ES2604157T3 - Dispositivo óptico de medición de posición - Google Patents
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Abstract
Dispositivo óptico de medición de posición para la detección de la posición de dos objetos móviles uno con respecto al otro con - una medida materializada (10; 10'; 110; 210) que está conectada con uno de los dos objetos, así como - un sistema de exploración (20; 20'; 120; 220) para la exploración de la medida materializada (10; 10'; 110; 210), que está conectado con el otro de los dos objetos, en el que a través del sistema de exploración (20; 20'; 120; 220) es posible una determinación de posición simultánea a lo largo de una primera dirección de desplazamiento lateral (Y) como también a lo largo de una dirección de desplazamiento vertical (Z) de los objetos y para ello en los lados del sistema de exploración (20; 20'; 120; 220) están configurados dos trayectos de rayo de exploración ladeados uno respecto a otro, en los que un grupo de señales desfasadas se puede generar respectivamente en el lado de salida a partir de haces de rayos parciales interferentes, caracterizado porque - a través del sistema de exploración (20; 20'; 120; 220) está configurado además al menos un tercer trayecto de rayo de exploración, a través del cual es posible una determinación de posición a lo largo de una segunda dirección de desplazamiento lateral (X) de los objetos, y - la radiación de una fuente de luz se le puede suministrar al sistema de exploración (20; 20'; 120; 220) a través de un primer conductor de luz y una óptica de acoplamiento común para todos los tres trayectos de rayo de exploración, y - los haces de rayos parciales interferentes generados en los tres trayectos de rayo de exploración se pueden acoplar a través de una óptica de desacoplamiento común en un segundo conductor de luz (26) que suministra estos haces de rayos a una disposición detectora.
Description
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DESCRIPCION
Dispositivo optico de medicion de posicion Campo de la tecnica
La presente invencion se refiere a un dispositivo optico de medicion de posicion segun el preambulo de la reivindicacion 1, que es apropiado para la determinacion muy exacta de la posicion relativa de dos objetos moviles uno respecto a otro.
Estado de la tecnica
Un dispositivo optico de medicion de posicion generico se conoce por el documento EP 1 762 828 A2 de la solicitante. Este comprende una medida materializada, que esta conectada con uno de los dos objetos, asf como al menos un sistema de exploracion para la exploracion de la medida materializada, que esta conectado con el otro de los dos objetos. El sistema de exploracion esta configurado en este caso de manera que por ello es posible una determinacion simultanea de la posicion a lo largo de una primera direccion de desplazamiento lateral, como tambien a lo largo de una direccion de desplazamiento vertical de los objetos. En los lados del sistema de exploracion, para la determinacion de posicion en la primera direccion de desplazamiento lateral y en la vertical esta configurado un primer y un segundo trayecto de rayo de exploracion, en los que un grupo de senales desfasadas se puede generar respectivamente en el lado de salida a partir de dos haces de rayos parciales interferentes, sin simetna especular.
En la practica a la radiacion de la fuente de luz se le suministra al sistema de exploracion a traves de un primer conductor de luz. De este modo es posible disponer la fuente de luz de forma alejada del lugar de medicion. Ademas, esta previsto suministrar los haces de rayos parciales interferentes proporcionados por el sistema de exploracion a la disposicion detectora a traves de un segundo conductor de luz, a fin de minimizar de este modo y manera las perturbaciones de la disposicion detectora.
El documento US 2012/0032067 A1 da a conocer un dispositivo optico de medicion de posicion 2D, basado en un principio de exploracion interferencial. En este caso en el lado de exploracion esta previsto un elemento optico, en el que estan configurados integrados retrorreflectores, de modo que resulta un cabezal de exploracion especialmente compacto y estable.
Por el documento EP 1 533 594 A1 se conoce un dispositivo optico de medicion de posicion interferencial, que comprende junto a una fuente de luz, una unidad detectora, varias rejillas asf como una zona de multiplexion en el cabezal de exploracion, a traves del cual se realiza una reflexion de retorno de haces de rayos parciales hacia la medida materializada. No esta prevista una deteccion de posicion a lo largo de varias direcciones de medicion.
Sumario de la invencion
La presente invencion tiene el objetivo de perfeccionar el dispositivo optico de medicion de posicion generico conocido, de manera que por ello tambien sea posible una determinacion de posicion a lo largo de una segunda direccion de desplazamiento lateral de los objetos.
Este objetivo se resuelve segun la invencion mediante un dispositivo optico de medicion de posicion con las caractensticas de la reivindicacion 1. Realizaciones ventajosas del dispositivo optico de medicion de posicion segun la invencion se deducen de las medidas que estan recogidas en las reivindicaciones dependientes.
El dispositivo optico de medicion de posicion segun la invencion para la deteccion de la posicion de dos objetos moviles uno con respecto a otro comprende una medida materializada, que esta conectada con uno de los dos objetos, asf como un sistema de exploracion para la exploracion de la medida materializada, que esta conectado con el otro de los dos objetos, siendo posible a traves del sistema de exploracion una determinacion de posicion simultanea a lo largo de una primera direccion de desplazamiento lateral, como tambien a lo largo de una direccion de desplazamiento vertical de los objetos y estando configurados para ello en los lados del sistema de exploracion dos trayectos de rayo de exploracion, en los que un grupo de senales desfasadas se pueden generar respectivamente en el lado de salida a partir de haces de rayos parciales interferentes. Ademas, a traves del sistema de exploracion esta configurado al menos un tercer trayecto de rayo de exploracion a traves del cual es posible una determinacion de posicion a lo largo de una segunda direccion de desplazamiento lateral de los objetos. La radiacion de una fuente de luz se puede suministrar al sistema de exploracion a traves de un primer conductor de luz una optica de acoplamiento comun para todos los tres trayectos de rayo de exploracion. Los haces de rayos parciales interferentes generados en los tres trayectos de rayo de exploracion se pueden acoplar a traves de una optica de desacoplamiento comun en un segundo conductor de luz, que suministra estos haces de rayos a una disposicion detectora.
