CN1395677A - 可移动反光镜光学位置的确定方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种用于可移动测量目标，特别是反光镜或反光器的光学位置确定的方法。其中一种借助光源(2)产生的测量光束(6)被测量目标(10)反射到一个位置灵敏光探测器(12)上，借助该光探测器实施一个对应于测量目标(10)位置的信息转换。本发明的任务是构造一个方法，即用简单的光学构件能实现反光镜，尤其是旋转反光镜的一个迅速的光学位置测量。为完成该任务本发明建议：借助一个光学系统(8)将测量光束(6)聚焦在一个光探测器(12)上并且由该借助光探测器(12)获取的测量值确定对应于所聚焦的测量光斑强度分布最大值或重心的信号。

Description

可移动反光镜光学位置的确定方法及其装置

本发明涉及一种具有专利权利要求1上位概念中所描述特征的可移动反光镜光学位置的确定方法。此外本发明涉及实施这种方法的装置。

从Hanser出版社1983年第4版的瑙曼和施罗德的《光学元件-设计者的袖珍手册》一书中(Bauelement der Optik，Taschengbuchfuer Konstrukteure，H.Neumann und G.Schrder，4.Ausgabe，Hanser-Verlag，1983)这种方法已经成为众所周知，将该方法作为自动准直方法进行了描述，并且该方法能够测量旋转反光镜的角度位置。在这种情况下，一束借助准直透镜被准直的光线作为测量光线反射到有待测量的反光镜上，并且反射光线与入射光线所构成的夹角在向后穿过准直透镜时被转换成一个位置信息。但是，该信息转换在测量过程中以透镜缺陷的形式引入了额外的误差源。在确定旋转反光镜当前角度位置对应的信息时，这种误差的计算修正延长了计算时间。

此外从美国专利4 318 582中，已知一种二维扫描装置，这种装置包括二个在二个方向上基本互相垂直的旋转反光镜，它们用于一种光源，尤其是激光源的光线折射。这些旋转反光镜借助电驱动而旋转，此时为了确定转角位置，旋转反光镜设有信号发生器，该信号发生器与电动马达的传动轴连接在一起。这些借助信号发生器获取的信息被提供给各旋转反光镜相应的位置调节电路。这种获取光波角度位置的信号发生器通常情况下是感应式或电磁式位置探测器，它需要进行高精度的制造，因此目前很难满足在实际中的精度要求或花费昂贵的制造费用才能满足。

由此出发本发明提出任务，即设计这样一种方法，它利用简单光学装置可实现反光镜位置的快速测量，尤其是旋转反光镜的光学测量。可以用较少的花费来实现分辨率的提高。另外预先设计的用于执行该方法的装置应该要求较低的装置制造费用并且避免额外的误差源。另外，借助简单的光学装置实现了反光镜位置的快速光学测量，尤其在扫描装置中，并且产生一种信号，它能作为调节值被输入到反光镜所属的调整电路中或者直接作为调整信号用于被测量的反光镜。

按照专利权利要求中所述特征来实现关于该方法任务的解决方案。按照专利权利要求8所述特征来实现关于这种装置任务的解决方案。

所建议的方法以及实施该方法的装置能够借助较低的花费完成测量目标位置的快速光学测量，该测量目标尤其是作为反光镜或反光器并且其机械运动通过光学方式被获取。利用对应于测量目标的机械运动，特别是与位置灵敏光探测器上光斑的位移成比例的运动，该光探测器在下文中也被表示为光学位置传感器。特别采用半导体激光器或二极管激光器作为光源，并且借助一个光学系统，在光探测器或位置传感器上产生一个真实的光源图像。该光学系统被设计为聚焦单元并且在最为简单的情况下被设计为一个正焦距透镜，聚光透镜或者也可以是一个多透镜系统，譬如消色差透镜或物镜。借助光源和一个预定孔径A的光阑产生一束测量光线，这束光线借助光学系统和/或聚焦单元对准一个反光镜并且被该反光镜折射到一个对位置灵敏的光探测器或光学位置传感器上。以有利的方式由测量目标或反光镜直接将这束光线或测量光线折射到光探测器上，这样避免了额外的误差，尤其是透镜误差。所建议的方法以及实施该方法的装置能够借助使用聚焦的激光束作为测量光束以及借助计算和/或内插迅速生成一个用于确定旋转反光镜位置的调整值，这种内插能够用较高分辨率的光探测器来确定测量光束的位置并且允许使用较低分辨率的可快速读取的探测器。

