DD273890A1

DD273890A1 - Anordnung zur signalerzeugung fuer die messung der winkellage eines kippbaren spiegels

Info

Publication number: DD273890A1
Application number: DD31776088A
Authority: DD
Inventors: Guenter Schoeppe; Hubert Wahl
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1988-07-11
Filing date: 1988-07-11
Publication date: 1989-11-29
Also published as: DE3914235A1

Abstract

Anordnung zur Signalerzeugung fuer die Messung der Winkellage eines kippbaren Spiegels, der vorwiegend einer laufenden Winkellageaenderung ausgesetzt ist, zum Beispiel in optischen Strahlablenkern. Die Anordnung ermoeglicht eine Messung, die ausschliesslich von der Aenderung der Winkellage des Spiegels abhaengig ist sowie eine schnelle hochaufloesende digitale Messung. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass das von einer Lichtquelle ausgehende Messlichtbuendel auf die Arbeitsseite eines Spiegels abgebildet wird, wobei vorzugsweise ein Messlichtbuendelfleck ein Abtastlichtbuendelfleck ueberlagert und als Massstabsverkoerperung eine spezielle Gitterplatte eingesetzt wird. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung findet Anwendung in Anordnungen zur Messung der Position bzw. der Positionsänderung, insbesondere von Winkel, von Objekten, vorzugsweise von optischen Strahlablenkern.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Erfassung der Position bzw. Positionsänderung, insbesondere von Winkeln, vun Objekten, wie zum Beispie! die Stellung eines Spiegels eines optischen Strahlablenker, sind eine Reihe von Verfahren und Anordnungen bekannt.

Besonders weit verbreitet ist die Verwendung von kapazitiven Positionsgebern, da diese ein geringes Masseträgheitsmoment aufweisen und durch Anwendung von Brückenschaltungen eine Reihe von Meßfehlern, wie der Schlagfehler einer Achse, toleranzhedingte Unsymmetrien kompensierbar sind (Users Manual, General Scanning Inc., USA 5CO Arsenal strut PO-Box 307, WATERTOWN, MA 02272).

Nachteilig bei dieser Lösung ist vor allem die starke Abhängigkeit der Meßempfindlichkeit von der Umgebungstemperatur des Meßgerätes und weiteren Umwelteinflüssen sowie die wegen der notwendigan Demodulation begrenzte zeitliche Auflösung der Folge der Meßwerte.

Zum Erreichen einer hohen Winkelauflösung bei großem Werteumfang ist, wie bei allen Analogsystemeii, ein hoher gerätetechnischer Aufwand erforderlich.

Bekannt ist weiterhin eine Lösung, die mit einem hochauflösenden rotatorischen inkremontalan Meßsystem arbeitet (Firmenprospekt, Kombinat VEB Carl Zeiss JENA, Inkrementalen rotatorischen Geber IGR XY, 67-04Og, 8/86). Nachteilig bei dieser Lösung ist der hohe Masseträgheitsmoment des Meßsystems.

Bei einer ande--η bekannten Lösung (DE 2 628836) wird die Lage eines Spiegels auf interferometrischemWegetm'aßt, wobei der !ntorferenzstreifen als Richtungskriterium ausgewertet wird. Nachteil dieser Lösung ist die hohe Justierempfindlichkeit, vor allem bezüglich der Abstandsänderungen zwischen Spiegel und Indikator sowie der unlineare Verlauf der Kennlinie.

In einer weiteren Lösung (DE-OS 2161091) ist eine Einrichtung beschrieben, mit der die Auslenkung eines Spiegels angezeigt werden kann. Diese Einrichtung gestattet lediglich an einer vom Spiegel entlegenen Stelle zu erkennen, in einfacher Weise gewissermaßen digitalisiert, wobei ein am ausgelenkten Spiegel reflektierter Strahl reflektiert wird. Die Winkelauflösung dieser Einrichtung ist relativ schlecht, die Schaffung eines großen Wertevorrates (größerer Arbeitsbereich oder bessere Winkelauflösung) würde einen sehr hohen technischen Aufwand erfordern.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine Anordnung zur Signalerzeugung für die Messung der Winkellage eines kippbaren Spiegels, die schnelle Messung gestattet, die Nachteile des bekannten Standes der Technik nicht aufweist und mit geringem technischökonomischen Aufwand herstellbar ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Anordnung zur Signalerzeugung für die Messung der Winkellage eines

