DE3823930A1

DE3823930A1 - Einrichtung zum positionieren optischer elemente

Info

Publication number: DE3823930A1
Application number: DE3823930A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Schnarch
Original assignee: Israel Aircraft Industries Ltd
Current assignee: Israel Aircraft Industries Ltd
Priority date: 1987-07-16
Filing date: 1988-07-14
Publication date: 1989-01-26
Also published as: IL83219A; US4884882A; IL83219A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell eine opti sche Einrichtung, und zwar im einzelnen eine Einrichtung zum genauen Positionieren eines optischen Elements längs einer gewünschten Sichtlinie.

Es gibt in verschiedenen Anwendungsfällen Erfordernisse für eine genaue und schnelle Ausrichtung eines optischen Elements, wie beispielsweise eines Spiegels, in einer Ausrichtung aus einer Mehrzahl von Ausrichtungen. Vorhan dene Einrichtungen, in denen Drehkraft- bzw. -momentein richtungen und geschlossenschleifige Positionsabtastein richtungen verwendet werden, sind in der Geschwindigkeit und Genauigkeit beschränkt.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Ein richtung zum Ausrichten eines optischen Elements zur Ver fügung gestellt, welche eine hochgenaue und schnelle Po sitionierung trotz wesentlicher Beschleunigungskräfte er bringt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird infolgedessen eine Einrichtung zur genauen, schnellen Ausrichtung eines optischen Elements zur Verfü gung gestellt, die folgendes umfaßt: eine Einrichtung für das Halten bzw. Tragen eines optischen Elements zur Drehung um eine erste Achse, eine Einrichtung zum wahlweisen Posi tionieren des optischen Elements um die erste Achse und um fassend eine drehbare Nocke bzw. Steuerkurve, die eine Nocken- bzw. Steuerkurvenoberfläche hat, wobei eine Dimen sion derselben längs ihrer Ausdehnung variiert und die Po sition des optischen Elements um die erste Achse bestimmt bzw. festlegt; einen Schrittmotor zum Bestimmen bzw. Fest legen der Drehausrichtung der drehbaren Nocke bzw. Steuer kurve und auf diese Weise zum Bestimmen bzw. Festlegen, welcher Teil derselben in operativem Eingriff mit dem opti schen Element zur Positionierung desselben ist; und eine Einrichtung zum Miteinanderverbinden der drehbaren Nocke bzw. Steuerkurve mit dem Schrittmotor, welche eine flexi ble Kupplung bzw. Kopplung oder Verbindung umfaßt.

Außerdem hat gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die drehbare Nocke bzw. Steuerkur ve die Form eines generell kreisförmigen Rings von variie render Weite, Breite, Höhe, Größe o. dgl.

Weiter umfaßt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Einrichtung zum Miteinanderver binden sich radial erstreckende Blattfedern, welche den generell kreisförmigen Ring mit einer Befestigungsnabe verbinden, die mit dem Schrittmotor verbunden ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet die Einrichtung zur genauen schnellen Ausrichtung eines optischen Elements in drei Dimensionen und umfaßt auch eine Einrichtung für das Halten bzw. Tra gen eines bzw. des optischen Elements zur Drehung um eine zweite Achse, eine Einrichtung zum wahlweisen Positionie ren des optischen Elements um die zweite Achse und umfas send eine drehbare Nocke bzw. Steuerkurve, die eine Nocken- bzw. Steuerkurvenoberfläche hat, wobei eine Dimension der selben längs ihrer Ausdehnung variiert und die Position des optischen Elements um die zweite Achse bestimmt bzw. festlegt; einen Schrittmotor zum Bestimmen bzw. Festlegen der Drehausrichtung der drehbaren Nocke bzw. Steuerkurve und auf diese Weise zum Bestimmen bzw. Festlegen, welcher Teil derselben in opterativem Eingriff mit dem optischen Element zur Positionierung desselben ist; und eine Ein richtung zum Verbinden der drehbaren Nocke bzw. Steuer kurve mit dem Schrittmotor, welche eine flexible Kupplung bzw. Kopplung oder Verbindung umfaßt.

Die zweite Achse ist vorzugsweise senkrecht zu der ersten Achse.