Ventajosamente el sistema de exploracion comprende en el lado de entrada una rejilla de disociacion, que disocia el haz de rayos que incide desde la optica de acoplamiento en los tres trayectos de rayo de exploracion, estando asociados los +/- 1°s ordenes de difraccion de la rejilla de disociacion al primer y segundo trayecto de rayo de exploracion y estando
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asociado el 0esim° orden de difraccion al tercer trayecto de rayo de exploracion.
Puede estar previsto que en el tercer trayecto de exploracion se propague un haz de rayos parciales en la direccion de la medida materializada, alK experimente una disociacion en otros dos haces de rayos parciales que se reflejan de vuelta en la direccion del sistema de exploracion, en donde experimentan respectivamente una retrorreflexion y se propagan de nuevo en la direccion de la medida materializada de forma decalada a lo largo de la segunda direccion de desplazamiento lateral (X), en donde se superponen de forma interferente y se propagan de vuelta en la direccion del sistema de exploracion, donde, a partir de ellos, se pueden detectar varias senales desfasadas respecto a un movimiento relativo a lo largo de la segunda direccion de desplazamiento lateral (X).
En una forma de realization posible, el sistema de exploracion comprende un elemento optico, en cuyo lado dirigido a la medida materializada estan dispuestos varios campos de rejilla de disociacion asociados de forma definida a los distintos trayectos de rayo de exploracion con rejillas de transmision, asf como una rejilla de disociacion en el lado de acoplamiento y una rejilla de disociacion en el lado de desacoplamiento.
En este caso puede estar previsto que las distancias de decalado entre los campos de rejilla y las rejillas de desacoplamiento esten seleccionadas identicas a lo largo de la segunda direccion de desplazamiento lateral.
Ademas, es posible que entre el elemento optico y la medida materializada este dispuesto un vidrio cobertor que se extiende, respecto a su extension lateral, sobre todos los trayectos de rayo de exploracion.
Alternativamente, tambien puede estar previsto que entre el elemento optico y la medida materializada este dispuesto un cuerpo de vidrio compensado termicamente, de modo que las modificaciones de temperatura no modifiquen las longitudes de recorrido opticas de los haces de rayos parciales circulantes en el vidrio.
Ademas, es posible que el segundo conductor de luz por trayecto de rayo de exploracion comprenda respectivamente tres fibras multimodo, que estan dispuestas en el extremo en el lado de acoplamiento en una ferula comun.
En una forma de realizacion ventajosa, la primera y segunda direccion de desplazamiento lateral estan orientadas perpendicularmente una respecto a otra y la medida materializada esta configurada como rejilla de cruz.
Ventajosamente los trayectos de rayo de exploracion de todas las tres direcciones de desplazamiento presentan un centro de exploracion comun.
Ademas, puede estar previsto que al menos un haz de rayos parciales en los trayectos de rayo de exploracion experimente un decalado a lo largo de la direccion de desplazamiento correspondiente entre la primera y la segunda incidencia sobre la medida materializada.
En otra forma de realizacion es posible que para la reflexion de vuelta de los haces de rayos parciales, el elemento optico comprenda componentes difractivos que reunen en ellos varias funciones opticas.
Con la ayuda del dispositivo optico de medicion segun la invention es posible determinar muy exactamente la position relativa de dos objetos moviles a lo largo de al menos otra direccion de desplazamiento lateral. El sistema de exploracion colocado en el lugar de medicion se puede configurar en este caso completamente de forma pasiva, es decir, aqrn no se produce aporte de calor alguno a traves de la fuente de luz, que en aplicaciones de alta precision podrfa menoscabar eventualmente la exactitud de la medicion durante la determination de la posicion. Esto se garantiza esencialmente mediante la union de la fuente de luz, como tambien de la disposition detectora con el sistema de exploracion mediante fibras opticas. En este caso resulta de forma especialmente ventajosa que para todas las direcciones de desplazamiento y respectivamente de medicion del dispositivo optico de medicion de posicion segun la invencion se puede usar una optica de acoplamiento y desacoplamiento entre el sistema de exploracion y las fibras opticas.
Otros detalles y ventajas de la presente invencion se explican mediante la description siguiente de ejemplos de realizacion del dispositivo segun la invencion en union con las figuras.
Breve descripcion de los dibujos
Muestra
Figura 1a, una primera vista esquematizada de los trayectos de rayo de exploracion en un ejemplo de realizacion del dispositivo optico de medicion de posicion segun la invencion;
Figura 1b, una segunda vista esquematizada de los trayectos de rayo de exploracion en un ejemplo de realizacion del dispositivo optico de medicion de posicion segun la invencion;
Figura 1c, una vista en planta de la placa de exploracion del sistema de exploracion del ejemplo de realizacion de las figuras 1a, 1b con los componentes opticos dispuestos en ella;
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Figura 2a, vistas esquematizadas de los trayectos de rayo de exploracion de otro ejemplo de realization del dispositivo optico de medicion de position segun la invention;
Figura 2b, una vista en planta de la placa de exploracion del sistema de exploracion del dispositivo optico de medicion de posicion de las figuras 2a, 2b;
Figura 3, una vista en planta de otra forma de realizacion alternativa de la placa de exploracion de un sistema de exploracion de un dispositivo optico de medicion de posicion segun la invencion;
Figura 4, distintas vistas esquematizadas de los trayectos de rayo de exploracion en otro ejemplo de realizacion del dispositivo optico de medicion de posicion segun la invencion;
Figura 5, distintas vistas esquematizadas de los trayectos de rayo de exploracion en otro ejemplo de realizacion del dispositivo optico de medicion de posicion segun la invencion;
Figura 6, una representation esquematizada de los trayectos de rayo de exploracion asf como de la optica de desacoplamiento de un ejemplo de realizacion del dispositivo optico de medicion de posicion segun la invencion;
Figura 7, una vista en planta de la ferula de la optica de desacoplamiento del ejemplo de realizacion de la figura 6;
Figura 8, una vista en planta de la ferula de una forma de realizacion alternativa del dispositivo optico de medicion de
posicion segun la invencion.
