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DE19809908C2 - Vibration chopper for an optical modulator for radiation sensors in a row or matrix arrangement - Google Patents

Vibration chopper for an optical modulator for radiation sensors in a row or matrix arrangement

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DE19809908C2
DE19809908C2 DE1998109908 DE19809908A DE19809908C2 DE 19809908 C2 DE19809908 C2 DE 19809908C2 DE 1998109908 DE1998109908 DE 1998109908 DE 19809908 A DE19809908 A DE 19809908A DE 19809908 C2 DE19809908 C2 DE 19809908C2
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Germany
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leaf springs
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diaphragm
connecting web
edge
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Joerg Sorber
Peter Droegmoeller
Gerald Gerlach
Holger Brosche
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Technische Universitaet Dresden
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Technische Universitaet Dresden
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    • G02B26/02—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/10—Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void
    • G01J1/20—Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void intensity of the measured or reference value being varied to equalise their effects at the detectors, e.g. by varying incidence angle
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    • G01J1/36—Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void intensity of the measured or reference value being varied to equalise their effects at the detectors, e.g. by varying incidence angle using separate light paths used alternately or sequentially, e.g. flicker using electric radiation detectors

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Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingchopper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a vibration chopper according to the preamble of claim 1.

Verschiedene Meßsystemprinzipien z. B. in der Infrarotmeßtechnik erfordern ein Modulieren der einfallenden Infrarot-Strahlung, meist unmittelbar vor dem Sensor. Diese Modulatoren, auch Chopper genannt, bestimmen wesentliche Systemkenngrößen, wie Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Volumen. Herkömmliche Lösungen mit Sektorrädern oder Spiralchoppern haben bei Zeilen- und auch Matrixsensoren den Nachteil, daß sich die Chopperkante nicht genau parallel zur Sensorzeile bewegt, wie es auch bei Matrixsensoren für das fast ausnahmslos zeilenorientierte Ausleseregime optimal wäre. Zylinderchopper vermeiden diesen Nachteil zwar, haben aber selbst bei einem großen Durchmesser keinen konstanten Abstand zwischen Sensor und Blendenkante. Anwendungen sind nicht bekannt, eine Integration ist nicht möglich.Different measuring system principles e.g. B. in infrared measurement require a Modulating the incident infrared radiation, usually directly in front of the sensor. These modulators, also called choppers, determine essential ones System parameters such as accuracy, reliability and volume. conventional Solutions with sector wheels or spiral choppers have both line and Matrix sensors have the disadvantage that the chopper edge is not exactly parallel to Sensor line moves, as it does with matrix sensors for almost without exception line-oriented readout regime would be optimal. Cylinder choppers avoid this Disadvantage, but have no constant even with a large diameter Distance between sensor and aperture edge. Applications are not known Integration is not possible.

Modulatoren wie aus der US 5,567,052 A bekannt, weisen eine gerade Chopperkante mit einem Sensor in einem Hohlzylinder auf, bei denen die gerade Chopperkante zur Fensterkante parallel geführt ist. Bei derartigen Anordnungen kann kein konstanter Abstand zwischen Blende und Sensor realisiert werden.Modulators as known from US 5,567,052 A have a straight chopper edge a sensor in a hollow cylinder on which the straight chopper edge for Window edge is guided in parallel. With such arrangements, no constant can Distance between aperture and sensor can be realized.

Es sind auch Modulatoren mit einer geraden Chopperkante und einem elektrodynamischen Antrieb (US 5,577,840 A, DE 38 38 123 A1, JP 6 011 655 AA) bekannt. Diese erfüllen die Forderung nach einem konstanten Abstand zwischen Blende und Sensor und es erfolgt eine parallele Führung der geraden Chopperkante zur Fensterkante. Diese Anordnungen sind jedoch reibungsbehaftet, woraus ein größerer Energiebedarf resultiert.They are also modulators with a straight chopper edge and one electrodynamic drive (US 5,577,840 A, DE 38 38 123 A1, JP 6 011 655 AA) known. These meet the requirement for a constant distance between Aperture and sensor and the straight chopper edge is guided in parallel to the window edge. However, these arrangements are fraught with problems, from which one greater energy requirements result.