据认为，与本文开始叙述的自动准直方法相反，按照本发明，没有平行光反射到被视为测量目标的反光镜或反光器上，而且该光学成像系统没有被使用二次。以有利的方式在光源和光学成像系统之间设计设置一个带预定口径的光阑。将该光学成像系统设计为聚焦单元，而且位置传感器及光探测器位于测量目标或反光镜或反光器已聚焦的测量光线的焦点上。实际上，通过位置灵敏光探测器获取的光斑或光斑尺寸并不重要，因为只使用它的中心点位置。光斑点或光斑的中心通过最大强度来定义或在等强度的情况下通过光斑的几何中心来定义。该光探测器包括单个范围或单元，这些单元在下文中被称为像素，这里电信号优选地正比于对应像素上的光线强度。照相二极管、照相晶体管、CCD元件，光敏电阻或者模拟摄像管能够作为光探测器或其范围或像素使用。借助位置灵敏光探测器和所附的电子学线路可以对聚焦光线或光斑进行数字化，这里借助包含光斑的像素，生成对应各相关光线强度的电测量值。该测量值包括光斑的强度及强度分布的信息。

测量值通过一种计算方法和/或内插方法去确定光线或光斑强度分布的重心或最大值。在这种情况下，最好以光线或光斑强度分布函数为基础并且在评估或计算时予以考虑。此外尤其是在测量目标或反光镜或反光器初始静止状态时，获取借助光探测器获取的光斑分布函数并且输入到计算机里，紧接着，在实施本方法时，借助计算机确定重心或强度分布的最大值。此外在一个优选的布置中该已知的强度分布函数被输入到计算机，特别存储在存储器准备用于计算。由包含有离散测量点或像素采样点的强度信息的测量值，并且在按照本发明对这些测量值进行评价和计算的基础上，有关重心位置或该位置的最大值信息也被确定，即使在这些位置尤其鉴于光探测器的单个范围或单元的最终尺寸没有被测量到。因此该作为已知的事先设置或事先确定的强度分布函数能够以特别有利的方式去确定重心或强度分布的最大值。基于根据本发明进行的计算，适当地提高了光探测器或位置传感器的分辨率。因此能够以高于探测器分辨的分辨率确定一束测量光线的位置。因此将较低分辨率但能迅速分辨的光探测器应用于高分辨率的条件下。

本发明进一步的构成及特别的扩展在附属权利要求中和后续的实施例的描述中得以说明。

本发明接下来将借助附图中已说明的实施例作进一步解释，但并不局限于这些实施例：

图1为该装置的示意图；

图2与图1类似，它用于解释所用公式的符号；

图3是光斑和采样值的强度分布示意图；

图4对带有线性可移动反光镜装置的另一个实施方案的示意图；

图5读取和调整电子线路的方框图。

图1示出了包括一个光源2的装置，该光源2被特别设计为激光器和/或二极管激光器。借助一个具有预定孔径A的光阑4，生成测量光线6，该光线到达光学成像系统8。该光学成像系统在最简单的情况下包括一个带有正焦距的透镜或一个聚光透镜，这里如果可能的话也可以认为是一个由多个透镜组成的系统，譬如一个消色差透镜或物镜系统。如图所示，测量光线从光学系统8到达一个被测量反光镜10上，并且由反光镜10以一个预定的优选的与垂直面呈一个小角度的方式反射到一个位置灵敏光探测器12。该反光镜10这里被设计为旋转反光镜，它可以围绕与图示平面垂直的轴14且按照箭头16的方向旋转。借助光学系统8测量光线用较长的焦距聚焦，其中光探测器12位于焦点。作为位置灵敏光探测器12，它也被标为位置探测器，使用譬如一个特别地带有168个单元18的二极管行，以测量聚焦点光斑或焦点斑点的位置。在图中出于简化的原因仅仅示出较少的单元18。其中对应于当时的要求同样数目的单元被预先设定。这也适合于单元18的大小，这里单元18譬如各自边长约为64μm。单元18是光敏感范围，在下文中称之为像素，它能够对应于和/或正比于像素上的光线强度产生一个电信号。此外读出落在这些图像敏感单元18或像素上的光功率。焦点光斑的直径为D，它比像素18尺寸或边长大一个预定的因子。所述因子优选地位于10至30之间的范围，尤其是15至25之间。一个电子学单元紧接着该对位置灵敏的光探测器12，优选地将该电子学单元设计为调整电路的电子学单元，并且借助它将所确定的焦点光斑位置与计算出的标准位置相比较，此时反光镜10调整到标准角度。可以选择地或额外地借助电子学单元实施计算方法和/或内插方法，该方法用于查出和确定重心的位置或相应于最大强度的中心位置或者在焦点光斑等强度的情况下的几何中心。对于列入反光镜10的一个集成调整电路来说，其差别生成一个模拟调整信号。

