NO770195L - Optisk anordning. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår optiske anordninger,

og spesielt anordninger til kontroll med retningen av en optisk stråle uten behov for å bevege kilden for den optiske stråling.

Det er ofte nødvendig å variere retningen av en stråle. Den enkleste måten å oppnå dette på er å bevege selve kilden sammen med eventuelt tilhørende optisk utstyr, såsom linser. I noen tilfelle er det imidlertid ikke hensiktsmessig å bevege kilden, og det kan da benyttes satser av speil for oppnåelse av det ønskede resultat. Det er kjent å benytte et par speil som er dreibare om akser som står perpendikulært på hverandre for å rette en stråle i en ønsket retning.

Når kilden for den optiske stråling er en laser, er det på den annen side å foretrekke å styre utgangsstrålen på

en eller annen måte i stedet for å bevege selve laseranord-ningen. Grunnen til dette kan f.eks. være at det ikke finnes plass for bevegelse av selve laseren og fordi det er ønskelig å unngå de kompliserte forhold man står overfor ved styringen av bevegelse av en forholdsvis massiv gjenstand med høy treg-het. Anvendelse av speil som nevnt ovenfor, har en rekke ulemper. Hovedulempen er at bevegelse av et speil i en hvilken som helst retning vil -føre til en avbøyning av strålen, og det kan være vanskelig å hindre bevegelser om andre akser enn den ønskede rotasjonsakse. I virkeligheten fører vinkelbevegelser om disse andre akser i en vinkelavbøyning av strålen som er det dobbelte av størrelsen på vinkelbevegelsen.

En hensikt med foreliggende oppfinnelse er å komme frem til en optisk anordning for kontroll eller styring med stråleretningen for en optisk stråle, der de ovennevnte ulemper er opphevet.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til tegningene der: Fig. 1,. helt skjematisk, viser en del av oppfinnelsen, fig. 2 skjematisk viser virkemåten for oppfinnelsen, fig. 3 er et blokkdiagram for styreanordningene på

fig. 1 og

fig. 4 er et koplingsskjerna for en del av kretsen på

fig. 3.

Som vist på fig. 1 er et første prisme 10 med liten toppvinkel montert på en bærer 11 som det bare er vist en del av. Denne bærer er beregnet på å være dreibar om den optiske akse 15 og er utstyrt med tannhjulstenner for samvirkning med et drev 12. Drevet er forbundet med en første motor 13 og en synkrooppløser 14. Et ytterligere prisme 13 som også har liten toppvinkel, står ved siden av det første prisme slik at det avskjærer strålen som forlater det første prisme. Planene som deler toppvinklene for prismene 10 og 16 er anbrakt slik at de står tilnærmet perpendikulært på den optiske akse 15 som bærerne dreier seg om. Det annet prisme er også montert på en bærer 17 som er dreibar og som har en tannhjulsring for inngrep med et drev 18, drevet av en ytterligere motor 19. En synkro-oppløser 20 er også tilknyttet den annen drivmotor.

Rotasjon av de to prismer om den optiske akse er mulig helt uavhengig av hverandre, samtidig med at det nødvendige innbyrdes forhold mellom planene for sideflatene bibeholdes. De to oppløsere 14 og 20 er beregnet på å avgi utgangssignaler som angir vinkelstillingene av de to prismer i forhold til en referanse. Utgangene fra de to oppløsere 14 og 20 og styre-inngangene til de to drivmotorer 13 og 19 er koplet til den styrekrets 21-som vil bli beskrevet nærmere i det følgende.

Hvis en vanlig oppløser benyttes, må den tilsluttes drivanordningen for prisme slik at det er et 1:1 forhold mellom bevegelse av prismet og bevegelse av oppløseren. Imidlertid kan det godt anvendes andre typer oppløsere som kan kreve andre omsetningsforhold.

Hvis det ikke benyttes en stort sett monokromatisk lyskilde bør de to prismer 10 og 16 være akromatiske elementer.