Es sind weiterhin Modulatoren als Biegeschwinger (US 5,653,537 A, US 5,391,001 A) oder Schwingchopper (US 5,246,292 A) bekannt, die allerdings keine geradlinigen Bewegungen ausführen können. Der Abstand zwischen Blende und Sensor ist nicht konstant. There are also modulators as flexural vibrators (US 5,653,537 A, US 5,391,001 A) or Schwingchopper (US 5,246,292 A) known, but not a straight line Can perform movements. The distance between the aperture and the sensor is not constant.  

Die ferner bekannten Modulatoren als Chopperräder und -zylinder (US 5,127,742, US 5,076,707, US 4,907,895) realisieren zwar einen konstanten Abstand zwischen Blende und Sensor. Eine Parallelität zwischen Blenden- und Fensterkante kann allerdings nicht hergestellt werden.The further known modulators as chopper wheels and cylinders (US 5,127,742, US 5,076,707, US 4,907,895) realize a constant distance between the aperture and sensor. However, there can be a parallelism between the edge of the panel and the window cannot be made.

Bekannt ist auch ein optischer Modulator (JP 2 055 311 AA), der eine Blende mit mehreren Schlitzen parallel zur Sensoroberfläche führt. Durch zwischenliegende optische Elemente weist die Anordnung Transmissionsverluste auf.Also known is an optical modulator (JP 2 055 311 AA) which has an aperture leads several slots parallel to the sensor surface. By intermediate The arrangement has transmission elements with optical elements.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung anzugeben, die die Führung der Chopperkante parallel zur Fensterkante (Sensorzeile) bei gleichbleibendem Abstand zwischen Blende und Sensor ermöglicht, die die Reibung durch Festkörpergelenke äußerst gering hält und einen Resonanzbetrieb ermöglicht.The object of the invention is therefore to provide an arrangement that the leadership of Chopper edge parallel to the window edge (sensor line) with constant distance between panel and sensor, which allows friction through solid-state joints keeps extremely low and enables resonance operation.

Die Miniaturisierung eines derartigen Choppers bis zur Integration in das Sensorgehäuse soll möglich sein. Außerdem soll zum Aufrechterhalten der Relativbewegung zwischen Blende und Sensor nur ein minimaler Energieeinsatz erforderlich sein.The miniaturization of such a chopper until integration into the Sensor housing should be possible. It also aims to maintain the Relative movement between aperture and sensor only minimal energy consumption to be required.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anordnung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüchen.According to the invention, the object is achieved by an arrangement with that in claim 1 mentioned features solved. Advantageous further developments and refinements are Subject of the subclaims.

Die beiden gleichen und parallel angeordneten Blattfedern dienen als Führungselemente. Gemeinsam mit der Blende, die direkt oder über einen Verbindungssteg an die Federn angekoppelt ist, bilden diese ein Feder-Masse-System. Das Feder-Masse-System führt durch einen elektromechanischen Antrieb eine oszillierende Bewegung aus, deren Hauptbewegungsrichtung sich senkrecht zur geraden Chopperkante befindet. Da bei der beschriebenen Anordnung Festkörpergelenke eingesetzt sind, enstehen nur minimale Reibungsverluste. Die zum Einhalten einer konstanten Schwingungsamplitude zuzuführende Energie ist deshalb ebenfalls minimal, wodurch die besonders bei Infrarot-Sensoren störende, durch den vom Wirkungsgrad des elektromechanischen Antriebs abhängigen Verlustanteil hervorgerufene Eigenerwärmung minimiert wird.The two identical and parallel leaf springs serve as Guide elements. Together with the aperture, either directly or through one Connection bridge is coupled to the springs, these form a spring-mass system. The spring-mass system uses an electromechanical drive oscillating movement whose main direction of movement is perpendicular to straight chopper edge. Because in the arrangement described Solid-state joints are used, there are only minimal friction losses. The for Maintaining a constant vibration amplitude is therefore the energy to be supplied also minimal, which makes it particularly annoying with infrared sensors loss share dependent on the efficiency of the electromechanical drive self-heating caused is minimized.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen: The invention is explained in more detail below with the aid of exemplary embodiments explained. The drawings show:  

