ES2555270T3

ES2555270T3 - Sistema de metrología óptica proyectiva para determinar actitud y posición

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Publication number: ES2555270T3
Application number: ES12163536.1T
Authority: ES
Inventors: Fulvio Bresciani; Fabio Musso
Original assignee: Thales Alenia Space Italia SpA
Current assignee: Thales Alenia Space Italia SpA
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2015-12-30
Anticipated expiration: 2032-04-10
Also published as: US8625108B2; EP2508427B1; EP2508427A8; US20120257194A1; PL2508427T3; ITTO20110325A1; EP2508427A1

Abstract

Un sistema de metrología óptica proyectiva (1) que comprende: - un objetivo luminoso (2) que comprende una pluralidad de fuentes de luz (4a a 4c) con una disposición espacial prefijada; - un sensor de imágenes opto-electrónico (10); - una unidad óptica (6) configurada para recibir una señal lumínica (R1, R2) procedente del objetivo luminoso y para definir dos trayectos ópticos distintos para la señal lumínica hacia el sensor de imágenes opto-electrónico, siendo los dos trayectos ópticos tales como para provocar la formación simultánea en el sensor de imágenes opto-electrónico de al menos dos imágenes (I1, I2) del objetivo luminoso; en el que la unidad óptica (6) comprende además un elemento óptico receptor (12) configurado para recibir la señal lumínica (R1, R2) procedente del objetivo luminoso (2); y en el que ambos trayectos ópticos se extienden hacia el sensor de imágenes opto-electrónico (10) a partir del elemento óptico receptor; comprendiendo además la unidad óptica: - un primer circuito óptico (OT1) que tiene un primer plano principal frontal (P1; P42a), un primer plano principal trasero (P1; P42b) y una primera longitud focal efectiva trasera (f1; fe1) y que define un primer trayecto óptico de dichos dos trayectos ópticos; - un segundo circuito óptico (OT2) que tiene un segundo plano principal frontal (P2; P44a), un segundo plano principal trasero (P2; P44b) y una segunda longitud focal efectiva trasera (f2; fe2) y que define un segundo trayecto óptico de dichos dos trayectos ópticos; y en el que los planos principales frontales primero y segundo están separados del elemento óptico receptor (12), respectivamente, por una primera distancia (dc + d1) y una segunda distancia (dc + d2), distintas entre sí y medidas, respectivamente, a lo largo de los trayectos ópticos primero y segundo; y en el que los planos principales traseros primero y segundo están separados del sensor de imágenes opto-electrónico (10), respectivamente, por una tercera distancia (d3) y una cuarta distancia (d4), siendo medidas dichas distancias tercera y cuarta, respectivamente, a lo largo de los trayectos ópticos primero y segundo y siendo, respectivamente, una función de las longitudes focales efectivas traseras primera y segunda (f1, f2; fe1, fe2); y en el que el sensor opto-electrónico (10) comprende una superficie de detección (A) y en el que el objetivo luminoso (2), la superficie de detección y las longitudes focales efectivas traseras primera y segunda (f1, f2; fe1, fe2) son tales que, cuando el objetivo luminoso se establece a una primera distancia (Dprog) de la unidad óptica (6), ambas imágenes (I1, I2) están contenidas dentro de la superficie de detección; - comprendiendo además el sistema de metrología óptica proyectiva una unidad de procesamiento electrónico (3) acoplada con el sensor de imágenes opto-electrónico y configurada para determinar, para cada una de dichas dos imágenes, un número de máximos de intensidad lumínica, igual al número de fuentes de luz del objetivo luminoso y para determinar, sobre la base de la posición de dichos números de máximos para dichas dos imágenes, una pluralidad de distintas cantidades, que indican la posición y la actitud del objetivo luminoso con respecto a la unidad óptica.

Description

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DESCRIPCION

Sistema de metrologfa optica proyectiva para determinar actitud y posicion

La presente invencion se refiere a un sistema de metrologfa optica de tipo proyectivo. En particular, la presente invencion considera un sistema de metrologfa optica proyectiva para determinar actitud y posicion.

Como se sabe, estan ahora disponibles numerosos sistemas de metrologfa que hallan uso, entre otras cosas, en el sector aeroespacial. En particular, en el sector aeroespacial, se conocen los sistemas de metrologfa que tienen la funcion de determinar la actitud y / o la posicion de un satelite. Aun mas en particular, se conocen sistemas de metrologfa que permiten, dado un par de satelites, la determinacion de la posicion mutua y la actitud mutua de los dos satelites.

La determinacion de las actitudes y las posiciones de satelites es de especial importancia en el caso de sistemas de satelites cuyos satelites estan dispuestos en formacion, es decir, en los casos donde se concibe la determinacion de la actitud y la posicion de cada satelite como una funcion de la actitud y la posicion de los otros satelites.

En la practica, dados dos satelites, la determinacion de la actitud mutua y de la posicion mutua requiere la determinacion de seis grados de libertad. De hecho, suponiendo un primer sistema de referencia y un segundo sistema de referencia fijados, respectivamente, con respecto a un primer satelite y a un segundo satelite y formado cada uno por un tno de ejes perpendiculares, la actitud mutua y la posicion mutua de los sistemas de referencia primero y segundo y por tanto de los satelites primero y segundo, pueden ser expresadas en terminos de tres desplazamientos (lineales) y tres rotaciones (angulos). En particular, la posicion mutua del primer satelite con respecto al segundo satelite puede ser expresada por medio de un conjunto de tres desplazamientos medidos, respectivamente, a lo largo de los tres ejes del segundo sistema de referencia. Analogamente, la actitud mutua del primer satelite con respecto al segundo satelite puede ser expresada por medio de un conjunto de tres angulos, iguales a las correspondientes rotaciones del primer sistema de referencia con respecto al segundo sistema de referencia.

Dicho esto, en general, los sistemas de metrologfa optica ahora disponibles pueden ser divididos en los denominados sistemas “toscos” y los denominados sistemas “finos”, de acuerdo con la precision y el campo de aplicacion, estando los ultimos dados por la gama de distancias que pueden extenderse entre los satelites sin degradarse significativamente los niveles de prestaciones.

En mayor detalle, los sistemas finos de metrologfa permiten la determinacion de la posicion mutua de dos satelites con una precision menor que un centfmetro, siempre que los satelites no esten dispuestos a una distancia entre sf mayor que alrededor de cincuenta metros. Algunos sistemas finos de metrologfa incluso permiten la determinacion de la posicion mutua de dos satelites con una precision del orden de una decima de milfmetro, siempre que los satelites no esten dispuestos a una distancia entre sf mayor que un metro.

En cambio, los sistemas toscos de metrologfa estan caracterizados por una precision no inferior a alrededor de diez centimetres. Sin embargo, pueden funcionar tambien cuando la distancia entre los satelites es mayor que cincuenta metros, por ejemplo, tambien hasta distancias de veinte kilometres.

A modo de ejemplo, los sistemas toscos de metrologfa comprenden sistemas de metrologfa basados en el uso del sistema de localizacion global (GPS) por satelite, asf como sistemas de metrologfa basados en el uso de radiacion de frecuencia de radio, recurriendo esta ultima a redes de antenas considerablemente complejas.

En lo que respecta, en cambio, a sistemas finos de metrologfa, son conocidos en la tecnica sistemas de un tipo proyectivo, al menos en parte, que conciben que, dados dos satelites, uno de ellos esta equipado con un objetivo formado por un numero N de fuentes de luz y el otro esta equipado con una unidad optica, que incluye un sensor opto-electronico capaz de adquirir una imagen del objetivo, sobre cuya base, por medio del pos-procesamiento, la unidad optica misma determina uno o mas de los anteriormente mencionados grados de libertad.

A modo de ejemplo, la solicitud de patente N.°: EP1986018 describe un sistema para determinar la posicion y la actitud de un sistema con seis grados de libertad y donde el numero N de fuentes de luz del objetivo es igual a uno. Sin embargo, para permitir la determinacion de todos los seis grados de libertad, el sistema descrito en el documento N.°: EP1986018 requiere que la fuente de luz individual este formada por una fuente de luz coherente, tal como, por ejemplo, un laser y ademas requiere que la unidad optica sea capaz de llevar a cabo, ademas del procesamiento de las imagenes del objetivo, las mediciones de la energfa efectivamente recibida por el sensor opto- electronico y una medicion angular de la rotacion de la polarizacion del haz de luz emitido por la fuente de luz coherente.

