DE4212570C2 - Optischer Positionssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Positionssensor zur ab­ soluten Bestimmung der Längen- oder Winkellage eines Körpers. Aufgrund seiner Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer Strahlung ist der Sensor insbesondere in der Luft- und Raum­ fahrt sowie in der Kfz-Technik anwendbar.

Bei hohen Anforderungen an Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Positionssensoren haben sich optische Sensoren, vor allem auf digitaler Basis durchgesetzt. Für absolut messende Systeme wer­ den zur Reduzierung von Übertragungsfehlern und zur Reduzierung der Anzahl der optischen Übertragungskanäle optische Multi­ plexer und Demultiplexer eingesetzt.

Ein derartiger Multiplexer und/oder Demultiplexer ist in der DE 38 43 970 A1 offenbart.

Gleich anderen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen besitzt dieser Multiplexer und/oder Demultiplexer eine ebene Anordnung aus optischen Ein- und Ausgangs-Monomodfasern, eine Streifenleiter-Anordnung, an die an einem Ende die optischen Fasern angekoppelt sind, eine ein planares Beugungsgitter zum selektiven Koppeln der optischen Wellenlängen zwischen mindestens einer der Fasern und den anderen Fasern und eine kollimierende und/oder fokussierende Vorrichtung aufweisende Anordnung, die an das andere Ende der Streifenleiter-Anordnung angekoppelt ist.

Um bei einem solchen Multiplexer und/oder Demultiplexer einen einfachen und verlustarmen Gesamtaufbau und eine einfache Justierung zu erreichen, ist vorgesehen, daß die kollimierende und/oder fokussierende Vorrichtung einen konkaven Spiegel aufweist, daß das Beugungsgitter räumlich oberhalb oder unterhalb der Ein- und Ausgänge der Streifenleiter-Anordnung an deren den Fasern abgewandten Ende angeordnet ist und daß der konkave Spiegel sowohl diese Ein- und Ausgänge der Streifenleiter-Anordnung als auch das Beugungsgitter überdeckt.

In der US-PS 4 291 976 wird ein digitaler faseroptischer Posi­ tionssensor beschrieben, bei dem die Position einer Codeplatte mit n Spuren über n optische Kanäle erfaßt wird, indem aus dem optischen Signal einer Lichtquelle über Verzögerungsleitungen das ortsabhängige Codeplattenmuster als eine Folge von Digital­ signalen der abgetasteten Segmente der einzelnen Codeplatten­ spuren auf einen gemeinsamen Lichtdetektor gebracht wird (Delaying-Time-Division Multiplexing). Ein ähnliches Prinzip der Abtastung einer Mehrspurcodeplatte ist aus der US-PS 4 334 152 bekannt. Hier werden die binärcodierten Spuren der Code­ platte mit unterschiedlichen Spektralfarben ausgelesen, die mittels eines Interferenzfilters aus dem Licht einer breitban­ digen Lichtquelle erzeugt werden. Die faseroptischen Mittel, die das Licht hinter der Codeplatte wieder vermischen, führen die vom Digitalmuster der Codeplattenspuren durchgelassenen Spektralfarben auf ein Interferenzfilter, hinter dem eine der Anzahl der Spektralkanäle entsprechenden Zahl spektralempfind­ licher Detektoren angeordnet ist. Die Nachteile der beschrie­ benen Lösungen bestehen darin, daß die gewünschte Genauigkeit nur über die Erhöhung der Anzahl der verwendeten Codeplatten­ spuren möglich ist und die Zuverlässigkeit der Anordnungen ent­ scheidend von der Kontaminationsfreiheit der Codeplatte abhängt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Posi­ tionssensor zu realisieren, der bei geringem technischen Auf­ wand eine hohe Genauigkeit und hohe Redundanz der Positions­ bestimmung gewährleistet.

Die Aufgabe wird bei einem optischen Positionssensor mit einer Codeplatte, deren Lage zu erfassen ist, und einer optischen Lesevorrichtung zum Auslesen eines erfaßten Codeplatten­ abschnittes, die eine breitbandige Lichtquelle, eine Einrich­ tung zum Führen eines von der Lichtquelle erzeugten Strahlen­ bündels und eine Detektionseinheit enthält, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Codeplatte eine Strichcodespur auf­ weist, bei der Elemente mit unterschiedlichem Reflexions­ vermögen ortsabhängige Codemuster darstellen, die eineindeutig einem Ort der Codeplatte zugeordnet sind, die Einrichtung zum Führen des Strahlenbündels einen dispersiven Demultiplexer zum spektralen Zerlegen des Lichtes und Formieren des Spektrums in Richtung der Strichcodespur enthält, wobei zum Auslesen ein Multiplexer vorgesehen ist, der in seinem Aufbau dem Demulti­ plexer gleicht und mit der Detektionseinheit optisch in Ver­ bindung steht, und die Detektionseinheit einen Spektral­ analysator und eine Auswerteelektronik beinhaltet, wobei das von der Codeplatte entsprechend dem Codemuster ausgelesene teilweise diskretisierte Spektrum vom Spektralanalysator mit frei wählbarer Bitanzahl als jeweils digitaler Farbcode der Auswerteelektronik zugeführt wird.