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung mit elektrodynamischem Antrieb Fig. 1 shows an arrangement according to the invention with an electrodynamic drive

Fig. 2a bis 2f verschiedene Ausführungsformen von elektrodynamischen Antrieben Fig. 2a to 2f show various embodiments of electrodynamic actuators

Fig. 3 eine Ausführungsform für einen piezoelektrischen Antrieb Fig. 3 shows an embodiment for a piezoelectric drive

In der Fig. 1 wird eine erfindungsgemäß ausgebildete Anordnung mit einem elektrodynamischen Antrieb gezeigt.In Fig. 1 an inventive arrangement is shown formed with an electrodynamic drive.

Die gerade Chopperkante 1 ist parallel zur Fensterkante 2 eines Zeilen- oder Matrixsensors 3 angeordnet. Die Blende 4 ist hier am Verbindungssteg 5 zwischen zwei parallel angeordneten Blattfedern 6a, 6b gegenüber deren Einspannstelle 7 angebracht. Die zur Aufrechterhaltung der Blendenschwingbewegung erforderliche Kraft kann dabei entweder an einer oder beiden Blattfedern 6a, 6b oder auch am Verbindungssteg 5 eingeleitet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Krafteinleitung am Verbindungssteg 5. Sowohl Federn 6a, 6b als auch Verbindungssteg 5 sowie Blende 4 sind Bestandteil eines sogenannten Feder-Masse- Systems. Gegenüber herkömmlichen Lösungen mit Sektorrädern, Spiral- oder Zylinderchoppern kann man durch diese Anordnung eine erhebliche Verringerung der Baugröße als Voraussetzung für eine Integration in das Sensorgehäuse erreichen.The straight chopper edge 1 is arranged parallel to the window edge 2 of a line or matrix sensor 3 . The diaphragm 4 is attached here to the connecting web 5 between two parallel leaf springs 6 a, 6 b opposite their clamping point 7 . The force required to maintain the diaphragm oscillating movement can be introduced either on one or both leaf springs 6 a, 6 b or on the connecting web 5 . In this exemplary embodiment, the force is introduced at the connecting web 5 . Both springs 6 a, 6 b and connecting web 5 and panel 4 are part of a so-called spring-mass system. Compared to conventional solutions with sector wheels, spiral or cylinder choppers, this arrangement allows a considerable reduction in size as a prerequisite for integration into the sensor housing.

In den Fig. 2a bis 2f werden verschiedene Ausführungsformen von elektrodynamischen Antrieben dargestellt.Different embodiments of electrodynamic drives are shown in FIGS. 2a to 2f.

Bei Fig. 2a ist unter dem ferromagnetischen Verbindungssteg 5 eine Statorspule 9 so angeordnet, daß sie sich in Ruhestellung des schwingungsfähigen Systems etwas außerhalb der Mitte des über ihr liegenden Verbindungssteges 5 befindet und diesen bei Stromfluß durch die Spule anzieht. Die resultierende Bewegung ist nur in horizontaler Richtung möglich, da das Verhältnis Federdicke zu Federbreite der Blattfedern 6a, 6b << 1 eine nennenswerte Bewegungskomponente in vertikaler Richtung verhindert. In Fig. 2a, a stator coil 9 is arranged under the ferromagnetic connecting web 5 so that it is in the rest position of the oscillatory system slightly outside the center of the connecting web 5 lying above it and attracts it when current flows through the coil. The resulting movement is only possible in the horizontal direction, since the ratio of spring thickness to spring width of the leaf springs 6 a, 6 b << 1 prevents a significant movement component in the vertical direction.

