist ein auf Reflexion basierendes Interferenzfilter vorgesehen. Es umfaßt ein rechtwinkliges Tetraeder 55 aus duchlässigem Material, wie etwa Glas, mit zwei mit einem reflektierenden überzug versehenenFlächen 57 und 59 und einer zu den beiden ersten Flächen orthogonalen dritten Fläche 61, auf welcher eine Interferenzfilterplatte 63 befestigt ist.

Im Betrieb fällt ein Bündel 60 ankommenden weißen Lichtes auf das Eingangsdiopter 58 des Tetraeders 55 und durchdringt dieses, bis es auf die Fläche 61 des Tetraeders auftrifft. Ein Teil der Energie des einfallenden Bündels tritt in die Platte 63 ein und wird an der der Fläche des Tetraeders gegenüberliegenden Fläche 62 der Platte reflektiert und tritt wieder in das Innere des Tetraeders ein, wo es sich mit dem unmittelbar an der Fläche 61 reflektierten Lichts vermischt.

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Das resultierende Licht wird an der Fläche 59 reflektiert und tritt als Strahl 64 aus dem Tetraeder durch das Diopter 58 parallel und gegensinnig zu dem eintretenden Bündel 60 aus. Das Lichtspektrum des austretenden Strahls 64 enthält dunkle Linien, die den Wellenlängen entsprechen, welche durch gegenphasI ge, das Interferenzfilter 63 durchlaufende Strahlen gedämpft werden. Dieses Löschungs- oder Dämpfungsspektrum ist Informationsträger in bezug auf den Einfallswinkel des Bündels 60 auf die Fläche 61·.des Filters 63.

In dem letztgenannten Ausführungsbeispiel des Codierers kann das Interferenzfilter 63 aus einem überzug einer dünnen, transparenten Schicht, beispielsweise aus Kunststoff, auf der zuvor metallisierten Fläche 61 bestehen, wobei die andere Fläche 62 anschließend ebenfalls mit einem entsprechenden metallischen Überzug versehen wird.Wie bei der Ausführungsform nach FIg. 2 sei angenommen, daß das Tetraeder 55 gemäß Fig. 3 durch eine zu seiner Fläche 57 parallele Ebene geschnitten wird und sich die Strahlen 60, 64 In einer zu dieser Fläche parallelen Ebene ausbre i ten.

Um aus der Entfernung einen für die Lage eines Körpers 70 charakteristischen Winkel zu messen, wird ein Codierer 72 (Fig. 5) mit einer Fläche 71 des Körpers 70 fest verbunden. Er enthält ein aus einer Platte 74 des vorher beschr.iebenen Typs bestehendes Interferenzfilter, das vor einem rückstrahlenden Tetraeder angebracht 1st. Die Normale 76 der Platte 74 bezeichnet eine Bezugsachse zur

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Beschreibung eines Parameters der Wlnkelpos1tIon des Körpers 70. Um mit Hilfe des als Übertrager arbeitenden Codierers 72 die Abweichungen der Orientierung des Körpers 70 aus der Entfernung verfolgen zu können, Ist eine Sende/-EmpfangsvorrIchtung 80 vorgesehen, die eine mit einem konkaven Reflektor 84 versehene Weißlichtquelle 82 und eine Konvergenzlinse 86 aufweist. Die Teile 82, 84, 86 bilden eine Lichtemissionsvorrichtung 88, mit der ein Bündel weißen, parallelen Lichts 90 längs einer Bezugsachse ausgestrahlt wird, die mittels einer nicht dargestellten Standfläche auf den dem Körper 70 zugeordneten Codlerer 72 ausgerichtet werden kann. Das Bündel 90 durchläuft eine halbtransparente Platte 92 am Ausgang der Lichtquelle 88 und trifft unter einem auf die Normale 76 bezogenen Neigungswinkel f auf das Filter 74 auf. Entsprechend diesem Bündel entsteht am Ausgang des Codierers 72 ein resultierendes Bündel, das zur halbtransparenten Platte 92 reflektiert wird, welche das reflektierte resultierende Bündel gegen einen um 45 Grad geneigten Spiegel 94 am Eingang einer Empfangs- und Decodiervorrichtung 96 reflektiert.

