DE10002196A1 - Methode zur Positionsregelung von Drehspiegeln mittels einer optischen Spiegelpositionsbestimmung - Google Patents
Methode zur Positionsregelung von Drehspiegeln mittels einer optischen SpiegelpositionsbestimmungInfo
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Abstract
Eine Anordnung zur Erzeugung eines analogen Stellwertes für den Positionsregelkreis von Drehspiegeln mittels einer optischen Positionsmessung enthält eine Laserquelle, vorzugsweise einen Diodenlaser, eine Apertur, eine Fokussiereinheit, einen positionsempfindlichen Detektor sowie eine Auslese- und Regelelektronik. Der genannte Detektor steht im Fokus des am zu vermessenden Spiegel unter einem kleinen Winkel gegen die Senkrechte des reflektierten fokussierten Meßstrahls, wobei eine Interpolation der aus dem Detektor ausgelesenen Werte eine Positionsbestimmung mit höherer Auflösung als die Detektorauslösung ermöglicht. Die Anordnung soll dahingehend weitergebildet werden, daß eine schnelle optische Messung der Position von Drehspiegel mit einem einfachen optischen Aufbau realisiert wird. Hierzu wird vorgeschlagen, daß aus dem Vergleich der Position des Fokusspots des Meßstrahls auf dem genannten Detektor, welcher durch die Interpolation ermittelt wurde, mit einer Sollposition ein analoger Regelwert erzeugt wird, welcher in den dem Drehspiegel zugehörigen Regelkreis eingegeben wird.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung der Winkelposition (im folgenden kurz als
Position bezeichnet) von Drehspiegeln zur Erzeugung eines Regelwertes für die Positionsregelung, gemäß
den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Eine bekannte Methode zur Positionsmessung von Drehspiegeln ist das Autokollimationsverfahren, bei dem
ein mittels einer Kollimationslinse kollimierter Strahl als Meßstrahl am zu vermessenden Spiegel reflektiert
wird und der Winkel des reflektierten Strahls zum einfallenden Strahl beim rückwärtigen Durchlaufen der
Kollimationslinse in eine Positionsinformation umgewandelt wird. Diese Informationsumwandlung bringt
jedoch eine zusätzliche Fehlerquelle in Form von Linsenfehlern in die Messung ein. Eine rechnerische
Korrektur dieses Fehlers verlängert die Rechenzeit bei der Ermittlung des Regelwertes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnelle optische Messung der Position von Drehspiegeln mit
einem einfachen optischen Aufbau zu realisieren und ein Signal zu erzeugen, das als Regelwert in die
Spiegelsteuerung des vermessenen Spiegels eingegeben oder direkt als Stellsignal für den vermessenen
Spiegel verwendet werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den im kennzeichnenden Teil des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Die vorgeschlagene Anordung ermöglicht die schnelle Erzeugung eines Regelwertes für die Positionierung
von Drehspiegeln mittels Einsatz eines fokussierten Laserstrahls als Meßstrahl sowie einer Interpolation, die
eine Positionsbestimmung des Meßstrahls mit höherer Auflösung als der Detektorauflösung ermöglicht und
somit die Verwendung eines schnell auslesbaren Detektors geringerer Auflösung erlaubt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Zeichnungen Fig. 1-3 dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert, ohne daß insoweit eine Einschränkung der Erfindung erfolgt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung,
Fig. 2 eine Skizze zur Erläuterung der verwendeten Formelzeichen,
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Auslese- und Regelelektronik.