Fig. 2b zeigt eine abgewandelte Variante, bei der der Verbindungssteg 5 nicht aus ferromagnetischem Material bestehen muß. Hier läßt sich ein Dauermagnet 10 einsetzen. FIG. 2b shows a modified variant in which the connecting web 5 need not be made of ferromagnetic material. A permanent magnet 10 can be used here.

Bei Fig. 2c ist beidseitig eine Statorspule 9 angeordnet, die auf die Blattfedern 6a, 6b wirkt. Diese müssen dann aus ferromagnetischem Material bestehen.In Fig. 2c, a stator coil 9 is arranged on both sides, which acts on the leaf springs 6 a, 6 b. These must then consist of ferromagnetic material.

Fig. 2d stellt eine Möglichkeit mit nur einseitig wirkender Statorspule 9 dar. Fig. 2d is a way of using only unilaterally acting stator coil. 9

Fig. 2e und Fig. 2f zeigen Varianten, die sich von den letztgenannten beiden dadurch unterscheiden, daß durch Verwendung von Dauermagneten 10 keine Einschränkung auf ferromagnetisches Material bei den Blattfedern 6a, 6b mehr besteht. Fig. 2e, and Fig. 2f show variants that differ from the latter two in that by the use of permanent magnets 10 is not limited to ferromagnetic material in the leaf springs 6 a, 6 b no longer exists.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäß ausgebildete Anordnung mit piezoelektrischem Antrieb. Fig. 3 shows an arrangement according to the invention constructed with a piezoelectric drive.

Die beidseitig der Blattfedern 6a, b angeordneten piezoelektrischen Schichten 8.1 bis 8.8 sind so mit einer Spannung versorgt, daß sich die piezoelektrischen Schichten 8.1 und 8.4 an Blattfeder 6a sowie 8.5 und 8.8 an Blattfeder 6b zusammenziehen und alle anderen ausdehnen. Daraus resultiert eine Auslenkung der Blende 4 nach rechts, bei Umpolung der Spannung an den piezoelektrischen Schichten 8.1 bis 8.8 kommt es folglich zu einer Richtungsumkehr.The piezoelectric layers 8.1 to 8.8 arranged on both sides of the leaf springs 6 a, b are supplied with a voltage such that the piezoelectric layers 8.1 and 8.4 on leaf spring 6 a and 8.5 and 8.8 on leaf spring 6 b contract and expand all others. This results in a deflection of the diaphragm 4 to the right, thus reversing the direction when the voltage on the piezoelectric layers 8.1 to 8.8 is reversed.

Bei allen Anordnungen bewegt sich die Chopperkante in konstanter Höhe über den Sensorelementen. Der senkrecht zur geraden Chopperkante verlaufenden Hauptbewegung ist eine entlang der Sensorzeile gerichtete Nebenbewegung überlagert. Ihre Amplitude hängt von der Blattfederlänge ab. Als Voraussetzung für die Parallelität der Chopperkante zur Sensorzeile während des Bewegungsvorganges muß gelten, daß l1 = l2 und b1 = b2 ist. Außerdem müssen beide Blattfedern 6a, 6b gleich stark beansprucht werden. Das ist z. B. dann der Fall, wenn gleiche Federabmessungen und auch gleiche Federmaterialien verwendet werden.In all arrangements, the chopper edge moves at a constant height above the sensor elements. The main movement, which is perpendicular to the straight chopper edge, is superimposed on a secondary movement directed along the sensor line. Their amplitude depends on the length of the leaf spring. A prerequisite for the parallelism of the chopper edge to the sensor line during the movement process must be that l 1 = l 2 and b 1 = b 2 . In addition, both leaf springs 6 a, 6 b must be equally stressed. That is e.g. B. the case when the same spring dimensions and the same spring materials are used.