Fig. 2 viser oppfinnelsens virkemåte der konstruk-sjonsdetaljene på fig. 1 er utelatt. På figuren er de to prismer-10 og 16 vist'sammen med den innfallende stråle 15. Den optiske akse for denne stråle er referanse eller x-akse. Strålingen som kommer fra det første prisme 10 avbøyes i en vinkel som er avhengig av prismets toppvinkel og av prisme-materialets brytningsindeks. Ved rotasjon av prismet 10 vil således den utfallende stråle følge overflaten av en konus hvis toppvinkel er det dobbelte av avbøyningsvinkelen. Den utfallende stråle fra det første prisme treffer inngangsflaten for det annet prisme 16 og blir igjen avbøyet. Selv om avbøy-ningsvinkelen for det annet prisme, ikke vil være konstant fordi innfallsvinkelen for strålen på det annet prisme vil variere alt etter de innbyrdes stillinger av de to prismer, kan vinkelen antas å være tilnærmet konstant siden prismet 16 er beregnet på å virke under betingelser der avbøyningen er minst. Ved passende vinkelstilling av de to prismer vil strålen som faller ut fra utgangsflaten på det annet prisme 16, kunne bringes til å innta en. hvilken som helst stilling innenfor den konus hvis toppvinkel er tilnærmet det dobbelte av summen av avbøynings-vinklene for de to prismer. Fig. 2 viser hvorledes avbøyningen som innføres av det første prisme 10 kan representeres av en vektor A med lengden OP i en vinkel a til y-aksen som vist. Den ytterligere avbøyning som innføres av det annet prisme 16 representeres av en vektor B med lengden CQ, en vinkel $ på samme akse. Her representerer da resultanten R den posisjon som stillingen egentlig inntar. Retningen av strålen kan beveges fra en bane som passerer gjennom punktet Q med passende økninger av vinklene a og (3, og disse økninger betegnes som da og d3• Under forutsetning av at vektorene A og B er av samme størrelse og representerer avbøyningen k for hvert prisme, kan det for disse vinkeløkninger opptil den ønskede elevasjon og asimut E' og A' uttrykkes slik:

og der og

Da k (cos a + cos 3) representerer den nuværende vinkelavbøyning av strålen i elevasjon og E<1>er den ønskede elevasjon, representerer dE i de ovenfor gjengitte uttrykk elevasjonsfeilen for den utfallende stråle dividert med verdien k som her bare skal betraktes som en konstant verdi. På samme måte representerer dA asimutfeilen dividert med k. Uttrykket "feil" er her benyttet i forbindelse med en servo-feil som angir forskjellen mellom de ønskede og de virkelige verdier av en eller annen størrelse.

Likningene 1 og 2 angår disse feil i elevasjons- og asimutavbøyninger, og de kan selv avledes fra de kjente verdier for E', k, a og 6 og føres videre til de tilsvarende korri-geringer da og dB som må utføres når det gjelder vinkelstillingene fra referansen for de to prismer. Et servosystem kan benyttes til å drive prismene for å redusere disse feil til null og dermed styre strålen i denønskede retning.

Fig. 3 viser et blokkdiagram for den styreanordning som er nødvendig for å dreie de to posisjoner til stillinger som angis av inngangene E og A. Prismenes drivanordninger er også vist.

Den høyre side av fig. 3 viser i skjematisk form første prisme 10 på sin bærer 11 sammen med den tilhørende drivmotor 13 og oppløser 14. På samme måte er det annet prisme 16 på sin bærer 17 med drivmotoren 19 og oppløser 20. Hver opp-løser frembringer to utgangssignaler som representerer sinus og cosinus til vinkelstillingen for det tilhørende prisme. Disse signaler vil være vekselstrømverdier og omdannes til likestrømverdier for anvendelse i styrekretsen.

Inngangssignalene E og A påtrykkes gjennom en "senterkrets"-enhet CC og formålet med dette vil bli beskrevet nærmere.i det følgende. Elevasjonssignalet E' fra senterkretsen påtrykkes gjennom en motstandskrets på en første summerende forsterker 1. som også blir tilført cos a- og cos 3_ signalene. Verdiene for motstandene er slik at utgangen fra forsterkeren representerer uttrykket

som, som allerede nevnt, kan betegnes med dE.

En multiplikatorkrets Ml får dette dE signal fra forsterkeren Al som en av sine innganger, der den annen inngang er cosinus a-signalet. Utgangen fra multiplikatoren Ml representerer dermed verdien dE cos a. En ytterligere multiplikator M2 har dE og cos 3 som sine to innganger og avgir dermed en utgang som representerer dE cos 3. En tredje multiplikator M3 Har cos 3 •• og sin a som innganger og avgir en utgang som representerer produktet 3 mens den fjerde multiplikator M4 som innganger har cos a og sin 3 og frembringer en utgang som representerer cos a. sin 3-

Inngangssignalet A' fra "senterkretsen" CC påtrykkes via en ytterligere motstandskrets på en ytterligere summerende forsterker 2 som også får tilført sin a og sin 3 signalene. Verdiene av motstandene er slik at utgangen fra forsterkeren representerer uttrykket

som, allerede forklart, hensiktsmessig kan betegnes som dA.

