DE3131335C2

DE3131335C2 - Vorrichtung zur Fernbestimmung eines Stellungsparameters eines Körpers im Raum

Info

Publication number: DE3131335C2
Application number: DE3131335A
Authority: DE
Inventors: Christian 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: 1985-10-03
Also published as: GB2082867B; FR2488396B1; US4472054A; GB2082867A; FR2488396A1; DE3131335A1

Abstract

Um aus der Entfernung mindestens einen für die Lage eines Körpers (70) charakteristischen Winkel zu bestimmen, wird dieser mit einem optischen System (72) versehen, das ein Interferenzfilter (74) und einen nach rückwärts gerichteten Reflektor (75) aufweist. Der Körper wird mit Hilfe eines einfallenden polychromatischen Lichtbündels (90) anvisiert, das durch das optische System (72) in Form eines Bündels (106) reflektiert wird, dessen Licht ein für den Einfallswinkel des Bündels auf dem dem Körper zugeordneten optischen System charakteristisches Frequenzspektrum hat. Dieses Frequenzspektrum kann auf unterschiedliche Weise ausgewertet werden, um die Winkelinformation abzuleiten, wobei insbesondere ein Interferenzfilter (98) verwendet wird, das mit dem am Körper (70) angebrachten Filter identisch ist, welches den Sichtpunkt darstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fernbestimmung eines Stellungsparameters eines Körpers gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
Die räumliche Lage eines Körpers in einem Koordinatensystem kann durch sechs Parameter beschrieben werden, von denen drei beispielsweise die Koordinaten seines Schwerpunktes darstellen und die anderen drei seine Winkelposition oder Stellung um seinen Schwerpunkt definieren. Die Orientierung eines diesem Körper zugeordneten Achsensystems ist z. B. durch das Verhältnis zum System der Bezugsachsen bestimmt.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der DE-OS 21 41 782 bekannt. Mittels eines Autokollimationsfernrohres wird ein Lichtstrahlenbündel auf einen Spiegel geworfen, der fest auf einem Träger angeordnet ist. Der Träger wird auf einer Fläche stehend verschoben, wobei Unebenheiten der Fläche eine Spiegelkippung bewirken, wodurch das einfallende Strahlenbündel entsprechend abgelenkt reflektiert wird. Das reflektierte Strahlenbündel wird in einer Sende/Empfangsvorrichtung ausgewertet, um nach Bildung einer Bezugsgröße das Maß der Unebenheit zu bestimmen.

Ist der Körper, dessen Stellungsparameter zu bestimmen ist, ein weit entferntes oder schwer zugängliches Objekt, ist es oft mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, aus der Entfernung einen oder mehrere seiner charakteristischen Lageparameter zu bestimmen. Dies gilt selbst dann, wenn die Lage des Schwerpunktes des Körpers im Raum durch Anwendung konventioneller Mittel der Ortsbestimmung, wie z. B. radioelektrischer Art, bekannt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der bekannten Art derart weiterzubilden, daß auf einfache Weise eine sehr genaue Bestimmung wenigstens eines für die Winkelstellung eines Körpers im Raum charakteristischen Lageparameters möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Durch die Verwendung eines interferenzfilters in Verbindung mit einem Retro-Reflektor wird eine Selektion der Lichtstrahlen des einfallenden Strahlenbündels nach ihrer Wellenlänge erzielt, wobei die den Interferenzfilter passierenden Strahlen vom Retro-Reflektor zurückgeworfen und über die halbdurchlässige Platte der Anordnung zur Auswertung des Frequenzspektrums zugeführt sind. Die Auswertung erfolgt mittels des zweiten Interferenzfilters und der diesem nachgeordneten /^sprecheinrichtung, wobei unmittelbar die Winkelposition zum Bezugsachsensystem ablesbar ist

In der Literaturstelle Kohlrausch, Praktische Physik, 1955, Seiten 515 bis 520 und insbesondere Seite 539, ist der Strahlengang bei Interferenzfiltern im einzelnen erläutert. Interferenzfilter aus parallelen Platten haben danach 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. Die Verwendung eines derartigen Filters zur Bestimmung der Winkelstellung des Körpers wird erst mit Hilfe des Retro-Reflektors möglich, wobei der Umstand ausgenutzt wird, daß die Wellenlänge ausgesandter Lichtstrahlen eine Funktion des Einfallswinkels des auf das Interferenzfilter auftreffenden Strahlenbündels ist Durch die erfindungsgemäße Anordnung zur Auswertung des reflektierten Strahlenbündels ist der Einfallswinkel des polychromatischen Strahlenbündels auf den Körper einfach bestimmbar, indem das Frequenzspiktrum des vom Interferenzfilter reflektierten Strahlenbündels ausgewertet wird.

