DE3888124T2 - Hochleistungslichtquelle für Kameras. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Kamera mit integrierter Hochleistungsbeleuchtungsvorrichtung, zum Ausführen von Messungen der Richtung, des Abstandes und der relativen Lage zweier Objekte zueinander, von denen eines mit der genannten Vorrichtung ausgerüstet ist, wobei die Kamera das andere Objekt durch eine Eingangsoptik und ein optisches Filter für einen bestimmten Spektralbereich hindurch auf einen Detektor abbildet, und die Vorrichtung aus mehreren Elementarquellen mit jeweils einer Kollimationsoptik zum Einstellen des Gesichtsfeldes jeder der genannten Quellen auf das der Eingangsoptik der Kamera besteht.
• Eine Vorrichtung dieser Art findet beispielsweise bei den Anflügen zum Rendezvous zweier Raumfahrzeuge Anwendung, bei denen eines, als "Jäger" bezeichnet, versucht, das andere, "Ziel" genannt, anzukoppeln.
• In Augenblick des Zusammentreffens muß die Kopplung der beiden Fahrzeuge mit dem geringstmöglichen mechanischen Stoß stattfinden können, um die Umlaufbedingungen des Ziels nicht allzusehr zu verändern.
• Hierzu muß der Jäger genügend früh die theoretische Umlaufbahn des Ziels berücksichtigen, um mit diesem mit der richtigen Geschwindigkeit und insbesondere in der richtigen Lage zusammenzutreffen.
• Dies erfordert eine in dem Jägerfahrzeug untergebrachte Vorrichtung zur Messung des Abstandes zwischen Jäger und Ziel (für die letzte Annäherung kann man beispielsweise 200 m annehmen), der Richtung des Ziels im Peilpunkt des Jägers und der Lage des Ziels in bezug auf den gleichen Jägerpeilpunkt.
• Diese Vorrichtung wird von einer mit einem Lichtsender ausgerüsteten Kamera gebildet, welcher Sender entlang der gleichen Achse und im gleichen Gesichtsfeld wie das der Kamera einen gewissen, auf das Ziel projizierten Lichtkegel aussendet, wobei auf dem Ziel Retro-Reflektoren angeordnet sind, d. h. kleine dreiseitige Spiegel (oder Würfelecken), die das reflektierte Bündel in der Richtung des Einfallsstrahlenbündels zurückwerfen, unabhängig von der Position, die sie im Raum einnehmen.
• Die üblicherweise als Lichtsender verwendeten Diodenlaser benötigen eine Kollimationsoptik zum Anpassen des Winkels des Emmisionskegels an das Gesichtsfeld der Kamera.
• Bei der Verwendung für ein Rendezvous zweier Fahrzeuge im Weltraum ist ein genügend leistungsstarker Sender erforderlich, damit der Lichtstrom aus den Retro-Reflektoren, der auf die Kamera trifft, größer als der von der Sonne emittierte Lichtstrom ist.
• Man muß daher die Emission mehrerer jeweils einen Diodenlaser und eine Kollimationsoptik enthaltender Elementarquellen nutzen, um die Senderleistung merklich zu erhöhen. Die Anordnung dieser Quellen in einem sehr begrenzten Raum, um eine Lichtemmission im Inneren des gleichen Kegels zu erhalten, erweist sich daher als sehr schwierig zu realisieren.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeit mit Hilfe einer Vorrichtung zu verringern, die für die Kopplung mehrerer Elementarquellen sorgt und die Modulation der so realisierten starken Emissionsleistung und das Erhalten einer Redundanz bei Ausfall einer oder mehrerer dieser Quellen ermöglicht.
• Hierzu ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarquellen sich gleichmäßig verteilt ringförmig um die Pupille der Eingangsoptik herum befinden, wobei das von der Kollimationsoptik jeder der Quellen ausgehende Lichtbündel über einen gegenüber jeder Quelle liegenden Umlenkspiegel auf einen die Pupille der Eingangsoptik umgebenden Facettenspiegel fokussiert, der soviele Facetten enthält wie Lichtquellen, wobei jede Facette um einen solchen Winkel geneigt ist, daß die Richtung des reflektierten Strahlenbündels mit der Richtung des Gesichtsfeldes der Kamera gleich verläuft, so daß die von diesen Spiegelfacetten ausgehenden Lichtbündel um die gesamte optische Achse der Kamera herum quasi überlagert sind.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 die schematische Darstellung des Prinzips der Meßeinrichtung,
• Fig. 2 einen Längsschnitt durch die zu der Kamera gehörende erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung.
• Die Messungen des Abstandes, der Richtung und der relativen Lage zwischen zwei Objekten können mit Hilfe der Vorrichtung realisiert werden, von der Fig. 1 das Prinzip zeigt.
• Auf einem der Objekte befindet sich die Kamera 1 mit ihrer Beleuchtungsvorrichtung 2, und auf dem anderen befinden sich verteilt drei Strukturen nicht koplanarer Retro-Reflektoren 3, 4 und 5 im Emissionskegel 6 der Beleuchtungsvorrichtung.
• Die Teile der von den Retro-Reflektorstrukturen auf sich selbst zurückgeworfenen Strahlenbündel sind durch mit Pfeilen entgegengesetzter Richtung versehene Linien angegeben.
• Die Strukturen 3 und 4 sind einen Abstand d voneinander entfernt.
• Die Struktur 5 ist in bezug auf die Strukturen 3 und 4 um h verschoben.
• Die Kamera mißt die Winkelrichtung der Strukturen 3, 4 und 5.
• Die Winkelinformation des von Pos(3) + Pos(4)/2 gelieferten Mittelpunkts liefert die Richtung der Struktur, also die Richtung des Objektes, auf dem sich die Retro-Reflektorstrukturen befinden.
• Aus der Messung des Winkels, unter dem der Abstand d von der Kamera aus gesehen wird, kann der Abstand zwischen Kamera und Retro-Reflektorstrukturen erhalten werden.
• Der Unterschied der Winkelposition zwischen der Struktur 5 und dem virtuellen Mittelpunkt des Abstandes d, der die Strukturen 3 und 4 trennt, erlaubt es, die relative Lage zwischen den zwei Objekten zu bestimmen.
• Ein Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung ist in Fig. 2, die den optischen Kopf einer Kamera für ein Rendezvous im Raum darstellt, schematisch wiedergegeben.
• Die Eingangsoptik der Kamera 1 umfaßt die Eintrittspupille 7 und das optische Filter 8, die das Bild der Szene auf einen aus beispielsweise einer durch den Peltier-Effekt auf 20º ± 3ºgehaltenen CCD-Einrichtung bestehenden Detektor 9 fokussieren.
• Vor der Kamera 1 befindet sich die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung 2, deren Prinzip darin besteht, die Bilder der emittierenden Flächen einer Zusammenstellung aus Diodenlasern auf einen Spiegel aus zur Optik der Kamera konzentrischen Facetten zu fokussieren. Dieses Prinzip hat den Vorteil, daß jegliche Streuung von direktem Licht in die Optik der Kamera vermieden wird.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt N Elementarquellen (kontinuierlicher Diodenlaser oder gepulster Diodenlaser 10), die ringförmig um die Eintrittspupille 7 der Optik der Kamera herum verteilt sind. Eine Kollimationsoptik 11 pro Elementarquelle ermöglicht, das Gesichtsfeld der Lichtemission auf das gewünschte Gesichtsfeld einzustellen (für alle Elementarquellen das gleiche). Das von der Kollimationsoptik 11 ausgehende Lichtbündel wird über einen gegenüber jeder Quelle liegenden Umlenkspiegel 12 auf einen die Eintrittspupille 7 der Kamera umgebenden Facettenspiegel 13 aus N Facetten fokussiert. Jede Facette dieses Spiegels ist in geeigneter Weise geneigt, um das Strahlenbündel der entsprechenden Elementarquelle in eine zur Richtung des Gesichtsfeldes der Kamera gleichlaufende Richtung zu reflektieren.
• Die emittierten Strahlenbündel sind also quasi konzentrisch zur optischen Achse der Kamera.
• Außerdem trifft kein Strahlenbündel hoher Lichtleistung auf die optischen Komponenten (Eintrittspupille, Filter) oder durchläuft diese im Weg des Gesichtsfeldes der Kamera, wodurch die Gefahr von Streuung und damit direkter Injektion von Streulicht verringert wird.
• Schließlich wird die Modulation des Emissionsniveaus durch Verwendung von 1 bis N Elementarquellen vereinfacht.
• Der Nutzen dieser Beleuchtungsvorrichtung liegt darin, die Erzeugung starker Lichtströme zu ermöglichen, die ein gutes Funktionieren der Kamera selbst in einer sehr strahlenden Atmosphäre garantieren (Sonnenlicht im Gesichtsfeld für eine Anwendung eines Rendezvous im Weltraum oder eine sehr helle Umgebung für Robotikanwendungen).