如果测量目标10设计为反光镜，尤其是旋转反光镜，则该反光镜可以是一个扫描装置的组件。该反光镜在该优选的布置中如此被二次利用，从而执行扫描过程，其中光源2以所述方式产生测量光束，并且进一步地借助另外的光源，为这些光源设计成激光器作是适宜的。通过所建议的对光学位置的确定，它借助光探测器以及后续的重心或强度分布的最大值的估计和计算，电子学单元20将所获取的反光镜位置的实际值以所述方式准备好供反光镜10的调整电路22支配，这里进一步地用于扫描和扫描装置反光镜10的定位所需要的值，尤其是位置标准值，被纳入在调整系统中。

根据图2光阑4具有孔径A，光学成像系统8具有焦距F。读出单个图像敏感的单元或像素18接收的功率，并且在光探测器12上焦点光斑直径D与像素尺寸δ×之间一个合适的关系的情况下，通过计算和/或内插方法，重心的位置或测量光线焦点光斑中心的位置由准确地求得这些信息，譬如以1/12单个单元或像素18的尺寸。焦点光班的直径D由光阑直径A，光学系统8的焦距F以及所应用的激光波长λ给出： $D=\frac{\mathrm{\πF}}{\mathrm{\λA}}$

系统的角度分辨率δ由确定光线位置的分辨率，譬如δ×/12及在反光镜10及探测器12之间的距离S给出：

可探测的旋转角范围Δ以相同的方式从探测器的伸展ΔX得出：

                   Δ＝ΔX/S

图3作为原理描述指出一个光斑的强度分布及借助光探测器获取的在光探测器的一个长度段X上的位置Xi的扫描或测量值，位置Xi对应于单个的强度值1i，在该实施例中强度分布1对应于一个在X_o处带有明显的最大值的钟形曲线或高斯分布曲线。如图所见，该获取的最大扫描值位于光探测器的像素的最终尺寸序列中但却偏离了实际的强度曲线的最大值。根据本发明，尤其借助已叙述的计算机，它能支配在光探测器上的光斑的强度分布的扫描值，一个重心或最大强度的计算，尤其是通过内插实施。该计算按照下面的公式彻底地实现： $X_0=\frac{\mathrm{\Σ}{I}_i.X_i}{\mathrm{\Σ}{I}_i}.$

从现存的测量值或预先给定的部分量中，适当地譬如有目的地抽取三个几何上互相关连着的测量值，从这些值中有一个必须是获取最大的测量值。这些挑选出的测量值用于对应于强度分布的描述函数的参数计算。这样描述一个三参数的抛物线就譬如需要三个测量值。从这样计算的参数中最大强度1₀的位置X₀被随后计算出。这里具有特别意义的是：在计算时适当考虑完全已知的强度分布函数。以优选的方式计算在一个与实际强度分布相对应的函数基础上进行。如果已知譬如说光斑的测量值完全位于钟形曲线，则这种实际关系在重心的计算及强度分布的最大值的计算时将被考虑。由通过借助光探测器测量获取的测量值及在离散测量点或扫描点的强度信息，根据本发明的计算与评估，各点最大值的位置被确定，在这些点基于光探测器的单元的最后尺寸，测量值没有被获取。该额外的关于最大值位置的信息由作为已知事先预设的强度分布函数产生。

在该计算及内插中以优选的方式阻止生成带有较高误差的低强度值。因此一个最小值或阈值1s被确定。该阈值1s位于以设定的额值在最大测量值之下，并且优选地处于在20％至50％之间的范围内，最好是30％的尺度。如果在所示实施例中阈值Is被设为30％，则在前面解释过的计算中考虑在该实施例中6个测量值。因此在像素足够地照亮的情况下，一个远远大于光探测器分辨率的分辨率被达到。

图4指出另一个实施例，根据该实施例测量目标10可按照双箭头24线性移动。线性移动的互相靠近的测量目标10的位置用虚线来说明，这里测量目标10尤其被设计为反光器。相应于测量目标10的运动，在位置灵敏的光探测器12上的测量光斑随之运动。上面对其它组件的描述，譬如光源2，光阑4等在该实施例中也适用。