Bei der in der Erfindung beschriebenen Anordnung dient ein oszillierendes Feder- Masse-System zur parallelen Führung einer Blendenkante. Bei diesem sind die Federn gleichzeitig Führungs-, Energiespeicher- und z. B. in Verbindung mit piezoelektrischem Material auch Teil des Antriebselements. Die Dimensionierung der Anordnung für den Betrieb mit Resonanzfrequenz gestattet es, mit geringstem Energieeinsatz relativ große Amplituden der Blendenbewegung zu erreichen. Bei einem piezoelektrischen Antrieb kann man dadurch auch mit Spannungen unter 10 V arbeiten. In the arrangement described in the invention, an oscillating spring Mass system for the parallel guidance of an aperture edge. With this are the feathers at the same time leadership, energy storage and z. B. in connection with piezoelectric Material also part of the drive element. The dimensioning of the arrangement for the Operation with resonance frequency allows relatively little energy consumption  to achieve large amplitudes of the aperture movement. With a piezoelectric This means that the drive can also work with voltages below 10 V.  

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Chopperkante
chopper edge

22

Fensterkante
window edge

33

Strahlungssensor
radiation sensor

44

Blende
cover

55

Verbindungssteg
connecting web

66

a Blattfeder
a leaf spring

66

b Blattfeder
b leaf spring

77

Einspannstelle
clamping

88th

piezoelektrische Schicht
piezoelectric layer

99

Statorspule
stator

1010

Dauermagnet
permanent magnet

1111

elektrodynamischer Antrieb
electrodynamic drive

Claims (9)