Descripcion de las formas de realizacion
Antes de que a continuation se expliquen ejemplos de realizacion concretos del dispositivo optico de medicion de posicion segun la invencion mediante las figuras, previamente se explica brevemente el concepto del dispositivo de medicion de posicion que se conoce por el documento EP 1 762 828 A2. Este es apropiado, segun se ha mencionado al inicio, para la detection de cambios de posicion a lo largo de dos direcciones de desplazamiento, respectivamente ejes de medicion. En el sistema de exploracion correspondiente estan configurados dos trayectos de rayo de exploracion ladeados o asimetricos uno respecto a otro. En este caso el haz de rayos aportado por una fuente de luz se le proporciona al sistema de exploracion a traves de un primer conductor de luz, configurado como fibra mono-modo, y tras el desacoplamiento del conductor de luz se colima a traves de una optica de colimacion. Luego, el haz de rayos colimado llega a una rejilla de disociacion, en la que se disocia en dos trayectos de rayo de exploracion para dos ejes. Los dos ejes estan designados a continuacion tambien como eje A y eje B del dispositivo de medicion de posicion. Las informaciones de posicion realmente interesantes a lo largo de la direction de desplazamiento lateral Y y la direction de desplazamiento vertical Z se deducen de la suma y la formation de diferencia de las senales de posicion A, B segun las siguientes ecuaciones 1a y 1b:
Y = (A+B)/2 (Ec. 1a)
Z = (A-B)/2*SPz/SPy (Ec. 1b)
En este caso SPz designa el periodo de senal en la direccion Z y SPy el periodo de senal en la direccion Y.
Los haces de rayos llegan a los trayectos de rayo de exploracion correspondientes en primer lugar a la medida materializada, que esta configurada como rejilla de reflexion, por ello se disocian en haces de rayos parciales de +/- 1er orden de difraccion y se difractan de vuelta al sistema de exploracion. Allf cada uno de los haces de rayos parciales se conduce a traves de un prisma de borde de tejado difractivo de vuelta en la direccion de la medida materializada. En la medida materializada interfieren los dos haces de rayos parciales respectivamente, los haces de rayos superpuestos se transmiten a continuacion a una optica de desacoplamiento, que se compone de una lente de focalizacion y una de campo y a continuacion se desacopla en un segundo conductor de luz que comprende seis fibras guiaondas multimodo.
Partiendo del principio explicado por el documento EP 1 762 828 A2, en el dispositivo optico de medicion de posicion segun la invencion se preve ahora otro eje, respectivamente otro trayecto de rayo de exploracion, que sirve para la deteccion de posicion a lo largo de una segunda direccion de desplazamiento lateral que esta orientada perpendicularmente a la primera direccion de desplazamiento lateral Y; la segunda direccion de desplazamiento lateral se designa a continuacion como direccion de desplazamiento X. Por parte de la medida materializada se preve en este caso una medida materializada bidimensional en forma de una asf denominada rejilla de cruz.
Los trayectos de rayo de exploracion de un ejemplo de realizacion del dispositivo optico de medicion de posicion segun la invencion se muestran en las figuras 1a y 1b en distintas vistas en section y se explican a continuacion. En estas representaciones estan representados por puntos o dibujados de forma continua la medida materializada 10 y el sistema de exploracion 20 con los trayectos de rayo de exploracion para la deteccion de los cambios de posicion a lo largo de la primera direccion de desplazamiento lateral Y y la direccion de desplazamiento vertical Z; estos se corresponden con los
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trayectos de rayo de exploracion conocidos a partir del documento EP 1 762 828 A2 discutido arriba. En las figuras 1a, 1b esta representado a puntos y trazos, por el contrario, el otro trayecto de rayo de exploracion anadido ahora segun la invencion para la deteccion de posicion a lo largo de la segunda direccion de desplazamiento lateral X.
El haz de rayos que incide desde la fuente de luz no mostrada en las figuras llega analogamente al documento EP 1 762 828 A2 en el sistema de exploracion 20 en primer lugar a una rejilla de disociacion 21 en el lado de acoplamiento, en donde se realiza una disociacion en los ahora en conjunto tres trayectos de rayo de exploracion. Junto a los haces de rayos parciales resultantes de +/- 1er orden para el eje A y el eje B, es decir, para el primer y segundo trayecto de rayo de exploracion, segun la presente invencion todavfa se usa el haz de rayos parciales resultante en 0esim° orden de difraccion para el tercer trayecto de rayo de exploracion, a fin de posibilitar una deteccion de posicion a lo largo de la segunda direccion de desplazamiento lateral X.
El haz de rayos parciales, que llega de la rejilla de disociacion 21 en el lado de acoplamiento, de 0esimo orden de difraccion se disocia en la direccion x en la masa materializada 10 en dos haces de rayos parciales de +/- 1er orden y estos se conducen de vuelta al sistema de exploracion 20. En la vista de la figura 1a, el haz de rayos parciales de + 1er orden del tercer trayecto de rayo de exploracion se propaga tras la disociacion en la medida materializada 10 abajo hacia la izquierda, el haz de rayos parciales de - 1er orden abajo hacia la derecha en la direccion del sistema de exploracion 20. Allf inciden en un elemento optico 22, solo indicado esquematicamente, que esta configurado como prisma de borde de tejado difractivo. Se compone de una primera rejilla de transmision, un reflector y una segunda rejilla de transmision. La primera y segunda rejilla de transmision estan colocadas sobre el lado superior del elemento optico 22, que esta dirigido hacia la medida materializada 10. El reflector se situa en el lado inferior del elemento optico 22. La primera y segunda rejilla de transmision estan configuradas como estructuras difractivas y reunen varias funciones opticas. Desvfan respectivamente el haz de rayos parciales incidente en la direccion de medicion X y lo focalizan en la direccion transversal Y mediante una funcion de lente cilmdrica en el lado inferior del elemento optico 22, donde se situa el reflector. Despues de la reflexion en el reflector incide en la segunda rejilla de transmision, que colima el haz de rayos parciales de nuevo mediante una funcion de lente cilmdrica en la direccion Y y se desvfa en la direccion de medicion X. Asf, los dos haces de rayos parciales salen igualmente de forma decalada del elemento optico 22 respectivamente opuestos respecto a la direccion de incidencia y en la direccion de medicion X y se propagan de nuevo de vuelta a la medida materializada 10. Alternativa a la funcion de lente cilmdrica de la rejilla de transmision tambien se puede prever una funcion de lente esferica, que focaliza o colima de nuevo los haces de rayos parciales respectivamente en las dos direcciones X e Y. Para la superposicion de distintas funciones opticas en las estructuras difractivas se remite en este punto de forma complementaria al documento EP 1 739 395 A2. Los dos haces de rayos parciales inciden luego en la medida materializada 10, en donde se desvfan de nuevo en + 1er o - 1er orden de difraccion, de modo que se superponen e interfieren. El haz de rayos superpuesto se propaga en paralelo al eje optico, que se designa aqu como asf denominada lmea visual, de vuelta al sistema de exploracion 20 para desacoplarse luego conjuntamente con los rayos del eje A y B y suministrarse a una disposicion detectora no mostrada en las figuras.
