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Einrichtung zur Koordinatenmessung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur koordinatenmäßigen Bestimmung der Lage eines Zielobjektes mit einem optischen
System zur Bündelung der von dem Ziel ausgesendeten Strahlung in einer Bildebene;
mit einer mit der optischen Achse zentrierten, abwechselnd durchlässige und undurchlässige
Segmente aufweisenden Blende, bei deren Rotation die Strahlung des Zielbildes vor
dem Auftreffen auf ein Empfangselement moduliert wird; mit einem Frequenzgenerator
zur Bildung eines mit der Blendenrotation synchronen Vergleichssignals sowie mit
Mitteln zur Bestimmung der Phasenverschiebung des vom Empfangselement abgegebenen
Ausgangssignals gegenüber dem Vergleichssignal, wobei diese Phasenverschiebung ein
Maß für die eine Polarkoordinate des Zielbildes, nämlich den Richtungswinkel darstellt.
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Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, nicht nur die Richtungskoordinate
des Zielbildes, sondern gleichzeitig auch dessen Ablagekoordinate durch eine Phasenmessung
zu ermitteln.
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Bei bisher bekanntgewordenen Einrichtungen, mit denen einerseits
die Richtungskoordinate durch Vergleich des Meßsignals gegenüber einem Vergleichssignal,
d. h. also aus der Messung einer Phasenverschiebung, bestimmt wird, ist es üblich,
die Ablagekoordinate durch eine Impulslängenmessung, d. h. praktisch durch eine
genaue Zeitmessung, zu bestimmen, was insbesondere verschiedene Meßanordnungen unter
erheblichem apparativen Aufwand erforderlich macht. Eine bekannte Einrichtung verwendet
zur Bestimmung der Ablagekoordinaten z. B. eine Modulationsblende, wie sie in Abb.
1 dargestellt ist. Durch periodische Drehung dieser
Blende wird
das Bildfeld des Systems abgetastet, so daß man am Ausgang des strahlungsempfindlichen
Empfangselements ein entsprechend moduliertes Meßsignal erhält. In Abb. 2 sind diese
Meßsignale für drei verschiedene Bildpunkte a, b und c bei einer vollen Blendenumdrehung
graphisch dargestellt, d. h., es ist jeweils die Intensität in Abhängigkeit von
der Zeit aufgetragen, wobei vorausgesetzt wird, daß sich die Modulationsblende in
Abb. 1 zur Zeit t = 0 in der Null-Lage befindet. Die Länge der Hellimpulse (schraffierte
Kästchen) ist jeweils ein Maß für die Ablagekoordinate eines Bildpunktes.
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Man erkennt sofort, daß die Ablagekoordinaten der Bildpunkte b und
c gleich groß sind, während diejenige des Bildpunktes a kleiner ist. Es ist offenbar,
daß bei jeder Impulsfolge die Summe der schraffierten Kästchen als »Impulslänge«
zu nehmen ist, wogegen andererseits auch die Länge der Null-Impulse (d. h. also
die Zeiten, während denen die Strahlung durch den undurchlässigen Teil der Modulationsblende
ausgeblendet ist) jeweils ein Maß für die Ablagekoordinaten darstellt.
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Die Einrichtung nach der Erfindung dagegen erlaubt nicht nur die
Bestimmung des Richtungswinkels, sondern auch der Ablage durch reine, miteinander
gekoppelte Phasenmessungen, was insbesondere eine günstige Vereinheitlichung der
Bauelemente der Auswerteschaltung einbringt.
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Bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art wird zu diesem Zwecke
erfindungsgemäß vorgesehen, daß zur Gewinnung auch der Ablagekoordinate des Zielbildes
mittels Phasenmessung eine Modulationsblende verwendet wird, die als Halbblende
ausgebildet ist und die in der einen Blendenhälfte eine Anzahl n Segmente aufweist,
deren Begrenzungsränder vom Blendenmittelpunkt zur Blendenperipherie hin mit einer
derartigen Krümmung verlaufen, daß sie an der Peripherie jeweils um eine Segmentbreite
versetzt sind; weiter ist erfindungsgemäß ein Frequenzvervielfacher vorgesehen,
mit dem durch Vervielfachung des vom Vergleichsfrequenz-Generator gelieferten Vergleichssignals
ein zweites Vergleichs signal erzeugt wird, wobei das Vervielfachungsverhältnis
durch die Anzahl n der Segmente der Modulationsblende bestimmt ist; außerdem ist
erfindungsgemäß eine Einrichtung zur Nachschiebung des zweiten Vergleichssignals
vorgesehen, derart, daß das zweite Vergleichssignal mit derjenigen Phasenverschiebung
anläuft, welche sich aus der Phasemnessung zur Bestimmung des Richtungswinkels ergibt,
und ferner durch eine weitere Vergleichsschaltung zur Messung der Phasenverschiebung
des vom Empfangselement abgegebenen Ausgangssignals gegenüber dem zweiten Vergleichssignal.