Somit liegt der Grundgedanke der Erfindung darin, mit nur einer Codespur auf der Codeplatte, dem durch äußere Einflüsse störan­ fälligsten Teil des Positionssensors, eine hochgenaue Ortsauf­ lösung durch eine beliebig einstellbare Anzahl von Auslesebits zu erreichen. Infolge der Ausdehnung und Kontinuität des ver­ wendeten Spektrums in Richtung der Strichcodespur wird jeweils ein bestimmter Abschnitt aus mehreren Elementen der Strichcode­ spur ausgelesen, und aufgrund der unterschiedlichen Reflexions- und/oder Transmissionsgrade der Elemente der Strichcodespur kommt es zur Auslesung von diskreten Restspektralbereichen, die mit beliebiger Genauigkeit in einem Spektralanalysator erfaßt werden. Es genügt bei ausreichend feiner Einteilung des Spek­ trums in einzelne Spektralbereiche (Farbcode) eine digitale Ausgabe des Farbcodes an eine Auswerteelektronik.

Vorteilhaft besteht die ortsabhängige, exakt zugeordnete Strichcodespur aus Elementen unterschiedlichen Reflexions- bzw. Transmissionsvermögens, die jeweils Elementbreiten von ganzzah­ ligen Vielfachen einer elementaren Modulbreite aufweisen. Dabei hat das kleinste zulässige Element der Strichcodespur genau die besagte Modulbreite, die nicht kleiner als die Halbwertsbreite einer reinen Spektrallinie im Spektrum sein darf.

Die Einrichtung zum Führen des Strahlenbündels besitzt zweck­ mäßig optische Fasern, die die Lichtquelle und den Spektralana­ lysator über einen Koppler auf dieselbe Faser zum dispersiven Demultiplexer einkoppeln, wobei der Demultiplexer die Funktion des Multiplexers (bei erfolgter Reflexionsabtastung des Code­ musterabschnitts der Strichcodespur) mit übernimmt. Der daraus resultierende einheitliche Multi-/Demultiplexer läßt sich zweckmäßig als Vollglaskörper in Form einer plankonvexen Zy­ linderlinse mit einer fokussierenden, ein abbildendes Gitter enthaltenden Reflexionsfläche herstellen, wobei der Eingang ein an der Planfläche der Zylinderlinse angesetztes Faserende ist und am Ausgang, der ebenfalls an der Planfläche, aber be­ züglich der Symmetrieachse der Zylinderlinse dem Eingang gegen­ überliegend angeordnet ist, ein um 90° strahlumlenkendes op­ tisches Element, vorzugsweise ein Umlenkprisma angebracht ist. Bei der Reflexionsabtastung der Strichcodespur ergibt sich als weitere vorteilhafte Gestaltungsform des Multi-/Demultiplexers ein Schichtwellenleiter, der auf einem Substrat in Form einer plankonvexen Zylinderlinse auf deren Stirnfläche aufgebracht und von einer Passivierungsschicht abgedeckt ist, wobei der Schichtwellenleiter an seiner durch die Substratform vorgege­ benen konvexen Fläche eine mit einem abbildenden Gitter verse­ hene Reflexionsfläche aufweist und am Schichtwellenleiter ein bezüglich der Symmetrieachse der konvexen Fläche dem Eingang der optischen Faser gegenüberliegendes Ein- und Auskoppelgitter in die Passivierungsschicht eingearbeitet ist.

Mit dem erfindungsgemäßen optischen Positionssensor wird eine redundante absolute Positionsmessung erreicht, deren Zuver­ lässigkeit in hohem Maße von der Kontamination der Codeplatte abgekoppelt ist. Die Anordnung zeichnet sich durch Einfachheit und Kompaktheit aus.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Positionssensors,

Fig. 2 eine Ausführungsform des spektralen Multiplexers 6,

Fig. 3 eine weitere Gestaltungsmöglichkeit für den spektralen Multiplexer 6.

