DE3530922A1

DE3530922A1 - Projektionseinrichtung fuer einen leitstrahl

Info

Publication number: DE3530922A1
Application number: DE19853530922
Authority: DE
Inventors: Ernst 8000 München Rothe; Christian 8084 Inning Skrobol
Original assignee: Optische Werke G Rodenstock
Current assignee: Optische Werke G Rodenstock
Priority date: 1984-08-29
Filing date: 1985-08-29
Publication date: 1986-04-30
Also published as: DE3530922C2

Description

Projektionseinrichtung für einen Leitstrahl
Technisches Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf eine Projektionseinrichtung für einen Leitstrahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Projektionseinrichtungen werden beispielsweise für die Steuerung von ferngelenkten Flugkörpern, wie Raketen, landenden oder startenden Flugzeugen etc.
benötigt.
Stand der Technik Projektionseinrichtungen der im Oberbegriff des Patentanspuchs 1 zugrunde gelegten Art weisen ein Objektiv auf, das einen Teilbereich eines um eine Drehachse rotierenden Siemenssterns in den Raum abbildet, in dem sich das zu lenkende Objekt, also beispielsweise die Rakete bewegt. Der abgebildete Teilbereich des Siemenssterns wird in der Regel von einer kohärenten Lichtquelle, beispielsweise einem Laser beleuchtet.
Durch diese Anordnung ist die Modulationsfrequenz in einer Ebene senkrecht zu der optischen Achse des Objektivs ortsabhängig, so daß das zu leitende Objekt aus der Modulationsfrequenz seine Lage in dieser Ebene ermitteln kann. Die Abweichung der gemessenen Modulationsfrequenz von einer Sollfrequenz kann dann als Steuergröße für eine Korrektur-Lenkbewegung verwendet werden.
Bei den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Projektionseinrichtungen wird zum Aufbringen der Modulationsfrequenz auf den abgebildeten Lichtstrahl ein Siemensstern verwendet, bei dem die Radialstrahlen abwechselnd für das Beleuchtungslicht durchlässig bzw.
völlig undurchlässig sind.
Fig. 1a zeigt die Amplitudenverteilung des modulierten Lichtstrahls, die sich bei einer Spaltbreite von 0,6 mm ergibt, wobei die Breite des beleuchteten Teilbereichs des simenssterns eine Vielfaches sein kann.
Die Modulation, d.h. das Zerhacken des Lichtstrahls durch die völlig undurchlässigen Bereiche des Siemenssterns führt zu einer annähernd rechteckförmigen Amplitudenverteilung, der das in Fig. 1 b dargestellte Frequenzspektrum entspricht. Dieses Frequenzspektrum kann leicht beispielsweise mittels einer Fouriertransformation bestimmt werden.
Andererseits ist die Übertragungsfunktion des Objektivs beschränkt, beispielsweise hat sie einen Wert von 6 Linien/mm.
Bildet man das in Fig. ib dargestellte Frequenspektrum mittels eines derartigen Objektivs ab, so erhält man das in Fig. 1c dargestellte Frequenzspektrum hinter dem Objektiv im 11Bildraum11, in dem sich das zu leitende Objekt, beispielsweise der Flugkörper bewegt.
Zu diesem 'beschränkten" Frequenzspektrum gehört die in Fig. ld dargestellte Intensitätsverteilung.
Wie man dieser Figur entnimmt, weist die Intensitätsverteilung keine Einzelmaxima, sondern Doppelmaxima auf, so daß sich unter Umständen Fehler bei der Bestimmung der an einer speziellen Stelle vorliegenden "Modulationsfrequenz" ergeben können, die wiederrum die Leitfunktion der Leiteinrichtung zumindest beeinträchtigt.
Eine Leiteinrichtung anderer Gattung, bei der ebenfalls ein Siemensstern und zwar(am Empfänger des Leitstrahls verwendet wird, ist in der US-PS 3 002 098 beschrieben.
Bei derartigen Leiteinrichtungen können ähnliche Probleme wie vorstehend geschildert auftreten.
Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Projektionseinrichtung für einen Leitstrahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß nach Abbildung mit dem Projektionsobjektiv in jedem Fall einfache Maxima der Amplituden- bzw. Intensitätsverteilung auftreten, die eine sichere Frequenzbestimmung erlauben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von einer Projektionseinrichtung für einen Leitstrahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen und diese Projektionseinrichtung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs weitergebildet wird.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß es für eine Intensitätsverteilung im Bildraum mit einfachen Maxima erforderlich und andererseits auch hinreichend ist, daß außer der nullten und ersten Ordnung im Frequenzspektrum keine höheren Ordnungen und insbesondere nicht die zweite, dritten, vierte und fünfte Ordnung im wesentlichen Umfang auftreten. Das Auftreten noch höherer Ordnungen als der fünften Ordnung ist unschädlich, da diese Ordnungen aufgrund der beschränkten Frequenz-Übertragungsfunktion des Objektivs nur abgeschwächt bzw. bei koheränten Lichtstrahlen überhaupt nicht übertragen werden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Trennkanten zwischen den für den Lichtstrahl undurchlässigen, d.h. beispielweise den Lichtstrahl absorbierenden oder reflektierenden Teilen des Siemenssterns und den für den Lichtstrahl durchlässigen Teilen graduell verlaufend ausgebildet sind. Hierdurch erhält man ein Frequenzspektrum nach dem Siemensstern, bei dem praktisch keine zweiten, dritten, vierten und fünften Ordnungen auftreten. Hierbei ist insbesondere zu berücksichtigen, daß gemäß der Erfindung mit Laserlicht, also kohärentem Licht gearbeitet wird.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bildet man gemäß Anspruch 2 den graduellen Verlauf der Trennkanten sinusförmig aus, so werden alle höheren Ordnungen als die erste Ordnung streng unterdrückt.
Andererseits wird für Leitstrahlen beispielsweise von Raketen bevorzugt Licht mit Wellenlängen im langwelligen Infrarot verwendet. Dabei kommen aus Intensitätsgründen häufig C02-Laser zum Einsatz. Diese Laser haben eine derart hohe Intensität, daß teildurchlässige Gebiete des Modulationsmusters sehr stark aufgeheizt werden, was unter Umständen das Modulationsmuster und/oder das Trägermaterial, auf dem der Siemensstern aufgebracht wird, beschädigen könnte.
Deshalb wird erfindungsgemäß gemäß Anspruch 3 bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, den graduellen Verlauf durch ein (zweites) in radialer Richtung verlaufendes Modulationsmuster nachzubilden, dessen Ortfrequenz wesentlich höher als die Ortsfrequenz des Siemenssterns, d.h. des ersten Modulationsmusters ist.
Dieses zweite Modulationsmuster kann die verschiedensten Formen haben, wobei in den Ansprüchen 4 bis 8 besonders bevorzugte Formen gekennzeichnet sind: Beispielsweise kann das zweite Modulationsmuster gemäß Anspruch 4 sägezahn- bzw. gemäß Anspruch 5 trapezförmig sein.
Ferner kann das zweite Modulatonsmuster einen verschiedenen Winkelfunktionen folgenden Verlauf haben.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen: Fig. 2a den Aufbau einer erfindungsgemäßen Projektionseinrichtung für einen Leitstrahl, Fig. 2b einen Ausschnitt aus dem in Fig. 2a verwendeten erfindungsgemäß ausgebildeten "Siemensstern", Fig. 3a bis 3d die sich bei einer Projektionseinrichtung gemäß Fig. 2 ergebenden Verteilungen, wenn das zusätzliche Modulationsmuster des Siemenssterns "dreiecksförmig ist, und Fig. 4a bis 4d die sich bei einer Projektionseinrichtung gemäß Fig. 2 ergebenden Verteilungen, wenn das zusätzliche Modulationsmuster trapezförmige Bestandteile aufweist.
Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Projektioneinrichtung. Die Projektionseinrichtung weist eine kohärentes Licht abgebende Lichtquelle 11, also beispielsweise einen Laser auf. Eine Aufweitoptik 12, die nur schematisch dargestellt ist, weitet den Strahl der Lichtquelle 11 derart auf, daß er einen genau begrenzten Teilbereich eines Siemenssterns 13 beleuchtet. Dieser Teilbereich kann gegebenenfalls durch Blenden etc., die nicht im einzelnen dargestellt sind, begrenzt sein und wird mittels eines Objektivs 14 in einen Raum 15 abgebildet, in dem sich ein nicht näher dargestelltes zu lenkendes Objekt, beispielsweise ein Flugkörper wie eine Luftabwehrrakete, ein landendes Flugzeug etc. bewegt. Der Siemensstern 13 ist in an sich bekannter Weise ein sternförmiges Gebilde, das abwechselnd lichtundurchlässige Radialstreifen 1, 1 (vergl.
