DE3914235A1 - Arrangement for generating signals for measuring the angular position of a tiltable mirror - Google Patents
Arrangement for generating signals for measuring the angular position of a tiltable mirrorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung findet Anwendung in Anordnungen zur Messung der Position bzw. der Positionsänderung, insbesondere von Winkel, von Objekten, vorzugsweise von optischen Strahlablenkern.The invention finds application in arrangements for measuring the Position or change of position, in particular of angle, of objects, preferably of optical beam deflectors.
Zur Erfassung der Position bzw. Positionsänderung, insbeson dere von Winkel, von Objekten, wie zum Beispiel die Stellung eines Spiegels eines optischen Strahlablenkers sind eine Reihe von Verfahren und Anordnungen bekannt.To record the position or change of position, in particular of angles, of objects, such as position of a mirror of an optical beam deflector are one Series of methods and arrangements known.
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, tole ranzbedingte Unsymmetrien kompensierbar sind (Users Manual, General Scannig Inc., USA 500 Arsenal strut PO-Box 307, WATERTOWN, MA 0 22 72).The use of capacitive is particularly widespread Position encoders because they have a low moment of inertia have and by using bridge circuits a Series of measurement errors, such as the stroke error of an axis, tole imbalances caused by the satchel can be compensated (Users Manual, General Scannig Inc., USA 500 Arsenal strut PO-Box 307, WATERTOWN, MA 0 22 72).
Nachteilig bei dieser Lösung ist vor allem die starke Ab hängigkeit der Meßempfindlichkeit von der Umgebungstempera tur des Meßgerätes und weiteren Umwelteinflüssen sowie die wegen der notwendigen Demodulation begrenzte zeitliche Auf lösung der Folge der Meßwerte.The disadvantage of this solution is above all the strong Ab dependence of the measuring sensitivity on the ambient temperature ture of the measuring device and other environmental influences as well as the limited time due to the necessary demodulation solution of the sequence of the measured values.
Zum Erreichen einer hohen Winkelauflösung bei großem Werteum fang ist, wie bei allen Analogsystemen, ein hoher gerätetech nischer Aufwand erforderlich.To achieve a high angular resolution with a large value As with all analog systems, catch is a high level of device technology African effort required.
Bekannt ist weiterhin eine Lösung, die mit einem hochauflö senden rotatorischen inkrementalen Meßsystem arbeitet (Fir menprospekt, VEB Carl Zeiss JENA, Inkrementalen rotatorischen Geber IGR XY, 67-040 g, 8/86). Nachteilig bei dieser Lösung ist der hohe Masseträgheitsmoment des Meßsystems.A solution is also known which has a high resolution send rotary incremental measuring system works (Fir brochure, VEB Carl Zeiss JENA, incremental rotary IGR XY encoder, 67-040 g, 8/86). A disadvantage of this solution is the high moment of inertia of the measuring system.
Bei einer anderen bekannten Lösung (DE 26 28 836) wird die Lage eines Spiegels auf interferometrischem Wege erfaßt, wo bei der Interferenzstreifen als Richtungskriterium ausgewer tet wird. In another known solution (DE 26 28 836) Location of a mirror detected by interferometric means where was selected as the directional criterion for the interference fringe is tested.
Nachteil dieser Lösung ist die hohe Justierempfindlichkeit, vor allem bezüglich der Abstandsänderungen zwischen Spiegel und Indikator sowie der unlineare Verlauf der Kennlinie.The disadvantage of this solution is the high sensitivity, especially regarding the changes in distance between mirrors and indicator as well as the non-linear course of the characteristic.
In einer weiteren Lösung (DE-OS 21 61 091) ist eine Einrich tung beschrieben, mit der die Auslenkung eines Spiegels an gezeigt werden kann. Diese Einrichtung gestattet lediglich an einer vom Spiegel entlegenen Stelle zu erkennen, in ein facher Weise gewissermaßen digitalisiert, wobei ein am aus gelenkten 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 tech nischen Aufwand erfordern.In another solution (DE-OS 21 61 091) is a Einrich device described with which the deflection of a mirror can be shown. This facility only allows recognizable in a place remote from the mirror, in a digitized to a certain extent, with one on out steered mirror reflected beam is reflected. The Angular resolution of this device is relatively poor Creation of a large stock of values (larger work area or better angular resolution) would have a very high tech require effort.