Diese Auswertung kann einerseits vorteilhaft mechanisch durch Kippen des zweiten Interferenzfilters erfolgen, wobei eine Einrichtung zum Feststellen der Winkelstellung des Filters vorgesehen ist. Das Filter wird derart verstellt, bis das reflektierte Strahlenbündel des ersten Interferenzfilters das zweite Filter passieren kann. Mittels der Einrichtung zum Feststellen der Winkelstellung kann nun der Winkel des Körpers zum Bezugsachsensystem abgelesen werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird das reflektierte Strahlenbündel in ein Bündel nicht paralleler Strahlen transformiert, die auf das zweite Interferenzfilter auftreffen. Ein Detektor der aus Detektoren aufgebauten Ansprecheinrichtung wird von den das Interferenzfilter durchdringenden Strahlen angeregt, wobei der angeregte Detektor unmittelbar dem zu bestimmenden Winkel entspricht. Der Winkel kann auf diese Weise unmittelbar optisch angezeigt werden.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist auf dem Körper in der Bahn des einfallenden Strahlenbündels ein Lichtpolarisator angeordnet, wobei di^ Anordnung zur Auswertung des reflektierten Strahlenbündels einen Analysator für polarisiertes Licht aufweist. Dieser Analysator dient zur Ermittlung der Richtung der Polarisationsebene des von dem Polarisator abgestrahlten resultierenden Strahlenbündels.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 im Schnitt eine schematische Ansicht eines Interferenzfilters,

F i g. 2 im Schnitt eine schematische Ansicht einer optischen Codiereinrichtung in Form eines rückstrahlenden Reflektors,

F i g. 3 im Schnitt eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer optischen Codiereinrichtung,

Fig.4 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer optischen Codiereinrichtung,
Fig.5 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zum Erfassen der Winkelposition eines Körpers,

Fig.6 ein Prinzipschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Erfassen der Winkelposition eines Körpers,

F i g. 7 eine Ansicht einer Ansprecheinrichtung,

F i g. 8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Erfassen der Winkelposition eines Körpers.

Ein bekanntes, in den Interferometern von PEROT und FABRY verwendetes Interferenzfilter (Fig. 1) besteht aus einer Platte 10 mit parallelen Flächen 12 und 14 aus transparentem Material mit dem Brechungsindex n, wobei jede der Flächen 12 und 14 von einer dünnen, reflektierenden Schicht 13 bzw. 15 überzogen ist, die so dünn ist, daß sie einen Teil des auf die betreffenden Flächen fallenden Lichtes hindurchläßt.

Trifft ein durch den Strahl 16 angedeutetes Bündel polychromatischen Lichts auf die Fläche 12 der Platte 10 auf, wird der größte Teil seiner Energie unmittelbar durch die Schicht 13 in einer durch den Strahl 18 angedeuteten Richtung reflektiert. Die nicht reflektierte Energie wird im Inneren der Platte in Richtung eines Strahls 20 gebrochen und teilweise an der Schicht 15 in Richtung eines Strahls 22 reflektiert sowie teilweise längs eines von der Platte 10 parallel zum Strahl 16 verlaufenden Strahls 24 gebrochen. Das dem Strahl 22 entsprechende Licht wird seinerseits beim Auftreffen auf die reflektierte Schicht 13 reflektiert oder im Inneren der Platte 10 gebrochen usw. Die nach einer oder mehreren Reflexionen innerhalb der Platte 10 aus der Fläche 12 parallel zum reflektierten Strahl 18 austretenden Strahlen sind mit 25, 27,... usw. bezeichnet während die nach mindestens einer Brechung innerhalb der Platte 10 aus der Fläche 14 parallel *.um Strahl 24 austretenden Strahlen mit 26,28 usw. bezeichnet sind.

Entsprechend einer Grundeigenschaft von Interferenzfiltern hat das Licht der Strahlen 24, 26, 28 ein auf eine Anzahl ganz bestimmter (monochromatischer) Spektrallinien begrenztes Frequenzspektrum, die von dem Filter durchgelassen werden. Für die Wellenlängen, bei denen die Platte 10 für den Lichtstrahl 16 durchlässig ist, gilt folgende Gleichung:

K ■ A = 2 η ■ e ■ cos r

wobei

K eine ganze Zahl,
A 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 Inneren der Platte ist.