Die Vorrichtung 96 weist im Strahlengang des durch den Spiegel 94 reflektierten Bündels ein mit dem Filter 74 identisches Interferenzfilter 98 sowie eine nachgeschaltete Konvergenzlinse 100 auf, in deren Brennpunkt ein LIchtenergie-Detektor 102 angebracht Ist. Das Interferenzfilter 98 Ist drehbar um eine senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 5 verlaufende Achse 104 angebracht, wodurch der Neigungswinkel V des durch den Spiegel 94 reflektierten Bündels 106 bezüglich der Normalen 108 des Filters 98

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variiert werden kann. Eine mit einer abgestuften Skala 110 versehene Vorrichtung gestattet die Ermittlung der Winkellage des Filters 98 bezüglich ihrer Achse 104, um so den Winkel ψ' zu messen.

Das Frequenzspektrum des auf das Interferenzfilter fallenden Bündels 106 stellt ein Maß für den Einfallswinkel y des auf den Codierer 72 einfallenden Bündels 90 dar. Das Filter 98, dessen Funktion wie bei dem Filter 74 auf der Lichtübertragung beruht, Ist für die Lichtenergie des Bündels 106 durchlässig, wenn der Winkel Ϋ¹ gleich dem Winkel 9 ist. Folglich ist die Neigung der Achse 108 gegenüber der Achse des aus dem Spiegel 94 austretenden Bündels ein Maß für den Winkel V , sofern die von dem Detektor 102 empfangene Energie maximal ist. Bei gleichbleibender räumlicher Orientierung des Körpers 70 und damit der Achse 76 bezüglich eines festgelegten Sichtpunktes ergibt sich außerdem, daß sich bei Änderung der Bezugsllnie zwar der Winkel ψ' ändert, jedoch die Orientierung der Achse 108 gegenüber dem In den Sichtpunkt gelegten Auftreffpunkt nicht verändert wird.

Wenn also zum Beispiel die Rotationsachse 104 des Filters 98 senkrecht zur Sichtebene steht, die durch eine Vertikale bezüglich des Sichtpunktes und der Sicht!ininie definiert ist, und wenn man annimmt, daß die Orientierung der Achse 76 variiert, während sie bei der Ortsveränderung des Körpers 70 In dieser Sicht·

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ebene verharrt, so bleibt die dem ermittelten Llchtenergiemaximum zugeordnete Achse 108 konstant parallel zur Achse 76, deren Orientierung sie exakt widerspiegelt.

Die Messung des. Wi nkel s v'kann mittels einesmitder abgestuften Skala 110 verbundenen Winkelnonlus mit sehr großer Präzision vorgenommen werden, wie es bei Messungen der Längenverschiebung in der Interferometrie geschieht, wobei das dem Durchlässigkeitsgrad der Platte 98 entsprechende Leuchtintensitätsmaximum bei Beleuchtung mit dem resultierenden Bündel 106 außerordentl ich scharf ausgeprägt ist. Je dicker die Platten Ik und 10^ sind, umso größer ist die für die Bestimmung des gesuchten Winkels maßgebliche Auflösung.

Bei einer weiteren Ausführun"gsform eines Systems zum Decodieren der das Frequenzspektrum des resultierenden Bündels enthaltenen Information, die insbesondere zur schnelleren Bestimmung des Winkels ψ dient, transformiert man das vom Codierer 72 abgestrahlte, resultierende Bündel 106 in ein Bündel divergierender Strahlen, die mit einer Interferenzplatte 120 CFig. 6) aufgefangen werden, deren Ausgangsfläche mit einer Matrix oder einer Zeile photoempfindlicher Dioden 122 längs einer zur Zeichenebene vonFig. 6 parallelen Linie versehen ist CFig. 7). Das vom Empfangsspiegel 94 ausgehende Bündel 106 wird auf eine zur Zeichenebene achsenparallele Linsenanordnung 124 und 126 gelenkt, um die Strahlen auf die Diodenzeile 122 zu bündeln. Die Platte 120 ist zur Achse 130