La figura 1b muestra una vista en seccion del ejemplo de realization explicado del dispositivo de medicion de posicion segun la invencion en el plano YZ. En esta representation se ve que todos los haces de rayos y de rayos parciales del tercer trayecto de rayo de exploracion se propagan para la deteccion de un desplazamiento X exclusivamente en el plano XZ.
Ademas, en la figura 1b esta indicada esquematicamente un primer conductor de luz 31 para el suministro del haz de rayos de la fuente de luz no mostrada al sistema de exploracion 20, asf como un segundo conductor de luz 26 para el suministro de los haces de rayos superpuestos del sistema de exploracion 20 hacia la disposicion detectora no mostrada igualmente.
En la figura 1c se muestra de forma muy esquematizada una parte del lado del sistema de exploracion 20, es decir, el lado superior del elemento optico 22, que esta dirigido a la medida materializada 10 y en el que estan dispuestos varios campos de rejilla con rejillas de transmision configuradas de forma apropiada y que provocan los desvfos de rayo requeridos en los tres trayectos de rayo de exploracion. Los distintos campos de rejilla estan designados en esta representacion en este caso con las designaciones arriba explicadas para los distintos ejes A, B, X del dispositivo de medicion de posicion segun la invencion y asf estan asociados a los tres trayectos de rayo de exploracion diferentes. Ademas, en la figura 1c esta mostrada la rejilla de disociacion 21 en el lado de acoplamiento para el haz de rayos que incide desde la fuente de luz, asf como la rejilla de disociacion 23 en el lado de desacoplamiento, dispuesta de forma adyacente para los haces de rayos superpuestos de nuevo de los tres trayectos de rayo de exploracion.
Las rejillas de transmision de los ejes A y B dispuestas en los campos de rejilla A1 - A4 y B1 - B4 actuan en la direccion X como lentes cilmdricas y desvfan en la direccion Y mediante una rejilla lineal superpuesta adicional. Las rejillas de transmision del eje X dispuestas en los campos de rejilla X1 -X4 actuan, segun se describe arriba, como lentes cilmdricas en la direccion Y y desvfan igualmente en la direccion X mediante una rejilla lineal superpuesta. El plano del foco de las funciones de lente de todas las rejillas de transmision en los campos de rejilla A1 - A4, B1 - B4 y X1 - X4 se situan respectivamente en el lado inferior opuesto del elemento optico 22.
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Las funciones de lente cilmdrica provocan siempre una focalizacion perpendicularmente a la direccion de medicion X o Y correspondiente; por el contrario, las funciones de desvm pueden contener tanto un desvm en como tambien transversalmente a la direccion de medicion. Las funciones de desvm se seleccionan de modo que, por un lado, los haces de rayos parciales vuelven tras atravesar el elemento optico 22 respectivamente de forma antiparalela a la medida materializada 10 y, por otro lado, presentan una distancia de decalado Sx, Sy. Segun la invencion, esta distancia de decalado Sx, Sy se selecciona igual para los tres trayectos de rayo de exploracion de los ejes A, B y X, seleccionandose en el presente ejemplo de realizacion solo Sx diferente de cero, mientras que es valido Sy = 0. Por consiguiente, los haces de rayos superpuestos inciden en el mismo lugar en un plano XY sobre la rejilla de disociacion 23 en el lado de desacoplamiento y allf se disocian en tres haces de rayos superpuestos.
Segun se describe en el documento EP 1 762 828 A2, en el trayecto de rayo de los haces de rayos parciales estan incorporados segun las figuras lay 1b elementos constructivos opticos de polarizacion, no representados y que polarizan ortogonalmente entre sf los dos haces de rayos parciales superpuestos respectivamente. Esto tambien es valido para el eje X adicional.
Una ventaja determinante de una configuracion de este tipo del tercer trayecto de rayo de exploracion para la deteccion de posicion a lo largo de la segunda direccion de desplazamiento X consiste en que coinciden tanto los centros de exploracion como tambien los asf denominados centros de rotacion neutros de todos los tres ejes A, B y X y forman un centro de exploracion comun o un centro de rotacion neutro comun. Esto es una consecuencia de la simetna de los trayectos de rayo de exploracion: el trayecto de rayo de exploracion de la rejilla de disociacion en el lado de acoplamiento hasta la medida materializada y el trayecto de rayo de exploracion de la medida materializada de vuelta a la rejilla de disociacion en el lado de desacoplamiento se pueden convertir uno en otro mediante una translacion en las distancias Sx, Sy. El centro de rotacion neutro comun se situa por ello sobre un eje a lo largo de la direccion Z, que se situa a traves del centro entre la rejilla de disociacion en el lado de acoplamiento y de desacoplamiento. La posicion Z exacta del centro de rotacion neutro comun a lo largo de este eje se determina mediante la seleccion especial de las constantes de rejilla de la rejilla de disociacion en el lado de acoplamiento y de la medida materializada y aqrn no se debe considerar mas. El centro de rotacion neutro comun para todas las tres direcciones de desplazamiento X, Y y Z tienen ventajas especiales: un pequeno ladeo de la medida materializada o de la unidad de exploracion en un eje cualquiera mediante este centro de rotacion neutro comun no desplaza en el acercamiento lineal ninguno de los valores de posicion X, Y o Z de este dispositivo de medicion de posicion. Los valores de medicion de este dispositivo de medicion de posicion se pueden interpretar por ello facilmente: proporcionan la posicion del objeto desplazable en el lugar de este centro de rotacion neutro comun. Si los trayectos de rayo de exploracion individuales de los ejes A, B y X tuviesen distintos centros de rotacion neutros, entonces se deberfan realizar costosas transformaciones de los valores de posicion para poder determinar la ubicacion XYZ del objeto movil en un punto del objeto.