Ziel der Erfindung ist eine Anordnung zur Signalerzeugung für die Messung der Winkellage eines kippbaren Spiegels, die schnelle Messung gestattet, die Nachteile des bekannten Stan des der Technik nicht aufweist und mit geringem technisch- ökonomischen Aufwand herstellbar ist.The aim of the invention is an arrangement for signal generation for the measurement of the angular position of a tiltable mirror, the rapid measurement allows the disadvantages of the well-known Stan of the technology does not have and with little technical economic effort can be produced.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer An ordnung zur Signalerzeugung für die Messung der Winkellage eines kippbaren Spiegels, die eine rückwirkungsfreie, aus schließlich von der Änderung der Winkellage des Spiegels ab hängige, schnelle, hochauflösende, digitale Messung ermög licht.The object of the invention is to create an Regulation for signal generation for the measurement of the angular position of a tiltable mirror, which is a non-reactive, from finally on the change in the angular position of the mirror continuous, fast, high-resolution, digital measurement possible light.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur Sig nalerzeugung für die Messung der Winkellage eines kippbaren Spiegels enthaltend eine Lichtquelle, eine periodische Maß stabverkörperung, die mittels eines Kollimators und eines Ob jektives nach ihrer Reflexion wieder in ihre Ebene abgebil det wird, und Fotoempfänger dadurch gelöst, daß das von einer Lichtquelle ausgehende Meßlichtbündel auf die Arbeitsseite eines Spiegels abgebildet wird, daß vorzugsweise ein Meßlicht bündelfleck ein Abtastlichtbündelfleck überlagert, daß der Meßlichtbündelfleck vorteilhafterweise größer als der Abtast lichtbündelfleck ist und daß als Maßstabsverkörperung eine Gitterplatte zwischen einem Kollimator und einem Objektiv an geordnet ist.According to the invention the task with an arrangement for Sig nale generation for the measurement of the angular position of a tiltable Mirror containing a light source, a periodic measure rod embodiment, which is by means of a collimator and an ob jectives after their reflection in their plane det, and photo receiver solved in that the one Light source outgoing measuring light bundle on the working side a mirror is shown that preferably a measuring light a scanning light bundle overlay that the Measuring light beam spot advantageously larger than the scan is beam spot and that as a scale embodiment a Grid plate between a collimator and a lens is ordered.
Vorteilhafte erfindungsgemäße Ausgestaltungsformen sind, daß eine erste Gitterplatte mit einem Amplitudengitter, mit einer Breite von weniger als dem halben Durchmesser des Feldes des Objektives, vorzugsweise von einem Viertel des Felddurchmes sers, versetzt in Richtung einer Drehachse des Spiegels ne ben einer optischen Achse des Objektives und mit einem Refe renzgitter, welches in der entgegengesetzten Richtung ver setzt neben der optischen Achse ist, eingesetzt wird, wobei das Referenzgitter vorzugsweise als quadratisches Feld mit einer Kantenlänge von einem Fünftel des Objektivfelddurch messers, welches in bekannter Weise vier Teilfelder mit zu einander um ein Viertel Gitterkonstante versetzte Teilungen enthält, ausgebildet ist, und daß weiterhin neben dem Ampli tudengitter in Richtung des äußeren Randes der ersten Gitter platte hin, parallel zu diesem zwei komplementäre Hell-Dun kelspuren angeordnet sind.Advantageous embodiments according to the invention are that a first grating plate with an amplitude grating, with a Width less than half the diameter of the field Objective, preferably a quarter of the field diameter sers, offset in the direction of an axis of rotation of the mirror ne ben an optical axis of the lens and with a ref border grid, which ver in the opposite direction sets next to the optical axis, is used, being the reference grid preferably as a square field an edge length of one fifth of the objective field knife, which has four subfields in a known manner divisions offset by a quarter lattice constant contains, is formed, and that in addition to the Ampli door grille towards the outer edge of the first grille plate, parallel to this two complementary Hell-Dun traces are arranged.