Der Einfallswinkel r errechnet sich aus dem Einfallswinkel /des auf die Platte 10 einfallenden Strahls 16 zu:

sin /

η ■ sin/·

Ist das Licht des einfallenden Strahlenbündels 16 weiß und hat daher ein kontinuierliches Frequenzspektrum, so wird das die Strahlen 24, 26 und 28 bildende Licht durch Überlagerung der monochromatischen Spektral-

linien gebildet, deren Frequenzen Fi,
Gleichung genügen:

In ■ e

cos r

■ C

, F* folgender

wobei Cdie Lichtgeschwindigkeit ist.

Geht man davon aus, daß das Licht aus der Eintrittsfläche der Platte 10 austritt, so besteht das Licht der Strahlen 25,27 usw. aus gleichfalls monochromatischen Spektrallinien, welche der vorgenannten Gleichung genügen, jedoch gegenphasig zum reflektierten Hauptstrahl 18 des Lichtes sind. Das am Ausgang der Fläche 12 der Platte 10 aufgefangene Licht weist ein Spektrum dunkler Spektrailinien auf, die denjenigen Frequenzen entsprechen, deren Energie durch die zu den Strahlen 25 und 27 gegenphasigen Wellen gedämpft wird.

Lenkt man ein Strahlenbündel polychromatischen Lichts auf ein auf einem entfernten Körper befestigtes Interferenzfilter der in F i g. 1 dargestellten Art, so enthält das Frequenzspektrum des aus dem Filter austretenden Lichts eine Information in bezug auf den Einfallswinkel / des Sirahlenbündels entsprechend den Gleichungen (1) und (2). Die dieses Filter bildende Platte kann somit als optische Codiereinrichtung für den charakteristischen Winkelparameter der Winkelposition oder Stellung des Körpers in bezug auf die Einfallsrichtung des Strahlenbündels bezeichnet werden. Die Funktion dieser Codiereinrichtung kann auf der Brechung oder auf der Reflexion beruhen, je nachdem ob das vom Filter austretende Licht auf der dem einfallenden Strahlenbündel in bezug zur Platte gegenüberliegenden oder gleichen Seite empfangen wird.

Eine optische Codiereinrichtung für einen Lageparameter eines Körpers enthält eine Platte 40 als Interferenzfilter (F i g. 2) und einen nach rückwärts strahlenden Reflektor 42 in Form eines rechtwinkligen Trieders. Der Trieder besteht aus drei ebenen Spiegeln, deren reflektierende Flächen zueinander senkrecht stehen und in das Innere des Trieders gerichtet sind. Ein solcher Trieder besitzt die bekannte Eigenschaft, jeden auf eine seiner Spiegelflächen auftreffenden Strahl gegensinnig parallel zurückzuleiten, sofern der einfallende Strahl in einem Winkelbereich von ± 30° bezogen auf die Achse des Trieders liegt. Die Platte 40 liegt vor dem Reflektor-Trieder 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 / auftrifft (F i g. 2). Ein Teil des Strahlenbündels 45 wird von der Platte 40 in Richtung des Pfeils 47 reflektiert, während der andere Teil durch die Platte 40 hindurchtntt und aus der Fläche 43 in Richtung eines austretenden Strahls 48 austritt und im Punkt 50 auf eine der Flächen 49 des Reflektors 42 trifft. Der Strahl 40 wird an dieser Fläche 49 reflektiert und trifft im Punkt 52 auf eine andere Fläche 51 des Reflektors auf, wodurch ein zum Strahl 48 parallel und gegensinnig verlaufender Strahl 54 entsteht, der auf der Fläche 43 der Platte 40 unter einem Einfallswinkel /'= / auftrifft, um aus dieser Platte 40 als parallel und gegensinnig zum Strahlenbündel 45 verlaufender Strahl 56 auszutreten. Zur besseren Übersicht ist angenommen, daß der Strahl 45 zur Ebene der dritten reflektierenden Fläche 53 des Reflektor-Trieders 42 parallel verläuft und nur zwei Reflexionen im Inneren des Reflektors erfährt Unter allgemeinen Bedingungen tritt der Strahl 45 nach drei Reflexionen an den Flächen des Reflektors 42 als Strahl 56 aus.

Die Energie des den Strahl 48 bildenden Lichts ist für alle Wellenlängen praktisch gleich Null mit Ausnahme einer bestimmten Anzahl Spektrallinien, deren Frequenzen durch die Gleichung (3) gegeben sind. Das Spektrum dieses Lichts ist eine Funktion des Neigungswinkels i des Strahls 45 bezüglich der Normalen der Fläche 41 der Platte 40. Aufgrund der Eigenschaften des rückstrahlenden Reflektor-Trieders 42 durchläuft der Strahl 54 die Platte 40 erneut in umgekehrter Richtung. Somit enthält die Spektralzusammensetzung des Strahls am Ausgang der optischen Codiereinrichtung, die durch das Interferenzfilter 40 und den Reflektor 42 gebildet ist, eine codierte Information über den Wert eines Stellungsparameters (Winkelstellung) des mit dem Interferenzfilter und dem Reflektor verbundenen Körpers.