En la figura 2a para otro ejemplo de realizacion del dispositivo de medicion de posicion segun la invencion se muestran los trayectos de rayo de exploracion de otro ejemplo de realizacion del dispositivo optico de medicion de posicion segun la invencion; en este caso en la representacion de la izquierda se muestran esquematicamente los trayectos de rayo de exploracion para los ejes A, B, y a la derecha el tercer trayecto de rayo de exploracion previsto adicionalmente para el eje X. La figura 2b muestra, analogamente a la figura 1c, la disposicion de los distintos campos de rejilla y rejilla de disociacion en el lado superior del elemento optico de esta forma de realizacion.
A continuacion se explica el tercer trayecto de rayo de exploracion de este ejemplo de realizacion, recorriendo aqrn los campos de rejilla y las rejillas de disociacion basicamente en el mismo orden que en el ejemplo de realizacion de las figuras 1a - 1c; no obstante, los efectos opticos de las rejillas de transmision individuales y la disposicion de los campos de rejilla correspondientes se diferencian del ejemplo de realizacion arriba mostrado.
El haz de rayos parciales asociado al eje X, que sale en el 0esimo orden de difraccion de la rejilla de disociacion 21' en el lado de acoplamiento, incide sobre la medida materializada 10', donde se disocian por difraccion en dos haces de rayos parciales de + 1er y - 1er orden de difraccion; estos haces de rayos parciales se propagan de vuelta al sistema de exploracion. Allf inciden en el elemento optico 22' sobre los campos de rejilla X1' o X3'. Las rejillas de transmision dispuestas en estos campos de rejilla X1'; X3' estan configuradas de nuevo de manera que reunen respectivamente en ellas varias funciones opticas; asf, por ello se desvfan los haces de rayos parciales que inciden en ellas en la direccion de medicion X (funcion de una rejilla de desvfo) y simultaneamente se focalizan perpendicularmente a ellas en la direccion Y (funcion de lente cilmdrica). En el presente ejemplo de realizacion resulta a traves de las rejillas de transmision de los campos de rejilla X1', X3' adicionalmente todavfa un desvfo en la direccion Y (funcion de una rejilla de desvfo). El foco de los haces de rayos parciales afectados de este modo por las rejillas de transmision se situa de nuevo en el caso de todos los haces de rayos parciales sobre un reflector que esta dispuesto en el lado inferior opuesto del elemento optico 22'. Los haces de rayos parciales se reflejan allf e inciden luego en el elemento optico 22' sobre los campos de rejilla X2', X4'; las rejillas de transmision allf dispuestas reunen igualmente en ellas de nuevo varias funciones opticas. Asf, por ello se coliman de nuevo los haces de rayos parciales analogamente al ejemplo de realizacion arriba mencionado (funcion de lente cilmdrica) y se desvfan en la direccion de medicion X (funcion de una rejilla de desvfo). Ademas, en el presente ejemplo de realizacion todavfa se produce adicionalmente un desvm en la direccion Y (funcion de una rejilla de desvfo).
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Los dos haces de rayos parciales que salen de los campos de rejilla X2', X4' se encuentran finalmente de nuevo en un punto sobre la medida materializada 10', en donde se superponen e interfieren y a continuacion se propagan de nuevo de vuelta al sistema de exploracion 20', en donde recorren la rejilla de disociacion 23' en el lado de desacoplamiento de la optica de desacoplamiento y luego se propagan en la direccion de la disposicion detectora.
Segun se puede ver en la representacion en la figura 2b, en este ejemplo de realization todos los campos de rejilla, que son atravesados por los haces de rayos parciales durante el primer y segundo paso, estan dispuestos decalados unos respecto a otros tanto en la direction de medicion del eje correspondiente, como tambien perpendicularmente a la direction de medicion del eje. Por ello, el desvfo Y de las rejillas lineales del campo de rejilla A1' - A4' y B1' - B4' se adaptan de modo que los haces de rayos parciales pueden llegar a traves de un reflector sobre el lado posterior del elemento optico 22' del campo de rejilla A1' al campo de rejilla A3', del campo de rejilla A2' al campo de rejilla A4', del campo de rejilla B1' al campo de rejilla B3' y del campo de rejilla B2' al campo de rejilla B4', a continuacion se encuentran de nuevo en la medida materializada 10' e interfieren entre sf correspondientemente respecto al primer ejemplo de realizacion y pueden llegar de vuelta a la optica de desacoplamiento.
En el presente ejemplo de realizacion, segun la representacion en la figura 2b, la distancia de decalado Sx, Sy del campo de rejilla X1' respecto al campo de rejilla X2' en referencia a la direccion X e Y es identica a la distancia de decalado del campo de rejilla X3' respecto al campo de rejilla X4', identica a la distancia de decalado del campo de rejilla A1' respecto al campo de rejilla A3', identica a la distancia de decalado del campo de rejilla A2' respecto al campo de rejilla A4', identica a la distancia de decalado del campo de rejilla B1' respecto al campo de rejilla B3', asf como identica a la distancia de decalado del campo de rejilla B2' respecto al campo de rejilla B4'.
En el ejemplo de realizacion arriba mencionado de las figuras 1a - 1c, por el contrario, en referencia a todos los tres trayectos de rayo de exploracion solo existio una distancia de decalado Sx de los campos de rejilla A1, A2, B1, B2, X1, X3 a lo largo de la direccion X respecto a los campos de rejilla A3, A4, B3, B4, X2, X4, mientras que la distancia de decalado se ha seleccionado Sy = 0. En el presente ejemplo de realizacion, segun la figura 2b en referencia a todos los tres trayectos de rayo de exploracion esta prevista adicionalmente una distancia de decalado Sy 4 0 de los campos de rejilla A1', A2', B1', B2', X1', X3' respecto a los campos de rejilla A3', A4', B3', B4', X2', X4' a lo largo de la direccion Y.
