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Die Erfindung betrifft eine optische Winkelmeßvorrichtung
zum Messen der Winkelposition einer elektromagnetischen
Strahlung, wie Laserlicht, die auf die Winkelmeßvorrichtung
auftrifft. Die Vorrichtung umfaßt eine Linsenanordnung, die
eine Eintrittsfläche zum Empfangen der auftreffenden
elektromagnetischen Strahlung und eine Austrittsfläche
festlegt, zu welcher die auftreffende Strahlung innerhalb des
optischen Gesichtsfeldes der Vorrichtung durch die
Linsenanordnung abgelenkt wird, eine Anzahl von Detektoren, die
die elektromagnetische Strahlung, die die Austrittsfläche
der Linsenanordnung verläßt, detektieren und eine
Recheneinheit zum Bestimmen der vorliegenden Winkelposition.
Jeder Detektor ist über einen entsprechenden Lichtleiter mit
der Austrittsfläche verbunden. Jeder Lichtleiter besitzt
eine erste Endfläche, die der Austrittsfläche der
Linsenanordnung zugewandt ist und mit ihr in einem direkten
körperlichen und optischen Kontakt steht, und eine zweite
Endfläche, die mit einem entsprechenden Detektor verbunden ist.
Die ersten Endflächen der Lichtleiter sind so angeordnet,
daß sie die Austrittsfläche der Linsenanordnung im
wesentlichen bedecken.
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Die Vorrichtung, die der obigen entspricht, ist in US-A-
3 819 940 offenbart. In diesem Fall bestehen die
Lichtleiter aus einer Anzahl von faseroptischen Elementen, deren
Achsen parallel zur optischen Achse der Linsenanordnung
liegen und deren Elemente zusammengefaßt sind, um als
Abgleichanordnung zu arbeiten. Die einzelnen bekannten
Positionen der Leuchtdetektoren in einem Array werden
verwendet, um die Winkelposition der auftreffenden Strahlung zu
bestimmen. Ein adäquates Winkelpositionsmeßgeräte
erfordert, daß die einzelnen Detektoren des Arrays in genau
definierter Weise zueinander und bezüglich der
Linsenanordnung oder des Refraktors positioniert sind. Das macht die
Vorrichtung kompliziert.
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Ein weiteres Beispiel einer optischen Winkelmeßvorrichtung,
die teilweise an die Vorrichtung entsprechend dem ersten
Abschnitt oben erinnert, wird in der US-A-4 286 760
beschrieben. Die dargelegte Vorrichtung umfaßt bewegliche
Teile, hat eine erhebliche Länge in Beobachtungsrichtung
und ist wegen des Typs der enthaltenen Elemente in ihrer
Konstruktion ziemlich kompliziert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die
Nachteile der beschriebenen Vorrichtungen zu überwinden und
eine optische Winkelmeßvorrichtung herzustellen, die
keinerlei bewegliche Teile besitzt und die sehr kompakt
hergestellt werden kann mit einer kleinen aktiven Fläche für die
auf die Winkelmeßvorrichtung auftreffende Strahlung,
wodurch die Winkelmeßvorrichtung sehr einfach zu
positionieren ist und in die Lage versetzt wird, Erschütterungen und
relativ starke, sogenannte Moden, zu absorbieren. Sie ist
deshalb unter anderem für den Einsatz in einer
Abwehreinrichtung gut geeignet, und die Winkelposition der
auftreffenden Strahlung kann auf der Basis der momentanen Werte
der auftreffenden Strahlung mit sehr hoher Genauigkeit
bestimmt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer optischen
Winkelmeßvorrichtung erfüllt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
die Eintrittsfläche durch die Eintrittsfläche einer in der
Linsenanordnung enthaltenen optischen Linse definiert ist,
daß jede erste Endfläche eines Lichtleiters so geformt ist,
daß sie im wesentlichen einen entsprechenden Kreissektor
der kreisförmigen Austrittsfläche der Anordnung bedeckt,
daß die zweiten Endflächen der Lichtleiter voneinander
trennbar sind, um eine Anordnung der zweiten Endfläche
jedes Lichtleiters mit ihrem entsprechenden Detektor
unabhängig in einem Abstand von den zweiten Endflächen der anderen
Lichtleiter zu ermöglichen, und daß die vorliegende
Winkelposition durch die Recheneinheit auf der Basis der von den
Detektoren abgegebenen Signalstärken durch Berechnen der
Verhältnisse zwischen Differenzsignalen und Summensignalen
der Signalstärken der Detektoren berechnet wird, und
Bestimmen der Entsprechung der Winkelposition dieser
Verhältnisse. Einfacher ausgedrückt kann gesagt werden, daß ein
gestörtes Gleichgewicht in der Stärke zwischen den
Strahlungsteilen für die Berechnung der Winkelposition
ausgenutzt wird. Die Kombination, die aus einer Linsenanordnung
und Lichtleitern oder optischen Fasern besteht, ist
vollständig frei von beweglichen Teilen und kann eine kompakte
Form ergeben.