En detalle todavfa mayor, con referencia a un primer satelite y a un segundo satelite y suponiendo que el objetivo esta situado en el primer satelite, el sistema descrito en el documento N.°: EP1986018 concibe que la unidad optica a bordo del segundo satelite estara equipada con tres detectores opto-electronicos que son capaces de procesar imagenes y detectar, cada uno, la energfa asociada a la fraccion de radiacion electromagnetica emitida por la fuente

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de luz coherente y que impacta efectivamente sobre el mismo detector opto-electronico. En consecuencia, el sistema descrito en el documento N.°: EP1986018 no es de un tipo estrictamente proyectivo.

Hay tambien, por otra parte, sistemas conocidos de metrolog^a fina que no conciben la determinacion de mediciones de ene^a, es decir, sistemas de metrologfa de un tipo estrictamente proyectivo. Con respecto a lo que se describe en el documento N.°: EP1986018, dichos sistemas de tipo proyectivo requieren el uso de objetivos formados por un gran numero de fuentes de luz. Un ejemplo de dichos sistemas de metrologfa se proporciona en el documento N.°: US7.561.262, donde las fuentes de luz estan formadas por reflectores disenados para ser dispuestos en el primer satelite, que son iluminados por radiacion emitida por el segundo satelite. Ademas, son conocidos sistemas finos de metrologfa de tipo estrictamente proyectivo, donde el objetivo esta formado por un numero particularmente grande de fuentes de luz (por ejemplo, ocho).

El uso de objetivos formados por un gran numero de fuentes de luz implica una mayor complejidad de construccion y ademas comporta un aumento en el consumo de energfa electrica, tanto en el caso donde las fuentes de luz son opticamente activas (es decir, emiten senales de luz) como en el caso donde son pasivas (es decir, estan formadas, por ejemplo, por reflectores). De hecho, en el ultimo caso es necesario irradiar el satelite que aloja el objetivo con un frente particularmente amplio de ondas electromagneticas, a fin de iluminar todos los reflectores, con el consiguiente dispendio de energfa electromagnetica.

Ademas, se conocen los denominados sistemas de “rastreo estelar”. Por ejemplo, el documento N.°: US2005/213096 describe un sistema disenado para recibir senales de luz que llegan desde un campo estelar y para generar un par de imagenes usando una formacion de espejos que pueden ser activados independientemente uno del otro. Los espejos estan dispuestos de modo tal que, dado un objetivo estelar que ha de ser identificado, cuando este objetivo estelar es encuadrado por el sistema, el correspondiente par de imagenes se colapsa en un punto focal comun, permitiendo el reconocimiento del objetivo estelar en sf mismo. Este sistema, por tanto, funciona sobre la hipotesis de rayos de luz que llegan desde el infinito y por tanto paralelos entre sf; ademas no permite la determinacion de ninguna cantidad con respecto a la posicion (distancia) de las estrellas con respecto al sistema en sf mismo.

Finalmente, se conocen sistemas del tipo descrito en el documento N.°: US2008/111985, donde una primera imagen y una segunda imagen de un objetivo se forman sobre dos formaciones fotosensibles distintas. Las cantidades de interes se determinan luego sobre la base, alternativamente, de la primera imagen o bien de la segunda imagen. Este sistema esta por tanto caracterizado por una cierta complejidad, ya que requiere el uso de dos formaciones fotosensibles distintas.

El objetivo de la presente invencion es proporcionar un sistema de metrologfa optica proyectiva que resuelva al menos en parte los inconvenientes de la tecnica conocida.

De acuerdo con la invencion, se proporciona un sistema de metrologfa optica proyectiva segun lo definido en la reivindicacion 1.

Para una mejor comprension de la invencion, se describen ahora realizaciones de la misma, estrictamente a modo de ejemplo no limitador y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

- las Figuras 1, 4 y 8 muestran diagramas de bloques de sistemas de satelites que incluyen el presente sistema de metrologfa;

- la Figura 2 es una ilustracion esquematica de un objetivo luminoso;

- las Figuras 3 y 7 muestran diagramas de bloques de una unidad optica de acuerdo con la presente invencion;

- la Figura 5 es una ilustracion cualitativa de una vista frontal de una superficie de deteccion de un sensor opto- electronico del sistema de metrologfa ilustrado en las Figuras 1, 4 y 8; y

- la Figura 6 muestra un diagrama optico con respecto a la formacion de una imagen.

La Figura 1 muestra un sistema de metrologfa optica de tipo proyectivo, mencionado en adelante en la presente memoria, por brevedad, como “sistema de metrologfa 1”. El sistema de metrologfa 1, ademas, se describe en lo que sigue con referencia espedfica a una aplicacion de tipo satelital, incluso aunque pueda hallar uso en distintas esferas de aplicacion, segun se menciona en la secuela.

En detalle, el sistema de metrologfa 1 comprende un objetivo 2 disenado para limitarse a un primer satelite sat1 y una unidad optica 6 disenada para limitarse a un segundo satelite sat2.

Segun se muestra en mayor detalle en la Figura 2, el objetivo 2 comprende una primera fuente de luz 4a, una segunda fuente de luz 4b y una tercera fuente de luz 4c, formada cada una, por ejemplo, por un correspondiente diodo emisor de luz (LED). Las fuentes de luz primera, segunda y tercera 4a a 4c estan dispuestas como coplanares y en los vertices de un triangulo hipotetico, por ejemplo, un triangulo isosceles o equilatero. En particular, con la hipotesis de fuentes de luz como puntos, suponiendo un primer sistema de referencia x-i, y-i, z1 fijado con respecto al

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primer satelite satl y formado por tres ejes xi, yi, zi ortogonales entre s^ y suponiendo ademas que el eje zi es perpendicular al plano en el que yacen las fuentes de luz primera, segunda y tercera 4a a 4c y que las fuentes de luz primera y segunda 4a a 4b yacen a lo largo del eje xi, es posible expresar los puntos del espacio en los cuales estan situadas las fuentes de luz primera, segunda y tercera 4a a 4c, respectivamente, como [Xo, 0, 0], [-Xo, 0, 0] y [0, yo, 0].

Segun se muestra en la Figura 3, la unidad optica 6 comprende un sensor opto-electronico i0, un diafragma i2 disenado para recibir los rayos opticos generados por el objetivo 2, un primer hendidor de haces opticos i4 y un segundo hendidor de haces opticos i6, un primer elemento reflectante i8 y un segundo elemento reflectante 20 y una primera lente intermedia 22 y una segunda lente intermedia 24. Estrictamente a modo de ejemplo, las lentes intermedias primera y segunda 22, 24 pueden ser concavas.

La unidad optica 6 comprende ademas una unidad de procesamiento electronico 30, que esta electricamente conectada con el sensor opto-electronico i0.

En mayor detalle, el diafragma i2, el primer hendidor de haces opticos i4, la primera lente intermedia 22, el segundo hendidor de haces opticos i6 y el sensor opto-electronico i0 estan dispuestos en sucesion y opticamente alineados. En otras palabras, el primer hendidor de haces opticos i4 esta dispuesto entre el diafragma i2 y la primera lente intermedia 22, que a su vez esta dispuesta entre los hendidores de haces opticos primero y segundo i4, i6; finalmente, el segundo hendidor de haces opticos i6 esta dispuesto entre la primera lente intermedia 22 y el sensor opto-electronico i0.

En mayor detalle, los ejes opticos del diafragma i2 y de la primera lente intermedia 22 son aproximadamente coincidentes y atraviesan esencialmente el centro del sensor opto-electronico i0. A modo de ejemplo, en la Figura 3 los ejes opticos (coincidentes) de la lente de entrada i2 y de la primera lente intermedia 22 estan indicados como OA; para mayor simplicidad, en lo que sigue, seran mencionados como “eje de sistema OA”.

En la practica, el diafragma i2, el primer hendidor de haces opticos i4, la primera lente intermedia 22 y el segundo hendidor de haces opticos i6 forman un primer circuito optico, que sera mencionado en adelante en la presente memoria como “primer tren optico OTi”.