1. Schwingchopper für einen optischen Modulator für Strahlungssensoren in Zeilen- oder Matrixanordnung, bestehend aus einer federnd aufgehängten Blende (4) mit gerader Chopperkante (1), bei dem die Chopperkante parallel zur Fensterkante (2) eines Strahlungssensors (3) ausgerichtet ist und die Anordnung einen elektromechanischen Antrieb (8.1, . . ., 8.8; 11) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß
die federnde Aufhängung aus mindestens zwei gleichen, parallel angeordneten Blattfedern (6a, 6b) besteht,
die Blende (4) so an den Blattfedern (6a, 6b) befestigt ist, daß die Hauptbiegebewegung der Blattfedern (6a, 6b) senkrecht zur geraden Chopperkante (1) der Blende (4) ausgerichtet ist und die Blattfedern (6a, 6b) mit der Blende (4) eine Parallelführung bilden und
der elektromechanische Antrieb (8.1, . . ., 8.8; 11) mit mindestens einer der Blattfedern (6a, 6b), dem Verbindungssteg (5) oder der Blende (4) verbunden ist.1. Schwingchopper for an optical modulator for radiation sensors in a row or matrix arrangement, consisting of a spring-mounted diaphragm ( 4 ) with a straight chopper edge ( 1 ), in which the chopper edge is aligned parallel to the window edge ( 2 ) of a radiation sensor ( 3 ) and the Arrangement contains an electromechanical drive ( 8.1 , ... , 8.8 ; 11 ), characterized in that
the resilient suspension consists of at least two identical, parallel leaf springs ( 6 a, 6 b),
the panel ( 4 ) is attached to the leaf springs ( 6 a, 6 b) so that the main bending movement of the leaf springs ( 6 a, 6 b) is aligned perpendicular to the straight chopper edge ( 1 ) of the panel ( 4 ) and the leaf springs ( 6 a, 6 b) form a parallel guide with the diaphragm ( 4 ) and
the electromechanical drive ( 8.1 , ... , 8.8 ; 11 ) is connected to at least one of the leaf springs ( 6 a, 6 b), the connecting web ( 5 ) or the diaphragm ( 4 ). 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Antrieb (11) ein elektrodynamischer Linearmotor ist, der zwischen einem Gehäuse und einer oder beiden Blattfedern (6a, 6b) angeordnet ist, an dem Verbindungssteg (5) oder der Blende (4) selbst befestigt ist und durch einen elektrischen Strom eine Relativbewegung zwischen diesem Gehäuse und der Blende (4) auftritt.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the electromechanical drive ( 11 ) is an electrodynamic linear motor, which is arranged between a housing and one or both leaf springs ( 6 a, 6 b) on the connecting web ( 5 ) or the diaphragm ( 4 ) is attached itself and a relative movement between this housing and the diaphragm ( 4 ) occurs by an electric current. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrodynamische Linearmotor ein Tauchspulmotor ist.3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the electrodynamic Linear motor is a moving coil motor. 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrodynamische Antrieb (11) durch eine oder mehrere Statorspulen (9) ausgeführt ist.4. Arrangement according to claim 2, characterized in that the electrodynamic drive ( 11 ) is carried out by one or more stator coils ( 9 ). 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungssteg (5) und die Blattfeder (6a, 6b) oder eines von beiden ferromagnetisch ist, und so die bewegten Teile des elektrodynamischen Antriebs (11) bilden. 5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the connecting web ( 5 ) and the leaf spring ( 6 a, 6 b) or one of the two is ferromagnetic, and thus form the moving parts of the electrodynamic drive ( 11 ). 6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungssteg (5) und die Blattfeder (6) oder eines von beiden mit einem Dauermagneten (10) versehen ist.6. Arrangement according to claim 4, characterized in that the connecting web ( 5 ) and the leaf spring ( 6 ) or one of the two is provided with a permanent magnet ( 10 ). 7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer der Blattfedern (6) auf mindestens einer Seite mindestens teilweise eine oder mehrere piezoelektrische Schichten (8) aufgebracht sind, diese piezoelektrische Schicht oder Schichten jeweils auf der Ober- und Unterseite kontaktiert und diese Kontakte mit einer Spannungsquelle verbunden sind.7. Arrangement according to claim 1, characterized in that on at least one of the leaf springs ( 6 ) on at least one side at least partially one or more piezoelectric layers ( 8 ) are applied, this piezoelectric layer or layers contacted on the top and bottom and these contacts are connected to a voltage source. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer der Blattfedern (6) auf mindestens einer Seite mindestens teilweise eine oder mehrere piezoelektrische Schichten (8) aufgebracht sind, diese piezoelektrische Schicht oder Schichten jeweils auf der Ober- und Unterseite kontaktiert sind, mindestens eines der Kontaktepaare als Spannungsquelle verwendet ist, die eine zur Auslenkung der Blattfedern proportionale Ausgangsspannung aufweist, daß dieser Kontakt das Eingangstor einer gesteuerten Spannungsquelle bildet und die Ausgangsspannung dieser gesteuerten Spannungsquelle mit den Kontakten von mindestens einer weiteren piezoelektrischen Schicht verbunden sind.8. Arrangement according to claim 7, characterized in that on at least one of the leaf springs ( 6 ) on at least one side at least partially one or more piezoelectric layers ( 8 ) are applied, this piezoelectric layer or layers are contacted on the top and bottom , at least one of the pairs of contacts is used as a voltage source which has an output voltage proportional to the deflection of the leaf springs, that this contact forms the input gate of a controlled voltage source and the output voltage of this controlled voltage source is connected to the contacts of at least one further piezoelectric layer. 9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet dadurch, daß eine oder mehrere dieser piezoelektrischen Schichten (8) zur Feinabstimmung der Resonanzfrequenz des Systems dient.9. Arrangement according to claim 7 or 8, characterized in that one or more of these piezoelectric layers ( 8 ) is used for fine-tuning the resonance frequency of the system.
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