CN1479074A - 位置检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明给出了一种位置检测装置，该装置用于确定两个物体的相对位置。所述位置检测装置包括一个光源和一个用于产生与位移有关的输出信号的信号发生机构。所述光源由单模激光光源构成并通过反馈机构这样相互作用，使得在单模激光光源中产生多模激励并实现单模激光光源的多模工作方式。

Description

位置检测装置
技术领域
本发明涉及一种位置检测装置。
背景技术
已知基于光学原理的位置检测装置，其用于高精度位置检测，该装置为产生与位移有关的输出信号中利用两个不同的被叠加的分光束之间的干涉现象。在这种位置检测装置中经常采用激光器作为光源，该光源提供具有足够相干特性的光。对于所用的激光器可以是气体激光器、固体激光器或者也可以是半导体激光器以及二极管激光器。前者例如用于由干涉仪构成的位置检测装置，后者用于位置检测装置，该装置为了产生与位移有关的输出信号并还包括一个或多个光栅。在两种激光器类型中都需要保证供给波长的稳定性，因为在各波长变化的情况下对于位置确定将产生错误检测。
该供给波长的缓慢漂移尤其在与干涉仪组合应用的情况下将导致被检测位置的变化；在光栅位置检测装置时对此产生的相应影响较小。
在许多检测状况中，如果必须只在非常短的时间内进行相对检测，则各波长的缓慢漂移只起到微小影响。与此相反，如果在各波长中出现快速变化，则在这些应用中也是关键的。但是对于不同类型的单模激光器，无论是气体、固体或半导体激光器恰恰可能出现这种状况。其原因在于增益分布图和谐振模式在不同程度上取决于温度或其它影响参数。当增益分布图的最大值从一个谐振模式漂移太大，则激光波长将跳跃到相邻的谐振模式。实际上温度对此起了主要作用。
为解决这个问题的第一种方法是，在各激光器一侧的前面放置一个波长稳定器，就如同在US 5,161,165中所公开的那样。在这个文献中建议，借助于一个外部的校准器有目的地抑制一个二极管激光器的多模工作方式。但是这种机构需要相当大的费用。
例如由US 5,198,873已知另一方案，代替所谓的单模二极管激光器采用一个多模二极管激光器，它具有相对密集的模式光谱并对于较小的温度变化只产生微不足道的波长变化。但是这种多模二极管激光器不能提供必需的光功率，尤其是当要将光源的光通过光导纤维输送到具有信号发生机构的扫描头的时候。对于必需10mW光功率的位置检测装置的扫描头，这种光源不能使用。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种位置检测装置，该装置具有一个有足够输出功率的光源并且对于可能的温度变化在所发射的波长中尽可能没有跳跃性变化。
这个目的通过具有权利要求1所述特征的位置检测装置而实现。
按照本发明的位置检测装置的有利实施形式由与权利要求1有关的机构而实现。
按照本发明采用一个具有足够输出功率的单模激光光源作为光源，该光源通过反馈机构这样相互作用，使得在单模激光光源中产生多个紧邻的外部模式的激励并因此实现单模激光光源的准多模工作方式。在下面与此相关地仅称为多模工作方式。
最好采用单模二极管激光器、即半导体激光器作为按照本发明的位置检测装置中的单模激光光源。但是从原理上也可以采用其它类型的激光器、如气体激光器或固体激光器作为单模激光光源。
通过有目的地将发射的光反馈到单模激光源的谐振腔来这样构成对激光器工作方式的扰动，使单模激光器的单模激光光源转变成多模工作方式。在此所产生的模式光谱是非常密集的；同时具有多个相邻模式。而可能的温度变化将不会导致具有相应的所不期望后果的模式跳跃，而是仅产生相关紧密分布模式的与温度有关的、缓慢的调配。可能的温度变化对光源输出波长的影响相应地更微小。同时单模激光光源提供一个足够的光功率，以便例如将所产生的光通过光导纤维输送到一个扫描头。
