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Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen das Gebiet der Positionserfassung, insbesondere einen Positionssensor für die Bestimmung des Auslenkzustands eines beweglich angeordneten mechanischen Bauelements.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Kategorien von Positionssensoren zur Bestimmung des Auslenkzustands eines mechanischen Bauelements bekannt. Es sind diskret aufgebaute optische oder elektrische/magnetische Sensoren, aber auch integrierte Sensoren bekannt.
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Zur Kategorie der diskret aufgebauten optischen oder elektrischen/magnetischen Positionssensoren zählen Inkrementalgeber. Diese werden sowohl für translatorisch als auch für rotatorisch beweglich angeordnete mechanische Bauelemente eingesetzt. Die Funktionsweise von Inkrementalgebern beruht auf einer genauen Abtastung optischer bzw. magnetischer Maßstäbe. Je nach Aufbau und Ausführung sind Positionssensoren basierend auf Inkrementalgebern in der Lage, die Position bzw. den Auslenkzustand eines mechanischen Bauelements sehr genau zu bestimmen, erfordern jedoch einen vergleichsweise großen Bauraum. Aufgrund dessen werden Inkrementalgeber vorwiegend in makroskopischen Vorrichtungen, wie z. B. in Dreh- und Verfahrtischen, eingesetzt. Für den Einsatz in miniaturisierten Systemen, insbesondere für den Einsatz in endoskopischen Anwendungen, sind Positionssensoren basierend auf Inkrementalgebern jedoch nicht geeignet.
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Für kleine mechanische Bauelemente, wie z. B. für Mikroscannerspiegel, sind ferner diskret aufgebaute optische Vorrichtungen bekannt, so genannte Freistrahlanordnungen. Bei einer Freistrahlanordnung erfolgt die Messung des Auslenkzustands eines beweglich angeordneten mechanischen Bauelements in der Regel mit Hilfe eines Laserstrahls. Der Laserstrahl wird auf das mechanische Bauelement gerichtet und von dem mechanischen Bauelement, in Abhängigkeit der momentanen Auslenkung des Bauelements, in unterschiedliche Richtungen reflektiert bzw. abgelenkt. Zur Bestimmung der Position bzw. des Auslenkzustands des mechanischen Bauelements wird der vom Bauelement reflektierte Laserstrahl von in geeigneter Weise positionierten Photodetektoren erfasst. Nachteilhaft an Freistrahlanordnungen ist der erforderliche große Bauraum. Laser- und Photodioden sowie weitere optische, zur Strahlformung erforderliche Bauelemente müssen unmittelbar um das mechanische Bauelement herum angeordnet werden. Ferner kommen in Freistrahlanordnungen zum Teil Triggerdioden als Detektoren zum Einsatz. Triggerdioden ermöglichen lediglich die Durchführung zeitdiskreter Messungen, mit denen jedoch keine statistischen Auslenkungen des mechanischen Bauelements bestimmt werden können. Wegen den soeben aufgeführten Gründen sind Positionssensoren basierend auf Freistrahlanordnungen für den Einsatz in miniaturisierten Systemen, insbesondere für den Einsatz in endoskopischen Anwendungen, ungeeignet.
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Eine weitere Kategorie von Positionssensoren umfasst integrierte Sensoren zur Bestimmung des Auslenkzustands eines beweglich angeordneten mechanischen Bauelements. Kapazitive Positionssensoren enthalten kapazitive Strukturen, die in geeigneter Weise in das Bauelement integriert bzw. mit dem Bauelement verbunden sind. Eine Änderung des Auslenkzustands des mechanischen Bauelements ruft eine messbare Änderung der elektrischen Kapazität hervor. Kapazitive Positionssensoren sind jedoch relativ ungenau. Ferner werden in der Mikromechanik viele Bauelemente, z. B. Mikroscannerspiegel, elektrostatisch angetrieben, so dass es schwierig ist, die relativ hohen Antriebsspannungen von den Messsignalen ausreichend gut zu trennen. Eine hinreichend genaue Bestimmung der Position bzw. des Auslenkzustands eines beweglich angeordneten mechanischen Bauelements ist mit kapazitiven Positionssensoren nicht möglich.
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Ferner sind in der Mikrosystemtechnik piezoresistive Verfahren zur Bestimmung des Auslenkzustands eines beweglich angeordneten mechanischen Bauelements bekannt. Für dieses Verfahren besteht jedoch ebenfalls das Problem, die relativ hohen Antriebsspannungen von den Messsignalen ausreichend gut zu trennen. Die Überlagerung der Antriebsspannung mit den Messsignalen kann sich nachteilhaft auf die Messauflösung und somit auf die Bestimmung der Position bzw. des Auslenkzustands des mechanischen Bauelements auswirken.
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Ferner erfordern integrierte kapazitive und piezoresistive Sensoren elektronische Schaltungen in unmittelbarer Nähe zum mechanischen Bauelement zur Verstärkung der Messsignale, da die unverstärkten Messsignale nicht über beliebig lange Strecken übertragen werden können. Aus diesem Grund sind Positionssensoren basierend auf integrierten kapazitiven und piezoresistiven Sensoren für den Einsatz in Endoskopen, welche kleine laterale Abmessungen sowie relativ lange Übertragungsstrecken der Messsignale erfordern, nicht geeignet.