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Diese zuletzt genannte Phasenverschiebung stellt ein eindeutiges
Maß für die gesuchte Ablagekoordinate dar.
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Im folgenden wird nun die erfindungsgemäße Einrichtung und ihre Wirkungsweise
im einzelnen erläutert.
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In der Abb. 3 ist die erfindungsgemäße Modulationsblende in einem
Ausführungsbeispiel dargestellt.
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A. Funktionsprinzip 1. Die auf das Empfangselement fallende Strahlung
wird vorher mit der Modulationsblende gemäß Abb. 3 periodisch moduliert.
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2. Vom Empfangs element wird ein entsprechend moduliertes Signal
abgegeben und nach Verstärkung weiter ausgewertet (im folgenden mit »Zielsignal«
bezeichnet).
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3. Ein Frequenzgeber liefert die Grundwelle (Vergleichssignal fl),
deren Periode gleich derjenigen der Blendenrotation ist (T) und deren Phase zur
Zeit t = 0 beginnt, entsprechend der Null-Lage der Blende.
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Die Messung der Phasenverschiebung des Zielsignals gegenüber dem
Vergleichssignal t i liefert ein Maß für die Richtung P des Zieles, da die Richtung
u direkt dieser Phasenverschiebung proportional ist.
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4. Ein Frequenzvervielfacher liefert die n-te Oberwelle (Vergleichssignal
2), deren Periode T2 zur Periode T der Grundwelle im Verhältnis 1: in steht, wobei
n die Anzahl der oberhalb des Durchmessers der Blende vorgesehenen, strahlungsdurchlässigen
und -undurchlässigen Segmente ist.
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Die Oberwelle (Vergleichssignal 2) beginnt mit einer Phasenverschiebung
gegenüber der Grundwelle (Vergleichssignal fit), und zwar um den Betrag der Verschiebung,
der sich aus der Phasenmessung zur Bestimmung der Richtung su ergibt.
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5. Die Messsung der Phasenverschiebung des Zielsignals gegenüber
dem Vergleichssignal 2 liefert ein Maß für die Ablage r des Zielbildes.
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B. Die Modulationsblende Die Modulationsblende hat die Gestalt einer
kreisrunden Scheibe, die durch einen Durchmesser in zwei Hälften unterteilt ist,
wobei nur die obere Hälfte strahlungsdurchlässige Sektoren besitzt, wenn bei Betrachtung
in Ruhestellung der Durchmesser mit der Null-Lage zusammenfällt (Nullachse).
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In der oberen Hälfte der Blende sind die vom Mittelpunkt zur Peripherie
verlaufenden Begrenzungsränder der abwechselnd strahlungsdurchlässigen und strahlungsundùrchlässigen
Sektoren Anfangskurven von Archimedischen Spiralen, d. h., Punkte auf diesen Kurven
werden in Polarkoordinaten dargestellt durch S # R r = #, # mit S = Anzahl n der
durchlässigen und undurchlässigen Sektoren für den von der Nullachse aus
gezählten
1. Rand, S = n/2 für den 2. Rand, S = n/3 für den 3. Rand usw. bis S = nin = 1 für
den letzten Rand, der sich wieder vor der Nullachse befindet, sowie mit R = Radius
der Blende.
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Die direkte Proportionalität von nu zu r ist für die Ausbildung der
Modulationsblende zweckmäßig.
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Für r = R, also fur Punkte, die im Schnittpunkt der Begrenzungskurven
mit der Peripherie liegen, ist somit rt D/2 n/3, bis qp=s, d. h., die Begrenzungsränder
sind an der Peripherie der Blende jeweils um eine Sektorenbreite B versetzt. In
der Praxis wird die Anzahl n der Blendensektoren vorzugsweise 32, 64 oder 128 betragen.
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Ihre Anzahl richtet sich insbesondere nach der Bildfeldgröße und nach
dem Auflösungsvermögen der Optik sowie nach dem Bestreben, strahlende Meßobjekte
von punktförmiger und nicht flächenhafter Ausdehnung zu erfassen.