关于反馈机构具有不同的实施方法，单模激光光源通过该反馈机构相互作用，它们可以根据所提出的要求而实现。
按照本发明的机构能够与位置检测装置相结合，在该位置检测装置中采用一个或多个用于产生与位移有关的输出信号的光栅并且在该位置检测装置中刻度光栅的分布周期起到检测标准的作用。按照本发明的位置检测装置也可以选择由干涉仪构成，其中由光源产生的光波长用来作为检测标准。
附图说明
借助于附图由下面的实施例描述给出本发明的其它优点和细节。
附图中：
图1为一个按照本发明的位置检测装置实施例的扫描光程简化视图，
图2为图1中实施例的简化空间图，
图3为图1视图的放大段，具有由单模二极管激光器构成的单模激光光源、前置的光导纤维以及反馈机构；
图4a，4b分别为图1中的按照本发明工作的单模二极管激光器在可能的温度变化之前和之后所产生的模式光谱简图；
图5a-5e分别为用于构成反馈机构的其它方法的视图。
具体实施方式
在图1中以简化图表示一个按照本发明的位置检测装置实施例的完全展开的扫描光程。在这个实施例情况下涉及一个以干涉目标原理为基础的位置检测装置，此外这个装置采用多个光栅用于产生信号。下面，在紧接着结合所用光源详细描述按照本发明的措施之前，简要描述一下产生信号的原理。
按照本发明的位置检测装置包括一个单模激光光源形式的光源1；在此在所示实施例中单模激光光源由单模二极管激光器构成，其发射的光通过光导纤维2输送到后置的元件；这些元件在以后的描述中称为信号发生机构并用于产生与位移有关的输出信号。如同前面已经提到过的，对于所示实施例也可以选择采用其它结构的信号发生机构，例如用在已知的干涉仪结构中的信号发生机构等等。
在图1的实施例中由纤维2输送的光通过一个准直镜组3和一个极化镜4到达刻度光栅5。在该刻度光栅5后面设置扫描光栅6，该扫描光栅设置在一个屋脊棱镜形式的回反射元件7上。此外在屋脊棱镜上设置另外两个由λ/4薄片构成的极化光学元件8.1，8.2。在所示实施例中在探测端配有另一光栅9和多个极化镜10.1，10.2，10.3，在它们后面又设置光导纤维11.1，11.2，11.3和光电探测元件12.1，12.2，12.3，在这些探测元件上有待处理的与位移有关的输出信号S-120°，S0°，S120°。
在图2中示出图1中的位置检测装置的空间图。由这个视图尤其可以看出信号发生机构的空间布置。
在具体实施例中，光源1的光通过光导纤维2输送到扫描单元10，即，纤维输出耦合面2.2与扫描单元10连接，在输入耦合端光源1设置在一个相对于输入耦合面2.1固定的空间位置上。扫描单元10包括上述信号发生机构的一部分。对此除了回反射元件7以外还有扫描光栅6和两个极化光学元件8.1，8.2或者说λ/4薄片。
同样由图2可以看出，扫描单元10相对于刻度光栅5在方向x上可移动地设置。两个物体中的一个与扫描单元10连接而另一个与刻度光栅5连接，借助于按照本发明的位置检测装置确定两个物体的相对位置。
此外由图2可以看出，与光源1类似，探测元件12.1，12.2，12.3也在空间上离开扫描单元10设置。要被探测的光在完成与刻度光栅5和扫描光栅6的相互作用后通过光导纤维11.1，11.2，11.3从扫描单元10输送到探测元件12.1，12.2，12.3。在两个物体或者说扫描单元10与刻度光栅5相对位移的情况下，通过探测元件12.1，12.2，12.3探测到与位移有关的周期输出信号S-120°，S0°，S120°。从探测元件12.1，12.2，12.3再将探测到的输出信号S-120°，S0°，S120°输送到一个未示出的伺服电子装置进行再处理。
