DE4227389C2

DE4227389C2 - Vorrichtung zum Messen der exakten Winkelposition eines Schwingspiegels

Info

Publication number: DE4227389C2
Application number: DE19924227389
Authority: DE
Inventors: Ludwig Koehler; Manfred Riegler
Original assignee: Eltro GmbH and Co
Current assignee: Eltro GmbH and Co
Priority date: 1992-08-19
Filing date: 1992-08-19
Publication date: 1995-01-26
Anticipated expiration: 2012-08-20
Also published as: DE4227389A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der exakten Winkelposition eines Schwingspiegels gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Aus der US 4 127 781 ist eine solche Vorrichtung bekannt geworden, jedoch sind hier Anordnung und Aufbau noch zu aufwendig.

Schwingspiegel - oft Scanspiegel genannt - zum Abtasten eines Szenenbildes von IR-Sichtgeräten sind beispielsweise aus der DE 27 15 908 C2 bekannt und werden hier in einem Regelkreis mit einem Soll-Istwert-Vergleich betrieben. Hierzu erfordert der Regelkreis ein genaues Positionssignal.

Vielfach fehlt es beim Stand der Technik auch an der Möglichkeit, für Detektoren oder die sich anschließende Signalverarbeitung in einem IR-Sichtgerät genaue Triggerzeitpunkte zum Abfragen des Szenenbildes zu erhalten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln sowohl eine große Flexibilität in der Auswahl der Codeplatte und ein einfacher Aufbau des Mehrelementen-Detektors als auch ein zuverlässiges und genaues Arbeiten der Winkelmeßeinrichtung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterungen. Es zeigt

Fig. 1 eine Möglichkeit der Winkelpositionsmessung bei fest stehender Codeplatte und unter Ausnutzung der ver spiegelten Schwingspiegelrückseite,

Fig. 2 eine weitere Möglichkeit der Winkelpositionsmessung, bei der sich die Codeplatte mit der Schwingspiegelachse dreht und die Schwingspiegelrückseite für die Strahlführung nicht verfügbar ist,

Fig. 3 die Ausbildung einer Codeplatte für das Ausführungsbei spiel gemäß Fig. 1,

Fig. 4 die Ausbildung einer Codeplatte für das Ausführungsbei spiel gemäß Fig. 2 und

Fig. 5 eine aus einzelnen LED-Gruppen spaltenförmig aufgebaute "schlanke" Strahlungsquelle.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist die (in Fig. 3 nochmals für sich und in vergrößertem Maßstab herausgezeichnete) Codeplatte 4 nahe dem Scheitel S₁ einer ersten Linse 7 angeordnet; sie wird von der durch die Linse er faßten Strahlung der Strahlungsquelle 2 gemäß ihres Codiermusters durch leuchtet. In Strahlendurchtrittsrichtung hinter dieser Linse ist eine zweite Linse 8 dergestalt vorgesehen, daß ihre Brennebene mit Brennpunkt ₂ mit der Ebene der Codeplatte 4 zusammenfällt. Daher wird das Bild C′′ der Codeplatte durch die Linse 8 über den Umlenkspiegel 10, die verspiegel te Rückseite des Schwingspiegels 1 und mit Hilfe einer dritten Linse 9 in deren Brennebene mit dem Brennpunkt F₃′ entworfen. Bei einem anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Umlenk spiegel auch entfallen, sofern die optische Achse der Linsen 7 und 8 und der Strahlungsquelle um 90° im Uhrzeigersinn verdreht wird. In der Brenn ebene der Linse 9 sind die Spaltblende 6 mit dem Spalt 5 und unmittelbar dahinter der aus mehreren Einzelelementen zusammengesetzte Detektor 3 an geordnet. Eine solche Anordnung empfiehlt sich, wenn - wie hier - die ver spiegelte Rückseite des Schwingspiegels 1 verfügbar ist und zwecks Ver meidung eines zusätzlichen Trägheitsmomentes nicht auch noch eine sich mit dem Spiegel drehende Codeplatte verwendet werden soll. Die Bewegung des Spiegels ist durch einen Doppelpfeil angedeutet.