In einer anderen Ausführur.gsform des optischen Codierers (F i g. 3 und 4) ist ein auf Reflexion basierendes Interferenzfilter vorgesehen. Es umfaßt einen rechtwinkligen Reflektor-Trieder 55 aus durchlässigem Material, wie z. B. Glas, mit zwei mit einem reflektierenden Überzug versehenen Flächen 57 und 59 und einer zu den beiden ersten Flächen orthogonalen dritten Fläche 61, auf welcher eine Platte 63 als Interferenzfilter befestigt ist

Fällt ein Strahlenbündel 60 weißen Lichtes auf das Eingangsdiopter 58 des Reflektors 55 und durchdringt dieses, trifft es auf die Fläche 61 des Reflektors 55 auf. Ein Teil der Energie des einfallenden Strahlenbündels tritt in die Platte 63 ein und wird an der der Fläche 61 des Reflektors gegenüberliegenden Fläche 62 der Platte 63 reflektiert und tritt wieder in das Innere des Reflektors ein, wo es sich mit dem unmittelbar an der Fläche 61 reflektierten Licht vermischt.
Das resultierende Licht wird an der Fläche 59 reflektiert und als Strahlenbündel 64 durch das Diopter 58 parallel und gegensinnig zu dem eintretenden Strahlenbündel 60 aus dem Reflektor 55 zurückgeworfen. Das Lichtspektrum des austretenden Strahlenbündels 64 enthält dunkle Linien, die den Wellenlängen entsprechen, welche durch gegenphasige, das Interferenzfilter 63 durchlaufende Strahlen gedämpft werden. Dieses Löschungs- oder Dämpfungsspektrum ist Informationsträger in bezug auf den Einfallswinkel des Strahlenbündels 60 auf die Fläche 61 des Interferenzfilters 63.

In dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 3 und 4 ist das Interferenzfilter 63 zweckmäßig aus einem Überzug einer dünnen, transparenten Schicht beispielsweise aus Kunststoff, auf der zuvor metallisierten Fläche 61 gebildet Die andere Fläche 62 wird anschließend ebenfalls mit einem entsprechenden metallischen Überzug versehen. Wie bei der Darstellung nach F i g. 2 ist angenommen, daß der Reflektor 55 in F i g. 3 in einer zu seiner Fläche 57 parallelen Ebene geschnitten ist und die Strahlenbündel 60 und 64 in einer zu dieser Fläche parallelen Ebene austreten.

Um aus der Entfernung einen für die Lage eines Körpers 70 charakteristischen Winkel zu messen, wird eine optische Codiereinrichtung 72 (F i g. 5) auf einer Fläche 71 des Körpers 70 fest angeordnet Die Codiereinrichtung besteht aus einer vorstehend beschriebenen Platte als Interferenzfilter 74, das vor einem rückstrahlenden Retro-Reflektor 75 angebracht ist Die Normale 76 auf das Interferenzfilter 74 ist eine Bezugsachse zur Beschreibung eines Parameters der Winkelposition des

Körpers 70. Mit Hilfe der als Übertrager arbeitenden Codiereinrichtung 72 sind Abweichungen der Orientierung des Körpers 70 im Raum aus der Entfernung erkennbar. Hierzu ist eine Sende/Empfangsvorrichtung 80

vorgesehen, die eine mit einem konkaven Reflektor 84 versehene Weißlichtquelle 82 und eine Konvexlinse 86 aufweist. Die Weißlichtquelle 82, der Reflektor 84 und die Konvexlinse 86 bilden die Lichtquelle 88, die ein Strahlenbündel 90 weißen, parallelen Lichts längs einer Bezugsachse ausstrahlt. Die Lichtquelle 88 wird mittels einer nicht dargestellten Standfläche auf die am Körper 70 befestigte Codiereinrichtung 72 ausgerichtet. Das Strahlenbündel 90 tritt durch eine am Ausgang der Lichtquelle 88 im Strahlengang angeordnete halbtransparente Platte 92 und trifft unter einem auf die Normale 76 bezogenen Neigungswinkel φ auf das Interferenzfilter 74 auf. Entsprechend dem einfallenden Strahlenbündel entsteht am Ausgang der Codiereinrichtung 72 ein resultierendes Strahlenbündel, das zur halbtransparenten Platte 92 reflektiert wird. Das reflektierte Strahlenbündel wird von der Platte 92 gegen einen um 45° geneigten Spiegel 94 am Eingang einer Empfangs- und Decodieranordnung 96 geworfen.