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Die
US 3,432,671 A beschreibt eine Freistrahlanordnung zur Erfassung einer Auslenkung einer um zwei Achsen beweglich angeordneten reflektierenden Oberfläche. Hierzu wird die strahlende Energie eines Festkörperlasers entlang einer optischen Achse ausgesendet und von der reflektieren Oberfläche, die parallel zu der optischen Achse angeordnet ist, reflektiert. Ein kreuzförmig angeordnetes planares Array von Photozellen ist zwischen dem Festkörperlaser und der reflektierenden Oberfläche angeordnet, um die von der reflektierenden Oberfläche reflektierte strahlende Energie des Festkörperlasers zu erfassen
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Die
US 2007/0081168 A1 zeigt eine Abtast-Strahl-Vorrichtung (engl. „Scanning Beam Device“) bei der ein Lichtstrahl einer Lichtquelle mittels einer Sonde räumlich über eine abzutastende Oberfläche oszilliert wird. Dabei wird der Lichtstrahl von der Oberfläche zum einen spiegelnd und zum anderen diffus reflektiert und von einem Detektor erfasst. Mittels einer Auswerteschaltung kann aus dem spiegelnd reflektierten Lichtstrahl ein Ab-stand oder ein Winkel zwischen der Sonde und der abzutastende Oberfläche ermittelt wer-den.
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Die
DE 103 57 062 A1 zeigt eine Freistrahlanordnung zur optischen Bestimmung von Verkippungswinkeln an strukturierten Oberflächen. Dabei sind eine Strahlquelle sowie zwei Detektoren unmittelbar um die strukturierte Oberfläche angeordnet.
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Die
US 4,581,528 A zeigt ein faseroptisches Messsystem zum Messen einer dynamischen Bewegung zwischen einer Grenzfläche der optischen Faser und einer Grenzfläche eines beweglichen Bauelements. Das bewegliche Bauelement weist dabei eine photoluminiszente Beschichtung auf, so dass ein aus der Faser austretender Lichtstrahl zum einen von dem beweglichen Bauelement reflektiert wird und zum anderen die photoluminiszente Oberfläche zur Photoluminiszenz anregt. Der reflektierte Lichtanteil und der durch Photoluminiszenz erzeugte Lichtanteil werden von derselben Faser wieder aufgenommen, mittels eines ersten Fasersplitters abgezweigt und mittels eines zweiten Fasersplitters zu einem ersten Detektor und zu einem zweiten Detektor geleitet. Vor dem ersten Detektor ist ein optisches Filter angeordnet, der den reflektierten Lichtanteil herausfiltert, um den durch Photoluminiszenz erzeugten Lichtanteil zu detektieren. Vor dem zweiten Detektor ist kein Filter angeordnet, da der reflektierte Lichtanteil eine um den Faktor 1000 höhere Energie aufweist als der durch Photoluminiszenz erzeugte Lichtanteil. Ferner ist für die Auswertung des reflektierten Lichtanteils ein Hochpassfilter erforderlich, der die Effekte von statischen Reflektionen, z. B. an den Fasersplittern oder an Faserübergängen, beseitigt. Bedingt durch den Hochpassfilter können keine langsamen Bewegungen des beweglichen Bauelements erfasst werden
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Die
DE 102 05 207 A1 zeigt eine Freistrahlanordnung zur Messung an einem resonanten Schwinger und zu seiner Steuerung. Der resonante Schwinger wird mittels einer Antriebseinheit mit einer Periodendauer T um seine Schwingachse ausgelenkt. Eine Laserdiode ist einer ersten Spiegelfläche des resonanten Schwingers gegenüberliegend angeordnet, so dass ein von der Laserdiode ausgesendeter Messstrahl auf die erste Spiegelfläche trifft, und so dass eine Strahlachse des Messstrahls die Schwingachse des resonanten Schwingers schneidet. Ferner weist die Freistrahlanordnung zwei Fotoempfänger auf, die der ersten Spiegelfläche des resonanten Schwingers derart gegenüberliegend angeordnet sind, dass der abgelenkte Messstrahl die zwei Fotoempfänger jeweils zu zwei diskreten Zeitpunkten je Periodendauer überstreicht. Eine Auswerteelektronik bestimmt aus der zeitdiskreten Messung der zwei Fotoempfänger und unter der Annahme, dass die Periodendauer bekannt und konstant ist, ein Ist-Wert der Amplitude.
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Die
US 5,446,279 A beschreibt einen faseroptischen Sensor zur Erfassung der Krümmung einer Membran. Der faseroptische Sensor umfasst drei Fasern, wobei Licht über die mittlere Faser auf die Membran geworfen wird und das von der Membran zurückgeworfene Licht über die zwei äußeren Fasern erfasst wird.