Eine weitere Ausgestaltungsform besteht darin, daß eine zwei te Gitterplatte vorgesehen ist, deren Grundkörper 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 aufgesetzter vierseitiger Pyramide, bei dem die Keilrich tung jedes der vier Pyramidenfelder um einen Keilwinkel gegenüber den Außenkanten des Quaders gedreht ist, wobei der Keilwinkel vorzugsweise im Bereich zwischen 15° und 25° liegt.Another embodiment is that a two te grid plate is provided, the base body on which the Objective side over the entire surface with a second amplitude grating is provided and on which, in addition to the optical axis in the area of the reflected measuring light beam lying, a first or second element as a reference grid is arranged. The first element is a prism, a cuboid with a four-sided pyramid on which the Keilrich each of the four pyramid fields by a wedge angle is rotated relative to the outer edges of the cuboid, the Wedge angle is preferably in the range between 15 ° and 25 °.
Als zweites Element ist ein strukturierter Empfänger vorge sehen, der vier Felder mit äquivalent zum Amplitudengitter, um ein Viertel Gitterkonstante zueinander versetzt aufge brachten lichtempfindlichen Gitterstrukturen sowie vier ent sprechende Ausgänge und einen Anschluß aufweist.The second element is a structured recipient see the four fields equivalent to the amplitude grid, offset from each other by a quarter lattice constant brought light-sensitive lattice structures and four speaking outputs and a connection.
Folgend wird die Wirkungsweise der Anordnung beschrieben.The mode of operation of the arrangement is described below.
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 Ab tastlichtbündelfleck, eines von dem selben Spiegel abgelenk ten Abtastlichtbündels, überlagert. Vorteilhafter Weise ist der Meßlichtbündelfleck größer als der Abtastlichtbündelfleck. Das vom Spiegel reflektierte Meßlichtbündel bildet, ent sprechend der Winkelstellung des Spiegels, das Bild des Am plitudengitters auf das, auf der selben Gitterplatte ange ordnete Referenzgitter ab.The measuring light beam coming from a light source is about a collimator and a lens with the one imprinted on it corresponding amplitude grating of a grid plate on the Working side of a mirror shown, preferably the measuring light beam spot on the mirror the Ab tactile light spot, one deflected by the same mirror th scanning light beam, superimposed. It is advantageous the measurement light beam spot is larger than the scanning light beam spot. The measuring light beam reflected by the mirror forms ent speaking of the angular position of the mirror, the image of the Am plitden grids on the same grid plate assigned reference grids.
Die durch die Überlagerung des Referenzgitters mit dem Bild des Amplitudengitters entstehende Hellsignale werden mit an sich bekannten Mitteln vorteilhafterweise mit Lichtleitfa sern, zu den nicht dargestellten Auswerte- und Regeleinrich tungen für die Bewegung des Spiegels weitergeleitet.By the overlay of the reference grid with the image bright signals resulting from the amplitude grating are also on known means advantageously with Lichtleitfa to the evaluation and control device, not shown forwarded for the movement of the mirror.
Durch die Verwendung der erläuterten Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Gitterplatten und durch die Nutzung der Arbeitsfläche des Spiegels auch für das Meßlichtbündel werden die für die Erfindung gestellten Aufgaben realisiert.By using the described embodiments the grid plates according to the invention and through the use the working surface of the mirror also for the measuring light beam the objects set for the invention are realized.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von schematischen Zeich nungen näher erläutert.The invention is based on the schematic drawing nations explained in more detail.