Die Anordnung 96 weist im Strahlengang des durch den Spiegel 94 reflektierten Strahlenbündels ein mit dem Filter 74 identisches Interferenzfilter 98 sowie eine nachgeschaltete Konvexlinse 100 auf, in deren Brennpunkt ein Lichtenergie-Detektor als Ansprecheinrichtung 102 angebracht ist. Das Interferenzfilter 98 ist drehbar um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Achse 104 angebracht, wodurch der Neigungswinkel qf des durch den Spiegel 94 reflektierten Strahlenbündels 106 bezüglich der Normalen 108 des Filters 98 variiert werden kann. Anhand einer durch eine Skala gebildeten Einrichtung 110 kann die Winkellage des Interferenzfilters 98 bezüglich der Achse 104 bestimmt werden, wodurch der Winkel φ zu messen ist.

Das Frequenzspektrum des in das Interferenzfilter 98 einfallenden Strahlenbündels 106 ist ein Maß für den Einfallswinkel jpdes auf die Codiereinrichtung 72 einfallenden Strahlenbündels 90. Das Interferenzfilter 98, dessen Funktion entsprechend bei dem Filter 74 auf der Lichtübertragung beruht, ist für die Lichtenergie des Strahlenbündels 106 durchlässig, wenn der Winkel gf gleich dem Winkel φ ist. Die Neigung der Normalen 108 gegenüber der Achse des aus dem Spiegel 94 austretenden Strahlenbündels ist folglich ein Maß für den Winkel φ, sofern die von der Ansprecheinrichtung 102 empfangene Energie maximal ist. Bei gleichbleibender räumlieher Orientierung des Körpers 70 im Raum und damit der Normalen 76 bezüglich eines festgelegten Sichtpunktes ergibt sich außerdem, daß sich bei einer Änderung der Bezugslinie zwar der Winkel gf ändert jedoch die Orientierung der Normalen 108 gegenüber dem in den Sichtpunkt gelegten Aiiftreffnijnkt nicht verändert wird.

Steht z. B. die Drehachse 104 des Interferenzfilters 98 senkrecht zur Sichtebene, die durch eine Vertikale bezüglich des Sichtpunktes und der Sichtlinie definiert ist, und nimmt man an, daß die Orientierung der Normalen 76 variiert, während sie bei der Ortsveränderung des Körpers 70 in dieser Sichtebene verharrt, so bleibt die dem ermittelten Lichtentrgiemaximum zugeordnete Normale 108 konstant parallel zur Achse 76, deren ω Orientierung sie exakt widerspiegelt

Die Messung des Winkels qt kann mittels eines mit der die Einrichtung 110 bildenden abgestuften Skala verbundenen Winkelnonius mit sehr großer Präzision vorgenommen werden, wie es bei Messungen der Langenverschiebung in der Interferometrie geschieht Das dem Durchlässigkeitsgrad des Interferenzfilters 98 entsprechende Lichtintensitätsmaximum ist bei Beleuchtung mit dem resultierenden Strahlenbündel 106 außerordentlich scharf ausgeprägt. Je dicker die Interferenzfilter 74 und 98 sind, um so größer ist die für die Bestimmung des gesuchten Winkels maßgebliche Auflösung.