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Die
US 5,279,793 A beschreibt einen faseroptischen Sensor zur Messung eines osmotischen Druckes. Der faseroptische Sensor umfasst eine mittlere Faser und zwei äußere Fasern, wobei Licht über die mittlere Faser auf eine Membran geworfen wird und das von der Membran zurückgeworfene Licht über die zwei äußeren Fasern erfasst wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Positionssensor zu schaffen, der unter Vermeidung von elektronischen Schaltungen benachbart zum mechanischen Bauelement eine Positionserfassung mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Positionssensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
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Ausführungsbeispiele schaffen einen Positionssensor zur Erfassung einer Position eines beweglich angeordneten Bauelements bezüglich seiner Ausgangsposition. Der Positionssensor umfasst zumindest einem Kanal, der ausgebildet ist, eine elektromagnetische Strahlung zu führen und auf eine Rückseite des Bauelements zu richten; zumindest einem Detektor; und zumindest zwei Rückkanäle, die ausgebildet sind, um eine von der Rückseite des Bauelements zurückgeworfene elektromagnetische Strahlung zu empfangen und auf den Detektor zu richten; wobei der Kanal und die zumindest zwei Rückkanäle derart zueinander angeordnet sind, dass die zumindest zwei Rückkanäle jeweils einen vordefinierten Anteil der von dem Bauelement zurückgeworfenen elektromagnetischen Strahlung empfangen; wobei der Positionssensor einen Wellenleiter aufweist, der den Kanal und die Rückkanäle umfasst; wobei der Wellenleiter ein Faserbündel mit zumindest drei Fasern oder eine Faser mit zumindest drei Faserkernen umfasst; wobei ein dem Bauelement (142) benachbartes Ende des Wellenleiters abgeschrägt ist.
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Bei Ausführungsbeispielen nutzt der Positionssensor für die Erfassung des Auslenkzustands des beweglich angeordneten mechanischen Bauelements die elektromagnetische Strahlung einer Strahlungsquelle, die in den Kanal, der ausgebildet ist, eine elektromagnetische Strahlung zu führen und auf das Bauelement zu richten, eingekoppelt wird. Die aus dem Kanal austretende elektromagnetische Strahlung trifft auf das mechanische Bauelement und wird in Abhängigkeit des Auslenkzustands reflektiert. Die Rückkanäle nehmen in Abhängigkeit des Auslenkzustands des mechanischen Bauelements einen Teil der reflektierten elektromagnetischen Strahlung auf, die in den jeweiligen Detektoren zu unterschiedlich hohen elektrischen Signalen führt. Durch Verstärkung und Auswertung der elektrischen Signale der Detektoren der Rückkanäle, kann der Auslenkzustand des mechanischen Bauelements bestimmt werden.
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Der Positionssensor bietet den Vorteil einer sehr geringen Baugröße, insbesondere im Durchmesser, womit der Positionssensor sehr gut für endoskopische Anwendungen geeignet ist. Ferner bietet der Positionssensor den Vorteil, galvanisch von den Antriebsspannungen des mechanischen Bauelements entkoppelt zu sein. Eine Überlagerung der Messsignale des Positionssensors mit den Antriebsspannungen des mechanischen Bauelements wird somit verhindert. Ferner sind in unmittelbarer Umgebung des mechanischen Bauelements keine elektronischen Schaltungen für die Verstärkung der Messsignale vorzusehen. Für den Einsatz in endoskopischen Anwendungen können die erforderlichen elektronischen Schaltungen z. B. nach außen verlagert werden, wo der erforderliche Bauraum eine untergeordnete Rolle spielt. Ferner ist der Positionssensor in der Lage, sowohl kontinuierliche, wie z. B. durch resonante Antriebe hervorgerufene Bewegungsvorgänge, als auch quasistatische und statische Bewegungen bzw. Auslenkungen des mechanischen Bauelements zu bestimmen. Die zeitliche Auflösung des Positionssensors wird dabei nur durch die Grenzfrequenz der verwendeten Detektoren sowie der nachgeschalteten elektronischen Schaltung begrenzt. Diese Eigenschaften sind insbesondere für Mikroscannerspiegel bzw. auf Mikroscannerspiegel basierende Bauelemente von Vorteil, die in vielen unterschiedlichen Varianten und Bauformen zum Einsatz kommen.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des Positionssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung von optischen Fasern zur Führung der elektromagnetischen Strahlung ohne das mechanische Bauelement, dessen Auslenkzustand bestimmt werden soll.
- 2a eine vergrößerte Darstellung eines Endausschnitts der optischen Faser aus 1, und 2b wobei 2a eine Seitenansicht und 2b eine Frontansicht der optischen Faser ist.
- 3a eine Darstellung, die die Funktionsweise des Positionssensors aus 1 ver- und 3b deutlich, wobei das mechanische Bauelement in 3a in seiner Ruhelage ist und wobei das mechanische Bauelement in 3b aus seiner Ruhelage ausgelenkt ist.
- 4 den prinzipiellen Verlauf eines Messsignals eines periodisch bewegten mechanischen Bauelements, z. B. eines Mikroscannerspiegels, unter Verwendung eines Differenzverstärkers zur Auswertung der elektrischen Signale der Detektoren.
- 5 eine Frontansicht einer optischen Faser des Positionssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Faser drei Kerne umfasst.
- 6a eine schematische Darstellung des Positionssensors in Frontansicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines Faserbündels mit vier Empfangsfasern für die Bestimmung des Auslenkzustands des mechanischen Bauelements um zwei Rotationsachsen.
- 6b eine schematische Darstellung des Positionssensors in Frontansicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines Faserbündels mit drei Empfangsfasern für die Bestimmung des Auslenkzustands des mechanischen Bauelements um zwei Rotationsachsen.
- 7 eine schematische Darstellung des Positionssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines Faserbündels mit schräg ausgeführtem Faserbündelende zur Kompensation des anfänglichen Auslenkzustands des mechanischen Bauelements aus der Ruhelage.
- 8 die Integration des erfindungsgemäßen Positionssensors in ein Endoskop zur Bestimmung des Auslenkzustands eines Mikroscannerspiegels.