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Um die Darstellung des Ausführungsbeispieles zu vereinfachen, wird
eine Modulationsblende mit 4 Sektoren (gemäß Abb. 3) gewählt.
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Diese Modulationsblende ist also gemäß obigem als Halbblende ausgebildet,
so daß die beiden Hälften der Blende durch einen mit der Nullachse zusammenfallenden
Durchmesser begrenzt werden. In dieser Null-Lage befindet sich die Blende zur Zeit
t = O. An der Peripherie, von der Null-Lage aus nach oben gezählt, besitzt die Halbblende
vier Sektoren, wobei der erste Sektor durchlässig, der zweite undurchlässig, der
dritte durchlässig und der vierte wieder undurchlässig ist. Im vorliegenden Beispiel
haben die Blendensektoren an der Peripherie eine Breite von je # # R B = .
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4 Bei dieser Ausbildung der Modulationsblende wird ein Teil des durchlässigen
ersten Sektors durch den Blendendurchmesser abgeschnitten und erscheint, im Bogenmaß
um # gedreht, als durchlässiger Schlitz nach dem undurchlässigen vierten Sektor.
Dieser Schlitz ergänzt somit den ersten Sektor zu einem Sektor voller Fläche.
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Der erste Sektor wird also auf der einen Seite vom Blendendurchmesser
begrenzt und auf der anderen Seite von einem ersten Begrenzungsrand, nämlich einer
Kurve 4 # R r = #, # der zweite Schtor wird auf der einen Seite vom ersten Rand
und auf der anderen Seite von einem 2. Rand, nämlich einer Kurve 4/2 # R r = #,
# begrenzt, der 3. Sektor wird auf der einen Seite vom 2. Rand und auf der anderen
Seite von einem 3. Rand, nämlich einer Kurve 4/3 # R r = # # begrenzt, der 4. Sektor
wird auf der einen Seite vom 3. Rand und auf der anderen Seite von einem 4. Rand,
nämlich einer Kurve 4/4 # R r = #, # begrenzt, während schließlich der den ersten
Sektor ergänzende Schlitz auf der einen Seite vom 4. Rand und auf der anderen Seite
vom Blendendurchmesser begrenzt wird.
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Bei Betrieb der Meßeinrichtung rotiert die Blende mit konstanter
Kreisfrequenz # = 2 #f, also mit der Periode T1 = 2#/@, w wobei z. B. f=1000 Hz
als Umdrehungsfrequenz gewählt wird. In der Abb. 3 wird durch den Pfeil die Drehrichtung
angegeben, wobei die Drehachse mit der optischen Achse identisch bzw. zentriert
ist.
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C. Durchführung der Messung und Auswertung der Meßergebnisse Die Punkte
A bis E in Abb. 3 bedeuten die jeweiligen Bildpunkte eines strahlenden Meßobjektes
(Zieles) in verschiedenen Lagen innerhalb des Bildfeldes. Bei A, B und C besitzt
das Zielbild jeweils die gleiche richtung # und bei d, B und E jeweils die gleiche
Ablage r, jedoch verschiedene Richtungswinkel. Die Rotation der Blende beginnt zur
Zeit t = O bei der in Abb. 3 angegebenen Lage der Bildpunkte.
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In den Abb. 4 und 5 ist die Intensität J der modulierten, vom Empfangs
element abgegebenen Zielsignale als Funktion der Zeit t graphisch dargestellt (Impulsfolgen).
Zum Phasenvergleich dient erstens das mit fl bezeichnete Vergleichssignal, das zur
Zeit t = O beginnt (entsprechend dem Anfang der Blendenrotation) und dessen Periode
gleich derjenigen der Blendenrotation ist. Abb. 4, A zeigt die Impulsfolge, die
sich bei Modulation der Strahlung des Bildpunktes A ergibt. Eine Phasenverschiebung
ist z. B. festzustellen, wenn der Beginn bzw. das Ende der Ausblendung der Strahlung
durch die undurchlässige Halbkreisscheibe der Blende nicht gleichzeitig zur Zeit
XTt bzw. T1 erfolgt, wenn T1 die Periode des Vergleichssignals fI ist. Wie man aus
Abb. 4, A entnimmt, ist bei dieser Impulsfolge der Beginn des Impulses mit der Intensität
J = O und
der Dauer t = ½ T1 um den Betrag <3A gegenüber dem
Zeitpunkt 12 T1 verschoben. Der Betrag aA bedeutet also eine Phasenverschiebung
der Impulsfolge (Abb. 4, A) gegenüber dem Vergleichssignal (Abb. 4, fl) und stellt
ein direktes Maß für die Richtung nu des Bildpunktes A dar. Abb. 4, f2A zeigt nun
ein Vergleichssignal 2, dessen Periode T2 zur-Periode, des Vergleichssignals f1
im Verhältnis 1 : 4 steht, also T2 = ¼ T1, und das zur Zeit t = 0 mit einer Phasenverschiebung
gegenüber dem Vergleichssignal f1 gerade um den soeben gemessenen Betrag #A anläuft.