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der Linse 126 geneigt und befindet sich In einer Entfernung d_ vom Brennpunkt 128 der Linse 126. Das vom Brennpunkt 128 ausgehende divergierende Bündel trifft auf die Eingangsfläche 133 der Platte 120 fluchtend zu der Diodenzeile 122 auf (Fig. 7). Die Nei ung der Platte 120 ist so gewählt, daß jeder vom Brennpunkt 128 ausgehende Strahl des divergierenden Bündels 135 unter einem unterschiedlichen Winkel auf die Platte 120 auftrifft. Unter diesen Strahlen besitzt praktisch ein einziger eine Einfallsrichtung f¹ auf der Fläche 133 der Platte 120, die der Im Frequenzspektrum des das Bündel 135 bildenden Lichtes enthaltenen Winkelinformation entspricht, so^dieser einzige Strahl in der Lage ist, die Platte 120 zu durchdringen. Dieser eine Strahl trifft auf eine Diode der Diodenzelle auf, deren Position bezogen auf den Ursprung 137 der Diodenzeile 122 die Bestimmung des Wertes des zugeordneten Winkels ψ' gemäß der Beziehung >c = d_· tan ψ gestattet, wobei x^ die Abzisse der angeregten Diode der Diodenzeile 122 bezogen auf den Ursprung 137 Ist. Der Ursprung 137 befindet sich in einer Entfernung d_ vom Brennpunkt 128 senkrecht zur Platte 120. Durch die elektronische Identifizierung der angeregten Diode der Diodenzelle 135 lassen sich die Orientierungsänderungen des Codierers laufend verfolgen.

Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel (Fig. 8) wird ein optischer Codierer 140 mit einem Körper 142 verbunden und enthält neben einer Interferenzfilterplatte 144 und einem rückstrahlenden Tetraeder

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eine Polarisationsplatte 148, die vor der Interferenzfilterplatte 144 angebracht und vorzugsweise senkrecht zur optischen Achse des Tetraeders 146 orientiert ist.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Polarisationsplatte 148 an der Interferenzf11tet— platte 144 befestigt.

Das durch die Platten 144 und 148 und das Tetraeder gebildete optische System 140 empfängt von einer Lichtquelle 160 ein einfallendes Bündel polychromatI sehen, nicht polarisierten Lichtes über eine halbtransparente Platte 162 und sendet ein polarisiertes Lichtbündel mit codiertem Frequenzspektrum an die halbtransparente Platte 162 zurück. Dieses Bündel wird mit Hilfe eines Reflexspiegels 164 zu einem DocodIersystem 166 über— tragen, das eine im Strahlengang des resultierenden Bündels 170 angeordnete Auswerteplatte 168 aufweist, welche auf einer parallel zur Achse des Bündels 170 rotierenden Achse befestigt Ist. Die Winkellage der Auswerteplatte 168 kann auf einer kreisförmigen Skala 172 abgelesen werden. Das von der Auswerteplatte 168 ausgehende Bündel wird anschließend auf einer orientierbaren, der Platte 98 in Fig. 5 ähnlichen Interferenzfilterplatte 174 empfangen, hinter der sich eine Konvergenzlinse 178 und ein Lichtenergiedetektor 176 zur Bestimmung des Winkels zwischen dem von der Lichtquelle 160 ausgehenden einfallenden Bündel und der Achse 150 befinden. Durch Drehung der Auswerteplatte 168 läßt sich die Orientierung der Polarisationsebene

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des vom optischen System 140 reflektierten Bündels bezüglich einer in der Rotationsebene

der Auswerteplatte 168 liegenden Referenzachse bestimmen .

Zur Fernbestimmung eines WInkelpositions- oder Stellungsparameters eines entfernten Körpers visiert man von einem Meßplatz aus den an dem Körper 142 befestigten optischen Codierer 140 an_; überträgt ein Bündel weißen Lichts und wertet das an die Empfangsvorrichtung reflektierte Lichtbündel aus, woraus sich die gesuchte Winkelposition ergibt. Nimmt man diese Auswertung mit Hilfe einer orientierbaren Interferenzfilterplatte, beispielsweise der Platte 104 in FIg. 5, vor, so hängt die der Decodierung des empfangenen Frequenzspektrums entsprechende Winkelposi11 on dieser Platte bezüglich eines Sichtpunktes allein von der Achsenposition 76 hinsichtlich dieses Sichtpunktes und nicht von der Richtung der SlchtlI nie- bezüglIch der Achse 76 ab. Damit ist die beschriebene Vorrichtung gegenüber Verschiebungen des Körpers, die seine Winkelposition nicht verändern,generei 1 unempfindlich.