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Es soll angemerkt werden, daß die Berechnungen der
Verhältnisse zwischen Differenzsignalen und Summensignalen der
Signalstärken aus der oben genannten US-A-4 286 760 bekannt
sind.
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In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß die Anordnung
optischer Fasern in Verbindung mit einer
Richtungsbestimmungseinrichtung an sich bekannt ist, siehe US-A-4 625 108.
In diesem Fall sind die ersten Endflächen der optischen
Fasern gleichförmig über die konvex gewölbte Oberfläche eines
haibkugelförmigen Körpers verteilt, während die zweiten
Endflächen mit den Detektoren verbunden sind. Die ersten
Endflächen der optischen Fasern werden zum direkten Empfang
der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung verwendet.
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Entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die
optischen Lichtleiter so geformt, daß von einem
Kreissektorabschnitt an der Austrittsfläche auf einen Kreissektor
am Detektorende umgewandelt wird.
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Entsprechend einem weiteren vorteilhaften
Ausführungsbeispiel enthält die Linsenanordnung eine plankonvexe Linse,
deren plane Oberfläche die Austrittsfläche der
Linsenanordnung bildet, und eine das Gesichtsfeld vergrößernde
Zerstreuungslinse, deren eine Oberfläche die Eintrittsfläche
der Linsenanordnung bildet und deren andere Oberfläche zur
konvexen Oberfläche der plankonvexen Linse zugewendet ist.
Das Ausführungsbeispiel ist besonders kompakt und besitzt
infolge der Zerstreuungslinse ein vergrößertes
Gesichtsfeld. Ein Beispiel einer geeigneten Zersteuungslinse ist
eine plankonkave Linse, deren plane Oberfläche der
Eintrittsöffnung der Winkelmeßvorrichtung zugewendet ist.
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Die Linsenanordnung kann vorteilhafterweise aus einem
kompakten Körper aufgebaut sein, der in Linsen mit
verschiedenen Brechungsindizes unterteilt ist.
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Um zu verhindern, daß Streulicht den nutzbaren
Winkelbereich verringert, sind die Kantenflächen der
Linsenanordnung entsprechend einem weiteren vorteilhaften
Ausführungsbeispiel mindestens teilweise geschwärzt.
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Die Arbeit der Winkelmeßvorrichtung kann durch Einführen
einer weiteren optischen Faser getestet werden. Eine
Endfläche der optischen Faser ist mit der Linsenanordnung
verbunden, während die andere Endfläche mit einer Lichtquelle
verbunden ist. Das Licht, das durch die weitere optische
Faser zur Linsenanordnung geleitet wird, wird mindestens
zum Teil zu den Detektoren zurückgeführt, die in
Übereinstimmung mit einem bekannten Kennzeichen in einem Test in
der Winkelmeßvorrichtung enthalten sind. Bei Verbindung des
weiteren Teils mit dem Zentrum der Linsenanordnung können
im wesentlichen gleich große Signale an den verschiedenen
Detektoren einen fehlerfreien Betrieb der
Winkelmeßvorrichtung anzeigen.