El lo que respecta, en cambio, a la segunda lente intermedia 24, esta dispuesta entre los elementos reflectantes primero y segundo i8, 20, de modo tal que el diafragma i2, el primer hendidor de haces opticos i4, el primer elemento reflectante i8, la segunda lente intermedia 24, el segundo elemento reflectante 20 y el segundo hendidor de haces opticos i6 formen un segundo circuito optico, que sera mencionado en adelante en la presente memoria como “segundo tren optico OT2”.

Operativamente, si los rayos opticos generados por el objetivo 2 y recibidos por el diafragma i2 son mencionados como “rayos opticos globales”, una primera fraccion de los rayos opticos globales esta enfocada por el primer tren optico OTi en el sensor opto-electronico i0, junto con el eje de sistema OA, es decir, despues de recorrer el primer hendidor de haces opticos i4, la primera lente intermedia 22 y el segundo hendidor de haces opticos i6. La primera fraccion de los rayos opticos globales, que sera mencionada en adelante en la presente memoria como “primer haz optico”, se muestra en la Figura 4 de manera estrictamente cualitativa, donde esta indicada como Ri. En la practica, el primer haz optico Ri comprende los rayos opticos que recorren, ademas de la lente de entrada i2 y la primera lente intermedia 22, tambien los hendidores de haces opticos primero y segundo i4, i6, sin ser reflejados por los mismos.

El primer tren optico OTi, por tanto, define un primer trayecto optico, dispuesto entre el diafragma i2 y el sensor opto-electronico i0 y que tiene una primera longitud li, entendida como la distancia que el primer haz optico Ri cubre para llegar, a partir del diafragma i2, al sensor opto-electronico i0.

En lo que respecta, en cambio, al segundo tren optico OT2, el primer elemento reflectante i8 esta dispuesto a fin de recibir una segunda fraccion de rayos opticos globales, que comprende, en el caso en cuestion, la parte de rayos opticos globales que, despues de recorrer el diafragma i2, son reflejados por el primer hendidor de haces opticos i4. La segunda fraccion de los rayos opticos globales, que sera mencionada en adelante en la presente memoria como “segundo haz optico”, se muestra en la Figura 4 de una manera estrictamente cualitativa, donde es indicada como R2. En la practica, el primer hendidor de haces opticos i4 funciona a fin de separar los haces opticos primero y segundo Ri, R2.

El primer elemento reflectante i8, la segunda lente intermedia 24 y el segundo elemento reflectante 20 estan ademas dispuestos de manera tal que el segundo haz optico R2 sea reflejado por el primer elemento reflectante i8 en la direccion de la segunda lente intermedia 24. Despues de recorrer la segunda lente intermedia 24, el segundo haz optico R2 es recibido por el segundo elemento reflectante 20, que lo refleja en la direccion del segundo hendidor de haces opticos i6. Finalmente, el segundo hendidor de haces opticos i6 refleja el segundo haz optico R2 en la direccion del sensor opto-electronico i0, una vez mas a lo largo del eje de sistema OA. En la practica, el segundo hendidor de haces opticos i6 funciona a fin de recombinar los haces opticos primero y segundo Ri, R2.

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Operativamente, el segundo tren optico OT2 es capaz de dirigir el segundo haz optico R2 hacia el sensor opto- electronico 10. El segundo tren optico OT2 define, por tanto, un segundo trayecto optico, dispuesto entre el diafragma 12 y el sensor opto-electronico 10 y que tiene una segunda longitud h, mayor que la primera longitud li y entendida como la distancia que los rayos opticos del anteriormente mencionado segundo haz optico R2 cubren para llegar, a partir del diafragma 12, al sensor opto-electronico 10.

El segundo trayecto optico no recorre la primera lente intermedia 22 y ademas, comparte con el primer trayecto optico un mismo punto de entrada, definido por el diafragma 12 y un mismo punto terminal, definido por el sensor opto-electronico 10.

En mayor detalle, cada lente entre las lentes intermedias primera y segunda 22, 24 tiene un respectivo par de planos principales, tambien conocidos como plano principal frontal y plano principal trasero, que, en el caso en que la lente sea delgada, se colapsan en un unico plano principal. En consecuencia, suponiendo que las lentes intermedias primera y segunda 22, 24 son efectivamente delgadas, tienen, respectivamente, un primer plano principal P1 y un segundo plano principal P2, que pasan a traves de los centros opticos de las lentes intermedias primera y segunda 22, 24, respectivamente. Ademas, las lentes intermedias primera y segunda 22, 24 tienen, respectivamente, una primera longitud focal f y una segunda longitud focal f2, siendo la segunda longitud focal f2 mayor que la primera longitud focal f1.

En detalle incluso mayor, suponiendo para mayor simplicidad que el primer hendidor de haces opticos 14 tiene dimensiones despreciables, los planos principales primero y segundo P1, P2 y por tanto, tambien las lentes intermedias primera y segunda 22, 24, estan separados del primer hendidor de haces opticos 14, respectivamente, por una primera distancia d1 y una segunda distancia d2, medidas, respectivamente, a lo largo de los trayectos opticos primero y segundo. En otras palabras, despreciando la inclinacion de los rayos opticos con respecto al eje de sistema OA, el primer haz optico R1 se propaga, para llegar al primer plano principal P1 a partir del primer hendidor de haces opticos 14, sobre una distancia igual a d1. Analogamente, el segundo haz optico R2 se propaga, para llegar al segundo plano principal P2 a partir del primer hendidor de haces opticos 14, sobre una distancia igual a d2.

En la practica, desde una postura optica, los planos principales primero y segundo P1, P2 estan separados del objetivo 2, respectivamente, por una distancia dp1 = Dsat + d1 y dp2 = Dsat + d2, donde Dsat es la distancia entre el objetivo 2 y el primer hendidor de haces opticos 14. En consecuencia, desde una postura optica, los planos principales primero y segundo P1, P2 estan a distancias distintas del objetivo 2. De manera equivalente, los planos principales primero y segundo P1, P2 estan a distancias distintas desde el diafragma 12, ya que estan a distancias distintas desde el primer hendidor de haces opticos 14 y los trayectos opticos primero y segundo, entre el diafragma 12 y el primer hendidor de haces opticos 14, coinciden. En particular, si dc es la distancia entre el diafragma 12 y el primer hendidor de haces opticos 14, los planos principales primero y segundo P1, P2 estan separados del diafragma 12, respectivamente, por una distancia dc + d1 y una distancia dc + d2. Debena observarse que d1 y d2 tambien pueden tomar valores negativos, en el caso en que el primer plano principal P1 y / o el segundo plano principal P2 esta(n) dispuesto(s) entre el diafragma 12 y el primer hendidor de haces opticos 14.

Ademas, los planos principales primero y segundo P1, P2 y por tanto, las lentes intermedias primera y segunda 22, 24, estan separados del sensor opto-electronico 10, respectivamente, por una tercera distancia d3 y una cuarta distancia d4, medidas, respectivamente a lo largo de los trayectos opticos primero y segundo. En otras palabras, despreciando la inclinacion de los rayos opticos con respecto al eje de sistema OA, el primer haz optico R1 se propaga, para llegar al sensor opto-electronico 10 a partir del primer plano principal P1, sobre una distancia igual a d3. Analogamente, el segundo haz optico R2 se propaga, para llegar al sensor opto-electronico 10 a partir del segundo plano principal P2, por una distancia igual a d4.

En mayor detalle, segun se muestra en la Figura 5, el sensor optico 10 puede estar formado, por ejemplo, por un dispositivo acoplador de carga (CCD) y tiene una superficie de deteccion A que tiene, por ejemplo, forma cuadrada. Las anteriormente mencionadas distancias tercera y cuarta d3 y d4 expresan precisamente las distancias de los planos principales primero y segundo P1, P2 desde la superficie de deteccion A.

