DE3216736A1

DE3216736A1 - Vorrichtung zum richten der durch eine oeffnung empfangenen strahlungsenergie auf eine empfangsoptik

Info

Publication number: DE3216736A1
Application number: DE19823216736
Authority: DE
Inventors: Leslie H. 01720 Acton Mass. Gerhardt; Richard P. 01876 Tewksbury Mass. Mitrano
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1981-05-07
Filing date: 1982-05-05
Publication date: 1982-12-02
Also published as: US4410233A; DE3216736C2; IL65700A0; IL65700A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Eine solche Vorrichtung dient insbesondere der optisch-mechanischen Abtastung einer interessierenden Szene in einer Dimension und findet beispielsweise Anwendung bei einem Infrarot-Spektralradiometer, das eine Hintergrundstrahlung über einen festgelegten Winkel des Gesichts^ feldes sammelt und abtastet.

In der Vergangenheit wurde diese Abtastung durch verschiedene Einrichtungen vorgenommen, beispielsweise durch einen um eine Achse drehbaren ebenen Ablenkspiegel. Die parallel ausgerichtete Strahlungsenergie tritt in das System durch ein strahlbegrenzendes Eintrittsfenster ein und wird durch den beweglichen Abtastspiegel so abgelenkt, daß sie parallel zu der optischen Achse des Systems verläuft. Während diese bekannte Einrichtung verschiedene Vorteile aufweist, wobei ein Vorteil beispielsweise in der begrenzten Anzahl der beweglichen Teile zu sehen ist, ist sie weniger gut bei einem weiten Gesichtsfeld des Systems geeignet, da ihre Abmessung, ihr Gewicht und das durch die Abtastbewegung eingenommene Volumen relativ groß sein müssen, um den geforderten Winkel bei der Abtastung zu überstreichen. Bei einer solchen Ausgestaltung muß praktisch ein Kompromiß zwischen der Fenster- und Spiegelgröße und dem Bewegungsbereich getroffen werden. Bei Infrarotsystemen ist es von Vorteil, die Größe des optischen Fensters zu vermindern, das im allgemeinen aus einem kostspieligen Material wie beispielsweise Silizium, Germanium oder Zinkselenid hergestellt wird. Ein verkleinertes Fenster bedingt aber eine Vergrößerung der Abmessung des Abtastmechanismus. Eine derart vergrößerte Abtasteinrichtung ist ihrerseits wiederum empfindlicher in bezug auf Vibrationen und Fehlausrichtungen der Teile.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,

eine verbesserte Abtastvorrichtung anzugeben, die bei einem relativ kleinen optischen Fenster ein Gesichtsfeld mit relativ weitem Winkel aufweist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar,

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der räumlichen Abtastung des zu untersuchenden Objektraumes. Diese Abtastung geschieht durch die Bewegung eines im wesentlichen flachen Spiegels, der an einem Gestänge bestehend aus vier Stangen aufgehängt ist. Die Größe und der Ort des Eintrittsfensters bzw. der Eintrittspupille bezogen auf die Position und die Bewegung der ' Abtastvorrichtung definieren den Winkel des Gesichtsfeldes des optischen Systems. Die durch das optische Fenster des Systems eintretende elektromagnetische Strahlung wird durch diesen Abtastspiegel unabhängig von seiner augenblicklichen Stellung zu der Sammeloptik und zu einer elektronischen Detektorschaltung weitergegeben. Bei der Abtastvorrichtung bildet der Spiegelrahmen eine Stange des Mechanismus und weist zwei sich bewegende Gelenkpunkte auf, die mit den zweiten und dritten Stangen verbunden sind, wobei eine dieser Stangen von einem Motor angetrieben wird. Die jeweils andere Stange ist nicht angetrieben und folgt der Spiegelbewegung. Die anderen Enden dieser Stangen sind örtlich fixiert und mit dem Sensorgehäuse bzw. einem geeigneten Rahmen verbunden. Der Abstand zwischen diesen zwei festgelegten Schwenkpunkten bildet die vierte Stange des aus vier Stangen bestehenden Gestänges. Die Länge der Stangen in bezug aufeinander und ihre Positionen bestimmen die Spiegelposition, wenn dieser gedreht und verschoben wird. Die Drehbewegung der Antriebsstange und daher des Abtastspiegeis kann durch ein Schneckenradgetriebe erfolgen, wobei der Getriebeausgang mit der Antriebsstange in dem ortsfesten Gelenk-