Es zeigenShow it
Fig. 1 ein Teilbild von Fig. 2, Fig. 1 shows a part of FIG. 2,
Fig. 2 den prinzipiellen Strahlenverlauf der An ordnung, Fig. 2 shows the basic order beam path of the An,
Fig. 3 die Gestaltung einer ersten Gitterplatte und die Fig. 3, the design of a first grid plate and the
Fig. 4 bis 5 die Gestaltung einer zweiten Git terplatte. Fig. 4 to 5 terplatte the design of a second Git.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird ein Meßlichtbün del L, von einer Lichtquelle 1 ausgesandt, über einen Kolli mator 2 und einem Prisma 3 in Richtung des Spiegels 7 umge lenkt. Es passiert den Bereich des ersten Amplitudengitters 4 und wird mittels einem Objektiv 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 abgelenktes 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 Lichtleitfa sern 9 a-9 d zugeordnet.In the embodiment of FIG. 1, a measuring light del L , emitted by a light source 1 , is deflected via a collimator 2 and a prism 3 in the direction of the mirror 7 . It passes the area of the first amplitude grating 4 and is imaged on the working side of the mirror 7 , preferably on the same spot that is also struck by a scanning light bundle also deflected by the mirror 7 , by means of a lens 6 , whereby it only passes part of a lens field half . The light reflected by the angular position of the mirror 7 is measuring light beam through the other half of the field lens and onto which the reference grating 4 of the first grid plate 4 b steered. For forwarding the light signals generated in the first grating plate 4 are the four fields of the reference grid 4 b immediately four Lichtleitfa fibers 9 a - d assigned to 9.
Desweiteren sind zwei Lichtleitfasern 9 e, 9 f in dem Bereich, in den die Bilder der beiden Hell-Dunkelspuren 4 c, 4 d 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 9 a-9 f aufgenommenen Lichtsigna le werden den Fotoempfängern 10 a-10 f zugeführt.Furthermore, two optical fibers 9 e , 9 f are provided in the area in which the images of the two light-dark traces 4 c , 4 d of the first grating plate 4 ( FIG. 3) are provided. The transition from light to dark lies in a line on both tracks, the continuation of which runs through the optical axis 5 . The light signals picked up by the optical fibers 9 a - 9 f are fed to the photo receivers 10 a - 10 f .
Die Ausgangssignale dieser werden in nicht dargestellten an sich bekannten Auswerte- und Regeleinrichtungen für die Spie gelbewegung weiterverarbeitet.The output signals of these are shown in well-known evaluation and control devices for the game gel movement processed.
In Fig. 1 ist als Teilbild von Fig. 2 der Einfall der vom Spie gel 7 reflektierten Lichtbündel dargestellt. Das Meßlichtbün del L trifft vorzugsweise auf den gleichen Fleck auf, wie ein vom gleichen Spiegel 7 abzulenkendes Abtastlichtbündel.In Fig. 1, the incidence of the light beam reflected from the mirror 7 is shown as a partial image of Fig. 2. The measuring light beam del L preferably strikes the same spot as a scanning light beam to be deflected by the same mirror 7 .
Vorteilhafter Weise ist der Meßlichtbündelfleck LF größer als der Abtastlichtbündelfleck AF.The measuring light beam spot LF is advantageously larger than the scanning light beam spot AF .
In Fig. 3 ist die Gestaltung einer ersten Gitterplatte 4 dar gestellt. 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 quadra tisches Feld mit einer Kantenlänge von einem Fünftel des Ob jektivfelddurchmessers, welches in bekannter Weise vier Teil felder mit zueinander um ein Viertel Gitterkonstante versetz te Teilungen enthält, angeordnet. Neben dem Amplitudengitter 4 a sind in Richtung des äußeren Randes der ersten Gitterplat te 4 hin, parallel zu diesem zwei komplementäre Hell-Dunkel spuren 4 c, 4 d vorgesehen.In Fig. 3, the design of a first grid plate 4 is provided. On this there is an amplitude grating 4 a , with a width of less than half the diameter of the field of the objective 6 , next to an optical axis 5 . Offset in the opposite direction next to the optical axis 5 is a reference grating 4 b , preferably as a quadratic table with an edge length of one fifth of the objective field diameter, which contains four subfields with staggered divisions by a quarter grating constant . In addition to the amplitude grating 4 a of the first Gitterplat are toward the outer edge Te 4 towards complementary parallel to two cut-off Lanes 4 c, 4 d are provided.