En multiplikatorkrets M5 h:\ r dette signal som en av sine innganger, der den annen inngang er sin 3 signalet. Utgangen fra multiplikatoren M5 representerer dermed verdien dA ganger sin 3« På samme måte får multiplikatoren M6 sine to innganger som dA og sin a signalene og avgir dermed en utgang som er dA . sin a.

Utgangene fra multiplikatorene Ml og M6 blir satt sammen i en summerende forsterker A3 for å avgi et signal som representerer dette uttrykk: På. samme måte vil utgangene fra multiplikatorene M2 og 145 bli satt sammen ved en summerende forsterker A4 for å gi et utgangssignal som representerer trykket

Det gjenværende par multiplikatorer M3 og M4 har

sine utganger koplet til de to innganger for en komparatorkrets C som avgir en utgang i form av forskjellen mellom de to, nemlig

En delekrets Dl får utgangene fra forsterkeren A3 og komparatoren C som sine innganger, og dens utgang representerer dermed uttrykket

Dette er den nødvendige verdi av dB og påtrykkes gjennom servoforsterkeren SA2 til motoren 19 for styring av prismen 16.

En ytterligere delekrets D2 har utgangene fra forsterkeren A4 og komparatoren C som sine innganger, og kretsens utgang representerer dermed uttrykket

Den er den nødvendige verdi for da og påtrykkes gjennom servoforsterkeren SAl til motoren 13 som styrer prismen 10.

Av de ovenstående uttrykk for da og dB vil man se at det oppstår et problem hvis sin (a - B) er null siden hvert uttrykk og dermed de to servodrifter blir uendelig. Dette ville føre til. en alvorlig ustabilitet. Situasjonen oppstår bare når de to prismer 10 og 16 er i stillinger der forskjellen mellom a og B enten er null eller 180°. Dette betyr at det ikke er mulig å oppnå den maksimale stråleavbøyning som er lik summen av avbøyningene frembrakt av hvert prisme eller den minste avbøyning som er lik forskjellen mellom de avbøyninger hvert prisme frembringer. Senterkretsen CC er anordnet for å sikre at disse tilstander ikke kan oppnås i praksis. Som et alternativ kan mekaniske midler benyttes.

Fig. 4 viser en mulig form for senterkretsen. På-tegningen vil man se at asimut- og elevasjonskanalene er iden-tiske. Hvis man ser på elevasjonskanalen.er elevasjonsinngangs-klemmen forbundet med en bufferforsterker A5 med en forsterkningsgrad 1, og utgangen fra denne danner inngangen til en ytterligere forsterker A6 med liten forsterkning. Utgangen fra forsterkeren A6 er koplet til basis i en NPN-transistor Tl som ved hjelp av like motstander R er koplet mellom tilførsels-skinner + V og -V. Kollekoren i transistoren er koplet gjennom en diode D med poler som vist/til omvenderinngangen for en komparator CP.

Koplingspunktet mellom forsterkerne A5 og A6 er koplet til en forsterker A7 med høy forsterkningsgrad og deretter gjennom en spenningsdeler og en omvendende bufferforsterker A8 til elevasjonsutgangen for senterkretsen. Inngangen og utgangen til og fra forsterkeren A7 er koplet sammen gjennom en FET bryter Fl hvis portelektrode er koplet i utgangen for komparatoren CP.

Asimutkanalen er koplet på nøyaktig samme måte og har en forsterkerA9 som er shuntkoplet med en FET bryter F2, og denne styres også av komparatoren CP.

Når spenningen på basis i transitoren Tl er slik at den bringer transistoren til å lede, vil utgangsspenningen stort sett være null. På den annen side når transistoren ikke leder, stiger spenningen til +V. Av denne grunn vil den spenning som påtrykkes inngangen til komparatoren være enten null eller +V.

Elevasjons- og asimutinngangene E<1>og A<1>kan varieres fra en positiv verdi gjennom null til en tilsvarende negativ verdi og representere det variasjonsområde for avbøyningen en lysstråle kan ha når den passerer gjennom prismene. For alle verdier av E<1>bortsett fra verdien som ligger meget nær null og som representerer meget små avbøyninger, er forsterk- ningen i forsterkeren A6 slik at dere utgangsspenning bringer komparatoren CP til å holde FET bryteren Fl sluttet. Forsterkeren A7. blir dermed shuntkoplet og det elevasjonssignal som ' påtrykkes bufferforsterkeren A5 vil være utgangen fra omvend-eren A8. Det samme gjelder asimutkanalen.