Claims (4)

1. Kamera mit integrierter Hochleistungsbeleuchtungsvorrichtung, zum Ausführen von Messungen der Richtung, des Abstandes und der relativen Lage zweier Objekte zueinander, von denen eines mit der genannten Vorrichtung ausgerüstet ist, wobei die Kamera das andere Objekt durch eine Eingangsoptik und ein optisches Filter für einen bestimmten Spektralbereich hindurch auf einen Detektor abbildet, und die Vorrichtung aus mehreren Elementarquellen mit jeweils einer Kollimationsoptik zum Einstellen des Gesichtsfeldes jeder der genannten Quellen auf das der Eingangsoptik der Kamera besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarquellen sich gleichmäßig verteilt ringförmig um die Pupille der Eingangsoptik herum befinden, wobei das von der Kollimationsoptik jeder der Quellen ausgehende Lichtbündel über einen gegenüber jeder Quelle liegenden Umlenkspiegel auf einen die Pupille der Eingangsoptik umgebenden Facettenspiegel fokussiert, der soviele Facetten enthält wie Lichtquellen, wobei jede Facette um einen solchen Winkel geneigt ist, daß die Richtung des reflektierten Strahlenbündels mit der Richtung des Gesichtsfeldes der Kamera gleich verläuft, so daß die von diesen Spiegelfacetten ausgehenden Lichtbündel um die gesamte optische Achse der Kamera herum quasi überlagert sind.

2. Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Elementarquellen von kontinuierlichen Diodenlasern oder von gepulsten Diodenlasern gebildet werden.

3. Kamera nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß keines der von den Elementarquellen ausgehenden Strahlenbündel die Eingangsoptik der Kamera durchläuft.

4. Kamera nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsniveau durch Verwendung von 1 bis N Elementarquellen moduliert werden kann.