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Figuren gleiche oder gleich wirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des Positionssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung von optischen Fasern zur Führung der elektromagnetischen Strahlung ohne das mechanische Bauelement, dessen Auslenkzustand bestimmt werden soll. Eine elektromagnetische Strahlungsquelle 102 ist in geeigneter Weise mit einer optischen Faser 104, die in der Regel aus einem Glaswerkstoff oder einem Kunststoff besteht, verbunden. In allen dargestellten Ausführungsbeispielen kann die zur Bestrahlung des mechanischen Bauelements verwendete elektromagnetische Strahlung in unterschiedlichen spektralen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums liegen. So sind z. B. Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich (VIS) ebenso wie im infraroten Spektralbereich (IR) oder im ultravioletten Spektralbereich (UV) möglich. Es können auch unterschiedliche Strahlungsquellen, wie z. B. LED oder Laser, Verwendung finden. Zur Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung der Strahlungsquelle 102 in die optische Faser 104 können darüber hinaus weitere, bekannte optische Komponenten erforderlich sein. Ausführungsbeispiele der Erfindung verwenden als optische Faser 104 eine Monomodefaser mit Stufenindexprofil. Es können jedoch auch Multimodefasern oder Fasern mit einem anderen Brechzahlprofil, wie z. B. eine Gradientenindexfaser oder eine Faser basierend auf photonischen Kristallen zum Einsatz kommen. Die von der Strahlungsquelle 102 erzeugte elektromagnetische Strahlung wird in die optische Faser 104 eingekoppelt und tritt am Ende 105 des Faserbündels 106 in Form eines Strahlkegels 108 aus der optischen Faser 104 aus. Es sind zwei weitere Fasern 110a und 110b gezeigt, die zur Aufnahme von elektromagnetischer Strahlung dienen, welche von einem mechanischen Bauelement reflektiert wird. Die beiden optischen Fasern 110a und 110b sind gemäß Ausführungsbeispielen Multimodefasern mit einer hohen numerischen Apertur und einem vergleichsweise großen Kerndurchmesser von bis zu einigen hundert Mikrometern. Die optischen Fasern 110a und 110b können aus unterschiedlichen Werkstoffen, z. B. aus einem Glaswerkstoff oder einem Kunststoff, bestehen und sind in geeigneter Weise mit jeweils einem Detektor für elektromagnetische Strahlung 112a und 112b, z. B. jeweils mit einer Photodiode, verbunden. Ferner können die Detektoren für elektromagnetische Strahlung 112a und 112b für unterschiedliche Spektralbereiche des elektromagnetischen Spektrums ausgelegt sein. Die Detektoren 112a und 112b müssen auf die Wellenlänge der Strahlungsquelle 102 angepasst sein.
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Die einzelnen Fasern 104, 110a und 110b können auf unterschiedliche Weise mit den gängigen Methoden der Fasermontage zu einem Faserbündel 106 zusammengefügt werden. Im einfachsten Fall werden die optischen Fasern 104, 110a und 110b lediglich von einem gemeinsamen, geeignet ausgeführten Schutzmantel zusammengehalten. Für die Montage des gesamten Positionssensors, insbesondere für die definierte und reproduzierbare Verbindung von Positionssensor und mechanischem Bauelement, können gängige Verfahren aus der Mikrosystemtechnik und der Fasertechnik verwendet werden. So sind beispielsweise Hilfsstrukturen für die passive Justage von Faserbündeln 106 und mechanischem Bauelement üblich. Am Austritt 114 des Faserbündels 106 (Bauelementseite) können sich noch kleine mechanische Hilfsstrukturen, z. B. zylindrischer Bauform, befinden, die eine Montage bzw. Halterung des Faserbündels 106 am Bauelement oder einem gemeinsamen Träger oder Substrat erleichtern und ihre Lage zueinander fixieren. Unter Umständen sind aktive Justageprozeduren notwendig, bei denen die Strahlungsquelle in Betrieb genommen wird und gleichzeitig die elektrischen Signale an den Detektoren 112a und 112b ausgeleitet werden. Die elektrischen Signale werden dann als Justagekriterium herangezogen.