Fig. 2b) und lichtdurchlässige Streifen 2 bzw. Strahlen aufweist.
Der Siemensstern 13 wird um eine Achse 16 gedreht, die nicht mit der optischen Achse 17 das Objektiv 14 zusammenfällt. Darüberhinaus kann die Drehachse 16 des Siemenssterns auch gegenüber der Rotationsachse des rotationssymmetrischen Siemenssterns parallel verschoben sein.
Bei dem in Fig. 2b dargestellten Ausführungsbeispiel des Siemenssterns erstrecken sich die für das Licht nicht durchlässigen, also beispielsweise das Licht absorbierenden Streifen 1, 1' etc. und die für das Licht durchlässigen Streifen 2 .... jeweils über einen Winkelbereich von 3 . An den Trennkanten 3, 4, 5 und 6 zwischen den einzelnen Bereichen ist eine zusätzliche Modulationsanordnung vorgesehen. In Fig. 2b sind zwei Möglichkeiten für die zweite Modulationsanordnung dargestellt, nämlich ein trapezförmiger und ein dreieckiger Verlauf.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Trapezhöhe 40% des halben Abstandes zwischen den Trennkanten, während die Dreieckshöhe 88% des halben Abstands beträgt.
Die Periodenlänge des zweiten Modulationsmusters ist 0,2mm, während die mittlere Spaltbreite in dem genutzten Teil des Siemensterns, d.h. im beleuchteten Bereich etwa 0,6mm beträgt.
Fig. 3 zeigt die verschiedenen Verteilungen, die man mit der in Fig. 2a dargestellten Projektionseinrichtigung erhält, wenn man einen Siemensstern verwendet, bei dem die Trennkanten gemäß Fig. 2b dreieckig mit einer Höhe von 88 % des halben Abstandes als zusätzliches Modulationsmuster ausgebildet sind.
Fig. 3a zeigt die Amplitudenverteilung des modulierten Lichtstrahls im Objektraum, d.h. unmittelbar hinter dem Siemensstern 13, bzw. vor dem Objektiv 14.
Fig. 3b zeigt das zugehörige Frequenzspektrum, das man beispielsweise mittels Fouriertransformation erhält.
Überträgt man dieses Frequenzspektrum mit einem Objektiv, dessen Übertragungsfunktion in geeigneter Weise frequenzbeschränkt ist, so erhält man in dem Raum 15 an einer bestimmten Stelle beispielsweise das in Fig. 3c dargestellte Frequenzspektrum, bei dem nur noch die nullte und erste Ordnung auftreten. Dieses Frequenzspektrum gemäß Fig. 3c führt zu dem in Fig. 3d dreidimensional dargestellten Intensitätsspektrum, das deutlich erkennbare Einzelmaxima hat, so daß die Frequenzbestimmung aus dem Intensitäts- bzw.Amplitudenverlauf kein Problem ist.
Fig. 4 zeigt die verschiedenenVerteilungen, die manmit der in Fig. 2a dargestellten Projektionseinrichtung erhält, wenn man die Dreiecke mit einer Höhe von 88% bei einer Höhe von 40% des halben Abstandes "abschneidet", so daß Trapeze entstehen, die das zweite Modulationsmuster bilden.
Eine derartige Modulationsanordnung hat hinsichtlich der Stabilität des sich drehenden Siemensstern Vorteile gegenüber einer Anordnung, bei der die einzelnen Radialstreifen ein Modulationsmuster mit "Spitzen" aufweist.
Fig. 4a zeigt wiederum die Amplituden- bzw. Insitätsverteilung hinter dem Siemensstern 13 bzw. vor dem Objektiv 14, während Fig. 4b das zugehörige Frequenzspektrum für ein von "Trapezen" gebildetes zusätzliches Modulationsmuster des Siemenssterns zeigt.
Überträgt man wiederum dieses Frequenzspektrum mit dem Objektiv 14, dessen Übertragungsfunktion in geeigneter Weise frequenzbeschränkt ist, so erhält man im Bildraum das in Fig. 4c dargestellte Frequenzspektrum, bei dem ebenfalls praktisch nur die nullte und erste Ordnung auftreten.