Una vista en planta del lado superior del elemento optico de otro ejemplo de realizacion del dispositivo optico de medicion de position segun la invention se muestra en la figura 3, en representacion analoga a las figuras 1c y 2b. El desarrollo del trayecto de rayo de los haces de rayos parciales en los trayectos de rayo de exploracion de los ejes A y B a traves de los campos de rejilla A1' - A4' y B1' - B4' es identico al ejemplo de realizacion anterior segun la figura 2b. La medicion de posicion a lo largo de la tercera direccion de desplazamiento se ensancha ahora y se realiza analogamente a la medicion de posicion de las primeras dos direcciones de desplazamiento (eje A' y eje B'). Sus trayectos de rayo de exploracion y la configuracion de los campos de rejilla A'1'' - A'4'' y B'1'' - B'4'' se corresponden con los trayectos de rayo de exploracion de los ejes A y B, asf como a los campos de rejilla A1'' - A4'', B1'' - B4''; no obstante, la disposition de los campos de rejilla A'1'' - A'4'' y B'1'' - B'4'' esta prevista de forma girada respecto a los campos de rejilla A1'' - A4'' y B1'' - B4'' en 90° respecto a la direccion Z. De este modo, junto a la medicion de la direccion de desplazamiento lateral, es posible realizar adicionalmente una medicion redundante de la direccion de desplazamiento vertical Z. Mediante la medicion redundante de la direccion de desplazamiento vertical Z se pueden reducir influencias de errores mediante promediacion y mejorar, por consiguiente, la exactitud del dispositivo de medicion de posicion.
En el dispositivo de medicion de posicion conocido por el documento EP 1 762 828 A2, los haces de rayos parciales de los dos trayectos de rayo de exploracion previstos inciden respectivamente con un decalado en la direccion X, es decir, perpendicularmente a la unica direccion de medicion lateral de nuevo hacia la medida materializada. Al contrario de ello, en el dispositivo de medicion de posicion segun la invencion, segun los ejemplos de realizacion explicados hasta ahora estan decalados los dos haces de rayos parciales del tercer trayecto de rayo de exploracion previsto, a saber, igualmente en la direccion X, no obstante, esto se corresponde con un decalado a lo largo de la direccion de medicion lateral.
Debido al tercer trayecto de rayo de exploracion previsto adicionalmente para la determinacion de posicion a lo largo de la segunda direccion de desplazamiento lateral X esta establecida la distancia de exploracion entre la medida materializada y el sistema de exploracion, cuando estan establecidas la constante de rejilla de la medida materializada y las distancias de decalado Sx o Sy entre campos de rejilla adyacentes.
Ademas, en la presente invencion es ventajoso seleccionar de forma identica las distancias de decalado Sx, Sy en el ejemplo de realizacion de la figura 2a entre los campos de rejilla A1' - A4', B1' - B4' que son recorridos respectivamente por el mismo haz de rayos parciales, A1' respecto a A3', A2' respecto a A4', B1' respecto a B3', B2' respecto a B4' y los campos con las rejillas de desacoplamiento 21', 23', por un lado, o entre los campos de rejilla X1', X2' y los campos de rejilla X3', X4'.
Si se parte del hecho de que la distancia de decalado Sx entre los campos de rejilla A1' - A4' y B1' - B4' se ha seleccionado respectivamente minima, entonces los campos de rejilla X1' -X4' del tercer trayecto de rayo de exploracion no se pueden empaquetar entre sf de forma mas densa. La selection de una distancia de decalado S igual entre los
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distintos campos en el elemento optico del sistema de exploracion conduce a un volumen constructivo mmimo del dispositivo de medicion de posicion segun la invencion.
Si ademas se designa la distancia de exploracion entre el lado superior del elemento optico y de la medida materializada como A, la constante de rejilla de la medida materializada con d, la longitud de onda de la luz con A y la distancia de campos adyacentes sobre el elemento optico con 6, entonces resulta la distancia de exploracion A segun la siguiente ecuacion 2:
(Ec. 2)
La distancia 6 entre los campos se deduce de las tolerancias de rotacion del sistema de exploracion requeridas en la aplicacion.
En el caso de la distancia de decalado 6 = 6 mm, una longitud de onda A = 976 nm y una constante de rejilla d = 2,048 pm de la medida materializada resulta por consiguiente una distancia de exploracion A = 22,137 mm entre el lado de rejilla del elemento optico y de la medida materializada. Esto representa una distancia de exploracion aumentada respecto a la distancia de medicion de posicion conocida por el documento EP 1 762 828 A2 con los solo dos trayectos de rayo de exploracion. Una distancia de exploracion aumentada en el aire de este tipo conduce a una sensibilidad elevada del dispositivo de medicion de posicion respecto a turbulencias de aire o bien oscilaciones del mdice de refraccion. No obstante, estas influencias se pueden compensar en el dispositivo de medicion de posicion segun la invencion de varias maneras.
Entonces en una primera variante de compensacion es posible apantallar los trayectos de rayo de exploracion completos lo mas hermeticamente posible del aire ambiente, en tanto que se dispone un vidrio cobertor 40 sobre los trayectos de rayo de exploracion completos. Una variante configurada correspondientemente del dispositivo optico de medicion de posicion segun la invencion se muestra en la figura 4 en dos vistas en seccion analogamente a la representacion en las figuras 1a y 1b. A exception del vidrio cobertor 40, esta variante se corresponde con el primer ejemplo de realization ya explicado en detalle arriba. A este respecto, la posicion del vidrio cobertor 40 se debena situar lo mas cerca posible de la medida materializada 110, a fin de minimizar los recorridos libres en los tres trayectos de rayo de exploracion en el aire entre la medida materializada 110 y el sistema de exploracion 120.