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2a und 2b zeigen eine vergrößerte Darstellung eines Endausschnitts des optischen Faserbündels 106 aus 1 für die Bestimmung des Auslenkzustands eines mechanischen Bauelements um eine Rotationsachse 124, z. B. eines Scannerspiegels, wobei 2a eine Seitenansicht und 2b eine Frontansicht des optischen Faserbündels ist. In der Mitte ist eine Monomodefaser (Sendefaser) 104 mit Mantel 128 und Kern 130 angeordnet, die die elektromagnetische Strahlung am Austritt 114 ausgibt. Sie kann als optische Faser mit Stufenindexprofil ausgeführt sein. Weiterhin kann es sich um eine Faser handeln, bei der Mantel 128 und Kern 130 aus einem Glaswerkstoff (Glasfaser) gefertigt sind oder der Mantel 128 aus einem Polymer besteht. Die optische Faser 104 dient zur Bestrahlung des beweglich angeordneten mechanischen Bauelements, dessen Auslenkzustand bestimmt werden soll. Symmetrisch zur Sendefaser 104 sind zwei optische Fasern (Empfangsfasern) 110a und 110b mit dem Mantel 132a sowie 132b und dem Kern 134a sowie 134b angeordnet, die einen Teil der vom Bauelement reflektierten elektromagnetischen Strahlung an den Eintritten 136a und 136b aufnehmen können. Die Anordnung der optischen Fasern 110a und 110b ist ebenfalls symmetrisch zur Rotationsachse 124 des mechanischen Bauelements. Die Empfangsfasern 110a und 110b mit Mantel 132a sowie 132b und Kern 134a sowie 134b können aus einem Glaswerkstoff hergestellt sein. Es ist j edoch auch der Einsatz von Polymerfasern, insbesondere solcher mit einem Kern aus Glas und einem Polymermantel, möglich. Die Empfangsfasern 110a und 110b besitzen gemäß Ausführungsbeispielen, jedoch nicht notwendigerweise, eine hohe numerische Apertur von größer als 0,3 und einen Faserkerndurchmesser von einigen hundert Mikrometern. Die Symmetrie des Faserbündels 106 kann dabei durch geeignete Hilfsstrukturen (Spacer) erreicht und stabilisiert werden. Das beschriebene Ausführungsbeispiel hat Kanäle, die zumindest teilweise entlang ihrer Ausdehnung symmetrisch zueinander angeordnet sind. Es sei daraufhingewiesen, dass die Erfindung nicht auf solche Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Bei Ausführungsbeispielen ist es ausreichend, dass der Austritt des Kanals und die Eintritte der Rückkanäle mit einer bestimmten Beziehung zueinander, z.B. symmetrisch, angeordnet sind, um den definierten Eintritt der reflektierten Strahlung zu ermöglichen. Der weitere Verlauf von Kanal und Rückkanälen ist nicht wesentlich. Bei Ausführungsbeispielen können die Orte, an denen die Strahlung in den Kanal eingekoppelt wird und die Strahlung von den Rückkanälen ausgekoppelt wird, auseinanderfallen.
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3a zeigt eine Darstellung, die die Funktionsweise des Positionssensors aus 1 verdeutlicht, wobei sich das mechanische Bauelement 142 in 3a in seiner Ruhelage befindet. In der Mitte ist ein Kanal 144a angeordnet, der eine elektromagnetische Strahlung führt, am Austritt 145a ausgibt und auf das Bauelement 142 richtet. Um den Kanal 144a herum sind gemäß Ausführungsbeispielen in einer symmetrischen Anordnung zwei Rückkanäle 144b und 144c angeordnet, die einen Teil der vom Bauelement reflektierten elektromagnetischen Strahlung 146 an den Eintritten 145b und 145c aufnehmen können. Weiterhin ist eine elektromagnetische Strahlungsquelle 102, z. B. eine LED oder ein Laser, dargestellt, dessen elektromagnetische Strahlung in den Kanal 144a eingekoppelt wird und den Kanal 144a in Form eines Strahlkegels 108 am anderen Ende verlässt. Die elektromagnetische Strahlung trifft auf das mechanische Bauelement 142, welches um eine Achse 124 drehbar ausgeführt ist. Ein Teil der Strahlung 146 wird von dem mechanischen Bauelement 142, z. B. durch spiegelnde Reflexion, reflektiert und trifft auf den Positionssensor. Die Rückkanäle 144b und 144c nehmen jeweils einen Teil der elektromagnetische Strahlung 148a und 148b auf und führen diese an das andere Ende des Positionssensors. Dort trifft die von den Rückkanälen geführte elektromagnetische Strahlung 148a und 148b auf in geeigneter Weise mit den Rückkanälen gekoppelte Detektoren für elektromagnetische Strahlung 112a und 112b, z. B. Photodioden.
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Die Detektoren 112a und 112b setzen die Strahlung 148a und 148b in elektrische Signale um, die von einer nachgeschalteten Elektronik 150 weiterverarbeitet bzw. ausgewertet werden können. Das mechanische Bauelement 142 ist in 3a in seiner Nulllage, d. h. in einem nicht ausgelenkten Zustand, dargestellt. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Rückkanäle 144b und 144c zum Kanal 144a sowie zur Drehachse des mechanischen Bauelements ist die von beiden Rückkanälen 144b und 144c aufgenommene elektromagnetische Strahlungsleistung 148a und 148b gleich oder nahezu gleich groß. Dadurch sind auch die von den Detektoren 112a und 112b erzeugten elektrischen Signale gleich oder nahezu gleich groß. Werden die Detektoren 112a und 112b differentiell ausgelesen bzw. mit einem Differenzverstärker verbunden, so resultiert im nicht ausgelenkten Zustand ein elektrisches gleich oder nahezu Null.