kippbaren Spiegels, die nine rückwirkungsfreie, ausschließlich von der Änderung der Winkellage des Spiegels abhängige, schnelle, hochauflösende, digitale Messung ermöglicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur Signalerzeugung für die Messung der Winkellage eines kippbaren Spiegels, enthaltend eine Lichtquelle, eine periodische Maßstabverkörperung, die mittels eines Kollimators und eines Objektives nach ihrer Reflexion wieder in ihre Ebene abgebildet wird, und Fotoempfänger, dadurch gelöst, daß das von einer Lichtquelle ausgehende Meßlich.uündel auf die Arboitsseite eines Spioneis abgebildet wird, daß vorzugsweise ein Meßlichtbündelfleck einen Abtastlichtbündelfleck über'agert, daß de) Meßlichthündelfleck vorteilhafterweise größer als der Abtastlichtbündelfleck ist und daß als Maßstabsverkörperung eine Gitterplatte zwischen einem Kollimator und einem Objektiv angeordnet ist.

Vorteilhafte erfindungsgemäße Ausgestaltungsformen sind, daß eine erste Gitterplatte mit einem Amplitudengitter, mit einer Breite von weniger als dem halben Durchmesser des Foldes des Objektives, vorzugsweise von einem Viertel dos Felddurchmessers, versetzt in Richtung einer Drs! iachse des Spiegels neben einer optischen Achse des Objektives und mit einem Referenzgitter, welches in der entgegengesetzten Richtung versetzt neben der optischen Achse ist, eingesetzt wird, wobei das Peferenzgitter vorzugsweise als quadratisches Feld mit einer Kantenlänge von einem Fünftel des Objektufelddurchmessers, welches in bekannter Weise vier Teilfelder mit zueinander um ein Viertel Gitterkonstante versetzte Teilungen enthalt, ausgebildet ist, und daß weiterhin neben dem Amplitudengitter in Richtung des äußeren Randes der ersten Gitterplatte hin, parallel zu diesem zwei komplementäre Hell-Dunkelspuren ι ngeordnet sind.

Eine wsitaro Ausgestaltungsform besteht darin, daß eine zweite Gitterplatte vorgesehen ist, deren Grundkörpsr auf der dem Objektiv zugewandten Seite über die ganze Fläche mit einem zweiten Amplitudengitter versehen ist und an dem, neben der optischen Achse im Bereich des reflektierten Meßlichtbündels liegend, als Referenzgitter ein erstes oder zweites Element angeordnet ist. Das erste Element ist ein Prisma, ein Quader mit aufgesetzte· vierseitiger Pyramide, bei dem die Keilrichtung jedes der vier Pyramidenfelder um einen Keilwinkel gegenüber den Außenkanten des Quaders gedreht ist, wobei der Küilwinkel vorzugsweise im Bereich zwischen 15°C und 25° liegt.

Als zweites Element ist ein strukturierter Empfänger vorgesehen, der vier Felder mit äquivalent zum Amplitudengitter, um ein Viertel Gitterkonstante zueinander versetzt aufgebrachten lichtempfindlichen Gitterstrukturen, sowie vier entsprechende Ausgänge und einen Anschluß aufweist.

Folgend wird die Wirkungsweise der Anordnung beschrieben.

Das von einer Lichtquelle kommende Meßlichtbündel wird über einen Kollimator und einem Objektiv mit dem ihm aufgeprägten entsprechenden Amplitudengitter einer Gitterplatte auf die Arbeitsseite eines Spiegels abgebildet, wobei vorzugsweise der auf dem Spiegel entstehende Meßlichtbündelfleck den Abtastlichtbündelfleck, eines von dem selben Spiegel abgelenkten Abtastlichtbündels, überlagert. Vorteilhafter Weise is! der Meßlichtbündelfleck größer als der Abtastlichtbündelfleck.

Das vom Spiegel reflektierte Meßlichtbünde! bildet, entsprechend der Winkelstellung des Spiegels, das Bild des Amplitudengitters auf das, auf der selben Gitterplatte angeordnete Referenzgitter ab.

Die durch die Überlagerung des Referenzgitters mit dem Bild des Amplitudengitters entstehenden Hellsignala werden mit an sich bekannten Mitteln vorteilhafterweise mit Lichtleitfasern, zu o'en nicht dargestellten Aus erte- und Regeleinrichtungen für die Bewegung des Spiegels weitergeleitet.

Du ^rch die Verwendung der erläuterten Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Gittert* latten und durch die Nutzung der Arbeitsfläche des Spiegels auch für das Meßlichtbündel werden die für die Erfindung gestellten Aufgaben realisiert.