Dieses Frequenzspektrum führt zu dem in Fig. 4d dreidimensional dargestellte Intensitätsspektrum im Bildraum 15.
Wie man sieht, erhält man mit der erfindungsgemäßen Modulationsanordnung Intensitätsspektren im Bildraum, bei denen lediglich Einzelmaxima auftreten, so daß das zu leitende Objekt ohne weiteres die Frequenz und hieraus den Standort in einer Ebene senkrecht zur Achse des Leitstrahls, d.h. zur Verlängerung der optischen Achse 17 des Objektivs bestimmen kann.
Dieser erfindungsgemäße Intensitätsverlauf läßt sich streng dadurch erreichen, daß das erste Modulations- muster graduell verlaufend ausgebildet wird, anstelle daß vollständig lichtundurchlässig und praktisch vollständig lichtdurchlässige Gebiete verwendet werden, die von Trennkanten getrennt sind.
Vor allem aber ist erfindungsgemäß erkannt, daß sich ein in der Praxis ausreichender Intensitätsverlauf im Bildraum auch dann ergibt, wenn die Radialstrahlen des Siemenssterns mit einem zweiten Modulationsmuster versehen werden, dessen Ortsfrequenz wesentlich größer als die Ortsfrequenz der Radialstrahlen des Siemenssterns ist, und ein Objektiv verwendet wird, dessen Übertragungsfunktion in geeigneter Weise frequenzbeschränkt ist: Durch das zweite Modulationsmuster werden die zweite bis fünfte Ordnung des Frequenzspektrums wirkungsvoll unterdrückt, während das frequenzbeschränkte Objektiv höhere Ordnungen "abschneidet".
Diese erfindungsgemäße Ausbildung der Projektionseinrichtung, bei der der graduelle Verlauf mittels eines zweiten Modulationsmuster nachgebildet wird, hat nicht nur den Vorteil, daß sie einfach herzustellen ist, sondern auch insbesondere dann, wenn mit Licht im langwelligen Infrarotbereich gearbeitet wird, den zusätzlichen Vorteil, daß sich der Siemensstern nur wenig aufheizt.
Vorstehend ist die erfindungsgemäße Modulationsanordnung anhand spezieller Beispiele beschrieben worden. Es ist selbstverständlich, daß im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens die verschiedensten Modifikationen und Abwandlungen möglich sind: Beispielsweise sind die dargestellten Ausführungsbei spiele für den Einsatz mit einem CO2-Laser als Lichtquelle gedacht. Es versteht sich von selbst, daß die erfindungsgemäße Projektionseinrichtung so modifiziert werden kann, daß sie auch mit Licht anderer Wellenlängen betrieben werden kann.
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Claims

Projektionseinrichtung für einen Leitstrahl Patentansprüche 1. Projektionseinrichtung für einen Leitstrahl, bei der ein Objektiv (14) einen Teilbereich eines um eine Drehachse (16) rotierenden Siemenssterns (13), den eine Lichtquelle (11) beleuchtet, in einen Raum (15) abbildet, so daß ein zu leitendes Objekt aus der jeweiligen Modulationsfrequenz des Abbildungslichtstrahls seine Lage in einer zur Achse (17) des Leitstrahls senkrechten Ebene ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß zum Unterdrücken höherer Ordnungen als der ersten Ordnung die Trennkanten zwischen den den Lichtstrahl praktisch nicht beeinflunenden <1, 1') und den den Lichtstrahl beeinflußenden Radialstrahlen (2) des Siemenssterns (13) graduell verlaufend ausgebildet sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der graduelle Verlauf der Trennkanten (3,4,5,6) entsprechend einer Sinusfunktion ausgebildet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den graduellen Verlauf ein in radialer Richtung verlaufendes zweites Modulationsmuster nachbildet, dessen Ortsfrequenz größer als die Ortsfrequenz der Radialstrahlen des Siemenssterns ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Modulationsmuster sägezahnförmig oder dreiecksförmig ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Modulationsmuster trapezförmig ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Modulationsmuster einen Arcsin-Verlauf hat.
7. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Modulationsmuster einen Sinus-Verlauf hat.
8. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Modulationsmuster einen sin2-Verlauf hat.