Die Gestaltung einer zweiten Gitterplatte 11 ist in den Fig. 4, 4a und 5 dargestellt. Die zweite Gitterplatte 11 kann wahlweise mit der ersten Gitterplatte 4 in der erfindungsge mäßen Anordnung ausgewechselt werden.The design of a second grid plate 11 is shown in FIGS. 4, 4a and 5. The second grid plate 11 can optionally be exchanged with the first grid plate 4 in the arrangement according to the invention.
Die zweite Gitterplatte 11 wird in zwei Ausgestaltungsformen erläutert.The second grid plate 11 is explained in two configurations.
Die in den Fig. 4 und 4a dargestellte Ausgestaltungsform zeigt eine zweite Gitterplatte 11, deren Grundkörper 11 a auf der dem Objektiv zugewandten Seite über die ganze Fläche mit einem zweiten Amplitudengitter 11 b versehen ist und an dem, neben der optischen Achse 5 im Bereich des reflektierten Meß bündels L liegend, als Referenzgitter ein Prisma 12 angeord net ist. Das Prisma 12 ist ein Quader mit aufgesetzter vier seitiger Pyramide. Die Keilrichtung jedes der vier Pyramiden felder 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 ist um einen Keilwinkel ge genüber den Außenkanten des Quaders gedreht, wobei der Keil winkel vorzugsweise im Bereich zwischen 15° und 25° liegt. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist das Referenzgitter für die zweite Gitterplatte 11 ein strukturierter Empfänger 13. Dieser weist vier Felder 13 a, 13 b, 13 c, 13 d mit äquiva lent zum Amplitudengitter 11 b, um ein viertel Gitterkonstan te zueinander versetzt aufgebrachte lichtempfindliche Git terstrukturen sowie vier entsprechende Ausgänge 14 a, 14 b, 14 c, 14 d und einen Anschluß 14 e, zur Versorgung des Empfängers 13, auf. The embodiment, shown in Figs. 4 and 4a, shown is a second grid plate 11, the base body 11 is provided a b on the side facing the objective side, over the entire surface with a second amplitude grating 11 and on which, in addition to the optical axis 5 in the region of the reflected measuring bundle L lying, as a reference grid a prism 12 is net angeord. Prism 12 is a cuboid with a four-sided pyramid. The wedge direction of each of the four pyramid fields 12.1 , 12.2 , 12.3 , 12.4 is rotated by a wedge angle relative to the outer edges of the cuboid, the wedge angle preferably being in the range between 15 ° and 25 °. In the exemplary embodiment according to FIG. 5, the reference grid for the second grid plate 11 is a structured receiver 13 . This has four fields 13 a , 13 b , 13 c , 13 d with equiva lent to the amplitude grating 11 b , by a quarter grid constant te offset light-sensitive lattice structures and four corresponding outputs 14 a , 14 b , 14 c , 14 d and a connection 14 e , for supplying the receiver 13 .
Bei Verwendung der zweiten Gitterplatte 11 mit einem Empfänger 13 kann in der Anordnung zur Signalerzeugung für die Messung der Winkellage eines kippbaren Spiegels die Verwendung von Lichtleitfasern und Fotoempfänger entfallen.When using the second grating plate 11 with a receiver 13 , the use of optical fibers and photo receivers can be omitted in the arrangement for signal generation for measuring the angular position of a tiltable mirror.
Claims (5)
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| WO2008040473A1 (en) * | 2006-10-05 | 2008-04-10 | Preh Gmbh | Pulse generator for an operating element for a vehicle |
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Legal Events
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Owner name: CARL ZEISS JENA GMBH, O-6900 JENA, DE |
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