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Winkelpositionen von Signalverhältnissen, die auftreten
können, werden vorher geeignet in Tabellenform
aufgezeichnet.
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Entsprechend einem geeigneten Ausführungsbeispiel sind die
Mittel zum Teilen der auftreffenden Strahlung so
angeordnet, daß die auftreffende Strahlung in vier Strahlteile
geteilt wird. Die Winkelposition kann dadurch leicht in zwei
rechtwinklig zueinander liegenden Richtungen bestimmt
werden.
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Die Erfindung soll unten unter Bezugnahme auf die
anhängenden Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden, wobei
Figur 1 eine Winkelmeßvorrichtung entsprechend der Erfindung
in einem partiellen Schnitt entsprechend 1-1 in Figur 2
schematisch zeigt, Figur 2 eine schematische Draufsicht der
Winkelmeßvorrichtung entsprechend der Erfindung zeigt, die
Figuren 3 und 4 Kurvendiagramme von detektierten Signalen
zeigen und die Berechnung der Winkelposition erklären,
Figur 5 in einem partiellen Schnitt ein Beispiel zeigt, wie
die Mittel zum Teilen der auftreffenden Strahlung an der
Eintrittsöffnung der Winkelmeßvorrichtung enthalten sein
können, und Figur 6 ein weiteres Beispiel einer
Linsenanordnung zeigt, die in der Winkelmeßvorrichtung enthalten
sein kann.
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Die optische Winkelmeßvorrichtung 1, die in Figur 1
schematisch gezeigt wird, enthält eine Linsenanordnung 2, die aus
einer plankonkaven Linse 3 und einer plankonvexen Linse 4
in dieser Reihenfolge von der Eintrittsöffnung der
Winkelmeßvorrichtung her besteht. Je eine Endfläche der vier
getrennten optischen Fasern 6.1 - 6.4 ist mit der planen
Oberfläche 5 der plankonvexen Linse 4 verbunden, von denen
nur die beiden hinteren optischen Fasern 6.1 und 6.2 in
Figur 1 gezeigt werden. An der jeweils anderen Endfläche der
optischen Fasern sind optische Detektoren 7.1 und 7.2
angeordnet. Der Ausgang jeden Detektors 7.1, 7.2 ist mit einem
zugehörigen Verstärker 8.1, 8.2 verbunden. Die Detektoren
sind über die Verstärker mit einer elektronischen
Recheneinheit 9 verbunden.
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Figur 2 zeigt die Verbindung der optischen Fasern 6.1 - 6.4
mit der plankonvexen Linse 4. Entsprechend der Figur füllt
jede optische Faser einen Kreissektor 10.1 - 10.4 von 90º
aus. Die optischen Fasern sind so in Richtung der
Detektoren angeordnet, daß sie ihren Querschnitt von
kreissektorförmigen zu einem Kreissektor ändern.
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Wie aus den Figuren 1 und 2 zu erkennen ist, ist zwischen
dem Zentrum der planen Oberfläche 5 der plankonvexen Linse
4 und einer Lichtquelle 14 eine weitere optische Faser 13
angeschlossen. Die optische Faser 13 und die Lichtquelle 14
sind in einer Testoperation enthalten, die weiter unten
beschrieben wird.