In einer Vv eiteren Ausführungsform einer Anordnung zum Decodieren der das Frequenzspektrum des reflektierten, resultierenden Strahlenbündels enthaltenen Information, die insbesondere zur schnelleren Bestimmung des Winkels φ dient, wird das von der Codiereinrichtung 72 abgestrahlte, resultierende Strahlenbündel 106 in ein Bündel divergierender Strahlen transformiert. Das transformierte Strahlenbündel wird mit einem Interferenzfilter 120 aufgefangen, dessen Ausgangsfläche von einer Ansprecheinrichtung gebildet ist, die aus einer Matrix oder einer Zeile photoempfindlicher Detektoren 122 (z. B. Dioden) längs einer zur Zeichenebene von F i g. 6 parallelen Linie besteht (F i g. 7). Das vom Spiegel 94 ausgehende Strahlenbündel 106 wird auf eine zur Zeichenebene achsenparallele Linsenanordnung 124 und 126 gelenkt, um die Strahlen auf die Ansprecheinrichtung zu bündeln. Das Interferenzfilter 120 ist zur Achse 130 der Linse 126 geneigt und liegt in einer Entfernung d vom Brennpunkt 128 der Linse 126. Das vom Brennpunkt 128 ausgehende divergierende Strahlenbündel trifft auf die Eingangsfläche 133 des Filters 120 fluchtend zu der Ansprecheinrichtung 122 auf (F i g. 7). Die Neigung des Filters 120 ist so gewählt, daß jeder vom Brennpunkt 128 ausgehende Strahl des divergierenden Strahlenbündels 135 unter einem.unterschiedlichen Winkel auf das Interferenzfilter 120 auftrifft Unter diesen Strahlen besitzt praktisch ein einziger eine Einfallsrichtung ψ auf der Fläche 133 des Filters 120, die der im Frequenzspektrum des das Bündel 135 bildenden Lichts enthaltenen Winkelinformation entspricht, so daß nur dieser einzige Strahl das Filter 120 durchdringt. Dieser eine Strahl trifft auf eine Diode der Ansprecheinrichtung 122 auf, deren Position — bezogen auf den Ursprung 137 der Ansprecheinrichtung 122 — die Bestimmung des Wertes des zugeordneten Winkels g/ gemäß der Beziehung x=d ■ tan ψ gestattet, wobei a· die Abzisse der angeregten Diode bezogen auf den Ursprung 137 ist. Der Ursprung 137 befindet sich in einer Entfernung dvom Brennpunkt 128 senkrecht zum Filter 120. Durch die elektronische Identifizierung der angeregten Diode der Ansprecheinrichtung 122 lassen sich die Orientierungsänderungen des Körpers 70 laufend verfolgen.

In dem Ausfuhrungsbeispiel nach F i g. 8 ist eine optische Codiereinrichtung 140 mit einem Körper 142 fest verbunden und enthält neben einem Interferenzfilter 144 und einem rückstrahlenden Retro-Reflektor 146 eine Platte als Lichtpolarisator 148, die vor dem Interferenzfilter 144 angebracht und vorzugsweise senkrecht zur optischen Achse des Reflektors 146 orientiert ist Es kann zweckmäßig sein, die Lichtpolarisatorplatte an dem Interferenzfilter 144 zu befestigen.

Die durch das Filter 144, den Polarisator 148 und den Retro-Reflektor 146 gebildete optische Einrichtung 140 empfängt von einer Lichtquelle 160 ein einfallendes Strahlenbündel polychromatischen, nicht polarisierten Lichts über eine halbtransparente Platte 162 und sendet ein polarisiertes Strahlenbündel mit codiertem Frequenzspektrum an die halbtransparente Platte 162 zurück. Dieses Strahlenbündel wird mit Hilfe eines Reflexspiegels 164 einer Decodieranordnung 166 übertragen, das einen im Strahlengang des resultierenden Strahlenbündels 170 angeordneten Analysator 168 aufweist, der aus einer Platte besteht, die auf einer parallel zur Achse

9 10

! des Bündels 170 rotierenden Achse befestigt ist. Die wie eine weitere Codiereinrichtung angebracht, deren

Winkellage des Analysators 168 kann auf einer kreisbo- Interferenzfilter so orientiert ist, daß die Interferenzfilgenförmigen Skala 172 abgelesen werden. Das von dem ter beider Codiereinrichtungen nicht zueinander paral-Analysator 168 ausgehende Bündel wird anschließend IeI verlaufen. So kann man auf dem Objekt zwei aus je auf einem orientierbaren, dem Interferenzfilter 98 in 5 einem rückstrahlenden Retro-Reflektor(Trieder) mit ei-F i g. 5 ähnlichen Interferenzfilter 174 empfangen, hinter nem Winkelbereich von ± 30° bestehende optische Codemeine Konvexlinse 178 und eine auf die Lichtenergie diereinrichtungen anordnen und einerseits die !\ctro- Ί, ansprechende Ansprecheinrichtung 176 zur Bestim- Reflektoren (Trieder) auf Parallelstellung ihrer opti-

mung des Winkels zwischen dem von der Lichtquelle sehen Achsen und andererseits die Interferenzfilter auf j 160 ausgehenden, einfallenden Strahlenbündel und der 10 eine gegenseitige Neigung von 132° und eine Neigung

Normalen 150 angeordnet sind. Durch Drehung des bezüglich der Achse der Retro-Reflektoren (Trieder) j Analysators 168 läßt sich die Orientierung der Polarisa- von ungefähr 55° einstellen.