Im Falle einer Zielverfolgung eines beweglichen Körpers, z.B. eines Flugobjektes, dessen Stellungsparameter zu bestimmen Ist und dessen WlnkelposItion sich rasch und ganz erheblich ändern kann, wird die Ausrichtung der Interferenzfilterplatte des der Empfangsvorrichtung zugeordneten Detektors auf den gemessenen Winkelwert nachgeführt, so daß den Winkel-

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Veränderungen des Zielobjektes gefolgt werden kann. Diese Nachführung kann kont.inui er! ich nach Maßgabe der Messung des gesuchten charakteristischen Winkels oder inkrementell bei Überschreiten eines festgelegten

erfolgen.

Schwellwertes durch die Winkeländerung des Zi el Objektes / Zu diesem Zweck können das in der Empfangsstation befindliche Decod1er-Interferenzft1ter und dessen Ausricht-vorrichtung auf einem ausrichtbaren Gestell angeordnet sein, das von einem Motor verstellt wird, welcher von einem Signal gesteuert wird, dessen Wert dem vom Filter decodierten Winkelwert entspricht. In diesem Fall wird der Wert des gesuchten charakteristischen Stellungswinkels durch die Summe der Winkeiver— Schiebungen des Filters bezüglich seiner Ausrichtvorrichtung Οζ·Β· Drehung der Platte 98 um die Achse 10k) und der WinkelverschIebung des Gestells bezüglich eines Referenzpunktes ausgedrückt.

Das beschriebene Meßverfahren läßt sich, wie ohne

auch
weiteres ersichtlich ist,/auf die Bestimmung zweier oder dreier charakteristischer Winkel der Winkelposition eines Körpers anwenden, wenn diese mit Hilfe von zwei bzw. drei auf den betreffenden Körper unter vet— schiedenen Richtungen orientierten, rückstrahlenden Codierern verfolgt werden.

Um die Lage eines Objektes, d.h. die drei Winkelkoordinaten, zu bestimmen, wird auf dem Objekt mindestens ein aus einer Interferenzfilterplatte und einer Polarisationsplatte gemäß Fig. 8 bestehender, rückstrahlender optischer Codierer sowie ein weiterer

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Codierer angebracht, dessen Interferenzf11terplatte so orientiert ist, daß die Interferenzfilterplatten der beiden Codierer zueinander nicht parallel verlaufen. Man bringt beispielsweise auf dem Objekt zwei aus einem rückstrahlenden Tetraeder mit einem WinkelbereIch von +■ 30 Grad bestehende optische Codierer an und orientiert einerseits die Tetraeder auf Paral1 elstel1ung ihrer optischen Achsen und andererseits die Interferenzfilterplatten auf eine gegenseitige Neigung von 132° und eine Neigung bezüglich der Achse der Tetraeder von ungefähr 55°.

Im Hinblick auf die beschriebenen, verschiedenen Ausführungsformen läßt sich die Erfindung für zahlreiche Winkelfernmessungen verwenden, insbesondere für die Bestimmung einer oder mehrerer Winkelpositionen eines beweglichen Flugobjektes. Die Stellung eines beweglichen Objekts bezüglich eines festen Sichtpunktes kann durch drei Winkel definiert werden, von denen zwei die Ortung der Lageachse (Längsachse) des beweglichen Objektes gestatten, während der dritte charakteristische Winkel dessen Drehwinkel um dieses Lageachse angibt.

Das beschriebene Verfahren läßt sich auf frei bewegliche Objekte unter vollem oder teilweisem Bezug auf ein Referenzsystem für die Objektbewegungen anwenden, beispielsweise für die im Winkkanal erprobten Modelle von Luftfahrzeugen, deren WInkelpos111 on gemessen und/oder nachgeführt werden soll. Diese Messung ist

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unabhängig von der Entfernungsänderung zwischen dem Meßobjekt und der Beobachtungsstat1 on,Ι η der das vom Codierer reflektierte Licht aufgefangen wird.