Una segunda variante de compensacion se muestra en la representacion analoga en la figura 5. El volumen de aire libre entre el sistema de exploracion 220 y la medida materializada 210 se rellena aqrn lo mas completamente posible con un cuerpo de vidrio 50, que esta compensado termicamente. Esto significa que la dilatation lineal del cuerpo de vidrio 50 compensa el cambio del mdice de refraccion. Asf los cambios del mdice de refraccion en el aire debidos a modificaciones de presion, temperatura o humedad no pueden influir en la determination de posicion. Igualmente no son posibles intercambios de aire rapidos. El cuerpo de vidrio 50 compensado termicamente es relevante ante todo para los trayectos de rayo de exploracion del eje A y del eje B, dado que aqrn los caminos de los haces de rayos parciales en el vidrio son diferentes debido a los angulos diferentes y, por consiguiente, los recorridos de los haces de rayos parciales en el vidrio son diferentes para los distintos ordenes de difraccion. Un cuerpo de vidrio no compensado conduce aqrn a la modification de la posicion determinada con la temperatura. Por el contrario, el eje X esta construido de forma simetrica. Aqrn el cuerpo de cristal 50 no debe estar compensado forzosamente termicamente, en tanto que se pueda asegurar que entre los vidrios en los dos ordenes de difraccion no haya gradientes de temperatura.
Mediante la representacion en la figura 6 se explica a continuation el uso previsto, en el lado de salida en el dispositivo de medicion de posicion segun la invencion, de una optica de desacoplamiento comun mediante todos los tres trayectos de rayo de exploracion, a traves de los que los haces de rayos parciales interferentes generados en los tres trayectos de rayo de exploracion se acoplan en un segundo conductor de luz, que suministra luego estos haces de rayos a una disposition detectora aguas abajo.
De forma complementaria se debe senalar en este punto de nuevo que en el lado de entrada la radiation de una fuente de luz se le suministra al sistema de exploracion a traves de un primer conductor de luz y una optica de acoplamiento comun para todos los tres trayectos de rayo de exploracion.
En la parte izquierda de la figura 6 se muestran en este caso analogamente a la representacion de la figura 1b los tres trayectos de rayo de exploracion previstos del primer ejemplo de realizacion en una vista esquematizada. En la parte derecha de la figura 6 se ilustra la disociacion de los haces de rayos parciales interferentes de los tres trayectos de rayo de exploracion, asf como su desacoplamiento en el segundo conductor de luz de forma muy esquematizada en distintas vistas de seccion. En este caso se muestran junto a los tres trayectos de rayo de exploracion indicados una lente de focalizacion 24, una lente de campo 25, la rejilla de disociacion 23 en el lado de desacoplamiento, asf como el segundo conductor de luz 26 con en total 9 fibras guiaondas multimodo 27. La optica de desacoplamiento, que segun la invencion se usa por todos los tres trayectos de rayo de exploracion, comprende la lente de focalizacion 24, la rejilla de disociacion
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23 en el lado de desacoplamiento, as^ como la lente de campo 25.
Los haces de rayos superpuestos de tres trayectos de rayo de exploracion inciden en el plano YZ segun se ve desde diferentes direcciones sobre la rejilla de disociacion 23 y las dos lentes 24, 25. De este modo, tras el recorrido de las lentes 24, 25 estan separados espacialmente en el plano del foco y se pueden acoplar conjuntamente en las fibras guiaondas multimodo 27 de la segunda fibra optica 26, que se sujetan todos en una ferula 28 en disposicion definida. La lente de campo 25 sirve en este caso para la orientacion en paralelo de los rayos disociados, para que las fibras guiaondas multimodo 27 no se deban introducir con un angulo en la ferula 28. Una vista en planta de la ferula 28 con las tres fibras guiaondas multimodo 27 por trayecto de rayo de exploracion se muestra en la figura 7. Segun se puede ver en las figuras, los tres haces de rayos superpuestos de los ejes A, B y X en la direccion X se disocian respectivamente en tres haces de rayos parciales superpuestos y se acoplan por separado en fibras guiaondas multimodo 27 correspondientes. Por parte de la ferula 28 estan aplicados polarizadores - solo mostrados en la figura 7 - en cada una de las fibras guiaondas multimodo 27, que estan orientadas respectivamente de modo que se originan senales dependientes de la posicion, desfasadas en 120° en forma de una modulacion de intensidad. Ventajosamente se pueden usar en lugar de polarizadores individuales tambien polarizadores difractivos sobre un sustrato de vidrio comun, en el que los ejes de polarizacion se determinan por la orientacion de las rejillas.
Segun la figura 7 en la fila superior e inferior estan previstas en este caso las respectivamente tres fibras guiaondas multimodo 27 para las senales de los ejes A y B, de forma centrada por el contrario las tres fibras guiaondas multimodo 27 que pertenecen al tercer trayecto de rayo de exploracion.
En base a este mismo principio se disocian los haces de rayos en el ejemplo de realizacion del dispositivo de medicion de posicion segun la invention segun la figura 3 mediante la optica de desacoplamiento en respectivamente tres haces de rayos parciales. No obstante, en este caso se disocian en conjunto cuatro haces de rayos a partir de los cuatro trayectos de rayo de exploracion allf previstos en respectivamente tres haces de rayos parciales, a saber el de los ejes A y B, asf como el de los ejes A' y B'. Mediante la disposicion de la rejilla de disociacion bajo 22,5° o del eje Y es posible conducir los haces de rayos parciales en conjunto 12 fibras guiaondas multimodo 27' con una disposicion de ferula segun la figura 8. Las senales correspondientes y desfasadas en 120° de cada uno de los ejes A, B, A', B' estan ilustradas en la fig. 8 respectivamente por los rectangulos dibujados. En la figura 8 no estan representados los polarizadores que aqrn tambien se pueden aplicar sobre un sustrato de vidrio comun aplicados individualmente o realizados de forma difractiva.
En el marco de la presente invencion, junto a los ejemplos de realizacion descritos concretamente existen evidentemente todavfa otras posibilidades de configuration.