La superficie de deteccion A esta formada por una formacion de M elementos de imagen, generalmente conocidos como pfxeles 11 y esta dispuesta, segun lo mencionado previamente, en una direccion perpendicular al eje de sistema OA, es decir, en una direccion perpendicular a los ejes opticos del diafragma 12 y de la primera lente intermedia 22. Ademas, el centro geometrico de la superficie de deteccion A yace, preferiblemente, a lo largo del eje de sistema OA. En la practica, el sensor opto-electronico 10 es un denominado sensor de imagen.

Una vez mas con referencia a las distancias tercera y cuarta d3, d4, preferiblemente, son esencialmente iguales, respectivamente, a las longitudes focales primera y segunda f1 y f2. En consecuencia, dada una hipotetica fuente de luz fijada a una distancia infinita desde el segundo satelite sat2, los correspondientes haces opticos primero y segundo R1, R2 estan enfocados esencialmente en un unico punto de la superficie de deteccion A del sensor optico 10.

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En lo que respecta, en cambio, al objetivo 2, fijado inevitablemente a una distancia no infinita desde el segundo satelite sat2, en una posicion correspondiente al sensor optico 10 se forman una primera imagen y una segunda imagen del objetivo 2 en sf mismo.

En mayor detalle, segun se muestra cualitativamente en la Figura 4, las longitudes focales primera y segunda fi y f2 son tales que, cuando el primer satelite satl y por tanto, el objetivo 2 estan a la distancia Dsat del segundo satelite sat2, o bien del primer hendidor de haces opticos 14, tanto el primer haz optico Ri como el segundo haz optico R2 impactan efectivamente sobre la superficie de deteccion A del sensor optico 10, concurriendo allf en la determinacion de una primera distribucion de M intensidades lummicas, segun lo detectado por los M pfxeles 11 del sensor optico 10.

En particular, segun se muestra en la Figura 5, el primer haz optico R1 forma sobre la superficie de deteccion A del sensor optico 10 una primera imagen I1 del objetivo 2, formada por un primer punto de imagen 4a', un segundo punto de imagen 4b' y un tercer punto de imagen 4c', correspondientes, respectivamente, a las fuentes de luz primera, segunda y tercera 4a a 4c. Ademas, tambien el segundo haz optico R2 impacta sobre la superficie de deteccion A del sensor optico 10 y concurre, por tanto, a la formacion de la primera distribucion de M intensidades lummicas. En particular, la segunda fraccion R2 de los rayos opticos globales forma sobre la superficie de deteccion A del sensor optico 10 una segunda imagen I2 del objetivo 2, formada por un cuarto punto de imagen 4a”, un quinto punto de imagen 4b” y un sexto punto de imagen 4c”, correspondientes, respectivamente, a las fuentes de luz primera, segunda y tercera 4a a 4c. Debena observarse que, para mayor simplicidad de la exposicion, en la Figura 5 se supone que cada punto de imagen excita un unico pixel, incluso aunque habitualmente cada punto de imagen excita un cierto numero de pfxeles, mayor que uno.

Sobre la base de la primera distribucion de M intensidades lummicas, la unidad de procesamiento electronico 30 es capaz de determinar un primer pixel, un segundo pixel y un tercer pixel indicados con 11a, 11b y 11c, respectivamente, que corresponden, respectivamente, a los puntos de imagen primero, segundo y tercero 4a' a 4c'. Ademas, la unidad de procesamiento electronico 30 es capaz de determinar un cuarto pixel, un quinto pixel y un sexto pixel, indicados por 11d, 11e y 11f, respectivamente, que corresponden, respectivamente, a los puntos de imagen cuarto, quinto y sexto 4a” a 4c”.

Por ejemplo, la unidad de procesamiento electronico 30 puede identificar los pfxeles primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto 11a a 11f, por medio de una busqueda de los maximos relativos entre las M intensidades lummicas de la primera distribucion de M intensidades lummicas. En este caso, de una manera conocida en sf misma, los pfxeles primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto 11a a 11f estan caracterizados porque, considerando uno cualquiera de ellos, la intensidad lummica detectada por los mismos es mayor que las intensidades lummicas detectadas por los pfxeles que lo circundan.

En otras palabras, los puntos de imagen primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto 4a' a 4c', 4a” a 4c” pueden ser identificados electronicamente como distintos entre sf y en particular, como correspondientes a seis pfxeles distintos. Esto significa que tanto la primera imagen I1 como la segunda imagen I2 son claras; esto es, cada una de ellas puede ser procesada electronicamente por la unidad de procesamiento electronico 30 de forma tal como para identificar, de una manera conocida en sf misma, un cierto numero de maximos relativos de intensidad lummica, igual al numero de fuentes de luz presentes en el objetivo 2 (en el caso en cuestion, tres).

En cambio, si, hipoteticamente, los puntos de imagen primero, segundo y tercero 4a' a 4c' fuesen todos a excitar a un mismo pixel, no senan electronicamente identificables como distintos entre sf; por tanto, la primera imagen I1 del objetivo 2 no sena clara.

En la practica, el hecho de que una imagen generica formada sobre la superficie de deteccion A del sensor optico 10 sea clara depende, de una manera conocida en sf misma, de las dimensiones del objetivo 2, la distancia del objetivo 2 desde el segundo satelite sat2 y la longitud focal del correspondiente tren optico que la ha generado, asf como del area de la superficie de deteccion A del sensor optico 10. A este respecto, en lo que sigue, se supondra, sin que esto implique perdida alguna de generalidad, que la superficie de deteccion A tiene una forma cuadrada de lado Q y que cada pixel 11 tiene una forma cuadrada de lado q.

Ademas, en terminos estrictos, el hecho de que una imagen generica sea clara, o no, depende de las tecnicas de procesamiento (conocidas) adoptadas por la unidad de procesamiento electronico 30 para procesar la distribucion de M intensidades lummicas detectadas por los M pfxeles 11. De hecho, incluso aunque es posible, segun lo descrito previamente, que la unidad de procesamiento electronico 30 determine los maximos relativos de la intensidad lummica directamente sobre la base de las intensidades lummicas detectadas por los pfxeles 11, es ademas posible que la determinacion de los maximos relativos sea llevada a cabo por medio del denominado procedimiento centroide, o procedimientos similares. En particular, el procedimiento centroide, descrito, por ejemplo, en “Error analysis of CCD-based point source centroid computation under the background light”, por Xiaoyu Ma, Changhui Rao y Hanqing Zheng, OPTICS EXPRESS Vol. 7, N.°: 10 y en “Improved Iteration Centroid Algorithm Based on Linear CCD Light-spot Location” de Shengjin Tang, Zhaofa Zhou, Xiaosong Guo y Yongchao Xiao, Novena Conferencia Internacional de Medicion e Instrumentos Electronicos, ICEMI 2009, concibe la interpolacion de las intensidades lummicas detectadas por los pfxeles 11, discretizadas en sf mismas en el espacio, a fin de determinar

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curvas de interpolacion continuas en el espacio (por ejemplo, curvas Gaussianas), sobre cuya base se determinan los maximos relativos.

Deberia observarse que, en el caso en que la unidad de procesamiento electronico 30 determina los maximos relativos de la intensidad lummica meramente sobre la base de las intensidades lummicas detectadas por los p^xeles 11, sin operaciones de interpolacion, una imagen generica es clara si la unidad de procesamiento electronico 30 es capaz de identificar, para cada punto de imagen de la imagen generica, un pixel correspondiente que exhiba un maximo relativo de intensidad lummica. Si esto ocurre, la unidad de procesamiento electronico 30 asocia los puntos de imagen con las coordenadas de los pfxeles correspondientes. Por ejemplo, en el caso de los puntos de imagen primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto 4a' a 4c' y 4a” a 4c”, ellos estan respectivamente asociados a las coordenadas (descritas mas adelante en la presente memoria) de los pfxeles primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto 11a a 11f. En consecuencia, la maxima discretizacion que es posible lograr al determinar la posicion, dentro de la superficie de deteccion A, de posibles puntos de imagen, es igual al lado q de un unico pixel.