Ausfuhrungsbeispiele

Die Erfindung wird nachstehend anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1: ein Teilbild von Figur 2,

Fig. 2: den prinzipiellen Strahlenveriauf der Anordnung, Fig. 3: die Gestaltung einer ersten Gitterplatte und die Fig.4 bis 5: die Gestaltung einer zweiten Gitterplatte.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird ein Meßlichtbündel L, von einer Lichtquelle 1 ausgesandt, über einen Kollimator 2 und einem Prisma 3 in Richtung des Spiegels 7 umgelenkt. Es passiert den Bereich des ersten Amplitudengitters 4 und wird mittels eines Objektivs 6, wobei es nur einen Teil einer Objektivfeldhälfte passiert, auf die Arbeitsseite des Spiegels 7, vorzugsweise auf den gleichen Fleck auf den auch ein ebenfalls vom Spiegel 7 abgelenkten Abtastlichtbündel trifft, abgebildet.

Das entsprechend der Winkelstellung des Spiegels 7 reflektierte Meßlichtbündel wird durch die andere Objektivfeldhälfte hindurch auf den das Referenzgitter 4 b der ersten Gitterplatte 4 gelenkt. Zur Weiterleitung der in der ersten Gitterplatte 4 erzeugten Lichtsignale sind den vier Feldern des Referenzgitters 4 b unmittelbar vier Lichtleitfasern 9a-9d zugeordnet. Des weiteren sind iwei Lichtleitfasern 9e,9f indem Bereich, in den die Bilder der beiden Hell-Dunkelspuren 4c, 4d der ersten Gitterplatte 4 (Fig. 3) abgebildet werden, vorgesehen. Der Übergang Hell-Dunkel liegt in beiden Spuren auf einer Linie, deren Fortsetzung durch die optische Achse 5 verläuft.

Die von den Lichtleitfasern 9a-9f aufgenommenen Lichtsignale werden den Fotoempfängern 10'.-1Of zugeführt. Die Ausgangssignale dieser werden in nicht dargestellten an sich bekannten Auswerte- und Regeleinrichtungen für die Spielbewegung weiterverarbeitet.

In Fig. 1 ist als Teilbild von Fig. 2 der Einfall de' vom Spiegel 7 reflektierten Lichtbündel dargestellt. Das Meßlichtbündel L trifft vorzugsweise auf den gleichen Fleck auf, wie ein vom gleichen Spiegel 7 abzulenkendes Abtastlichtbündei. Vorteilhafter Weise ist der Meßlichtbündelfleck LF größer als der Abtastiichtbündelfleck AF.

In Fig. 3 ist die Gestaltung einer ersten Gitterplatte 4 dargestellt. Auf dieser befindet sich ein Amplitudengitter 4 a, mit einer Breite von weniger als dem halben Durchmesser des Feldes des Objektives 6, neben einer optischen Achse 5. In der entgegengesetzten Richtung versetzt neben der optischen Achse 5 ist ein Referenzgitter 4 b, vorzugsweise als quadratische:, Feld mit einer Kantenlänge von einem Fünftel des Objektivfelddurchmessers, welches in bekannter Weise vier Teilfelder mit zueinander um ein Viertel Gitterkonstante versetzte Teilungen enthält, angeordnet. Neben dem Amplitudengitter 4a sind in Richtung des äußeren Randes der ersten Güterplatte 4 hin, parallel zu diesem zwei komplementäre Hell-Dunkelspuren 4c, 4d vorgesehen.

Die Gestaltung einer zweiten Gitterplatte 11 ist in den Figuren 4,4a und 5 dargestellt. Dio zweite Gitterplatte 11 kann wahlweise mit der ersten Gitterplatte 4 in der erfindungsgemäßen Anordnung ausgewechselt werden.

Die zweite Gitterplatte 11 wird in zwei Ausgestaltungsformen erläutert.

Die in den Figuren 4 und 4 a dargestellte Ausgestaltungsform zeigt eine zweite Gitterplatte 11, deren Grundkörper 11a auf der dem Objektiv zugewandten Seite über die ganze Fläche mit einem zweiten Amplitudengitter 11b versehen ist und an dem, neben der optischen Achse 5 im Bereich des reflektierten Meßbündels L liegend, als Referenzgitter ein Prisma 12 angeordnet ist. Das Prisma 12 ist ein Quader mit aufgesetzter vierseitiger Pyramide. Die Keilrichtung jedes der vier Pyramidenfelder 12.1,12.2,12.3, 12.4 ist um einen Keilwinkel gegenüber den Außenkanten des Quaders gedreht, wobei der Keilwinkel vorzugsweise im Bereich zwischen 15° und 25° liegt.