图5指出电子学单元20的一个框架图。该电子学单元也能被视为读取或调整电子学单元。通过A/D转换器26尤其串行地实现光探测器12像素18的读取，譬如用一个8位分辨率的转换器。数字化的数据被传递给紧接着的信号处理器28，它首先从个别的像素18的测量值中，有选地利用内插，通过上述的方式确定强度分布的重心位置。在计算和内插时以有利的方式通过引入最小值或阈值，阻止带有误差的低测量值，并且在计算及内插时不予以考虑。一个对焦点光斑位置的标准值，尤其是一个16位的标准值由一个系统控制计算机30导入给计算机里或DSP28，该标准值由测量目标或反光镜的标准角度位置来计算。已经计算出或内插出的重心将与该值比较，而且由于其偏差一个数字调整值32将生成。因此在下面的D/A转换器34里，它有选地设计为一个14或16位的D/A转换器，生成一个模拟调节值36，该调节值被输入到测量目标或反光镜的调整电路22中。

参考符号

2   光源/激光器

4   光阑

6   测量光线

8   光学成像系统

10  测量目标/反光镜/反光器

12  位置灵敏光探测器/光学位置探测器

14  10的旋转轴

16  箭头

18  图像敏感单元/像素

20  电子学单元

22  对10的调整电路

24  双箭头

26  A/D转换器

28  计算机/数值信号处理器/DSP

30  系统控制计算机

32  数字调整值

34  D/A转换器

36  模拟调整值

A   孔径宽

D   焦点光斑直径

1   强度

Is  阈值

Io  最大值

S     10与12间的距离

X     位置

V     强度分布

ΔX   探测器扩展/行长

Δ  测量的角度范围

δX   像素尺寸

δ  角度分辨率

Claims (10)

1.用于可移动测量目标(10)，尤其是一个反光镜或反光器的光学位置确定的方法，其中一个借助光源(2)产生的测量光线(6)被测量目标(10)反射并且到达一个位置灵敏的光探测器(12)上，借助该光探测器(12)完成一个相应于测量目标(10)的位置信息的转换，其特征在于：

测量光线(6)借助一个光学系统(8)被聚焦在光探测器(12)上，

并且由通过光探测器(12)获取的测量值，确定对应于计算函数已聚焦的测量光斑的强度分布的重心或最大值的信号。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于：在确定重心或最大值(Is)时，考虑该被确定的或已知的强度(1)的分布函数和/或以对应于计算函数的强度分布为基础。

3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于：在确定重心或最大值时借助一个预定的阈值(Is)阻止较小的强度值和/或将阈值Is设定在20％至50％的范围，优选的数量级为最大强度的30％。

4.尤其按照权利要求1-3之一的方法，其特征在于：为了产生一个用于测量目标位置调整电路的调整值，通过将光探测器(12)上测量光束(6)的焦点光斑的位置与一个标准值相比较，一个调整值将随之产生，该调整值被输入到一个属于测量目标的调整电路(22)中，这里光探测器(12)上的测量光束优选地通过内插确定。

5.按照权利要求4的方法，其特征在于：生成一个模拟调整值和/或一个模拟调节值和/或生成一个直接调整反光镜位置的调整值。

6.按照权利要求1-5之一的方法，其特征在于：从测量目标(10)反射的测量光线立刻被引导到位置灵敏光探测器(12)上。

7.按照权利要求1-6之一的方法，其特征在于：它用于一个扫描装置，其中同一反光镜用作测量目标，在使用一个其他的光源条件下借助这一反光镜实施该扫描方法。

8.实施按照权利要求1-7之一的方法的装置，其特征在于：优选地采用激光器作为光源来产生测量光线的光学图像系统(8)，该光学图像系统被设计成聚焦单元和/或它通过测量目标(10)在该位置灵敏光探测器(12)上产生一个焦点光斑。

9.按照权利要求8的装置，其特征在于：在测量目标(10)和光探测器(12)之间存在一个对测量光线(6)的直接光路。

10.按照权利要求8或9的装置，其特征在于：一个用于确定强度分布的重心(Is)和/或最大值的电子学单元(20)被设置在光探测器(12)之后，和/或该电子学单元(20)，在该电子学单元(20)之后设置一个用于测量目标(10)位置调节的调节电路(22)。

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