En cambio, adoptando tecnicas de interpolacion conocidas, tales como, por ejemplo, el procedimiento centroide, es posible obtener una discretizacion espacial inferior a q, es decir, es posible asociar las coordenadas de los puntos de imagen con una discretizacion inferior a q. De hecho, para que una imagen sea clara es suficiente que la unidad de procesamiento electronica 30 sea capaz de identificar, sobre la base de las M intensidades lummicas detectadas por los pfxeles 11 y de una manera conocida en sf misma, un cierto numero de maximos relativos de intensidad lummica, igual al numero de fuentes de luz presentes en el objetivo 2, independientemente de si, sobre la base de las intensidades lummicas detectadas por los pfxeles y de la sola busqueda de los maximos relativos entre dichas intensidades lummicas, es posible o no identificar un cierto numero de pfxeles correspondientes al numero de fuentes de luz presentes en el objetivo 2. Por ejemplo, la identificacion de un cierto numero de pfxeles correspondientes al numero de fuentes de luz presentes en el objetivo 2 puede ser impedida por el hecho de que esta busqueda proporciona un numero de maximos relativos, inferior o superior al numero de fuentes de luz.

Para mayor simplicidad de la descripcion, en lo que sigue se supondra, excepto donde se especifique lo contrario, que la unidad de procesamiento electronico 30 determina los maximos relativos de la intensidad lummica meramente sobre la base de la busqueda de los maximos relativos entre las intensidades lummicas detectadas por los pfxeles 11, sin operaciones de interpolacion y por tanto, que los puntos de imagen primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto 4a' a 4c' y 4a” a 4c” estan asociados, respectivamente, a las coordenadas de los pfxeles primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto 11a a 11f.

Una vez mas con referencia a las imagenes primera y segunda I1 e I2 mostradas en la Figura 5, suponiendo un segundo sistema de referencia x2, y2, z2 formado por tres ejes x2, y2, z2 ortogonales entre sf, fijados con respecto al segundo satelite sat2 y tal que la superficie de deteccion A del sensor optico 10 yace en el plano definido por los ejes x2 e y2, las coordenadas de cada uno de los pfxeles primero, segundo y tercero 11a a 11c pueden ser expresadas como trios, respectivamente, del tipo [Xip, yip, 0], [X2P, y2P, 0] y [X3P, y3P, 0]. Analogamente, las coordenadas de cada uno de los pfxeles cuarto, quinto y sexto 11e a 11f pueden ser expresadas como trios, respectivamente, del tipo [X'ip, y'ip, 0], [X'2p, y'2P, 0] y [X'3p, y'3P, 0].

Luego, sobre la base de los trios de coordenadas asociadas a los puntos de imagen primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto 4a' a 4c', 4a” a 4c” y sobre la base de la forma del objetivo 2, es decir, sobre la base de los trios de coordenadas de las fuentes de luz primera, segunda y tercera 4a a 4c, la unidad de procesamiento electronico 30 determina seis cantidades para la actitud mutua y la posicion mutua de los satelites primero y segundo satl, sat2. En particular, la unidad de procesamiento electronico 30 determina los angulos 0, p, y, una distancia D y los desplazamientos Ax, Ay, que se refieren a rotaciones o traslaciones que permiten, a partir de los seis trios de coordenadas asociadas a los pfxeles primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto 11a a 11f, que las coordenadas de las fuentes de luz primera, segunda y tercera 4a a 4c sean obtenidas.

En mas detalle, los angulos 0, p, y se refieren, respectivamente, a rotaciones alrededor de los ejes xi, yi y zi, mientras que los desplazamientos Ax, Ay se refieren a las traslaciones a lo largo de los ejes xi, yi. La distancia D, en cambio, es la distancia entre el objetivo 2 y el primer hendidor de haces opticos 14, es decir, en una primera aproximacion, la distancia entre los satelites primero y segundo satl, sat2.

Aun mas en particular, de una manera conocida en sf misma, suponiendo una disposicion de referencia mutua del primer sistema de referencia xi, yi y zi con respecto al segundo sistema de referencia x2, y2 y z2, los angulos 0, p, y y los desplazamientos Ax, Ay indican correspondientes roto-traslaciones del primer sistema de referencia xi, yi y zi con respecto a esta disposicion de referencia mutua.

Operativamente, la unidad de procesamiento electronico 30 recurre a las denominadas coordenadas homogeneas, conocidas por si mismas en el campo de la geometria proyectiva. En particular, la unidad de procesamiento electronico 30 usa un sistema de referencia tridimensional en coordenadas homogeneas, de un tipo de mano derecha, es decir, donde las rotaciones positivas son las rotaciones en una direccion contraria a la de las agujas del reloj. En consecuencia, las traslaciones y rotaciones pueden ser expresadas, de una manera conocida en si misma, en terminos de correspondientes matrices de cuatro por cuatro. Con referencia a los anteriormente mencionados angulos 0, p, y, las rotaciones correspondientes pueden por tanto ser expresadas como

K(rh

cos y: seny 0

- seny: cosy 0

0
0: 1

0
0
0

1: 0 0

0: cos <9 sen 3

0: - sen 3 cos 3

0
0
0

A.M=

COS P: 0 - sen/? 0

0: 1
0
0

sen/?: 0 cos /? 0

0
0
0: 1

(l)

(2)

(3)

mientras que una traslacion generica, formada por un trio generico de desplazamientos del tipo [Sx, Sy, Sz], puede ser expresada como

Txyz(Sx,Sy,Sz) =

1: 0 0 0

0: 1
0
0

0
0: 1
0

Sx: Sz 1

(4)

5 Dado un cuerpo ngido generico cuyo centroide tiene inicialmente coordenadas cartesianas [X01, yoi, zoi] y que esta sujeto a rotaciones y / o traslaciones, es por tanto posible determinar matematicamente un nuevo trio de coordenadas cartesianas [Xii, yii, zii], correspondientes a la posicion adoptada por el centroide del cuerpo ngido a continuacion de las rotaciones y / o traslaciones. Con este fin, es posible aplicar a las coordenadas homogeneas [Xoi, yoi, zoi, 1], correspondientes a la posicion inicial del cuerpo ngido, las anteriormente mencionadas matriz de 10 rotacion y / o matriz de traslacion, en el mismo orden en el que ocurren efectivamente las rotaciones y / o traslaciones. Tenemos, de hecho

[Xu, Yll, Zn, 1] = [Xoi, Yoi, Zoi, 1] • R-X ( 9 ) 'Ry(P) -Rz(Y) 'TXyz (Ax,

Ay, Az) (5)

En otras palabras, la ecuacion que enlaza las coordenadas homogeneas finales, adoptadas por el centroide del cuerpo ngido, con las coordenadas homogeneas iniciales adoptadas por el centroide del cuerpo ngido es

imagen1

donde la matriz M define matematicamente cualquier roto-traslacion a la que este sujeto el cuerpo ngido y tiene la siguiente forma:

imagen2

Se sabe ademas que, segun se muestra esquematicamente en la Figura 6, dada una lente delgada generica con longitud focal f, si se coloca un objeto con forma de punto, que tenga coordenadas cartesianas [X01, y01, zoi] enfrente de la lente delgada y a una distancia Ds de la misma, genera, en un plano hipotetico dispuesto detras de la lente 5 delgada y a una distancia ds aproximadamente igual a la longitud focal f, un correspondiente punto de imagen con coordenadas aproximadamente iguales a Xoip = X01 ■ f / Ds y Yoip = Y01 ■ f / Ds. Este fenomeno ffsico se expresa con la bien conocida ecuacion de proyeccion optica

imagen3

Sustituyendo la ecuacion de proyeccion optica (8) en la Ec. (6), obtenemos

XliPJ11P,0,

D.

cosy cosf3 sen ;/cos// - sen// 0

sens sen^cos^-sen;)/cos# scn.^ sen/ sen#+cos/cos# sen#Cos,(3 0 cos# scngCos/- scn> sen# sen.}. scn/?cos#-cos> sen# cos#cosfi 0 Ax Ay Az 1

10

(9)

que relaciona las coordenadas [X01, yoi, Z01] del centroide del cuerpo ngido antes de la roto-traslacion con las coordenadas [Xiip, yiiP, ziip] del punto de imagen para el mismo centroide, despues de que el cuerpo ngido ha sido sometido a una roto-traslacion. Mas espedficamente, las coordenadas [Xoi, yoi, 0] consideran un sistema de referencia tal que Zoi = 0, mientras que las coordenadas [Xiip, yiiP, 0] consideran un sistema de referencia tal que i5 Ziip = 0.