In dem Ausfühiungsbeispiel nach Fig. 5 ist das Refarenzgitter für die zweite Gitterplatte 11 ein strukturierter Empfänger 13.

Dieser weist vier Felder 13a, 13b, 13c, 13d mit äquivalent zum Amplitudengitter 11 b, um ein Viertel Gitterkonstante zueinander' versetzt aufgebrachte lichtempfindliche Gitterstrukturen sowie vier entsprechende Ausgänge 14 a, 14 b, 14 c, 14 d und einen Anschluß 14e, zur Versorgung des Empfängers 13, auf.

Bei Verwendung der zweiten Gitterplatte 11 mit einem Empfänger 13 kann in der Anordnung zu Signalerzeugung für die Messung der Winkellage eines kippbaren Spiegels die Verwendung von Lichtleitfasern und Fotoempfänger entfallen.

Claims

1. Anordnung zur Signalerzeugung für die Messung der Winkellage eines kippbaren Spiegels, enthaltend eine Lichtquelle, eine periodische Maßstabsverkörperung, die mittels eines Kollimators und eines Objektives nach ihrer Reflexion wieder in ihre Ebene abgebildet wird und Fotoempfängern, gekennzeichnet dadurch, daß das von einer Lichtquelle (1) ausgehende Meßlichtbündel (L) auf die Arbeitsseite eines Spiegels (7) abgebildet wird, daß vorzugsweise ein Meßlichtbündelfleck (LF) einen Abtastlichtbündelfleck (AF) überlagert, daß der Meßlichtbündelfleck (LF) vorteilhafterweise größer als der Abtastlichtbündelfleck (AF) ist und daß als Maßstabsverkörperu.ng eine Gitterplatte (4; 11,12; 11,13, zwischen einem Kollimator (2) und einem Objektiv (6) angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine erste Gitterplatte (4) mit einem Amplitudengitter (4a), mit einer Breite von weniger als dem halben Durchmesser des Feldes des Objektives (6), vorzugsweise von einem Viertel des Felddurchmessers, versetzt in Richtung einer Drehachse (8) des Spiegels (7) neben einer optischen Achse (5) des Objektives (6) und mit einem Referenzgitter (4b), welches in der entgegengesetzten Richtung versetzt neben der optischen Achse (5) ist, eingesetzt wird, wobei das Referenzgitter (4b) vorzugsweise als quadratisches Feld mit einer Kantenlänge von einem Fünftel des Objektivfelddurchmessers, welches in bekannter Weise vier Teilfelder mit zueinander um ein Viertel Gitterkonstante versetzte Teilungen enthält, ausgebildet ist, und daß weiterhin neben dem Amplitudengitter (4a) in Richtung des äußeren Randes der ersten Gitterplatte (4) hin, parallel zu diesem zwei komplementäre HeII-Dunkelspuren (4c, 4d) angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß eine zweite Gitterplatte (11) vorgesehen ist, deren Grundkörper (11 a) auf der dem Objektiv (5) zugewandten Seite über die ganze Fläche mit einem zweiten Amplitudengitter (11b) versehen ist und an dem, neben der optischen Achse (5) im Bereich des reflektierten Meßlichtbündels (L) liegend, als Referenzgitter ein Element (12,13) angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß als Referenzgitter ein Prisma (12), ein Quader mit aufgesetzter vierseitiger Pyramide, vorgesehen ist, bei dem die Keilrichtung jedes der vier Pyranidenfelder (12.1,12.2,12.3,12.4) um einen Keilwinkel gegenüber den Außenkanten des Quaders gedreht ist, wobei der Keilwinkel vorzugsweise im Bereich zwischen 15° und 25° liegt.

5. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß als Referenzgitter 3in strukturierter Empfänger (13) vorgesehen ist, der vier Felder (13a, 13b, 13c, 13d) mit äquivalent zum Amplitudengitter (lib), um ein Vierte! Gitterkonstante zu einander versetzt aufgebrachten lichtempfindlichen GiUerstrukturcr, sowie vier entsprechende Ausgänge (I4a, 14b, 14c, 14d)-und einen Anschluß (14e) aufweist.