punkt verbunden ist. Der Antrieb des Getriebes kann durch einen, Schrittmotor erfolgen, der auf die Eingangswelle des Getriebes arbeitet und mit dieser über eine flexible Kupplung verbunden ist.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden die Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Abtastmechanismus gemäß der vorliegenden

Erfindung;
Fig.2 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen

Abtastmechanismus;

Fig.3 eine auseinandergezogene Ansicht des 1:5 erfindungsgemäßen Abtastmechanismus;

Figuren 4A und 4B Extremstellungen des Abtastspiegels in der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig.5 die geometrischen Beziehungen zwischen den vier Stangen des Gestänges in der

erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Gemäß den Figuren 1,2 und 3 ist eine Vorrichtung zur Bewegung eines Abtastspiegels dargestellt, die ein Gestänge mit vier Stangen in gleicher Länge aufweist. Die parallel ausgerichtete Strahlungsenergie pflanzt sich entlang der optischen Wegstrecke 10 fort, welche Wegstrecke bei zusammengebautem System durch das Fenster 12 in einem Deckel 14 verläuft. Diese Strahlungsenergie wird durch den Spiegel 16 empfangen und entlang der optischen Achse 20 zu der Sammeloptik 18 des Systems reflektiert. Die Abtastung erfolgt durch die Verwendung eines Gestängemechanismus mit vier Stangen, der die Antriebsstangen 26 und 28, Nachlaufstangen 22 und 24, eine Spiegelhalterung 30 und den Kuppelabstand zwischen den festen Gelenkpunkten der Stangen 22 und 26 bzw. der

entsprechenden Stangen 24 und 28 in dem Spiegelrahmen bzw. dem Gehäuse 32 umfaßt. Die räumliche Abtastung durch die Spiegelbewegung erfolgt durch Drehung der Antriebsstange 26 über ein Getriebegehäuse 54. Diese Antriebsstange ist mit der Ausgangswelle 34 eines Schneckenrades 36 verbunden, das durch eine entsprechende Getriebeschnecke 38 auf einer Eingangswelle 40 angetrieben wird. Ein Motor 42 treibt die Antriebswelle 40 über eine flexible Kupplung 44 an. Der Motor 42 kann in einer Ausführungsform aus einem Schrittmotor bestehen.

Das tatsächliche Gestänge aus vier Stangen ist in Wirklichkeit doppelt vorhanden, um den Spiegel 16 mit entsprechender Höhe körperlich stabil abzustützen. Das grundlegende Gestänge aus vier Stangen umfaßt insbesondere die Antriebsstange 26, die über den Getriebekasten 54 mit dem Motor 42 in der zuvor erläuterten Weise verbunden ist. Die zweite Stange wird durch die Nachlaufstange 22 gebildet. Die anderen beiden Stangen umfassen die Spiegelhalterung 30 und das Gehäuse 32. Aus Gründen der besseren Abstützung sind den Stangen 26 und 22 entsprechende Stangen 28 und 24 vorgesehen. Die anderen beiden Stangen, die durch das Gehäuse 32 und die Halterung 30 gebildet werden, sind sowohl den Basisstangen 26 und 22 als auch den sogenannten Stützstangen 28 und 24 gemeinsam.

Die Antriebsstange 26 dreht sich um die Ausgangswelle 34. Die Gelenkwelle 46 verbindet die Antriebsstange 26 mit der Spiegelhalterung 30 und gestattet eine relative Drehbewegung zwischen diesen beiden Komponenten. Das eine Ende der Nachlaufstange 22 wird durch eine Schwenkwelle 48 festgehalten, die über ein Lager in dem Gehäuse 32 gelagert ist. Das andere Ende der Nachlaufstange 22 ist mit der Spiegelhalterung 30 über eine Schwenkwelle verbunden, die der Schwenkwelle 50 ent-

spricht und die eine relative Drehbewegung zwischen diesen beiden Komponenten, d.h. zwischen der Nachlaufstange 22 und der Spiegelhalterung 30 gestattet. Der Spiegel 16 kann als ein Ansatz der Spiegelhalterung 30 betrachtet werden.