Zur Ermittlung des im Frequenzspektrum des resultieren-

enthaitenen den Lichtbündels codiert/ charakteristischen Winkels können selbstverständlich auch andere als die beschriebenen Detektorvorrichtungen vorgesehen werden. Beispielsweise ist es möglich, als Detektor eine Kombination eines für den Codlerer verwendeten Interferenzfilters und eines am Ausgang dieses Filters angeordneten Lichtenergieniveauempfängers mit einer Einrichtung zu verwenden, mit Hilfe derer sich das Filter so bewegen läßt, daß die Einfallsrichtung der vom resultierenden Bündel ausgehenden Lichtstrahlen auf das zweite Interferenzfilter periodisch geändert wird. Am Ausgang des Lichtenergieniveauempfängers kann ein bekannter, elektronischer Phasendetektor angebracht werden, um die maximalen, vom Signal ausgehenden Phasenverschiebungen zu ermitteln, die als Folge einer Winkelpositions- änderung des mit dem erfindungsgemäßen Codierer versehenen beweglichen Objekts auftreten. Dieses Ausführungsbeispiel läßt sich beispielsweise für Bewegungsuntersuchungen von Werkstücken verwenden, die mechanischen Schwingungen unterworfen sind. An dem Werkstück wird in diesem Fall mindestens ein optischer Codierer angebracht, wobei die maximalen Phasenvei— Schiebungen ferngemessen werden, um daraus die Amplitude und die Richtung der Schwingungen zu et— mitteln.

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Claims

. Patentansprüche

Optischer Codierer zur Fernbestimmung mindestens eines für die WInkelposItIon oder die Stellung eines Körpers (70), charakteristischen Winkels, wöbe I der Codierer so ausgebildet ist, daß er ein polychromatisches Lichtbündel unter einer Einfallsrichtung empfängt, welche eine Funktion der Stellung des Körpers ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Codierer aus einer optischen Festkörpervorrichtung (72) besteht und ein Interferenzfilter (74) aufweist, das ein resultierendes Lichtbündel erzeugt, dessen Frequenzspektrum ein Maß für die Einfallsrichtung darstellt.

Optischer Codierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Festkörpervorrichtung (72) ferner eine Einrichtung (75) zum Reflektieren des resultierenden Lichtbündels In eine zum einfallenden Lichtbündel entgegengesetzte Richtung aufweist.

Optischer Codierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionseinrichtung (75) aus einem rückstrahlenden Tetraeder besteht.

Optischer Cod lerer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter eine aus parallelen Flächen (74) bestehende, für die Wellenlängen des das resultierende Bündel bildenden Lichtes durchlässige Platte ist.

— O —

5. Optischer Codierer nach einem der Ansprüche 1,

2 oder 3, dadurch gekennzelehnet, daß das Interferenzfilter eine die Wellenlängen des das resultierende Bündel bildenden Lichtes reflektierende Platte ist.

6. Optischer Codlerer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte eine dünne, auf einer Fläche des rückstrahl enden Tetraeders C55) aufgebrachte Schicht durchlässigen Materials ist.

7. Optischer Codierer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Festkörpei— Vorrichtung ferner einen vor dem Interferenzfilter angeordneten Lichtpolarisator Ο^8) aufweist.

8. Verfahren zur Fernbestimmung mindestens eines für die Winkelposition oder die Stellung eines Körpers charakteristischen Winkels, bei dem ein polychromatisches Lichtbündel auf ein optisches Festkörpersystem unter einer Einfallsrichtung gelenkt wird, welche eine Funktion der Stellung des Körpers Ist, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Festkörpersystem ein Interferenzfilter (7¹O aufweist, welches ein resultierendes Lichtbündel erzeugt, dessen Frequenzspektrum ein Maß für die Einfallsrichtung darstellt, und daß das resultierende Bündel empfangen und hinsichtlich seines Rrequenzspektrums zwecks Bestimmung des charaktejr I st i sehen Winkels analysiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht des einfallenden Bündels weiß ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das resultierende Bündel im optischen Codierer (72) gegensinnig zum einfallenden Bündel in etwa derselben Richtung übertragen wird

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung des Frequenzspektrums des empfangenen resultierenden Bündels die von diesem Bündel ausgehenden Strahlen auf ein zweites Interferenzfilter (98) gerichtet werden und daß das Interferenzfilter auf einen dem Einfallswinkel der Strahlen entsprechenden Extremwert der Lichtenergie am Filterausgang ausgerichtet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das von einem zweiten optischen Codierer ausgehende resultierende Bündel aufgefangen und ausgewertet wird, wobei der zweite optische Codierer als Interferenzfilter am Körper angebracht ist und die Achsen des ersten und des zweiten Interferenzfilters eine unterschiedliche Ausrichtung besitzen, um einen zweiten, für die Position des Körpers charakteristischen Winkel zu messen.