Die vorliegende Erfindung sei zu ihrem vollständigeren und umfassenderen Verständnis nachstehend anhand einiger, be sonders bevorzugter Ausführungsformen, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind, in näheren Einzelheiten beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansichtsdarstellung einer Einrichtung, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und arbei tet, wobei aus Darstellungsgründen Teile wegge schnitten sind;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Teils der Einrichtung der Fig. 1 entlang den Linien II-II in Fig. 1, wobei aus Darstellungsgründen Teile weggeschnit ten sind;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Teils der Einrich tung der Fig. 1, und zwar längs der Linien III- III in Fig. 1;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines Teils der aus Fig. 1 ersichtlichen Einrichtung;

Fig. 5 eine Darstellung längs der Linien V-V in Fig. 4, wobei aus Darstellungsgründen Teile wegge schnitten sind;

Fig. 6 eine teilweise Darstellung einer drehbaren Noc ken bzw. Steuerkurvenanordnung, die in der Ein richtung der Fig. 1 verwendet wird; und

Fig. 7 eine Schnittdarstellung der drehbaren Nocke bzw. Steuerkurve der Fig. 6, und zwar längs der Li nien VII-VII in Fig. 6.

Bei der nun folgenden, in nähere Einzelheiten gehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sei zu nächst auf die Fig. 1 bis 7 Bezug genommen, die ein optisches System veranschaulichen, das eine Basis 10 um faßt, und eine kardanische Aushängung bzw. eine Kardan rahmen-Anordnung 12, die mittels Lagern 16 und 18 zur Drehung um eine Achse 20 drehbar auf der Basis 10 ange bracht ist. Die kardanische Aufhängung bzw. Kardanrahmen- Anordnung 12 definiert eine drehbare Befestigungsachse 22, um welche herum drehbar ein optisches Element 24, nor maler- bzw. vorzugsweise ein optischer Spiegel, darauf montiert ist.

Hinter dem Spiegel 24 ist eine Halte- und Verlagerungs anordnung 26 angeordnet, die einen genau dimensionierten und positionierten Eingriffsvorsprung 28 aufweist. Eine drehbare Nocke bzw. Steuerkurve 30, vorzugsweise in der Form eines kreisförmigen Rings von variierender Weite bzw. Höhe bzw. Breite, ist zwischen den Eingriffsvorsprung 28 und einer Eingriffsoberfläche 32 der kardanischen Anordnung bzw. Kardanrahmen-Anordnung 12 zwischengefügt. Der Spie gel 24 ist normalerweise vorgespannt, und zwar vorzugs weise durch eine nichtgezeigte Feder, so daß der Eingriffs vorsprung 28 nach der Eingriffsoberfläche 32 zu gedrückt wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Weite bzw. Breite bzw. Höhe desje nigen Teils der drehbaren Nocke bzw. Steuerkurve, die zwi schen den Eingriffvorsprung 28 und die Eingriffsoberfläche 32 zwischengefügt ist, die genaue Ausrichtung des Spiegels 24 um die Achse 22 bestimmt bzw. festlegt. Die Auswahl der gewünschten Ausrichtung des Spiegels 24 die Achse 22 kann infolgedessen durch geeignete Drehausrichtung der drehbaren Nocke bzw. Steuerkurve 30 bewirkt werden, und zwar wird diese Drehausrichtung durch Betätigung eines Po sitionierungsmotors 34, vorzugsweise eines konventionellen elektrischen Schrittmotors, bewirkt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Bestimmung bzw. Festlegung der genauen Ausrichtung des Spiegels 24, und im Ergebnis der kardanischen Anordnung bzw. Kardanrahmen-Anordnung 12, um die Achse 20 durch einen elektrischen Schrittmotor 36 in Verbindung mit einer dreh baren Nocke bzw. Steuerkurve 38 in ziemlich bzw. praktisch derselben Weise, wie oben beschrieben, erzielt. In diesem Falle ist ein Eingriffsvorsprung 40 fest an der Welle 42 der kardanischen Aufhängung bzw. Kardanrahmen-Anordnung 12 angebracht, und zwar beispielsweise mittels einer Befesti gungsanordnung 44. Der Eingriffsvorsprung 40 ist, beispiels weise mittels einer geeigneten Feder, die nicht dargestellt ist, nach einer fixierten Eingriffsoberfläche 46 zu vorge spannt, weil diese Eingriffsoberfläche 46 ortsfest auf der Basis 10 angebracht sein kann. Die drehbare Nocke bzw. Steuerkurve 38, die in jeder relevanten Hinsicht gleichar tig der drehbaren Nocke bzw. Steuerkurve 30 sein kann, wie sie oben beschrieben ist, ist zwischen den Eingriffsvor sprung 40 und die fixierte Eingriffsoberfläche 46 zum Be stimmen bzw. Festlegen der Ausrichtung der Welle 42 und des Spiegels 24 um die Achse 20, die vorzugsweise senk recht zur Achse 22 ist, zwischengefügt.