tionsebene des von der optischen Codiereinrichtung 140 Es kann zweckmäßig seir-, die Decodieranordnung

reflektierten Strahlenbündels bezüglich einer in der Ro- aus einer Kombination euies tür die Codiereinrichtung tationsebene des Analysators 168 liegenden Referenz- 15 verwendeten Interferenzfilters und einer am Ausgang achse bestimmen. dieses Filters angeordneten Ansprecheinrichtung für

Zur Fernbestimmung der Winkelposition eines ent- das Lichtenergieniveau zu bilden, wobei eine Einrieh-.· fernten Körpers visiert man von einem Meßplatz aus tung vorgesehen ist mit Hilfe der das Filter so beweg-

: die an dem Körper 142 befestigte optische Codierein- bar ist, daß die Einfallsrichtung der vom reflektierten,

richtung 140 an, sendet ein Strahlenbündel weißen 20 resultierenden Strahlenbündel ausgehenden Lichtstrah-■ Lichts aus und wertet das von der Anordnung 166 emp- len auf das zweite Interferenzfilter periodisch geändert

fangene reflektierte Strahlenbündel aus, woraus sich die wird. Am Ausgang der Ansprecheinrichtung ist vorgesuchte Winkelposition ergibt Nimmt man diese Aus- zugsweise ein bekannter, elektronischer Phasendetek-.·;,: wertung mit Hilfe eines orientierbaren Interferenzfil- tor angeschlossen, der die maximalen, vom Signal aus-

& ters gemäß dem Filter 98 in F i g. 5 vor, so hängt die der 25 gehenden Phasenverschiebungen ermittelt die als Folge

¹I Decodierung des empfangenen Frequenzspektrums einer Winkelpositionsänderung des mit der Codierer,-

, entsprechende Winkelposition dieses Filters bezüglich richtung versehenen beweglichen Objekts auftreten.

·■? eines Sichtpunktes allein von der Lage der Normalen 76 Ein derartiges Ausführungsbeispiel läßt sich zweckmä-

Jf hirtsichtlich dieses Sichtpunktes und nicht von der Rieh- Big für Bewegungsuntersuchungen an Werkstücken

% tung der Sichtlinie bezüglich der Normalen 76 ab. Damit 30 verwenden, die mechanischen Schwingungen unterwor-

¹A ist die beschriebene Vorrichtung gegenüber Verschie- fen sind. An dem Werkstück wird mindestens eine opti-

S bungen des Körpers, die seine Winkelposition nicht ver- sehe Codiereinrichtung angebracht Die maximalen

I ändern, generell unempfindlich. Phasenverschiebungen werden so ferngemessen und

il Vorteilhaft ist mit der erfindungsgemäßen Vorrich- daraus die Amplitude und die Richtung der Schwingun-

Fj tung eine Zielverfolgung eines beweglichen Körpers, 35 gen ermittelt.

!> z. B. eines Flugobjektes, möglich, dessen Stellungspara- _

ί; meter zu bestimmen sind und dessen Winkelposition Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Ö rasch und in erheblichem Maße änderbar ist Hierzu ~

% wird die Ausrichtung des Interferenzfilters des der

■y. Empfangsvorrichtung zugeordneten Detektors auf den 40

fe gemessenen Winkelwert nachgeführt, so daß den Win-

Ιί kelveränderungen des Zielobjektes gefolgt werden

';■■ kann. Diese Nachführung kann kontinuierlich nach

[I Maßgabe der Messung des gesuchten charakteristi-

I sehen Winkels oder inkrementell bei Überschreiten ei- 45

£ nes festgelegten Schwellwertes der Winkeländerung

ϊ* des Zielobjektes erfolgen. Hierzu kann es zweckmäßig

^i sein, das in der Empfangsvorrichtung befindliche Deco-

(| dier-Interferenzfilter und dessen Verstellvorrichtung

I auf einem motorverstellbaren Gestell anzuordnen. Der 50

f, Motor wird dabei von einem Signal gesteuert, dessen

B Wert dem vom Filter decodierten Winkelwert ent-

iv spricht

Mit der beschriebenen Vorrichtung läßt sich auch die
Bestimmung zweier oder dreier charakteristischer Win- 55
kel der Winkelposition eines Körpers ausführen, wenn
diese mit Hilfe von zwei bzw. drei auf dem betreffenden
Körper unter verschiedenen Richtungen orientierten,
rückstrahlenden Codiereinrichtungen verfolgt werden.