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3b zeigt eine Darstellung, die die Funktionsweise des Positionssensors aus 1 verdeutlicht, wobei das mechanische Bauelement aus seiner Ruhelage ausgelenkt ist. Die aus dem Austritt 145a des Kanals 144a austretende elektromagnetische Strahlung bildet einen Strahlkegel 108 mit einem vom Kanal 144a bestimmten Öffnungswinkel, wobei der Öffnungswinkel bei der Verwendung von z. B. einer optischen Faser von der numerischen Apertur der Faser bestimmt wird. Der Strahlkegel 108 trifft auf die Rückseite des beweglich angeordneten mechanischen Bauelements 142, z. B. auf die Rückseite eines Mikroscannerspiegels, und wird in Abhängigkeit vom Auslenkzustand reflektiert. Dabei wird die Richtung des reflektierten Strahlkegels 146 vom Reflexionsgesetz bestimmt. Durch die Drehung des mechanischen Bauelements 142 um die Rotationsachse 124 wird der reflektierte Strahlkegel 146 schräg auf den Positionssensor zurückgeworfen und überstreicht die Eintritte 145b und 145c der um den Kanal 144a herum angeordneten Rückkanäle 144b und 144c in Abhängigkeit vom Auslenkzustand des mechanischen Bauelements 142. Die Leistung der von den Eintritten 145b und 145c der beiden Rückkanälen 144b und 144c aufgenommenen elektromagnetischen Strahlung 148a und 148b ist nun verschieden und führt in den jeweiligen Detektoren zu unterschiedlichen hohen elektrischen Signalen. Durch Verstärkung und Auswertung der elektrischen Signale der Detektoren 112a und 112b der Rückkanäle 144b und 144c kann die Position bzw. der Auslenkzustand des mechanischen Bauelements bestimmt werden.
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Bei einer differentiellen Auswertung der elektrischen Signale der Detektoren, z. B. durch einen Differenzverstärker, ist die Folge ein elektrisches Differenzsignal, dessen Betrag vom Auslenkwinkel des mechanischen Bauelements abhängt. Dies rührt zum einen von der nicht gleichförmigen Intensitätsverteilung des Strahlkegels 108 her. Bei der Verwendung einer Monomodefaser für den Kanal 144a ist die Intensität des Strahlkegels 108 Gauß-verteilt, die Intensität des Strahlkegels 108 nimmt zum Rand hin also stark ab. Zum anderen kann bei größeren Auslenkwinkeln der Rand des Strahlkegels 108 einen der Eintritte der Rückkanäle, in 5b den Eintritt 145c des Kanals 144c, überstreichen, was zusätzlich zu einem kleineren elektrischen Signal führt. Im Differenzbetrieb entsteht so ein elektrisches Signal, dessen Vorzeichen von der Auslenkrichtung abhängt. Mit diesem Prinzip ist es möglich, die Position bzw. den Auslenkzustand von beweglich angeordneten mechanischen Bauelementen, wie z. B. von Mikroscannerspiegeln, um eine oder zwei Auslenkrichtungen zu bestimmen. Hierzu sind die Rückkanäle gemäß Ausführungsbeispielen symmetrisch um den Kanal angeordnet, der die elektromagnetische Strahlung führt und auf das mechanische Bauelement richtet.
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Für mechanische Bauelemente, die um eine Rotationsachse schwenkbar sind, werden mindestens zwei Rückkanäle benötigt, welche in ihrem Abstand senkrecht zur Rotationsachse des mechanischen Bauelements angeordnet sind. Trifft der Strahlkegel 108 des Kanals 144a, der ausgelegt ist, eine elektromagnetische Strahlung zu führen und auf das Bauelement 142 zu richten, senkrecht auf die Rückseite des mechanischen Bauelements 142 im nicht ausgelenkten Zustand, so hat eine um die Ruhelage des Bauelements 142 symmetrisch stattfindende Drehung bzw. drehende Schwingung auch ein symmetrisches Differenzsignal zur Folge, welches einen Nulldurchgang bei der Nulllage des Bauelements 142 aufweist. Eine nichtsymmetrische Anordnung der Rückkanäle (je nach Spiegelgröße kann die Unsymmetrie einige 10 µm bis einige 100 µm betragen) oder eine Vorverkippung der Rückkanäle relativ zur Nulllage des Bauelements hat eine Symmetrieverschiebung des elektrischen Signals zur Folge. Der Nulldurchgang des elektrischen Signals fällt dann nicht mehr mit der Nulllage des Bauelements 142 zusammen. Dieser Sachverhalt ist jedoch dem Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Positionssensors nicht abträglich. Durch eine geeignete Kalibrierung des erfindungsgemäßen Positionssensors können derartige Abweichungen ausgeglichen werden. Der differentielle Betrieb der Detektoren gegenüberliegender Rückkanäle bietet neben einer Symmetrierung des elektrischen Signals auch eine Streu- und Gleichlichtunterdrückung. Dies führt zu einer Unempfindlichkeit des Positionssensors gegenüber optischer Störeinflüsse.
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4 zeigt den prinzipiellen Verlauf eines Messsignals 160 eines periodisch bewegten mechanischen Bauelements 142, z. B. eines Mikroscannerspiegels, unter Verwendung eines Differenzverstärkers zur Auswertung der elektrischen Signale der Detektoren 112a und 112b. Das Bauelement 142 dreht sich entsprechend den 3a und 3b periodisch um eine Rotationsachse 124. Aufgrund der Symmetrie entsprechen die Nulldurchgänge des elektrischen Signals 162 dem Nulldurchgang des Bauelements 142. Die Maxima 164 und Minima 166 des elektrischen Messsignals 160 entsprechen jeweils den Umkehrpunkten der Bauelementbewegung.