Claims (11)
- 5101520253035404550REIVINDICACIONES1. - Dispositivo optico de medicion de posicion para la deteccion de la posicion de dos objetos moviles uno con respecto al otro con- una medida materializada (10; 10'; 110; 210) que esta conectada con uno de los dos objetos, asf como- un sistema de exploracion (20; 20'; 120; 220) para la exploracion de la medida materializada (10; 10'; 110; 210), que esta conectado con el otro de los dos objetos, en el que a traves del sistema de exploracion (20; 20'; 120; 220) es posible una determinacion de posicion simultanea a lo largo de una primera direccion de desplazamiento lateral (Y) como tambien a lo largo de una direccion de desplazamiento vertical (Z) de los objetos y para ello en los lados del sistema de exploracion (20; 20'; 120; 220) estan configurados dos trayectos de rayo de exploracion ladeados uno respecto a otro, en los que un grupo de senales desfasadas se puede generar respectivamente en el lado de salida a partir de haces de rayos parciales interferentes, caracterizado porque- a traves del sistema de exploracion (20; 20'; 120; 220) esta configurado ademas al menos un tercer trayecto de rayo de exploracion, a traves del cual es posible una determinacion de posicion a lo largo de una segunda direccion de desplazamiento lateral (X) de los objetos, y- la radiacion de una fuente de luz se le puede suministrar al sistema de exploracion (20; 20'; 120; 220) a traves de un primer conductor de luz y una optica de acoplamiento comun para todos los tres trayectos de rayo de exploracion, y- los haces de rayos parciales interferentes generados en los tres trayectos de rayo de exploracion se pueden acoplar a traves de una optica de desacoplamiento comun en un segundo conductor de luz (26) que suministra estos haces de rayos a una disposicion detectora.
- 2. Dispositivo optico de medicion de posicion segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el sistema de exploracion (20; 20'; 120; 220) comprende en el lado de entrada una rejilla de disociacion, que disocia el haz de rayos que incide desde la optica de acoplamiento en los tres trayectos de rayo de exploracion, estando asociados los +/- 1° ordenes de difraccion de la rejilla de disociacion al primer y segundo trayecto de rayo de exploracion y estando asociado el 0esimo orden de difraccion al tercer trayecto de rayo de exploracion.
- 3. Dispositivo de medicion de posicion segun la reivindicacion 1, caracterizado porque en el tercer trayecto de exploracion se propaga un haz de rayos parciales en la direccion de la medida materializada (10; 10'; 110; 210), allf experimenta una disociacion en otros dos haces de rayos parciales que se reflejan de vuelta en la direccion del sistema de exploracion (20; 20'; 120; 220), en donde experimentan respectivamente una retrorreflexion y se propagan de nuevo en la direccion de la medida materializada (10; 10'; 110; 210) de forma decalada a lo largo de la segunda direccion de desplazamiento lateral (X), en donde se superponen de forma interferente y se propagan de vuelta en la direccion del sistema de exploracion (20; 20'; 120; 220), donde, a partir de ellos, se pueden detectar varias senales desfasadas respecto a un movimiento relativo a lo largo de la segunda direccion de desplazamiento lateral (X).
- 4. Dispositivo de medicion de posicion segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el sistema de exploracion (20; 20'; 120; 220) comprende un elemento optico (22; 22') en cuyo lado dirigido a la medida materializada (10; 10'; 110; 210) estan dispuestos varios campos de rejilla (A1 - A4; B1 - B4; X1 - X4; A1' - A4'; B1' - B4'; X1' - X4') asociados de forma definida a los distintos trayectos de rayo de exploracion con rejillas de transmision, asf como una rejilla de disociacion (21; 21') en el lado de acoplamiento y una rejilla de disociacion (23; 23') en el lado de desacoplamiento.
- 5. Dispositivo de medicion de posicion segun la reivindicacion 2, caracterizado porque las distancias de decalado (8x) entre los campos de rejilla (A1 - A4; B1 - B4; X1 - X4; A1' - A4'; B1' - B4'; X1' - X4') asociados y las rejillas de desacoplamiento estan seleccionadas identicas a lo largo de la segunda direccion de desplazamiento lateral (X).
- 6. Dispositivo de medicion de posicion segun la reivindicacion 2, caracterizado porque entre el elemento optico (22; 22') y la medida materializada (10; 10'; 110; 210) esta dispuesto un vidrio cobertor (40) que se extiende, respecto a su extension lateral, sobre todos los trayectos de rayo de exploracion.
- 7. Dispositivo de medicion de posicion segun la reivindicacion 2, caracterizado porque entre el elemento optico (22, 22') y la medida materializada (10; 10'; 110; 210) esta dispuesto un cuerpo de vidrio (50) compensado termicamente, de modo que los cambios de temperatura no modifican las longitudes de recorrido opticas de los haces de rayos parciales circulantes en el vidrio.
- 8. Dispositivo de medicion de posicion segun la reivindicacion 1, caracterizado porque la segunda fibra optica (26) comprende respectivamente tres fibras multimodo (27) por trayecto de rayo de exploracion, que estan dispuestas en el extremo en el lado de acoplamiento en una ferula (28) comun.
- 9. Dispositivo de medicion de posicion segun la reivindicacion 1, caracterizado porque la primera y segunda direccion dedesplazamiento lateral (Y, X) estan orientadas perpendicularmente una respecto a otra y la medida materializada (10; 10'; 110; 210) esta configurada como rejilla de cruz.
- 10. Dispositivo de medicion de posicion segun la reivindicacion 1, caracterizado porque los trayectos de rayo de exploracion de todas las tres direcciones de desplazamiento (X, Y, Z) presentan un centro de exploracion comun.5 11. Dispositivo de medicion de posicion segun la reivindicacion 1, caracterizado porque al menos un haz de rayosparciales en los trayectos de rayo de exploracion experimenta un decalado a lo largo de la direccion de desplazamiento (X) correspondiente entre la primera y la segunda incidencia sobre la medida materializada (10; 10'; 110; 210).
- 12. Dispositivo de medicion de posicion segun la reivindicacion 2, caracterizado porque para la reflexion de vuelta de los haces de rayos parciales, el elemento optico (22, 22') comprende componentes difractivos que reunen en ellos varias 10 funciones opticas.
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