Es sei nun auf die Fig. 6 und 7 Bezug genommen, die spezielle Merkmale des Aufbaus der drehbaren Nocke bzw. Steuerkurve zeigen, welche gemäß einer bevorzugten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird. Die drehbare Nocke bzw. Steuerkurve 30 hat die Form eines Rings von variierender Weite bzw. Breite bzw. Höhe, wie deutlich aus Fig. 7 ersichtlich ist. Normalerweise ist die Varia tion der Breite bzw. Weite bzw. Höhe der Nocke bzw. Steuerkurve monoton und vorzugsweise ist die Variation der Weite bzw. Höhe bzw. Breite linear.

Die Nocke bzw. Steuerkurve 30 ist auf einer Nabe 50 mit tels einer Mehrzahl von sich radial erstreckenden Feder speichen 52 montiert, welche durch Flexibilität in Rich tungen, die parallel zu der Drehachse der Nocke bzw. Steuerkurve 30 sind, charakterisiert sind. Diese Flexi bilität ermöglicht es der Nocke bzw. Steuerkurve 30 rich tig bzw. angemessen zu funktionieren und ergibt eine ex trem hochgenaue Positionierung des Spiegels 24 trotz sehr hoher Beschleunigungen, die auf den Drehantriebs mechanismus ausgeübt werden, und zwar ergibt sich diese extrem hochgenaue Positionierung im Hinblick auf die Tat sache, daß die Position des Spiegels allein durch die Höhe bzw. Breite bzw. Weite der Nocke bzw. Steuerkurve zwischen dem Eingriffsvorsprung und der Eingriffsoberfläche be stimmt bzw. festgelegt wird. Die Flexibilität der Spei chen 52 schaltet einen Einfluß aufgrund von Positions änderungen des Antriebsmechanismus relativ zu der Nocke bzw. Steuerkurve aus.

Es ist ein spezielles Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß eine extrem hohe Genauigkeit der Positionierung mit extrem hohen Geschwindigkeiten realisiert wird, und zwar trotz entgegenstehender Betriebsumgebungsgrößen von Be schleunigungsbedingungen und thermischen Bedingungen bzw. trotz entgegenstehender Betriebsbedingungen der Beschleu nigung und der thermischen Verhältnisse.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die be schriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern sie läßt sich im Rahmen des Gegenstandes der Er findung, wie er in den Patentansprüchen angegeben ist, so wie im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens, wie er sich den gesamten Unterlagen entnehmen läßt, in viel fältiger Weise abändern und mit Erfolg verwirklichen.

Claims

1. Einrichtung zum genauen, schnellen Ausrichten eines optischen Elements, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung folgendes umfaßt:
eine Einrichtung (26) für das Halten bzw. Tragen eines optischen Elements (24) zur Drehung um eine erste Achse (22); und
eine Einrichtung (28, 30, 32, 34, 50, 52) zum wahlweisen Posi tionieren des optischen Elements (24) um die erste Achse (22) und umfassend:
eine drehbare Nocke bzw. Steuerkurve (30), die eine Nocken- bzw. Steuerkurvenoberfläche hat, wobei eine Dimension der Nocke bzw. Steuerkurve (30) entlang von deren Ausdehnung bzw. Erstreckung variiert und die Position des optischen Elements (24) um die erste Achse (22) bestimmt bzw. fest legt;
einen Schrittmotor (34) zum Bestimmen bzw. Festlegen der Drehausrichtung der drehbaren Nocke bzw. Steuerkurve (30) und auf diese Weise zum Bestimmen bzw. Festlegen, welcher Teil derselben in operativem Eingriff mit dem optischen Element (24) zur Positionierung desselben ist; und
eine Einrichtung (50, 52) zum Miteinanderverbinden der drehbaren Nocke bzw. Steuerkurve (30) mit dem Schrittmo tor (34) und umfassend eine flexible Kupplung (52) bzw. eine flexible Verbindung (52).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die drehbare Nocke bzw. Steuerkurve (30) die Form eines generell kreisförmigen Ringes von va riierender Breite bzw. Weite bzw. Höhe hat.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einrichtung (50, 52) zum Miteinanderverbinden sich radial erstreckende Blatt federn (52) umfaßt, welche einen bzw. den generell kreis förmigen Ring (30) mit einer Befestigungsnabe (50), die mit dem Schrittmotor (34) verbunden ist, verbinden.

4. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung außerdem folgendes umfaßt:
eine Einrichtung (16, 18) für das Halten bzw. Tragen des optischen Elements (24) zur Drehung um eine zweite Achse (20);
eine Einrichtung (36, 38, 40, 46) zum wahlweisen Positionieren des optischen Elements (24) um die zweite Achse (20) und umfassend:
eine zweite drehbare Nocke oder Steuerkurve (28), die eine Nocken-Steuerkurvenoberfläche hat, wobei eine Dimension der Nocke bzw. Steuerkurve entlang ihrer Ausdehnung variiert und die Position des optischen Elements (24) um die erste und/oder zweite Achse (20) bestimmt bzw. festlegt;
einen zweiten Schrittmotor (36) zum Bestimmen bzw. Festle gen der Drehausrichtung der zweiten drehbaren Nocke bzw. Steuerkurve (38) und auf diese Weise zum Bestimmen bzw. Festlegen, welcher Teil derselben in operativem Eingriff mit dem optischen Element (24) zum Positionieren desselben ist; und
eine Einrichtung zum Miteinanderverbinden der zweiten dreh baren Nocke bzw. Steuerkurve (28) mit dem zweiten Schritt motor (26) und umfassend eine flexible Kupplung oder Ver bindung.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die zweite drehbare Nocke bzw. Steuerkurve (38) die Form eines generell kreisförmigen Ringes von variierender Breite bzw. Weite bzw. Höhe hat.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einrichtung zum Mitein anderverbinden sich radial erstreckende Blattfedern (52) umfaßt, welche den generell kreisförmigen Ring mit einer Befestigungsnabe verbinden, die mit dem zweiten Schritt motor (36) verbunden ist.

7. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Achse (20) senkrecht zu der ersten Achse (22) ist.

8. Optische Einrichtung, die ein optisches Element umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung weiter folgendes umfaßt:
eine Einrichtung (26) für das Halten bzw. Tragen des op tischen Elements (24) zur Drehung um eine erste Achse (22); und
eine Einrichtung (28, 30, 32, 34, 50, 52) zum wahlweisen Posi tionieren des optischen Elements (24) um die erste Achse (22) und umfassend:
eine drehbare Nocke bzw. Steuerkurve (30), die eine Nocken- bzw. Steuerkurvenoberfläche hat, wobei eine Dimension der Nocke bzw. Stuerkurve (30) entlang ihrer Ausdehnung variiert und die Position des optischen Elements (24) um die erste Achse (22) bestimmt bzw. festlegt;
einen Schrittmotor (34) zum Bestimmen bzw. Festlegen der Drehausrichtung der drehbaren Nocke bzw. Steuerkurve (30) und auf diese Weise zum Bestimmen bzw. Festlegen, welcher Teil derselben in operativem Eingriff mit dem optischen Element (24) zum Positionieren desselben ist; und
eine Einrichtung (50, 52) zum Miteinanderverbinden der dreh baren Nocke bzw. Stuerkurve (30) mit dem Schrittmotor (34) und umfassend eine flexible Kupplung (52) oder eine flexi ble Verbindung (52).

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die drehbare Nocke bzw. Steuerkurve (30) die Form eines generell kreisförmigen Rings von va riierender Weite bzw. Breite bzw. Höhe hat.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einrichtung (50, 52) zum Miteinanderverbinden sich radial erstreckende Blattfedern (52) umfaßt, welche einen bzw. den generell kreisförmigen Ring (30) mit einer Befestigungsnabe (50), die mit dem Schrittmotor (34) verbunden ist, verbinden.

11. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein richtung außerdem folgendes umfaßt:
eine Einrichtung (16, 18) für das Halten bzw. Tragen des optischen Elements (24) zur Drehung um eine zweite Achse (20);
eine Einrichtung (36, 38, 40, 46) zum wahlweisen Positionieren des optischen Elements (24) um die zweite Achse (20) und umfassend:
eine zweite drehbare Nocke bzw. Steuerkurve (38), die eine Nocken- bzw. Steuerkurvenoberfläche hat, wobei eine Dimen sion der zweiten Nocke bzw. Steuerkurve (38) entlang ihrer Ausdehnung variiert und die Position des optischen Elements (24) um die erste und/oder zweite Achse (20) bestimmt bzw. festlegt;
einen zweiten Schrittmotor (36) zum Bestimmen bzw. Festle gen der Drehausrichtung der zweiten drehbaren Nocke bzw. Steuerkurve (38) und auf diese Weise zum Bestimmen, welcher Teil derselben in operativem Eingriff mit dem optischen Element (24) zum Positionieren desselben ist; und
eine Einrichtung zum Miteinanderverbinden der zweiten dreh baren Nocke bzw. Steuerkurve (38) mit dem zweiten Schritt motor (36) und umfassend eine flexible Kupplung (52) oder eine flexible Verbindung (52).

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die zweite drehbare Nocke bzw. Steuerkurve (38) die Form eines generell kreisförmigen Rings von variierender Weite bzw. Breite bzw. Höhe hat.

13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einrichtung zum Mit einanderverbinden sich radial erstreckende Blattfedern (52) umfaßt, welche einen bzw. den generell kreisförmigen Ring mit einer Befestigungsnabe, die mit dem zweiten Schrittmotor (36) verbunden ist, verbinden.

14. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Achse (20) senkrecht zu der ersten Achse (22) ist.