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5 zeigt eine Frontansicht einer optischen Faser eines Positionssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Faser drei Kerne umfasst. Es handelt sich dabei um eine sehr vorteilhafte Ausführungsform des Faserbündels 106. Die modernen Methoden der Faserherstellung erlauben das Ziehen von optischen Fasern mit mehreren, unter Umständen auch unterschiedlichen Kernen. Diese Variante stellt also kein klassisches Faserbündel 106 dar, sondern vielmehr eine Faser 172 größeren Querschnitts mit, in diesem Fall drei, Kernen 174a, 174b und 174c, sowie einem Mantel 176. Ähnlich wie in 2 sind die Kerne 174b und 174c, welche die vom Bauelement reflektierte elektromagnetische Strahlung empfangen, symmetrisch um den Kern 174a und senkrecht zur Rotationsachse 124 des mechanischen Bauelements angeordnet. Die optische Faser 172 mit in diesem Ausführungsbeispiel gezeigten drei Kernen 174a, 174b und 174c kann z. B. aus einem Glaswerkstoff mit Stufenindexprofilen bestehen.
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Für mechanische Bauelemente, die um zwei Rotationsachsen drehbar gelagert sind, werden mindestens drei, gemäß Ausführungsbeispielen vier Rückkanäle benötigt.
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6a zeigt eine schematische Darstellung des Positionssensors in Frontansicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines Faserbündels mit vier Empfangsfasern für die Bestimmung des Auslenkzustands des mechanischen Bauelements um zwei Rotationsachsen. Der Aufbau ist dem aus 2 ähnlich. Zu der Sendefaser 104 und den Empfangsfasern 110a und 110b kommen für die Bestimmung des Auslenkzustands des mechanischen Bauelements um die zweite Rotationsachse 125 zwei weitere Empfangsfasern 110c und 110d hinzu. Die Empfangsfasern 110c und 110d können die gleichen Eigenschaften wie die Fasern 110a und 110b besitzen. Insbesondere gelten für die in 6a gezeigten Varianten die gleichen Ausführungsmöglichkeiten wie die in 2 beschriebenen. Bei der Verwendung von vier Rückkanälen sind gemäß Ausführungsbeispielen jeweils zwei Rückkanäle in ihrem Abstand senkrecht zu jeweils einer Rotationsachse des mechanischen Bauelements angeordnet. Ferner können bei der Verwendung von vier Rückkanälen die Detektoren der jeweils gegenüberliegenden Rückkanäle differentiell betrieben werden. Hierzu ist die Orientierung der Rückkanäle gemäß Ausführungsbeispielen so gewählt, dass die Abstandslinien gegenüberliegender Rückkanäle mit der Richtung der Rotationsachse des mechanischen Bauelements zusammenfallen.
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6b zeigt eine schematische Darstellung des Positionssensors in Frontansicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines Faserbündels mit drei Empfangsfasern für die Bestimmung des Auslenkzustands des mechanischen Bauelements um zwei Rotationsachsen. Der Aufbau ist dem aus 6a sehr ähnlich. Es kommt eine Sendefaser 104 sowie drei Empfangsfasern 110a, 110e und 110f für die Bestimmung des Auslenkzustands eines mechanischen Bauelements um zwei Rotationsachsen 124 und 125 zum Einsatz. Die Empfangsfasern 110e und 110f können die gleichen Eigenschaften wie die Empfangsfasern 110a und 110b aus 6a besitzen. Insbesondere gelten für die in 6b gezeigten Varianten die gleichen Ausführungsmöglichkeiten wie die in 2 beschriebenen.
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7 zeigt eine schematische Darstellung des Positionssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines Faserbündels 106 mit schräg ausgeführtem Faserbündelende 105 zur Kompensation des anfänglichen Auslenkzustands des mechanischen Bauelements aus der Ruhelage. Die Herstellung des Faserbündels und insbesondere die Präparation des bauelementseitigen Faserbündelendes kann mit gängigen Methoden der Fasertechnik vorgenommen werden. So können zur Erzeugung geeigneter und definierter optischer Eigenschaften des Faserbündelendes 105 Verfahren wie Schleifen, Polieren und Brechen zum Einsatz kommen. Insbesondere kann das Faserbündelende auch schräg geschliffen oder poliert sein. Diese Ausführung ist dann vorteilhaft, wenn das mechanische Bauelement 142 verkippt zur Faserachse montiert werden muss. In diesem Fall kann durch einen schrägen Anschliff des Faserbündelendes 105 die Symmetrie des elektrischen Signals bezüglich der Auslenkung des mechanischen Bauelements 142 erhalten bleiben. Bei geradem Anschliff oder Brechung würde ein verkippt montiertes mechanisches Bauelement 142 schon in der Nulllage zu einem von Null verschiedenen (Differenz-) Messsignal führen. Durch einen schrägen Anschliff wird der Winkel des Strahlungsaus- und Eintritts in die optischen Fasern des Faserbündels 106 derart modifiziert, dass die Verkippung des mechanischen Bauelements aus der Nulllage heraus kompensiert wird.
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8 zeigt die Integration des erfindungsgemäßen Positionssensors in ein Endoskop zur Bestimmung des Auslenkzustands eines Mikroscannerspiegels 180. Verfahren, die in einem Endoskop integriert werden, können zum Abrastern des Bildfeldes mit einem Laserstrahl einen Mikroscannerspiegel verwenden. Die Auflösung und die Güte der gewonnenen Informationen werden von den optischen Gegebenheiten wie z. B. der numerischen Apertur und ferner von der Kenntnis der momentanen Spiegelstellung bestimmt. Der erfindungsgemäße Positionssensor kann hier aufgrund seiner schlanken Bauform sehr vorteilhaft zur Bestimmung des Auslenkzustands des Mikroscannerspiegels 180 sein. Dazu wird die Rückseite des Mikroscannerspiegels 180 als reflektierende Oberfläche verwendet. In einer äußeren Fassung 184, die z. B. aus einem Edelstahl gefertigt sein kann, befindet sich ein Mikroscannerspiegel 180 und der erfindungsgemäße Positionssensor, bestehend aus dem Kanal 144a, beispielsweise ausgeführt als eine optische Sendefaser, und zwei Rückkanälen 144b und 144c, beispielsweise ausgeführt als optische Empfangsfasern. Aus dem Kanal 144a tritt eine elektromagnetische Strahlung 108 aus, von der ein Teil 146 von dem Mikroscannerspiegel 180 reflektiert wird und von den Rückkanälen 144b und 144c zum Teil aufgenommen wird.