Im Fall des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 dagegen ist die Schwingspiegel rückseite nicht zugänglich und das Trägheitsmoment der sich zusammen mit der Schwingspiegelachse 1′ (Fig. 1) drehenden Codeplatte 4 spielt keine Rolle. Die Strahlungsquelle 2 bzw. Q wird hier über die erste Linse 7 als Bild Q′ in die zweite Linse 8 abgebildet. Dicht hinter dieser Linse befindet sich die (in Fig. 4 nochmals für sich und in vergrößertem Maßstab herausgezeichnete) Codeplatte 4, die durch die von der Linse 8 erfaßte Strahlung gemäß ihres Codiermusters durchleuchtet wird. Die zweite Linse 8 bildet die erste Linse 7 in der dritten Linse 9 ab, wodurch eine optimale Strahlungsüber tragung zustandekommt. Die Linse 9 bildet sodann das Codiermuster C bzw. 14 der Codeplatte 4 als Bild C′ in ihre Bildebene ab, in der sich die Spalt blende 6 mit dem Spalt 5 und unmittelbar dahinter der Detektor 3 befinden.

Die nachfolgende Funktionsbeschreibung gilt für beide Ausführungsbeispiele (gemäß Fig. 1 und Fig. 2): Die Spaltblende 6 sorgt dafür, daß nur Strah lung eines gewissen Anteils der Codeplatte 4 auf den Detektor 3 gelangt. Dieser gerade relevante Teil wird durch die Winkellage des aus Fig. 1 ersichtlichen Schwingspiegels 1 bestimmt, der sich um seine Drehachse 1′ in Richtung des Doppelpfeils hin- und herbewegt. Die Codeplatten der Aus führungsbeispiele gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 sind im Detail nochmals in den Fig. 3 bzw. 4 für sich genommen dargestellt. Sie bestehen jeweils aus einer Glasplatte, auf die ein Positionscode in Form von transparenten Flächen 11 oder nichttransparenten Flächen 12 aufgebracht ist. Hierbei liegen in beispielsweise horizontaler Richtung C_h so viele Codebalken 13 der Breite C_B nebeneinander, wie Positionen des Winkelspiegels 1 unter schieden werden sollen, z. B. n in vertikaler Richtung - in Fig. 1 und Fig. 2 senkrecht zur Zeichenebene - ist jeder dieser Balken in m Bits unterteilt, wobei bei einem Binärcode 2^m _n gelten muß. Die in den Fig. 3 und 4 mit C_L schwarz ausgeführten Lücken der Codeplatte sind in ihrer Höhe auf die Abstände der Einzeldetektoren des Gesamtdetektors ab gestimmt und dienen der Vermeidung von Übersprechen benachbarter Bits in vertikaler Richtung. Was den Detektor 3 anbetrifft, so besteht derselbe in vertikaler Richtung aus m in bestimmtem Abstand angeordneten Einzel detektoren plus einem Zusatzdetektor. Größe und Abstand der Einzeldetek toren einerseits und Gesamthöhe C_v sowie Codierbithöhe C_H der Codierplatte andererseits sind über den Gesamtabbildungsmaßstab β′_2,3 der beiden Linsen 8 und 9 miteinander verknüpft. Der Gesamtabbildungsmaßstab

ist hierbei so gewählt, daß das Bild C_B′′ (Fig. 1) der Breite C_B des Code balkens 13 mehr als doppelt so groß ist wie die Breite B_h der Blende 6.