Der Grundaufbau der erfindungsgemäßen Anordnung besteht aus einer Lichtquelle 1, einem Spektralanalysator 2, einer Einrich­ tung zum Führen des Strahlenbündels, die optische Fasern 7 und einen dispersiven Demultiplexer und einen konstruktiv gleichen Multiplexer 6 zum Auslesen enthält, und die die Lichtquelle 1 mit dem Demultiplexer und den Multiplexer 6 mit dem Spektral­ analysator 2 optisch verbindet, sowie einer Codeplatte 5 mit einer Strichcodespur.

Zur Verringerung des Aufwandes und zur einfacheren Handhabbar­ keit des Positionssensors bei beliebigen Meßobjekten wird zweckmäßig vom Reflexionsprinzip Gebrauch gemacht. In diesem Fall vereinfacht sich der Aufbau, wie in Fig. 1 dargestellt, indem die Funktion des Multiplexers 6 und des Demultiplexers von ein und derselben Einheit - nachfolgend nur noch als Multi­ plexer 6 bezeichnet - ausgeführt wird und die Einrichtung zum Führen des Strahlenbündels über einen faseroptischen Koppler 3 und Steckverbinder 4 die Lichtquelle 1 und den Spektralanaly­ sator 2 in dieselbe Faser 7 zum Multiplexer 6 einkoppelt. Das von der Lichtquelle 1, die vorzugsweise eine Breitband-LED ist, erzeugte Licht wird über eine Faser 7 und den Koppler 3 dem Multiplexer 6 zugeführt. Im Multiplexer 6 erfolgt eine spek­ trale Zerlegung des Lichts und dessen Abbildung auf die Code- Platte 5. Je nach Reflexionsgrad (für den allgemeinen Fall auch Transmissionsgrad) der Elemente der auf der Codeplatte 5 auf­ gebrachten Strichcodespur wird der vom Spektrum ausgeleuchtete Abschnitt in ein diskretisiertes Spektrum umgewandelt, das dem Codemuster der Strichcodespur entspricht. Durch den Multiplexer 6 wird das diskretisierte Spektrum wieder auf die Eingangsfaser abgebildet und über die Faser 7 und den Koppler 3 dem Spektral­ analysator 2 zugeführt. Der Spektralanalysator 2 analysiert das farbcodierte Signal, das ein durch das Codemuster der Code­ platte 5 diskretisiertes, reduziertes Spektrum darstellt, auf das Vorhandensein bzw. Fehlen bestimmter Spektrallinien oder Spektralbereiche.

Je nach Genauigkeitsanforderungen kann die notwendige Bitanzahl beliebig gewählt werden. Entsprechend fein ist das Codemuster der Codeplatte 5 anzupassen, wobei die Elemente der Strichcode­ spur signifikante Ortsabhängigkeit aufweisen, d. h. jedem Ort der Codeplatte 5 ist genau eine Elementefolge zugeordnet und umgekehrt (eineindeutige Zuordnung). Die Elemente der Codespur sind vorteilhaft ganzzahlige Vielfache der elementaren Modul­ breite, wobei die Modulbreite (= kleinste Elementbreite) nicht kleiner als die gewählte Analyseintervallgröße des Spektral­ analysators 2 sein darf, im Extremfall gleich der Halbwerts­ breite einer reinen Spektrallinie ist.

Die Positionszuordnung des im Spektralanalysator 2 umcodierten diskretisierten Spektrums in eine Folge von digitalen Farbsig­ nalen erfolgt auf der Basis der exakten Ortszuordnung jeder Spektralfarbe im Spektrum und jeder Strichcodefolge auf der Codeplatte 5. In einer Auswerteelektronik wird über Adressen­ vergleich mit gespeicherten digitalen Farbsignalfolgen (Farb­ codes) die Zuordnung der Lagekoordinaten vorgenommen.

Fig. 2 zeigt den möglichen Aufbau eines Multiplexers 6, der aus einem Vollglaskörper 9 in Form einer plankonvexen Zylinderlinse besteht. Dabei besitzt die konvexe Fläche der Zylinderlinse eine mit einem abbildenden Gitter 10 versehene Reflexions­ fläche. Der Eingang des Multiplexers 6 wird durch ein aufge­ klebtes Faserende der Faser 7 in einer solchen Position gegen­ über der Symmetrieachse des Multiplexers 6 realisiert, daß der Ausgang mit seinem spektralen Lichtband in der dem Eingang be­ züglich der Symmetrieachse gegenüberliegenden Position möglich ist. Um die Vorbeiführung der Codeplatte 5 am spektralen Licht­ band zu realisieren, wird ein optisches Element mit 90°- Strahlablenkung am Ausgang des Multiplexers 6 angesetzt Vor­ zugsweise ist ein Umlenkprisma 8 an der Ausgangsstelle des Spektrums aufgeklebt. Somit wird das Spektrum in Richtung der Strichcodespur der Codeplatte 5 ausgerichtet, d. h. die Spek­ trallinien sind parallel zu den Elementen der Strichcodespur ausgerichtet.