Die Stellung eines beweglichen Objektes, z. B. eines 60
Flugobjektes, bezüglich eines festen Sichtpunktes kann
durch drei Winkel definiert werden, von denen zwei die
Ortung der Lageachse (Längsachse) des Flugobjektes
gestatten, während der dritte charakteristische Winkel
dessen Drehwinkel um diese Lageachse angibt Hierzu 65
wird auf dem Objekt aus mindestens einem Interferenzfilter und einer Polarisationsplatte gemäß F i g. 8 bestehende, rückstrahlende optische Codiereinrichtung so-

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Fernbestimmung eines Stellungsparameters eines Körpers,

mit einer in einer Sende-/Empfangsvorrichtung (80) angeordneten Lichtquelle (88,160), die ein Strahlenbündel polychromatischen Lichts auf den Körper (70,142) wirft,

mit einer auf dem Körper (70,142) befestigten Einrichtung (72,140), die mindestens einen Teil des einfallenden Strahlenbündels zurückwirft, derart, daß das reflektierte Strahlenbündel eine Funktion der Einfallsrichtung des einfallenden Strahlenbündels auf den Körper (70,142) und somit eine Funktion der Stellung des Körpers (70,142) bildet und
mit einer in der Sende-/Empfangsvorrichtung (80) befestigten Anordnung (96, 166) zum Empfang des reflektierten Strahlenbündels und zur Auswertung des reflektierten Strahlenbündels zur Bestimmung des gesuchten Stellungsparameters,
dadurch gekennzeichnet,
daß das einfallende Licht ein kontinuierliches Frequenzspektrum aufweist,

daß die auf dem Körper (70,142) befestigte Einrichtung (72, 140) ein erstes Interferenzfilter (74,144) aus parallelen Schichten, das das Frequenzspektrum des einfallenden Strahlenbündels in Abhängigkeit von der Stellung des Körpers (70, 142) verändert, und einen Retro-Reflektor (75,146) aufweist, der derart angeordnet ist, daß das reflektierte Strahlenbündel gegensinnig parallel zum einfallenden Strahlenbündel verläuft, und daß die Anordnung (96, 166) zur Auswertung des reflektierten Strahlenbündels dessen Frequenzspektrum analysiert und dazu eine halbdurchlässige Platte (92, 162) zur Trennung des reflektierten von dem ausgesandten Strahlenbündel, ein zweites Interferenzfilter (98,174,120) sowie eine in Einfallsrichtung hinter dem zweiten Interferenzfilter (98,174,120) angeordnete Ansprecheinrichtung (102,122,176) zum Erfassen der Lichtintensität, die eine Funktion der Relativlage des zweiten Interferenzfilters (98, 120,174) und des es durchsetzenden Strahlenbündels ist, aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das zeite Interferenzfilter (98,174) verschwenkbar ist und

daß eine Einrichtung (110) zum Feststellen der Winkelstellung des zweiten Interferenzfilters (98, 174) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (96) zur Auswertung des reflektierten Strahlenbündels einen Antrieb zum periodischen Ändern der Einfallsrichtung des reflektierten Strahlenbündels auf das zweite Interferenzfilter (98) umfaßt sowie eine Einrichtung aufweist, die auf die Phase eines dem Lichtenergieniveau am Ausgang des iweiten Interferenzfilters (98) entsprechenden Signals anspricht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die aus dem von der am Körper (70) befestigten Einrichtung (72) reflektierten Strahlenbündel ein Strahlenbündel nicht paralleler Strahlen (135) erzeugt und auf das zweite Interferenzfilter (120) ausrichtet, und
daß die hinter dem zweiten Interferenzfilter (120)

angeordnete Ansprecheinrichtung aus einer Matrix von Detektoren (122) aufgebaut ist, die so angeordnet sind, daß jeder Detektor nur die durch das zweite Interferenzfilter (120) übertragenen Strahlen empfängt, die einer jeweils festgelegten Einfallsrichtung nicht paralleler Strahlen des Bündels entsprechen, so daß die Lage eines in dieser Matrix angeregten Detektors ein Maß für die Einfallsrichtung der durch das zweite Interferenzfilter (120) hindurchgetretenen Strahlen darstellt

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Körper (142) in der Bahn des einfallenden Strahlenbündels ein Lichtpolarisator (148) angeordnet ist und daß die Anordnung (166) zur Auswertung des reflektierten Strahlenbündels einen Analysator (168) für polarisiertes Licht aufweist, welcher zur Ermittlung der Richtung der Polarisationsebene des von dem Polarisator (148) abgestrahlten resultierenden Bündels ausrichtbar ist

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Interferenzfilter (74, 144) ein Durchgangsfilter ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Interferenzfilter (74,144) ein Reflexionsfilter ist.