Fig. 1 gibt einen Überblick über die Anordnung. Mittels eines Diodenlasers 1 und einer Apertur 2 mit
Öffnungsdurchmesser A wird ein Meßstrahl erzeugt. Dieser wird in der folgenden Linse 3 mit langer
Brennweite F fokussiert. Vor dem Fokus wird der Meßstrahl an dem zu vermessenden Drehspiegel 4 unter
geringem Winkel zur Senkrechten reflektiert. Im Fokus steht ein Positionsdetektor 5, in diesem
Auführungsbeispiel eine Diodenzeile mit 128 Zellen, mit dem die Position des fokalen Laserlichtflecks (im
folgenden Fokusspot genannt) gemessen wird. Hierzu werden die auf die einzelnen photoempfindlichen
Zellen (im folgenden Pixel genannt) fallenden Lichtleistungen ausgelesen, und bei einem geeigneten
Verhältnis zwischen dem Fokusspotdurchmesser D auf dem Detektor und der Pixelgröße δx wird durch ein
Interpolationsverfahren die Position des Schwerpunktes des Strahles aus diesen Informationen auf 1/12 der
Größe der einzelnen Zellen genau ermittelt. Der Durchmesser des Fokusspots ergibt sich dabei aus dem
Aperturdurchmesser, der Brennweite der Linse und der Wellenlänge λ des verwendeten Laserlichtes über
Die Winkelauflösung δϕ des Systems ergibt sich aus der Auflösung für die Bestimmung der Strahlposition
von δx/12 und dem Abstand S zwischen Spiegel und Detektor über
Der detektierbare Drehwinkelbereich Δϕ ergibt sich in gleicher Weise aus der Ausdehnung Δx des Detektors:
Zu den verwendeten Formelzeichen s. Fig. 2. In der folgenden Regelkreiselektronik 6 wird die ermittelte
Fokusspotposition mit der errechneten Sollposition bei am Spiegel eingestelltem Sollwinkel verglichen. Aus
der Differenz wird ein analoges Regelsignal für einen am Drehspiegel integrierten Regelkreis 7 erzeugt.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der verwendeten Auslese- und Regelelektronik. Das Auslesen der Pixel in der
Diodenzeile 5 erfolgt seriell über einen A/D-Wandler 8 mit 8 bit Auflösung. Die digitalisierten Daten werden
dann an einen digitalen Signalprozessor (DSP) 9 übermittelt, der zunächst aus den Werten der einzelnen
Pixel über eine Interpolation eine Bestimmung der Position des Schwerpunktes der Intensitätsverteilung
durchführt. Bei dieser Interpolation wird eine Unterdrückung der mit hohem relativem Fehler behafteten
niedrigen Intensitätswerte durch Einführung eines Mindestwertes (Schwellwert) für die Berücksichtigung bei
der Interpolation erreicht. Dadurch kann bei ausreichender Ausleuchtung von Pixeln eine Auflösung weit über
der geometrischen Auflösung der Detektorzeile erreicht werden.
Vom Systemsteuerungsrechner 10 erhält der DSP einen 16 bit Sollwert für die Position des Fokusspots, der
aus der Sollwinkelposition des Spiegels berechnet wurde. Mit diesem Wert wird der interpolierte Schwerpunkt
verglichen und aus der Abweichung ein digitaler Regelwert erzeugt, der im folgenden 14 bit D/A-Wandler in
einen analogen Regelwert für die vorhandene Regeleletronik 7 des Drehspiegels 4 umgewandelt wird.
1
Laser
2
Apertur
3
Linse
4
Drehspiegel
5
Sensor
6
Auslese- und Interpolationselektronik (s.
Fig.
3
)
7
Spiegel-Regelelektronik
8
A/D Wandler
9
digitaler Signalprozessor (DSP)
10
Systemsteuerung
11
D/A Wandler
A Aperturweite
F Brennweite der Fokussierlinse
Δx Detektorausdehnung (Zeilenlänge)
Δϕ Winkelbereich der Messung
δx Pixelgröße
δϕ Winkelauflösung
S Abstand Spiegel-Detektor
A Aperturweite
F Brennweite der Fokussierlinse
Δx Detektorausdehnung (Zeilenlänge)
Δϕ Winkelbereich der Messung
δx Pixelgröße
δϕ Winkelauflösung
S Abstand Spiegel-Detektor
Claims (2)
1. Anordnung zur Erzeugung eines analogen Stellwertes für den Positionsregelkreis von Drehspiegeln mittels
einer optischen Positionsmessung, enthaltend eine Laserquelle, vorzugsweise ein Diodenlaser, eine
Apertur, eine Fokussiereinheit, einen positionsempfindlichen Detektor sowie eine Auslese- und
Regelelektronik, wobei der Detektor im Fokus des am zu vermessenden Spiegel unter kleinem Winkel
gegen die Senkrechte reflektierten fokussierten Meßstrahls steht und eine Interpolation der aus dem
Detektor ausgelesenen Werte eine Positionsbestimmung mit höherer Auflösung als der Detektorauflösung
ermöglicht,
dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Vergleich der Position des Fokusspots des
Meßstrahls auf dem Detektor, welche durch die Interpolation ermittelt wurde, mit einer Sollposition ein
analoger Regelwert erzeugt wird, der in den dem Drehspiegel zugehörigen Regelkreis eingegeben wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellwert zur direkten
Regelung der Spiegelposition erzeugt wird.
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