在按照本发明的位置检测装置中在这个位置上的关于具体的信号发生请参见WO 02/23131中的申请内容。
下面借助于图3通过第一实施例描述按照本发明的以所用光源为基础的机构。如同在上面已经描述过的，采用例如从SANYO半导体公司买到的类型标志为DL 7140-201的单模二极管激光器作为光源1。
在光源1前面设置一个适当的透镜或者在必要时多透镜系统形式的输入耦合镜组1.1，通过该镜组将由光源1发射的光聚焦到光导纤维2的输入耦合面2.1。通过光导纤维2将由输出耦合面2.2输出的光输送到前面已描述过的信号发生机构；这个信号发生机构在图3中未示出。
不仅在图3的示例中而且在可选择的实施例变体中，对于光源1分别附加地采用规定的反馈机构，以使所采用的单模激光光源或者在本示例中的单模二极管激光器以多模工作方式工作，多模工作方式在所发射的光波长λ的温度相关性方面具有优点。通过反馈机构分别构成一个外部谐振腔，在确定的形式和方式中这样选择谐振腔的谐振腔长LEXT，使得不再只激励如同由于明显更小的二极管内部谐振腔长LINT而存在的单一模式，而是实现同时激励多个模式，它们在统计意义上是波动的，但总是被同时激励。由此通过这种形式和方式实现实质是单模二极管激光器的(准)多模工作方式，其中除了良好的相对于由温度引起的波长变化的稳定性以外，还保证足够的光输出功率。因此在未被阻止的温度变化情况下尤其不再出现模式跳跃和由此引起的发射光波长λ的跳跃。而是相反，由于温度引起的对所有相关密集分布模式的缓慢且连续的重新调配仅对于所发射的光波长λ产生微小的变化。
在图4a中以简化图示出按照本发明工作的单模二极管激光器在温度变化前所出现的模式光谱。在此可以明显看出所出现模式的紧密分布，而这些模式由于明显较长的外部谐振腔长LEXT≈1-10m而只具有相互的波长间距Δλ≈2*10-4nm。相反，如果没有按照本发明的机构，与单模二极管激光器明显较短的内部谐振腔长LINT≈1-2mm有关的相邻模式相互间的波长间距约为Δλ≈0.2nm-0.3nm。
在图4b中可以看到在可能的温度变化后出现的模式光谱。通过在图4a和4b中单一模式之间的虚连接线能够看出在温度变化后不同模式在增益分布图内部的重新调配。
为了构成外部的谐振腔或为了构成适当的反馈机构存在着不同的实施方案，通过反馈机构实现谐振腔。在图3所示示例中作为反馈机构在单模二极管激光器外部存在一个部分反射的反射元件，这个反射元件由纤维输出耦合面2.2构成。因此在这个变体中外部谐振腔一方面包括纤维输出耦合面2.2，它将发射光的一部分又反射回到单模二极管激光器。另一方面外部谐振腔包括单模二极管激光器内部的反射面1.2。如上所述，通过谐振腔长LEXT得到被激励的相邻模式的微小波长间距Δλ。
在这个实施例中纤维输出耦合面2.2将所发出的光强的一个确定的部分反射回到单模二极管激光器；在设有其它机构的情况下被反射回去的强度约为光功率的4％。这对于按照本发明的单模二极管激光器工作方式是足够的；更微小的被反射回去的光功率也可能是足够的。但是根据需要也可以反射回去更大部分的光强度。为了使纤维输出耦合面2.2实现这种回反射特性，也可以附加地适当镜面化地或反射地构成这个输出耦合面；在此也可以选择局部非镜面地构成这个输出耦合面等等。因此出现不同的、本领域技术人员熟悉的方法，如可以使纤维输出耦合面2.2相应地实现回反射特性，以便这样构成外部谐振腔。