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Die Strahlung 11 in Form von zum Beispiel Einzelimpulsen,
die innerhalb des Gesichtsfeldes der Winkelmeßvorrichtung
auf die Winkelmeßvorrichtung 1 auftrifft, wird über die
Linsenanordnung 2 zur kreissektorförmigen Endfläche der
optischen Fasern, die mit der plankonvexen Linse 4 verbunden
sind, gebrochen. In dem Fall, in dem die auftreffende
Strahlung auf die plane Oberfläche 12 der plankonkaven
Linse in rechten Winkeln auftrifft, ist die Strahlung ideal
in gleichen Abständen zwischen den vier ankommenden
optischen Fasern 6.1 - 6.4 und ihren zugeordneten Detektoren
7.1 - 7.4 verteilt. Wenn die auftreffende Strahlung aus der
rechtwinkligen Richtung abweicht, wird ein gestörtes
Gleichgewicht in der detektierten Signalstärke erzeugt. Das
entstandene gestörte Gleichgewicht enthält bestimmte
Informationen über die Winkelposition relativ zur rechtwinkligen
Richtung des Auftreffens und kann für die Bestimmung der
Winkelposition in einer Weise verwendet werden, die unten
in größeren Einzelheiten beschrieben wird.
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Das Kurvendiagramm in Figur 3 zeigt ein Beispiel, wie die
Signale, die von den Detektoren ausgegeben werden, als
Funktion einer Winkelabweichung 0 von der Normalen an der
Eintrittsöffnung für den Fall erscheinen können, in dem nur
zwei symmetrisch angeordnete optische Fasern in der
Winkelmeßvorrichtung enthalten sind. In dem gezeigten Beispiel
besitzt ein Signal A einen Spitzenwert bei einer
Winkelabweichung von annähernd 15º, während das zweite Signal B
einen Spitzenwert bei einer Winkelabweichung von annähernd
-15º besitzt.
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In dem Kurvendiagramm in Figur 4 ist das Signalverhältnis
D = (A-B)/(A+B) als Funktion der Winkelabweichung θ
gezeichnet. Durch Berechnung des Signalverhältnisses D und
Prüfung der Winkelposition, welcher dieses entspricht, kann
eine aktuelle Winkelposition bestimmt werden.
Winkelpositionen von Signalverhältnissen, die auftreten können,
werden vorher in Tabellenform geeignet aufgezeichnet. Die
vertikale und horizontale Winkelposition kann durch
Interpolation berechnet werden.
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Die Bestimmung der Winkelposition wurde oben für zwei
optische Fasern mit zugehörigen Detektoren erläutert. Es kann
nichts daran hindern, die Anzahl auf vier oder vielleicht
mehr zu erhöhen. Im Fall von vier Detektoren, welche in dem
Beispiel entsprechend den Figuren 1 und 2 vorgesehen sind,
kann die Bestimmung der Winkelposition in einer ersten
Richtung durch die Signale von den zwei ersten Paaren von
aneinander angrenzenden Detektoren durchgeführt werden, die
vor der Berechnung des Verhältnisses summiert werden, zum
Beispiel die Summe der Signale von den Detektoren 7.1 und
7.2 und der Summe der Signale von den Detektoren 7.3 und
74. In einer rechtwinkligen Richtung in bezug auf die erste
Richtung kann dadurch die Winkelposition durch Summieren
der Signale der Detektoren 7.1 und 7.4 und Summieren der
Signale der Detektoren 7.2 und 7.3 vor der Berechnung des
Verhältnisses bestimmt werden.
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Das Testen der Funktion der Winkelmeßvorrichtung findet in
einer solchen Weise statt, daß die Lichtquelle 14, die an
der einen Endfläche der optischen Faser 13 angeordnet ist,
aktiviert wird. Die Lichtquelle kann zum Beispiel von einer
Laserdiode gebildet werden. Das Licht wird von der
Lichtquelle 14 über die optische Faser 13 zum planen Teil der
plankonvexen Linse 4 geleitet. Mindestens ein Teil des zur
plankonvexen Linse geleiteten Lichtes wird zu den optischen
Fasern 6.1 - 6.1 reflektiert. Da es in diesem Fall eine
Frage der völlig symmetrischen Anordnung der optischen
Fasern ist, wird das Licht, das zu den optischen Fasern
6.1 - 6.4 reflektiert wird, zwischen den Fasern und den
zugehörigen Detektoren im wesentlichen gleich verteilt. Die
elektronische Schaltung 9 zeigt in dem Fall eine
funktionierende Winkelmeßvorrichtung, bei dem die Ausgangssignale
der Detektoren im wesentlichen dieselbe Größe besitzen. Im
anderen Fall wird eine Störung angezeigt.