Eine zweite Ausführungsform für den Multiplexer 6 ist in Fig. 3 angegeben. Hierbei wird ein Schichtwellenleiter 12 auf ein ebenfalls in Form einer plankonvexen Zylinderlinse vorliegendes Substrat 11 aufgebracht und mit einer Passivierungsschicht 13 abgedeckt. Der Schichtwellenleiter besitzt ebenfalls die oben definierte, mit abbildendem Gitter 10 versehene Reflexions­ fläche, die die spektrale Zerlegung des Lichts und Abbildung auf den Ausgang bewirkt. Das wiederum erforderliche Element zur 90°-Strahlablenkung wird in diesem Fall durch ein Ein- und Auskoppelgitter 14 an der entsprechenden Stelle der Passivie­ rungsschicht 13 gebildet.

Claims (7)

1. Optischer Positionssensor mit einer Codeplatte, deren Lage zu erfassen ist, einer optischen Lesevorrichtung zum Aus­ lesen eines erfaßten Codeplattenabschnittes, die eine breit­ bandige Lichtquelle, eine Einrichtung zum Führen eines von der Lichtquelle erzeugten Strahlenbündels und eine Detek­ tionseinheit enthält, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Codeplatte (5) eine Strichcodespur aufweist, bei der Elemente mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen ortsab­ hängige Codemuster darstellen, die eindeutig einem Ort der Codeplatte (5) zugeordnet sind,
• b) die Einrichtung zum Führen des Strahlenbündels einen dis­ persiven Demultiplexer zum Zerlegen des Lichtes und For­ mieren des resultierenden Spektrums in Richtung der Strichcodespur enthält, wobei zum Auslesen ein Multi­ plexer (6) vorgesehen ist, der in seinem Aufbau dem De­ multiplexer gleicht und mit der Detektoreinheit in op­ tischer Verbindung steht, und
• c) die Detektionseinheit einen Spektralanalysator (2) und eine Auswerteelektronik beinhaltet, wobei das von der Codeplatte (5) entsprechend dem Codemuster ausgelesene, teilweise diskretisierte Spektrum vom Spektralanalysator mit frei wählbarer Bitanzahl als jeweils digitaler Farb­ code der Auswerteelektronik zugeführt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente in der Strichcodespur jeweils ganzzahlige Vielfache einer elementaren Modulbreite sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kleinste Element in Form einer einzigen Modulbreite nicht kleiner ist als die Halbwertsbreite einer reinen Spek­ trallinie im Spektrum.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Führen des Strahlenbündels optische Fasern (7) aufweist, wobei Lichtquelle (1) und Spektral­ analysator (2) über einen Koppler (3) auf dieselbe Faser (7) zum dispersiven Demultiplexer gekoppelt sind und der Demul­ tiplexer die Funktion des Multiplexers (6) mit übernimmt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplexer (6) aus einem Vollglaskörper (9) in Form einer plankonvexen Zylinderlinse mit einer fokussierenden, ein abbildendes Gitter (10) enthaltenden Reflexionsfläche besteht, wobei der Eingang ein an der Planfläche der Zylin­ derlinse angesetzter Fasereingang ist und am Ausgang, der ebenfalls an der Planfläche, aber bezüglich der Symmetrie­ achse der Reflexionsfläche dem Eingang gegenüberliegend an­ geordnet ist, ein um 90° strahlumlenkendes optisches Element angebracht ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlumlenkende Element ein Umlenkprisma (8) ist.

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplexer (6) aus einem Schichtwellenleiter (12) besteht, der auf einem Substrat (11) in Form einer plankon­ vexen Zylinderlinse auf deren Stirnfläche aufgebracht und von einer Passivierungsschicht (13) abgedeckt ist, wobei der Schichtwellenleiter (12) an seiner durch das Substrat (11) vorgegebenen konvexen Fläche eine mit einem abbildenden Git­ ter (10) versehene Reflexionsfläche aufweist und in die Pas­ sivierungsschicht (13) ein der optischen Faser (7) bezüglich der Symmetrieachse der konvexen Reflexionsfläche gegenüber­ liegendes Ein- und Auskoppelgitter (14) eingearbeitet ist.