此外在图3所示实施例情况下，如果所采用的输入耦合镜组1.1的表面具有抗反射涂层被证实是有利的。由此保证，由这个表面不会将已经有意义的光分量反馈回到单模二极管激光器的谐振腔。如同上面所讨论的那样，相邻模式的力求小的相互间的波长间距Δλ越小，外部谐振腔长LEXT就选择得越长。
对于图3的变体也可以选择所采用的纤维2的纤维输入耦合面2.1起到至少部分反射的反射元件或反馈机构的作用。在这种情况下纤维输出耦合面2.2优选构成为整体反射系数降低，而纤维输入耦合面2.1将至少一部分光又反射回到单模二极管激光器方向。这时外部谐振腔将由纤维输入耦合面2.1和单模二极管激光器的内部反射面1.2构成。与前面的示例相比，所产生的外部谐振腔长LEXT将相应地减小到光导纤维2的长度。
下面借助于图5a-5e描述构成反馈机构并由此构成外部谐振腔的其它方法，由此可以实现按照本发明的单模激光光源或在所示单模二极管激光器示例中的多模工作方式。
在按照图5a的变体中在光源11和输入耦合镜组11.1后面设置光导纤维，它由两个纤维段12a，12b组成。两个纤维段12a，12b的端面12.3，12.4通过一个适当的未示出的插塞连接相互接触。但是两个端面12.3或12.4中的一个端面被部分镜面化并由此起到外部部分反射的反射元件的作用，用于构成谐振腔长为LEXT的外部谐振腔。其余平面，如双透镜输入耦合镜组11.1的侧面或者纤维输入耦合面12.1和纤维输出耦合面12.2则被非反射地涂层。
在图5b中简示出构成反馈机构的另一方法。在此双透镜输入耦合镜组21.1的平面21.1a用来作为部分反射的反射元件。为此这个平面21.1a不用被抗反射地涂层就足够了。它产生一个对于由单模二极管激光器构成的光源21的回反射，由此构成长度为LEXT的外部谐振腔。无需在后置的光导纤维22侧面上的其它机构。
按照图5c的实施例在单模二极管激光器形式的光源31后面设置一个抗反射涂层的输入耦合镜组31.1和一光导纤维32。与光导纤维32的输出耦合面32.2相邻地设置另一透镜33，用于由输出耦合面32.2输出耦合的光的光形成。透镜33具有一个平面33.1，它起到部分反射的反射元件的作用并起到将发出的光部分反射回到单模二极管激光器谐振腔的作用，因此这样又形成一个谐振腔长为LEXT的外部谐振腔结构。为此使透镜33的平面33.1不是抗反射的就足够了。
在图5d中示出部分反射的反射元件形式的反馈机构的另一实施方法。在光源41和输入耦合镜组41.1的后面设置一个由两段或必要时多个纤维段42a，42b构成的两部分的或必要时多部分的光导纤维。与图5a变体的不同在于，纤维段42a，42b的相对置的端面42.3，42.4相互间不通过插塞连接直接接触。而是在两个端面之间存在空气隙，使得在第一端面42.3上将发出的光部分反射回到谐振腔。在图5d中同样可以看出所产生的外部谐振腔长LEXT。
在图5e的变体中在光源51与输入耦合镜组51.1之间设置分光器54，它将一部分入射光强输出耦合并偏转到反射光栅55的方向；从反射光栅55将入射光反射回到谐振腔方向。
在另一未示出的反馈机构结构中，在单模二极管激光器谐振腔外部设置一部分反射的反光镜并将一部分入射光又反馈回去。
除了所述变体以外在本发明的框架内当然存在其它构成反馈机构的方法。

Claims (16)

1.用于确定两个物体的相对位置的位置检测装置，该装置由一个光源(1；11；21；31；41；51)和一个用于产生与位移有关的输出信号(S-120°，S0°，S120°)的信号发生机构所组成，其中所述光源(1；11；21；31；41；51)由单模激光光源构成并通过反馈机构这样相互作用，使得在单模激光光源中产生多模激励并实现单模激光光源的多模工作方式。