13. Vorrichtung zur Fernmessung eines für die Position oder die Stellung eines Körpers charakteristischen Winkels, mit einer Lichtquelle (88), welche zum Aussenden eines polychromatischen Lichtbündels unter

einer von der Stellung des Körpers abhängigen Einfall sr ichtung gegen ein optisches System vorgesehen ist, gekennzeichnet durch einen optischen Festkorpercodierer mit einem Interferenzfilter (7¹O, das am Ausgang des optischen Systems ein resultierendes Lichtbündel erzeugt, dessen Frequenzspektrum ein Maß für die Einfallsrichtung dar— stellt, und ferner gekennzeichnet durch einen Empfänger (96) für da^ resultierende Bündel, mit einem Detektor (98, 102), der auf das Frequenzspektrum des das Bündel bi1denden Lichts zur Bestimmung des charakteristischen Winkels anspricht.

T^. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle zur Abgabe weißen Lichts ausgebildet Ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Codierer eine Einrichtung zum Rückstrahlen des resultierenden Bündels zum Empfänger in gegensinnig gleicher Richtung wie das einfallende Bündel aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (98, 102) ein zweites Interferenzfilter (98) und eine Ansprecheinrichtung (102) auf das Lichtenergieniveau am Ausgang des zweiten Interferenzfilters (98) aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine Einrichtung (104) zur Änderung der Einfal1 srtchtung der von dem resultierenden Bündel ausgehenden Strahlen bezüglich des Interferenzfilters sowie eine Einrichtung (110) zum Feststellen derjenigen Einfal 1 srichtung, welche einem Extremwert des am Ausgang des zwei ten Interferenzfilters erfaßten Lichtenergieniveaus entspricht^ aufwe ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine Antriebseinrichtung zum periodischen Ändern der Einfallsrichtung der von dem resultierenden Bündel ausgehenden Lichtstrahlen bezüglich des zweiten Interferenzfilters sowie eine Einrichtung zum Ansprechen auf die Phase eines dem Lichtenergieniveau am Filterausgang entsprechenden Signals aufweist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines Bündels nichtparalleler Strahlen sowie zum Ausrichten dieses Strahlenbündels auf das zweite Interferenzfilter (120), und ferner gekennzeichnet durch eine Ansprecheinrichtung auf das Energieniveau mit einer Matrix von Detektoren (122), die am Filterausgang derart angebracht sind, daß Jeder Detektor nur durch das Filter übertragene Strahlen empfängt, welche einer jeweils festgelegten Einfall sr 1chtung nichtparalleler Strahlen des Bündels entsprechen, so

daß die Lage eines in dieser Matrix angeregten Detektors ein Maß für die Einfallsrichtung der durch das Filter hindurchgetretenen Strahlen darstellt.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Interferenzfilter fest mit einem beweglichen Drehgestell vei— bunden Ist, dessen Orientierung in Abhängigkeit von der Messung des charakteristischen Winkels nachführbar Ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Codierer einen Lichtpolarisator aufweist und daß der Empfänger ferner einen Analysator O68) für polarisiertes Licht aufweist, welcher zur Ermittlung der Richtung der Polarisationsebene des von dem Polarisator O^8 abgestrahlten resultierenden Bündels in geeigneter Welse ausrichtbar Ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, gekennzeichnet durch mindestens einen zweiten Detektor für das Frequenzspektrum, welches . von einem zweiten als Interferenzfilter ausgebildeten optischen Codierer abgestrahlten zweiten resultierenden Bündel herrührt, wobei der zweite

auf dem
Cod Ierer/Körper in einer bezüglich der Richtung des ersten optischen Codierers unterschiedlichen Richtung orientiert ist.