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Die Bestimmung des Auslenkzustands des Mikroscannerspiegels erfolgt wie oben beschrieben. Weiterhin befindet sich an der äußeren Fassung 184 eine optische Faser 186, bei der es sich um eine Monomodefaser handeln kann, aus der elektromagnetische Strahlung 188 austritt, die zur Gewinnung von Bildinformationen eines Messobjekts 190 dient. Diese Strahlung 188 wird von einem Faserkollimator 192 kollimiert, trifft anschließend auf einen Umlenkspiegel 194 und wird von diesem auf den Mikroscannerspiegel 180 geführt. Die von dort reflektierte elektromagnetische Strahlung wird von optischen Elementen 196, z. B. Linsen, auf das Messobjekt 190 fokussiert. Aufgrund der Drehbewegung des Mikroscannerspiegels 180 wird der fokussierte Strahl 188 über das Messobjekt 190 geführt und tastet dieses somit ab. Von dem Messobjekt 190, beispielsweise durch Streuung oder einen Fluoreszenzprozess ausgehende elektromagnetische Strahlung wird von den optischen Elementen 196 aufgenommen und durchläuft den Strahlengang in umgekehrter Richtung. Aus der Kenntnis der momentanen Spiegelstellung und der zugehörigen Intensität der vom Objekt ausgehenden elektromagnetischen Strahlung kann die Bildinformation des Messobjekts 190 rekonstruiert werden.
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Weitere Anwendungsbeispiele für den erfindungsgemäßen Positionssensor finden sich in vielen miniaturisierten Systemen, die beweglich oder schwingfähig ausgeführte Bauelemente der Mikromechanik (MEMS, MOEMS) enthalten, die in einer Mikrotechnologie wie z. B. der Silizium Mikromechanik, dem LIGA-Verfahren, einer Kunststofftechnologie oder in einem feinwerktechnischen Verfahren hergestellt werden können. Insbesondere Bauelemente die Mikroscannerspiegel, bewegliche Beugungsgitter, oder bewegliche optische bzw. mikrooptische Bauelemente, z. B. Polygonspiegel, Etalone oder Prismen, zur gezielten Ablenkung von elektromagnetischer Strahlung enthalten. In kleinen Laserprojektoren wird mit Hilfe von Mikroscannerspiegeln Laserlicht zur Bilderzeugung gezielt abgelenkt. In miniaturisierten Spektrometern und ortsauflösenden Spektrometern finden kleine Scannerspiegel, die mit einer Gitterstruktur als bewegliche Beugungsgitter versehen sind, Verwendung. Im Bereich der Endoskopie, der Endomikroskopie und der konfokal Endoskopie gewinnen neben den klassischen Verfahren der Bildaufnahme bzw. Bildgewinnung durch entsprechend miniaturisierte optische Komponenten in Verbindung mit Matrixbildsensoren (CCD und CMOS) eine Reihe scannender Verfahren zur Gewinnung zusätzlicher medizinisch relevanter Informationen immer mehr an Bedeutung. Hierbei sind insbesondere laserbasierte Verfahren wie die konfokale Mikroskopie, die Laserrastermikroskopie mit Scannerspiegel und die optische Kohärenztomographie zu nennen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung wurden beschrieben, bei denen der Anteil der in die Rückkanäle reflektierten Strahlung im Ruhezustand des Bauelements gleich ist. Die Erfindung ist aber nicht auf solche Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr können der Kanal und die Rückkanäle beliebig zueinander angeordnet sein, solange sichergestellt ist, dass die reflektierte Strahlung die Rückkanäle erreicht, so dass z. B. durch entsprechende Kalibrierungsmessungen die in den Rückkanälen geführten Signalanteile in der Ruhelage des Bauelements erfasst und bei der späteren Messung berücksichtigt werden.
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Ferner wird in den oben aufgeführten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäße Positionssensor zur Erfassung des Auslenkzustands eines schwingfähig gelagerten mechanischen Bauelements verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr ist der erfindungsgemäße Positionssensor in der Lage, die Position eines drehbar angeordneten mechanischen Bauelements bezüglich seiner Ausgangsposition zu bestimmen. Ferner ist der erfindungsgemäße Positionssensor nicht nur in der Lage, die von dem mechanischen Bauelement durch Reflexion zurückgeworfene elektromagnetische Strahlung für die Erfassung der Position des Bauelements zu nutzen, sondern auch die durch diffuse Reflexion oder durch Anregung (z. B. Fluoreszenz) zurückgeworfene elektromagnetische Strahlung. Ferner sei darauf hingewiesen, dass die zurückgeworfene elektromagnetische Strahlung in der Polarisationsrichtung, z. B. durch ein λ/4-Platte, verändert sein kann.