2.如权利要求1所述的位置检测装置，其中在所述光源(1；11；21；31；41；51)前面设置至少一个光导纤维(2；12；32；42；52)并通过一个纤维输入耦合面(2.1；12.1；22.1；32.1；42.1；52.1)将由光源(1；11；21；31；41；51)发射的光输入耦合到纤维(2；12；32；42；52)里面并通过纤维输出耦合面(2.2；12.2；22.2；32.2；42.2；52.2)将发射的光输送到信号发生机构。
3.如权利要求1所述的位置检测装置，其中一个至少部分反射的反射元件用来作为所述反馈机构，由单模激光光源发射的至少一部分光出现在该反馈机构上并导致通过该反馈机构将光反射回到单模激光光源。
4.如权利要求2或3所述的位置检测装置，其中或者所述纤维输入耦合面(2.1)或者所述纤维输出耦合面(2.2)至少构成为部分反射的反射元件。
5.如权利要求2和3所述的位置检测装置，其中多个纤维段(12a，12b；42a，42b)用于将发射的光输送到信号发生机构并且相邻纤维段(12a，12b；42a，42b)的相对置的端面(12.3；12.4；42.3；42.4)构成为部分反射的反射元件。
6.如权利要求5所述的位置检测装置，其中所述相邻纤维段(12a，12b)的相对置的端面(12.3；12.4)通过光学的插塞连接相互接触。
7.如权利要求5所述的位置检测装置，其中空气隙位于相邻纤维段(42a，42b)的两个相对置的端面(42.3，42.4)之间。
8.如权利要求2和3所述的位置检测装置，其中在所述光导纤维(22)的输入耦合面前面设置一个输入耦合镜组(21.1)，该镜组具有至少一个镜面(21.1a)，该镜面起到部分反射的反射元件的作用。
9.如权利要求2和3所述的位置检测装置，其中在所述光导纤维(42)的输出耦合面(32.2)后设置一个输出耦合镜组(33)，该绕组具有至少一个镜面(33.1)，该镜面起到部分反射的反射元件的作用。
10.如权利要求3所述的位置检测装置，其中在所述光源(51)后设置一个分光元件(54)，它将一部分光强输出耦合并偏转到反射光栅(55)，从那里将光反射回到单模激光光源。
11.如权利要求3所述的位置检测装置，其中一个部分透射的反光镜作为反射元件，它设置在二极管激光器外部。
12.如权利要求1所述的位置检测装置，其中所述单模激光光源由单模二极管激光器构成。
13.如权利要求1所述的位置检测装置，其中所述信号发生机构至少包括一个扫描光栅(6)、一个刻度光栅(5)以及一个或多个光电探测元件(12.1，12.2，12.3)。
14.如权利要求13所述的位置检测装置，其中所述扫描光栅(6)和所述光电探测元件(12.1，12.2，12.3)中的至少一个探测元件设置在一个扫描单元(10)里面，该扫描单元与两个物体中的一个连接，而刻度光栅(5)与两个物体中的另一个连接。
15.如权利要求2和14所述的位置检测装置，其中所述纤维输出耦合面(2.2)与所述扫描单元(10)连接并将所述光源(1)的光输送到所述扫描单元(10)。
16.如权利要求15所述的位置检测装置，其中由纤维输出耦合面(2.1)输出耦合的光在与扫描光栅(6)和刻度光栅(5)相互作用后进入光电探测元件(12.1，12.2，12.3)中的至少一个，并通过所述光电探测元件(12.1，12.2，12.3)在两个物体相互间相对移动的情况下可以检测到至少一个与位移有关的输出信号(S-120°，S0°S120°)。
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