Når elevasjonsinngangen er liten, vil den spenning som opptrer ved kollektoren i transistoren Tl falle under referansespenningen for komparatoren CP. Hvis asimutinngangen er høy,, vil denne ligge over elevasjonssignalet og FET bryterne forblir sluttet. Hvis imidlertid både asimut og elevasjonsinngangene er små, vil utgangen fra komparatoren forandre seg og de to FET brytere bryter.

Asimut og elevasjonsinngangene påtrykkes forsterkerne som har forsterkningsgrad (A7 i elevasjonskanalen). Forsterk-ningene i disse forsterkere er slik at selv for meget små eller null innganger vil utgangene fra forsterkeren ha en viss mini-mumverdi og dermed forhindre nøyaktig innretning av de to prismer som styres av servosystemet.

I et eksempel kan spenningene +V og -V være + 10 volt og - 10 volt, og asimit- og elevasjonsinngangene kan variere mellom +7 volts og - 7 volt. De maksimale verdier representerer en total avbøyning av en stråle som faller inn i prismene på omtrent 10° i enhver retning. Den minste avbøyning som frembringes ved hjelp av senterkretsen som er nevnt ovenfor, er omtrent \ .

Kvis delerne Dl og D2 er av en type som ikke kan dele med en negativ deler må det anvendes kretser som kan vende om utgangene fra komparatoren C og delerne Dl ogD2, hvis utgangen fra komparatoren C skulle bli negativ.

Det er angitt ovenfor at hvert prisme skal ha samme toppvinkel. Dette er ikke nødvendig, men fører til enklere styrekretser. Toppvinkelen avhenger av det krav som stilles til styringen av strålens retning. En avbøyningsvinkel på 5° kan være hensiktsmessig og gir en maksimal mulig avbøyning på omtrent 10°.

Andre former for analog eller digital databehandling og styring kan benyttes for å løse de matematiske likninger som bestemmer prismenes rotasjon. For eksempel kan verdiene for sinus avta, cosinus avta, sinus 6 og cosinus 3 avledes fra

de ønskede elevasjons- og asimutinnganger som benyttes til å

drive to servooppløsere som styrer vinklene a og 3. Som et alternativ kan en digitalberegningskrets benyttes for å utlede vinklene a og 3 direkte.

Claims (8)

1. Optisk anordning for kontroll med retningen av en

optisk stråle, karakterisert ved at den omfatter første og andre prismer,hver med liten toppvinkel og lagret for rotasjon om en felles akse med plan som deler deres toppvinkler i to like deler stående stort sett parallelle med hverandre og perpendikulære på den felles akse, drivanordninger som er innrettet til å dreie hvert prisme uavhengig av hverandre om den nevnte felles akse og til å bestemme vinkelstillingen av hvert prisme i forhold til en referanseretning, og styreanordninger som påvirkes av vinkelstillingen av hvert prisme og av signaler som angir den ønskede retning av en utfallende stråle, for å styre drivanordningene i henhold til dette.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at hvert prisme er montert på en bærer som har en ring med tannhjulstenner.

3. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at drivanordningen for hvert prisme omfatter et tannhjulsdrev i inngrep med den tannede ring, en motor som er innrettet til å drive drevet og føleranordninger som er beregnet på å bestemme vinkelstillingen av prismet i forhold til en referanseretning.

4. Anordning som angitt i krav 3, karakterisert ved at føleranordningen omfatter en synkrooppløser.

5. Anordning som angitt i krav 3 eller 4, karakterisert ved at føleranordningen er innrettet til å avgi utganger som representerer sinus og cosinus for vinkelen mellom referanseretningen og orienteringen av prismet.

6. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at styreanordningen innbefatter en analog krets som kan påvirkes av sinus og cosinus for vinklene a og 3 mellom referanseretningen og orienteringene av det første og andre prisme for å utlede de endringer da og d3 som er nødven- dige i disse vinkler for å bevege den utfallende stråle til en posisjon som er bestemt av asimut- og elevasjonsinngangeneA ' og E', hvilke endringer angis i uttrykkene og der

og k er den avbøyning som frembringes av hvert prisme.

7. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at den omfatter en krets som er innrettet til å hindre sin(a - 6) fra å anta verdien null.

8. Anordning som angitt i krav 7, karakterisert ved at kretsen kan være i drift når både asimut-og elevasjonsinngangene faller under en på forhånd bestemt verdi for å påtrykke verdiene A '• og E' ut over en minimum-verdi, på styreanordningene.