Die Position des Spiegels 16 zusammen mit den Gelenkpunkten bzw. Gelenkwellen und die Längen und relativen Lagen der Stangen reduzieren erstens die Spiegelgröße, zweitens das durch die Abtastoperation erforderliche Volumen und drittens die Größe der Eintrittspupille bzw. des optischen Fensters 12,das gemäß den Figuren 4A und 4b durch die Extremstellurigen des Spiegels 16 definiert wird, auf ein Minimum. Der Winkel und der Ort des Spiegels ist eine Funktion der Stangenlängen und Stangenpositionen, wie dies ebenfalls aus den Figuren 4A und 4B hervorgeht. Demzufolge kann der Winkel zwischen der durch den Abtastspiegel 16 gebildeten Stange und der optischen Achse 20 zu der Sammeloptik als Funktion des Winkels zwischen der Antriebsstange 26 und irgendeinem frei wählbaren Koordinatensystem ausgedrückt werden. Der Winkel des Spiegels kann durch die Veränderung des elektrischen Widerstandes eines Potentiometers 52 erfaßt werden, das mit der Eingangswelle 40 gekuppelt ist, welche den Motor 42 über den Getriebekasten 54 mit der Stange 26 verbindet. Eine flexible Kupplung 60 kann verwendet werden, um die Welle 62 mit dem Potentiometer 52 zu verbinden. In gleicher Weise verbindet eine flexible Kupplung 44 den Motor 42 mit der Welle 40. Das analoge Ausgangssignal des Potentiometers 52 wird verwendet, um ein Rückführungssignal für eine Verarbeitungselektronik zu liefern> die die Drehung des Motors 42 steuert.

Als Alternative zu dem Potentiometer 52 kann eine andere Ausführungsform irgendeine andere drehbare Auflösevorrichtung, wie beispielsweise einen Kodierer aufweisen,

um die Spiegelposition zu erfassen. Es sei ferner vermerkt, daß irgendeine verwendete Auflösevorrichtung einschließlich des Potentiometers 52 durch die Stangenbewegung auch an anderen Stellen betätigt werden kann, beispielsweise über Ansätze an den Wellen 64,66 oder 48 der Stangen 28,24 und 22.

Gemäß den Figuren 4A und 4B ist eine vereinfachte Draufsicht auf den Spiegel 16 in zwei Extremstellungen

1.0 dargestellt, wobei diese Extremstellungen das Gesamt-Gesichtsfeld durch das Fenster 12 veranschaulichen, wie dies durch die Linien 72 und 74 in den Figuren 4a und 4B gezeigt ist. In beiden Figuren verläuft die optische Wegstrecke 10 durch das Fenster 12 zu dem Spiegel 16. Die auf diese Weise durch den Spiegel 16 empfangene Strahlungsenergie wird über die optische Wegstrecke 20 zu der Sammeloptik 18 reflektiert, deren Ausgang auf eine Detektorelektronik 70 geführt ist, die beispielsweise aus einem Interferometer bestehen kann. Jede dieser Figuren veranschaulicht die Beziehung zwischen den Stangen und den entsprechenden Gelenkpunkten bzw. Wellen, wobei jedoch zum Zwecke der vereinfachten Darstellung nur die Stangen und Wellen dargestellt sind, die sich oberhalb des Spiegels 16 befinden. Die anderen Stangen und Wellen unterhalb des Spiegels 16 sind direkt unterhalb der dargestellten Stangen und Wellen angeordnet. Beispielsweise befindet sich die Stange 26 direkt unter der Stange 28. Die beiden Gelenkpunkte 64 und 66 sind örtlich fixiert, d.h.