Am oberen oder unteren Rand der Codeplatte 4 erstreckt sich in horizon taler Richtung ein zusätzliches, um 1/4 Periode versetztes Schwarzweiß- Gitter 17 zwecks Erzeugung von sogenannten Abfragezeitpunkten, wobei die Kante eines Schwarzweiß- bzw. Weißschwarz-Überganges jeweils in der Mitte des zugehörigen Codebalkens 13 liegt. Die Spaltblende 6 mit ihrer Höhe B_v und ihrer Breite B_h bzw. B_{h1 . . . m} erstreckt sich auch über dieses Schwarz weiß-Gitter. Der hinter dem Schwarzweiß-Gitter angeordnete Zusatzdetektor erhält über die Spaltblende das trapezförmige Signal 15, aus dem ein Differentiator die Abfrageimpulse 16 erzeugt. Da die Breite B_h der Spalt blende auf die entsprechenden einzelnen Codebalken-Detektoren fällt. Der entsprechende Positionscode wird nur im Zeitpunkt eines Abfrageimpulses entnommen bis zum Eintreffen eines nächsten Abfrageimpulses gehalten und ist daher eindeutig. Fehler, wie sie ohne diese Maßnahme immer dann auf treten könnten, wenn gerade das Kantenbild zweier benachbarter Codebalken auf die Spaltblende 6 fällt, werden dadurch vermieden. Der Code für die Codeplatte 4 kann daher beliebig sein. Es kann beispielsweise ein direkt verarbeitbarer reiner Binärcode ohne zusätzliche Umkodierschaltung verwendet werden. Ein einschrittiger Code ist daher nicht notwendig. Die mit Hilfe des Zusatzgitters erzeugten Abfrageimpulse können außerdem als Triggerimpulse für die über die Vorderseite des Schwingspiegels 1 arbeiten den Detektoren zur Abfrage der z. B. spaltenweise abzutastenden Szene dienen.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 kann die Strahlungsquelle 2 im Prinzip eine beliebige Form annehmen, beispielsweise kann eine strahlungsstarke LED verwendet werden. Bei der Anordnung nach Fig. 2 muß das Bild Q′ der Strahlungsquelle 2 in vertikaler Richtung eine solche Höhe haben, daß auf der Codeplatte 4 in Richtung C_v sämtliche Bits sowie das Schwarzweiß-Gitter ausgeleuchtet werden. Durch geeignete Wahl des Abbildungsmaßstabes β′₁ der Linse 7 kann in realen Grenzen sogar eine unpassende Höhe Q der Strah lungsquelle 2 auf die erforderliche Bildhöhe Q′ angepaßt werden. Die Breite der Strahlungsquelle spielt prinzipiell zwar keine Rolle, weil die in horizontaler Richtung als Gesichtsfeld wirkende Blendenbreite B_h (Fig. 3) die wirksame Strahlungsquellenbreite bestimmt. Dennoch ist es von Vorteil, eine diesem Gesichtsfeld möglichst nahekommende Strahlungsquellenbreite zu benutzen, um nicht unnötig verlorengehende Strahlungsleistung zu erzeugen. Daher sollte man bei Verwendung einer von Natur aus zu breiten Strahlungs quelle 2 zunächst mit Hilfe einer anamorphotischen Optik (Zusatz einer Zylinderlinse zur Linse 7) in horizontaler Richtung eine Verkleinerung vornehmen.

In der Praxis hat es sich als günstig erwiesen, eine von Natur aus "schlanke" Strahlungsquelle 2 zu benutzen. Einen ähnlichen Effekt erzielt man durch die Verwendung eines aus mehreren LEDs erzeugten Spalts, wie dies aus Fig. 5 hervorgeht. Hierbei werden unter Belassung geeigneter Lücken mehrere Grup pen von LEDs, im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Gruppen 1 und 2, gebildet. Die einzelnen LEDs jeweils einer Gruppe beleuchten dann je ein Bit (Höhe C_H gemäß Fig. 3) eines Codebalkens 13 bzw. des Schwarzweiß- Gitters in vertikaler Richtung, wodurch eine entsprechende Vervielfachung der auf den betreffenden Einzeldetektor fallenden Empfangsleistung im Ver gleich zur Einzel-LED-Strahlung erzielt wird.