Dicho esto, con referencia a los sistemas de referencia xi, yi, zi y X2, y2, Z2, si suponemos que el angulo 0 es cero y aplicamos la Ec. (9) con referencia a la primera fuente de luz 4a y al primer punto de imagen 4a', obtenemos

f,

D + d,

A

D + d,

-[*„ >0,0,1

cos y cos /?: sen y cos /? - sen/? 0

- sen;)/: cos y 0 0

sen //cos y: sen y sen / COS P 0

Ax: Aj Az 1

(10)

Analogamente, si suponemos una vez mas que el angulo 0 es cero y aplicamos la Ec. (9) con referencia a la 20 segunda fuente de luz 4b y al segundo punto de imagen 4b', obtenemos

imagen4

Haciendo explfcitas las formas matriciales y restando la Ec. (ii) de la Ec. (i0) miembro a miembro, obtenemos el par de ecuaciones

imagen5

Operando sobre el par constituido por la primera fuente de luz 4a y el cuarto punto de imagen 4a” y sobre el par constituido por la segunda fuente de luz 4b y el quinto punto de imagen 4b” de una manera similar a lo que se describe, respectivamente, con referencia al par constituido por la primera fuente de luz 4a y el primer punto de 5 imagen 4a' y al par constituido por la segunda fuente de luz 4b y el segundo punto de imagen 4b', obtenemos el par de ecuaciones

imagen6

En la practica, los pares de ecuaciones (12) y (13) se obtienen sobre la base, respectivamente, de las imagenes primera y segunda Ii e I2 del objetivo 2, segun lo suministrado, respectivamente, por los trenes opticos primero y 10 segundo OT1 y OT2, que tienen distintas longitudes focales, iguales, respectivamente, a las longitudes focales primera y segunda fi, f2 de las lentes intermedias primera y segunda 22, 24. Ademas, las lentes intermedias primera y segunda 22, 24 estan dispuestas a distintas distancias opticas desde el objetivo 2.

Sobre la base de los dos pares de ecuaciones (12) y (13), es por tanto posible obtener

imagen7

15 Una vez que se conocen los angulos y, p y la distancia D, los desplazamientos Ax, Ay pueden ser determinados sobre la base del siguiente par de ecuaciones

imagen8

Finalmente, el angulo 0 puede ser determinado aplicando la Ec. (9) con referencia a la tercera fuente de luz 4c y al tercer punto de imagen 4c', asf como sobre la base de los angulos y, p y de los desplazamientos Ax, Ay recien 20 determinados. En particular, aplicando la Ec. (9) con referencia a la tercera fuente de luz 4c y al tercer punto de imagen 4c', obtenemos

5

10

15

imagen9

Haciendo expKcita la Ec. (16), obtenemos

imagen10

El sistema trigonometrico (17) puede ser transformado en un par de ecuaciones parametricas, imponiendo las condiciones

imagen11

y recogiendo el termino conocido, adoptando las siguientes notaciones

imagen12

imagen13

por lo que el sistema trigonometrico (17) se convierte en

imagen14

El angulo 0 es por tanto igual a

imagen15

Resumiendo, tenemos por tanto

y

5

10

15

20

25

30

35

imagen16

En la practica, el sistema de metrologia 1, de tipo bifocal, permite la determination, de una manera analrtica y no ambigua, de todos los seis grados de libertad que caracterizan la position y la actitud del objetivo 2 con respecto a la unidad optica 6. Esto se debe al hecho de tener disponibles dos imagenes distintas del objetivo 2, obtenidas por medio de dos sistemas opticos (en el caso en cuestion, los trenes opticos primero y segundo OT1 y OT2) que comparten un mismo punto de entrada de los rayos opticos, tienen planos principales que estan a distintas distancias del objetivo y tienen distintas longitudes focales. De esta manera, se forman dos imagenes distintas del objetivo 2 sobre la superficie de detection A.

En general, a fin de permitir la formation clara de las imagenes primera y segunda I1, I2 cuando el objetivo 2 esta establecido a una distancia indicada Dprog desde la unidad optica 6, es posible determinar las longitudes focales primera y segunda fi, f2 segun lo descrito a continuation en la presente memoria.

A este respecto, se presupone que, dada cualquier distancia entre los satelites primero y segundo sat1 y sat2, los trenes opticos primero y segundo OT1 y OT2 producen, en un plano hipotetico que se extiende hasta el infinito y que contiene la superficie de deteccion A, dos imagenes distintas del objetivo 2. En particular, la imagen producida por el segundo tren optico OT2 tiene mayores dimensiones que la producida por el primer tren optico OT1, porque la segunda longitud focal f2 es mayor que la primera longitud focal f1 y por tanto el segundo tren optico OT2 esta caracterizado, en comparacion con el primer tren optico OT1, por una mayor ampliation.

Dicho esto, es posible determinar las longitudes focales primera y segunda f1, f2 sobre la base del objetivo 2 y de la superficie de deteccion A, de modo que, cuando el objetivo 2 esta a la distancia indicada Dprog, las imagenes primera y segunda I1, I2 estan contenidas dentro de la superficie de deteccion A y son claras. A este respecto, puede observarse que, dado, para mayor simplicidad del calculo, un objetivo simplificado (no mostrado) formado por solamente dos fuentes de luz establecidas a una distancia O entre sf, la correspondiente imagen primera es ciertamente clara si ocupa al menos dos pfxeles del sensor optico 11. Con este fin, es posible imponer f1 = (Dprog ■ Hq) / O, donde Hq es igual 2 ■ q (donde q es la longitud del lado de un pixel). Dado que esta primera imagen es clara, tambien la correspondiente segunda imagen sera clara, en cuanto a que se obtiene con un tren optico que tiene mayor ampliacion; sin embargo, la segunda longitud focal f2 debe ser tal que la segunda imagen este contenida enteramente dentro de la superficie de deteccion A. Con este fin, es posible imponer f2 < (Dprog ■ Q) / O, donde Q es precisamente la longitud del lado de la superficie de deteccion A.

Segun se muestra en la Figura 7, es ademas posible una realization en la que la unidad optica 6 comprende una primera unidad optica 42 y una segunda unidad optica 44, cada una de las cuales esta formada por un cierto numero de lentes. Estrictamente a modo de ejemplo, en la realizacion mostrada en la Figura 7 la primera unidad optica 42 comprende, ademas de la primera lente intermedia 22, una tercera lente intermedia 42a y una cuarta lente intermedia 42b, dispuesta entre las cuales esta la primera lente intermedia 22. Analogamente, la segunda unidad optica 44 comprende, ademas de la segunda lente intermedia 24, una quinta lente intermedia 44a y una sexta lente intermedia 44b, dispuesta entre las cuales esta la segunda lente intermedia 24. En el caso en que hay las unidades opticas primera y segunda 42, 44, como, por otra parte, en el caso en que las lentes intermedias primera y segunda

5

10

15

20

25

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35

40

45

50

55

22, 24 no son delgadas, los trenes opticos primero y segundo OT1 y OT2 tienen cada uno un respectivo par de pianos principales. En este caso, segun se muestra cualitativamente en la Figura 7, la primera unidad optica 42 define, ademas del primer plano principal, aqm indicado por P42a, un tercer plano principal P42b. Analogamente, la segunda unidad optica 44 define, ademas del segundo plano principal, aqm indicado por P44a, un cuarto plano principal P44b. Ademas, segun se muestra una vez mas en la Figura 7, los planos principales primero y segundo P42a, P44a no necesariamente atraviesan los centros opticos de las lentes intermedias primera y segunda 22, 24.

Estrictamente a modo de ejemplo, en la realizacion mostrada en la Figura 7 el primer plano principal P42a yace entre el primer hendidor de haces opticos 14 y la tercera lente intermedia 42a, mientras que el segundo plano principal P44a yace entre el primer elemento reflectante 18 y la quinta lente intermedia 44a. Ademas, el tercer plano principal P42b yace entre la cuarta lente intermedia 42b y el segundo hendidor de haces opticos 16, mientras que el cuarto plano principal P44b yace entre la sexta lente intermedia 44b y el segundo elemento reflectante 20.