sie können sich in keiner Richtung bewegen und sie dienen lediglich als Gelenkpunkt für ihre zugeordneten Stangen 28 und 24. Die Verbindung zwischen den Stangen 24 und 28 und mit dem Spiegel 16 erfolgt über die Spiegelhalterung 30, was durch zwei getrennte Arme ausgehend von den Gelenkpunkten bzw. Wellen 50 und 46 dargestellt ist. Wenn sich der Spiegel in der in Figur 4A dargestellten Stellung befindet, so umfaßt das Gesichts-

feld durch das Fenster 12 den optischen Pfad 10 in einer Extremstellung des gesamten Gesichtsfeldes, wobei die Grenze des Gesichtsfeldes durch die Linie 72 angedeutet ist. Wenn der Spiegel gleichzeitig gedreht und verschoben wird, wobei dies durch das Gestänge gemäß der vorliegenden Erfindung geschieht, so verschiebt sich die optische Wegstrecke 10 nach links bis der Spiegel 16 in seiner anderen Extremstellung gemäß Figur 4B positioniert ist. In der anderen Extremstellung des Systems ist das Gesichtsfeld durch die Linie 74 begrenzt. Der Spiegel 16 wird somit auf einem Bogen mit unterschiedlichem Radius gedreht und verschoben, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

In Figur 5 sind die geometrischen Beziehungen zwischen den verschiedenen Elementen des Systems dargestellt. Die Stange A zwischen den Gelenkpunkten 64 und 46 ist durch die Antriebsstange 28 bzw. ihr Gegenstück 26 gegeben. Die Stange C zwischen den Gelenkpunkten 66 und 50 wird durch die Nachlaufstange 24 bzw. ihr Gegenstück 22 gebildet. Die Linie B zwischen den Punkten 50 und 46 ist durch die Spiegelhalterung 30 vorgegeben. Die Linie D zwischen den Punkten 66 und 64 wird durch das Gehäuse 32 gebildet, welches die Gelenkpunkte 66 und 64 sowie die denen gegenüberliegenden Gelenkpunkte 48 und 56 ortsfest definiert. Die Längen der Gestänge A,B,C und D sowie die Winkel Θ1 bis 06 werden durch Gleichungen beschrieben, die als Freudenstein¹sehe Gleichungen bekannt sind. Eine Erläuterung dieser Gleichungen kann dem Buch "Mechanism Synthesis and Analysis" von

A. H. Soni, erschienen bei McGraw-Hill Book Company, 1974 entnommen werden.

Diese Gleichungen, die bei der vorliegenden Erfindung .35 Anwendung finden, werden nachstehend angegeben. Diese Gleichungen werden angewendet, nachdem der Gesamtverlauf des Spiegels 16 für das gewünschte Gesichtsfeld und die

Größe des Fensters 12 festgelegt sind. Die Längen der Arme der Spiegelhalterung 30 sind ebenfalls festgelegt. Ein solcher Arm kann langer als der andere Arm sein, beispielsweise kann der Arm L1 langer als der Arm L2 sein. Zusätzlich wird der Punkt 66 ebenso wie die Länge C vorgegeben und anschließend wird die Länge A bestimmt. Hierdurch ist es sodann möglich den Punkt 64 vorzugeben. Die anderen Parameter werden gemäß nachstehender Gleichungen bestimmt:
10

Kl = D/A; K2 = D/C; K4 = D/B;

2 2 2 2 K3 = A- - B +C +D;

2AC

2 2 2 2 K5 = C -D -A B;

^2AB

A = COS Θ4 + K3 - Kl - K2 COS Θ4; B = - 2 SIN Θ4;

C - Kl + K3 - (1 + K2) COS Θ4;

D = K4 COS Θ4 + COS Θ4 + K5 - Kl;

^{E = B}'

F - K4 COS 94 - COS Θ4 + K5 + Kl;

■-Λ-2 -

Θ3 = 2 TAN

Θ2 -

2 TAN

Θ1 = 180

- E

(■

-Λ

E - 4DF

2D

- B

. Λ

B - 4AC

2Α

■)' ■)

Θ4 = 180 - Θ4¹ ; and

Θ5 = Θ3 + 96.

Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl zum Empfang von Strahlung als auch zum Aussenden von Strahlung verwendet werden kann. Beispielsweise könnte die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch Verwendung finden bei der Abstrahlung von parallelem Licht, das beispielsweise durch ein . Laser erzeugt wird. In diesem Fall würde der Laser an der Stelle der Optik 18 angeordnet und das von ihm abgestrahlte Licht würde auf den Spiegel 16 und in Abhängigkeit von der Stellung des Spiegels unter einem entsprechenden Winkel abgestrahlt werden.

Claims

HONEYWELL INC. 4.Mai 1982 Honeywell Plaza 1008994 DE Minneapolis, Minn. USA HZ/ep Vorrichtung zum Richten der durch eine Öffnung empfangenen Strahlungsenergie auf eine Empfangsoptik Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum. Richten der durch eine Öffnung empfangenen Strahlungsenergie auf eine Empfangsoptik, gekennzeichnet durch

a) eine Grundplatte (32) mit ersten und zweiten festen Gelenkpunkten (34,48;64,66);

b) einen Spiegel (16);

c) eine Einrichtung (30) zum Lagern des Spiegels mit dritten und vierten Gelenkpunkten (46,50);

d) eine erste Stange (26) zwischen dem ersten und dritten Gelenkpunkt;

e) eine zweite Stange (22) zwischen dem zweiten und vierten Gelenkpunkt; und

f) eine mit entweder der ersten oder der zweiten Stange gekuppelte Einrichtung (42), um die gleichzeitige Drehung und Verschiebung des Spiegels auf einem Bogen mit veränderlichem Radius zu ermöglichen, so daß die Gesamtbewegung des Spiegels zu einem Gesamt-Gesichtsfeld für die Strahlungsenergie führt, das weit in bezug auf die Größe der Öffnung (12) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Motor (42), der mit einem der Gelenkpunkte (34,48) gekuppelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Schrittmotor (42), der entweder mit dem ersten oder zweiten Gelenkpunkt (34,48) gekuppelt ist.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (52) zur Erfassung der Bewegung des Spiegels (16).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur ' Erfassung der Bewegung mit der Welle (40) des Motors (42) gekuppelt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Erfassung der Bewegung aus einem Potentiometer (52) besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der Motorwelle (40) und dem Potentiometer (52) ein Getriebe (54) angeordnet ist und daß das Getriebe eine Getriebeschnecke (38) und ein Schneckenrad (36) aufweist, wobei das Schneckenrad (36) eine der Stangen (26,22) über den ersten oder zweiten Gelenkpunkt (34,48) antreibt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner g e k e η η zeichnet durch

a) eine dritte Stange (28);

b) eine vierte Stange (24) ;

c) wobei die dritten und vierten Stangen in der gleichen relativen Position wie die ersten und zweiten Stangen angeordnet und mit der Lagervorrichtung (30) des Spiegels (16) gekuppelt sind, um eine gleiche Bewegung wie die ersten und zweiten Stangen auszuführen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,dadurch g e kennzeichnet, daß die ersten und zweiten Stangen (26,22) entweder an der Ober- oder Unterseite des Spiegels (16) und die dritten und vierten Stangen

(28,24) jeweils auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch g e kennzeichnet, daß die gleichzeitige Drehung und Verschiebung des Spiegels (16) zwischen einer ersten und einer zweiten Position durch die Antriebseinrichtung (4 2) und durch vier Stangen ungleicher Länge ermöglicht wird, wobei die vier Stangen die ersten und zweiten Stangen (26,22), den Teil der Grundplatte (32) zwischen den ersten und zweiten Gelenkpunkten (34,48) und den Teil des Spiegels (16) zwischen den dritten und vierten Gelenkpunkten (46,50) umfassen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß jeder Gelenkpunkt eine Welle (34,48;46,50) umfaßt, an der wenigstens eine der Stangen (26,22;28,24) drehbar gelagert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß die durch die Öffnung (12) empfangene Strahlungsenergie (72) parallel ausgerichtet ist.