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Figur 5 zeigt in einem partiellen Schnitt ein Beispiel, wie
die Mittel zum Teilen der auftreffenden Strahlung in der
Eintrittsöffnung der Winkelmeßvorrichtung enthalten sein
können. Die Linsenanordnung 2 und die optischen Fasern
6.1 - 6.4 sind in runden, im wesentlichen röhrenförmigen
Elementen 15, 16, 17 enthalten. Die plankonkave Linse 3
wird hier durch die Wechselwirkung zwischen den
röhrenförmigen Elementen 16, 17 gehalten. Die plankonvexe Linse 4
kann an der Innenseite des röhrenförmigen Elementes 17
mittels
Löten befestigt sein. Die röhrenförmigen Elemente 15,
16 sind durch eine Schraubenverbindung 18 verbunden. Die
optischen Fasern 6.1 - 6.4 können entsprechend einer
Ausführung mit ihren Endflächen auf die plane Oberfläche 5 der
plankonvexen Linse 4 gelötet sein. Der Übergang zwischen
den optischen Fasern und der planen Oberfläche kann
möglicherweise mit einem im Brechungsindex angepaßtem Öl gefüllt
sein, das heißt einem Öl mit einem Brechungsindex, dessen
Quadrat dem Produkt des Brechungsindex der plankonvexen
Linse und des Brechungsindex der optischen Fasern
entspricht. Eine geeignete Auswahl des Materials für die
enthaltenen Linsen kann für die plankonkave Linse 3 Saphir und
für die plankonvexe Linse 4 crownglas (Kronglas) sein.
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Streulicht in der Winkelmeßvorrichtung verringert ihren
anwendbaren Winkelbereich. Um das Streulicht zu verringern,
können die Kantenflächen 20, 21 der Linsenanordnung
entsprechend einem ersten Verfahren vollständig oder teilweise
geschwärzt werden. Wenn der Brechungsindex des
Schwärzungsmittels vollständig dem der zugehörigen Linse entspricht,
trifft das Licht fast ohne Reflektionsverluste auf das
Schwärzungsmittel auf. Durch das Schwärzungsmittel, das
dämpfende Mittel wie Kohlenstoffkörner enthält, wird das
Licht fast vollständig abgeschwächt, bevor es wieder die
Linse erreicht. Entsprechend einem zweiten Verfahren können
die Linsen vorzugsweise mit kreisförmigen Leitflächen
ausgerüstet werden, welche die Kantenflächen der Linsen
umgeben.
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Figur 6 zeigt eine Linsenanordnung 2 in Form eines
kompakten Körpers, der drei Linsenteile enthält. Zusätzlich zu
den im Zusammenhang mit den oben beschrieben Linsenteilen
in Form einer plankonkaven Linse 3 beziehungsweise einer
plankonvexen Linse 4 ist eine eingeschobene Linse 19
vorhanden, die den Zwischenraum zwischen den Linsen 3 und 4
ausfüllt. Die Anordnung verhindert, daß Feuchtigkeit in die
Linsenanordnung eindringt und die Ausbildung eines Filmes
verursacht.
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Die Erfindung ist in keiner Weise auf die beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es ist innerhalb
des Umfangs der Erfindung, wie er durch die
Patentansprüchen festgelegt ist) eine große Anzahl von Ausführungen
unterzubringen. Zum Beispiel kann die Anzahl der optischen
Fasern mit den zugehörigen Detektoren und dadurch die Form,
die die Endflächen der optischen Fasern an der Verbindung
mit der plankonvexen Linse annehmen, in weiten Grenzen
variiert werden.