En la practica, los planos principales primero y tercero P42a, P42b forman, respectivamente, el plano principal frontal y el plano principal trasero de la primera unidad optica 42, mientras que los planos principales segundo y cuarto P44a, P44b forman, respectivamente, el plano principal frontal y el plano principal trasero de la segunda unidad optica 44.

De una manera conocida en sf misma, cada una entre las unidades opticas primera y segunda 42, 44 tiene, ademas, una denominada longitud focal efectiva frontal y una longitud focal efectiva trasera.

Si las longitudes focales efectivas traseras de las unidades opticas primera y segunda 42, 44 son respectivamente mencionadas como “longitudes focales equivalentes primera y segunda fei, fe2” y si d3 y d4 son las distancias de los planos principales tercero y cuarto P42b, P44b desde el sensor opto-electronico 10, las ultimas pueden ser aproximadamente iguales, respectivamente, a las longitudes focales equivalentes primera y segunda fe1, fe2.

En mas detalle, es nuevamente posible indicar con d1 y d2 las distancias de los planos principales primero y segundo P42a, P44a desde el primer hendidor de haces opticos 14. Ademas, las distancias primera y tercera d-i, d3 son medidas una vez mas a lo largo del primer trayecto optico, mientras que las distancias segunda y cuarta d2 y d4 son medidas una vez mas a lo largo del segundo trayecto optico. Dicho esto, en el caso de la realizacion ilustrada en la Figura 7, las Ec. (10 a 24) se modifican en consecuencia, reemplazando las longitudes focales primera y segunda f1, f2, respectivamente, con las longitudes focales equivalentes primera y segunda fe1, fe2, sin ninguna decadencia de los niveles de prestaciones de la unidad optica 6. Ademas, la presencia de las unidades opticas primera y segunda 42, 44 permite una mejora de la inmunidad de la unidad optica 6 ante fenomenos opticos tales como, por ejemplo, la aberracion.

Ademas, son posibles ejemplos, no abarcados por las reivindicaciones, en los cuales el sensor opto-electronico 10 comprende una superficie de deteccion adicional, por ejemplo, igual a la superficie de deteccion A y donde el segundo trayecto optico termina sobre esta superficie de deteccion adicional, en lugar de sobre la superficie de deteccion A. En este caso, la segunda imagen I2 del objetivo 2 esta formada sobre la superficie de deteccion adicional.

Realizaciones aun distintas son ademas posibles, donde el objetivo tiene un numero Ns de fuentes de luz, con Ns distinto a tres y donde la unidad optica 6 esta dotada de trenes opticos adicionales, de tal modo que esta disenada para formar, sobre la superficie de deteccion A, un numero Ni de imagenes, donde Ni es el numero total de trenes opticos presentes en la unidad optica 6. Por ejemplo, podemos tener Ns = 2 y Ni = 3. De hecho, aumentando el numero de imagenes, es posible reducir el numero de fuentes de luz del objetivo, sin prescindir de la determinacion de ninguna de las cantidades anteriormente mencionadas. Es ademas posible que la unidad de procesamiento electronico 30 determine cantidades distintas a los angulos 0, p, y, la distancia D y los desplazamientos Ax, Ay, tales como, por ejemplo, cantidades referidas a sistemas de referencia no cartesianos, o bien un subconjunto de estas cantidades.

Ademas, segun se muestra en la Figura 8, el presente sistema de metrologfa puede ser usado dentro de un sistema de satelite 60 que incluye los satelites primero y segundo sat1, sat2 y donde el segundo satelite sat2 aloja un sistema para controlar la actitud y la posicion 62, electronicamente acoplado con la unidad de procesamiento 30. El sistema de control de actitud y posicion 62 recibe por tanto las cantidades que, en su momento, son determinadas por la unidad de procesamiento electronico 30, iterando las operaciones descritas previamente. El sistema de control de actitud y posicion 62 puede, por tanto, funcionar, de una manera conocida en sf misma, sobre la base de las cantidades proporcionadas por la unidad de procesamiento electronico 30.

Las ventajas que el presente sistema de metrologfa 1 ofrece surgen claramente de la descripcion precedente. En particular, permite una determinacion analttica y no ambigua de todos los seis grados de libertad que caracterizan la posicion y la actitud del objetivo 2 con respecto a la unidad optica 6, usando un objetivo que tiene un numero limitado de fuentes de luz. Ademas, dado que tanto el primer trayecto optico como el segundo trayecto optico comienzan en un mismo punto, es decir, en una posicion correspondiente al diafragma 12, no se crean fenomenos de vision estereoscopica.

Finalmente, es evidente que pueden hacerse modificaciones y variaciones para el sistema de metrologfa 1 descrito en la presente memoria, sin apartarse por ello del ambito de la presente invencion, segun se reivindica.

Por ejemplo, en lugar del diafragma 12, puede estar presente una lente de entrada. Ademas, las lentes intermedias primera y segunda 22, 24 pueden ser de un tipo distinto a lo que se ha descrito.

Los hendidores de haces opticos primero y segundo 14, 16 pueden estar formados por prismas correspondientes, o bien pueden ser de cualquier tipo conocido.

5 Nuevamente, las fuentes de luz del objetivo pueden ser dispuestas en los vertices de un triangulo escaleno y / o pueden ser distintas a lo que se ha descrito. Por ejemplo, las fuentes de luz pueden ser pasivas, comprendiendo cada una un espejo, por ejemplo, del tipo denominado “cubo de esquina”. En este caso, la unidad optica 6 comprende ademas un iluminador disenado para iluminar el objetivo de modo tal que los espejos que forman las fuentes de luz reflejen la radiacion hacia la misma unidad optica 6.

10 Finalmente, segun lo mencionado anteriormente, el sistema de metrologfa 1 puede hallar usos en sectores distintos al sector aeroespacial. Por ejemplo, el objetivo 2 puede estar montado sobre un primer objeto, mientras que la unidad optica 6 puede estar montada sobre un segundo objeto, estando los objetos primero y segundo mecanicamente acoplados de manera tal que el sistema de metrologfa permita la determinacion de la localizacion mutua de los objetos primero y segundo. Por ejemplo, dichos objetos primero y segundo pueden ser dos elementos 15 distintos de un telescopio, mecanicamente conectados entre sf.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de metrolog^a optica proyectiva (1) que comprende:

- un objetivo luminoso (2) que comprende una pluralidad de fuentes de luz (4a a 4c) con una disposicion espacial prefijada;

- un sensor de imagenes opto-electronico (10);

- una unidad optica (6) configurada para recibir una senal lummica (Ri, R2) procedente del objetivo luminoso y para definir dos trayectos opticos distintos para la senal lummica hacia el sensor de imagenes opto-electronico, siendo los dos trayectos opticos tales como para provocar la formacion simultanea en el sensor de imagenes opto-electronico de al menos dos imagenes (I1, I2) del objetivo luminoso;

en el que la unidad optica (6) comprende ademas un elemento optico receptor (12) configurado para recibir la senal lummica (R1, R2) procedente del objetivo luminoso (2); y en el que ambos trayectos opticos se extienden hacia el sensor de imagenes opto-electronico (10) a partir del elemento optico receptor;

comprendiendo ademas la unidad optica:

- un primer circuito optico (OT1) que tiene un primer plano principal frontal (P1; P42a), un primer plano principal trasero (P1; P42b) y una primera longitud focal efectiva trasera f fe1) y que define un primer trayecto optico de dichos dos trayectos opticos;

- un segundo circuito optico (OT2) que tiene un segundo plano principal frontal (P2; P44a), un segundo plano principal trasero (P2; P44b) y una segunda longitud focal efectiva trasera (f2; fe2) y que define un segundo trayecto optico de dichos dos trayectos opticos;

y en el que los planos principales frontales primero y segundo estan separados del elemento optico receptor (12), respectivamente, por una primera distancia (dc + d1) y una segunda distancia (dc + d2), distintas entre sf y medidas, respectivamente, a lo largo de los trayectos opticos primero y segundo; y en el que los planos principales traseros primero y segundo estan separados del sensor de imagenes opto-electronico (10), respectivamente, por una tercera distancia (d3) y una cuarta distancia (d4), siendo medidas dichas distancias tercera y cuarta, respectivamente, a lo largo de los trayectos opticos primero y segundo y siendo, respectivamente, una funcion de las longitudes focales efectivas traseras primera y segunda f f2; fe1, fe2); y en el que el sensor opto-electronico (10) comprende una superficie de deteccion (A) y en el que el objetivo luminoso (2), la superficie de deteccion y las longitudes focales efectivas traseras primera y segunda f f2; fe1, fe2) son tales que, cuando el objetivo luminoso se establece a una primera distancia (Dprog) de la unidad optica (6), ambas imagenes (I1, I2) estan contenidas dentro de la superficie de deteccion;