Der Erfindungsgedanke, eine Winkelpositionsmessung in codierter Form ein deutig und ohne eine Verfälschung durch den Code einer Nachbarposition zu ermöglichen, ist prinzipiell auch noch in anderen, zeichnerisch nicht dar gestellten Kombinationen von Codeplatte, Blende mit bestimmter Maximal größe, Anordnung mehrerer Einzeldetektoren und Zusatzgitter denkbar, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen würde.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der exakten Winkelposition des in einem IR- Sichtgerät enthaltenen Schwingspiegels mit einer Lichtquelle, mindestens einer Kondensorlinse und einer binären Codeplatte mit lichttransmittierenden bzw. nicht transmittierenden Bereichen, einer Spaltblende und einer Detektoranordnung aus mehreren getrennten Detektorelementen, sowie mindestens einer im Strahlengang zwischen Codeplatte und Spalt angeordneten Abbildungslinse, wobei durch die Bewegung des Schwingspiegels eine Relativbewegung zwischen dem Spalt und dem Codemuster bewirkbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltblende (6) unmittelbar in der Bildebene der Abbildungslinse (8) angeordnet ist und daß die Codeplatte (4) im Strahlengang zwischen der Kondensorlinse (7) und der mindestens einen Abbildungslinse (8) positioniert ist und daß die Codeplatte (4) ein zusätzliches Schwarz/Weiß-Gitter (17) zur Erzeugung von Abfrageimpulsen aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codeplatte (4) ortsfest angeordnet ist und der Strahlengang über den Schwingspiegel (1) geführt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codeplatte (4) mit der angetriebenen Schwingspiegelachse (1′) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Linse (7) als Kondensorlinse mit der unmittelbar dahinterliegenden Codeplatte (4) angeordnet ist, die (7) die Strahlungsquelle (2) auf einer zweiten Linse (8) abbildet, wobei deren Brennpunkt F₂ mit der Ebene der Codeplatte (4) zusammenfällt und eine dritte Linse (9) im Strahlengang derart angeordnet ist, daß die Codeplatte (4) über den Schwingspiegel (1) auf die Spaltblende (6) abgebildet wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Codeplatte (4) mit dem Codemuster (11, 12) - in Strahlrichtung gesehen - unmittelbar nach der zweiten Linse (8) positioniert ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwarz/Weiß-Gitter (17) so ausgebildet ist, daß die Kante jedes Schwarz/Weiß- oder Weiß/Schwarzübergangs jeweils in der Mitte der entsprechenden Codebalken (13) liegt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Codeplatte (4) in einer zur Drehachse des Schwingspiegels (1) senkrechten Richtung C_h so viele Codebalken (13) - nämlich n - mit der Breite C_B nebeneinander angeordnet sind, wie Positionen des Schwingspiegels (1) unterschieden werden, während in der hierzu senkrechten Richtung jeder Codebalken (13) in m Bit - mit 2^m Bitn - bei einem Binärcode unterteilt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Detektor (3) in der zur Drehachse des Schwingspiegels (1) parallelen Richtung aus m - in gleichmäßigen Abständen voneinander - Einzeldetektorelementen plus einem Zusatzdetektor für die Erzeugung von Abfrageimpulsen zusammensetzt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Größe und Abstand der Einzeldetektorelemente einerseits und Gesamthöhe C_V sowie die Code-Bithöhe C_H der Codeplatte (4) andererseits über den Abbildungsmaßstab der zweiten Linse (Abbildungslinse) (8) und der dritten Linse (9) oder lediglich der Linse (9) aufeinander abgestimmt sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbildungsmaßstab der mindestens einen Abbildungslinse (8) derart gewählt ist, daß die Breite des auf die Spaltblende (6) abgebildeten Codebalkens (13) mehr als doppelt so groß ist wie die Breite B_H des Spaltes (5) der Spaltblende (6).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle (2) eine aus einer Vielzahl von LED's bestehende Leiste Verwendung findet, wobei mehrere LED's je zu einer Gruppe zusammengefaßt sind, die jeweils ein Bit des Codebalkens (13) des Gitters (14) beleuchten.