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Die zur Bestimmung der Ablage r vorgesehene Messung der Phasenverschiebung
der Impulsfolgen (Abb. 4) gegenüber den Vergleichssignalent2 besteht beispielsweise
darin, daß die zeitliche Lage des ersten Maximums bzw. des ersten Minimums dieser
Impulsfolgen mit der zeitlichen Lage der entsprechenden Impulsfolgen des Vergleichssignals
2 verglichen wird.
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Im Falle des Punktes A (Vergleich von Abb. 4, A mit Abb. 4, f2A)
ergibt sich eine Verschiebung um den Betrag, der ein Maß für die Ablage r des Bildpunktes
A darstellt.
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In gleicher Weise führt im Falle des Bildpunktes B der Vergleich
der Impulsfolge Abb. 4, B erstens mit dem Vergleichssignal fi zur Messung der Phasenverschiebung
#B und zweitens mit dem Vergleichssignal f, ß zur Messung der Phasenverschiebung
#A, und ebenso erhält man im Falle des Bildpunktes C die Phasenverschiebungen #C
und dc (Abb. 4, C).
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Es zeigt sich, daß <3A = Bg = #C ist, d. h. also, daß den Bildpunkten
A, B und C dieselbe Richtung',' zuzuordnen ist und daß die Vergleichssignale f2
A, f2 B und f2 C mit gleicher Phase beginnen müssen.
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Es zeigt sich weiter, daß #A > #A > #C ist, d. h. also, daß
den Bildpunkten A, B und C verschiedene Ablagen r eindeutig zuzuordnen sind.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht zwischen den Phasenverschiebungen
d und den Ablagen r die Beziehung, daß mit wachsendem Betrag von r die Phasenverschiebung
d gegen Null geht. In den Grenzfällen ist also für r=O die Phasenverschiebung d
maximal und für r = R die Phasenverschiebung gleich Null. Dies braucht im allgemeinen
nicht der Fall zu sein, da die Messung der Phasenverschiebung der empfangenen Zielsignale
gegenüber den Vergleichssignalen 2 eine Frage der Definition von Phasenvoreilung
oder -verzögerung ist und daher ebensogut eine Beziehung bestehen kann, daß sich
mit wachsendem Betrag der Ablage r der Betrag der Phasenverschiebung d vergrößert.
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Die Abb. 5 zeigt das Ergebnis der Messung der Phasenverschiebungen
für die drei Bildpunkte D, B und E.
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Es ist für den Punkt D die Phasenverschiebung #D = 0, entsprechend
der Lage des Punktes D in der Polarachse (# = 0), und es ist weiterhin #D < #B
< #E, entsprechend den wachsenden Richtungen #D < #B < #E.
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Die Vergleichssignale 2 beginnen daher mit einer Phasenverschiebung
von aD = O für das Signal 2 D, von aB für das Signal 2 B und von dE für das Signal
f2 E.
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Die für Abb. 4, A beschriebene Methode des Phasenvergleichs ergibt
bei Anwendung auf die Impulsfolgen von Abb. 5 die Phasenverschiebungen AD = #B =
AE. Für die Ablagekoordinaten der Bildpunkte D, B und E erhält man also rD = rB
= rE.
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Als wesentlicher technischer Fortschritt der Erfindung ist die Tatsache
anzusehen, daß unter Verwendung einer zweckmäßigen Modulationsblende die praktisch
gleichzeitige Bestimmung der Polarkoordinaten Richtung und Ablage durch die Messung
von Phasenverschiebungen durchgeführt wird, wobei einfache Proportionalitätsbeziehungen
zugrunde liegen.
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Es ist daher möglich, die Auswertung in einfacher Weise durch eine
Rechenautomatik durchführen zu lassen.