- comprendiendo ademas el sistema de metrologfa optica proyectiva una unidad de procesamiento electronico (3) acoplada con el sensor de imagenes opto-electronico y configurada para determinar, para cada una de dichas dos imagenes, un numero de maximos de intensidad lummica, igual al numero de fuentes de luz del objetivo luminoso y para determinar, sobre la base de la posicion de dichos numeros de maximos para dichas dos imagenes, una pluralidad de distintas cantidades, que indican la posicion y la actitud del objetivo luminoso con respecto a la unidad optica.
2. El sistema de metrologfa de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que las distancias tercera y cuarta (d3, d4) son esencialmente iguales, respectivamente, a las longitudes focales efectivas traseras primera y segunda f f2; fe1, fe2).
3. El sistema de metrologfa de acuerdo con la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en el que los circuitos opticos primero y segundo (OT1, OT2) estan ademas configurados tal como para generar, a partir de la senal lummica recibida por el elemento optico receptor (12), un primer haz optico (R1) y un segundo haz optico (R1, R2) y dirigir hacia el sensor de imagenes opto-electronico (10) dichos haces opticos primero y segundo, respectivamente, a lo largo de los trayectos opticos primero y segundo, estando ademas los circuitos opticos primero y segundo configurados de modo que los haces opticos primero y segundo impacten sobre el sensor de imagenes opto- electronico en una misma direccion de incidencia (OA).
4. El sistema de metrologfa de acuerdo con la reivindicacion 3, en el que el primer circuito optico (OT1) comprende el elemento optico receptor (12) y un primer hendidor de haces opticos (14) y un segundo hendidor de haces opticos (16), comprendiendo el segundo circuito optico (OT2) el elemento optico receptor, los hendidores de haces opticos primero y segundo y un primer elemento reflectante (18) y un segundo elemento reflectante (20); y en el que el primer hendidor de haces opticos esta configurado tal como para dividir la senal lummica recibida por el elemento optico receptor en el primer haz optico (R1) y el segundo haz optico (R2), estando el primer hendidor de haces opticos configurado ademas para dirigir los haces opticos primero y segundo, respectivamente, hacia el segundo hendidor de haces opticos y el primer elemento reflectante; y en el que los elementos reflectantes primero y segundo estan configurados para recibir el segundo haz optico y dirigir el segundo haz optico hacia el segundo hendidor de

5

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35

40

45

50

haces opticos, que esta configurado para dirigir tanto el primer haz optico como el segundo haz optico hacia el sensor de imagenes opto-electronico (10), en la direccion de incidencia (OA).
5. El sistema de metrologfa de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la unidad de procesamiento electronico (30) esta configurada para determinar, para cada maximo de intensidad lummica determinado, un correspondiente trio de coordenadas que identifica la posicion del maximo de intensidad lummica en un sistema de referencia (X2, y2, Z2) fijado con respecto a la superficie de deteccion (A), estando cada tno de coordenadas formado por unas correspondientes primera coordenada, segunda coordenada y tercera coordenada, estando la unidad de procesamiento electronico configurada ademas para determinar dicha pluralidad de distintas cantidades sobre la base de los trios de coordenadas determinados.
6. El sistema de metrologfa de acuerdo con la reivindicacion 5, en el que el objetivo luminoso (2) comprende una primera fuente de luz (4a), una segunda fuente de luz (4b) y una tercera fuente de luz (4c), de modo tal que una primera imagen de dichas dos imagenes este formada por un primer punto de imagen (4a'), un segundo punto de imagen (4b') y un tercer punto de imagen (4c') y una segunda imagen entre dichas dos imagenes este formada por un cuarto punto de imagen (4a”), un quinto punto de imagen (4b”) y un sexto punto de imagen (4c”), correspondiendo dichos puntos de imagen primero y cuarto a dicha primera fuente de luz, correspondiendo dichos puntos de imagen segundo y quinto a dicha segunda fuente de luz y correspondiendo dichos puntos de imagen tercero y sexto a dicha tercera fuente de luz; y en el que la unidad de procesamiento electronico (30) esta configurada para:

- determinar una primera diferencia (AX12P) entre la primera coordenada (Xip) del primer punto de imagen y la primera coordenada (X2P) del segundo punto de imagen;

- determinar una segunda diferencia (AY12P) entre la segunda coordenada (Yip) del primer punto de imagen y la segunda coordenada (Y2P) del segundo punto de imagen;

- determinar una tercera diferencia (AX'12p) entre la primera coordenada (X'1p) del cuarto punto de imagen y la primera coordenada (X'2p) del quinto punto de imagen;

- determinar un primer angulo (y) como funcion de dichas diferencias primera y segunda;

- determinar una cantidad espacial (D) que indica la distancia de dicho objetivo luminoso (2) desde dicha unidad

optica (6), como funcion de la primera diferencia, de la tercera diferencia, de dichas longitudes focales efectivas traseras primera y segunda f f2; fe1, fe2) y de dichas distancias primera y segunda (dc + d1, dc + d2); y

- determinar un segundo angulo (P) como funcion de dichas diferencias primera y segunda, de dicha primera longitud focal efectiva trasera f fe1), de dicha primera distancia (dc + d1) y de dicha cantidad espacial, indicando dichos angulos primero y segundo roto-traslaciones correspondientes de un sistema de referencia (x1, y1, z1) fijado con respecto a dicho objetivo luminoso con respecto al sistema de referencia (x2, y2, z2) fijado para la superficie de deteccion.
7. El sistema de metrologfa de acuerdo con la reivindicacion 6, en el que dicha unidad de procesamiento electronico (30) esta ademas configurada para:

- determinar un primer desplazamiento (Ax) como funcion de dicha primera diferencia (AX12P), de dicha primera longitud focal efectiva trasera f fe1), de dicha primera distancia (dc + d1), de dicha cantidad espacial (D) y de dichos angulos primero y segundo (y, P);

- determinar un segundo desplazamiento (Ay) como funcion de dicha segunda diferencia (AY12P), de dicha primera longitud focal efectiva trasera f fe1), de dicha primera distancia (dc + d1), de dicha cantidad espacial (D) y de dichos angulos primero y segundo (y, P);

y en el que dichos desplazamientos primero y segundo indican roto-traslaciones de dicho sistema de referencia (x1, y1, z1) fijado para dicho objetivo luminoso con respecto al sistema de referencia (x2, y2, z2) fijado para la superficie de deteccion.
8. El sistema de metrologfa de acuerdo con la reivindicacion 7, en el que dicha unidad de procesamiento electronico (30) esta ademas configurada para:

- determinar un tercer angulo (0) como funcion de las coordenadas primera y segunda del tercer punto de imagen (4c'), de dicha primera longitud focal efectiva trasera f fe1), de dicha primera distancia (dc + d1), de dicha cantidad espacial (D), de dichos desplazamientos primero y segundo (Ax, Ay) y de dichos angulos primero y segundo (y, P), indicando dicho tercer angulo una correspondiente roto-traslacion del sistema de referencia (x2, y2, z2) fijado para la superficie de deteccion (A) con respecto a dicho sistema de referencia (x1, y1, z1) fijado para dicho objetivo luminoso (2).
9. Un sistema de satelites que comprende un primer satelite (satl) y un segundo satelite (satl) y un sistema de metrolog^a (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el objetivo luminoso (2) y la unidad optica (6) estan limitados, respectivamente, al primer satelite y al segundo satelite; y que comprende adicionalmente un sistema de control de actitud y de posicion (62) limitado al segundo satelite y configurado para 5 recibir dicha pluralidad de distintas cantidades desde la unidad de procesamiento electronico (30).