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Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Lage und Stellung eines Gegenstands und Gerät zur Flächenabtasung mit einer derartigen Vorrichtung - Dokument DE69116931T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69116931T2 19.09.1996
EP-Veröffentlichungsnummer 0459586
Titel Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Lage und Stellung eines Gegenstands und Gerät zur Flächenabtasung mit einer derartigen Vorrichtung
Anmelder Philips Electronics N.V., Eindhoven, NL
Erfinder van Rosmalen, Gerard Eduard, NL-5656 AA Eindhoven, NL;
Opheij, Willem Gerard, NL-5656 AA Eindhoven, NL
Vertreter Erdmann, A., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 22335 Hamburg
DE-Aktenzeichen 69116931
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 29.05.1991
EP-Aktenzeichen 912012838
EP-Offenlegungsdatum 04.12.1991
EP date of grant 07.02.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.09.1996
IPC-Hauptklasse G11B 7/08
IPC-Nebenklasse G11B 7/085   G02B 26/10   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Lage eines Objekts, welche Vorrichtung eine Strahlungsquelleneinheit zum Erzeugen eines Strahlenbündels, ein strahlungsempfindliches Detektionssystem und ein in dem Strahlungsweg des Strahlenbündels angeordnetes optisches Abbildungssystem zum Bilden eines Strahlungsflecks auf dem Detektionssystem umfaßt, wobei das genannte optische Abbildungssystem vollständig oder teilweise so mit dem Objekt gekoppelt ist, daß die Intensitätsverteilung des Strahlungsflecks auf dem Detektionssystem ein Maß für die Position des Objekts in einer Richtung quer zum Strahlungsweg und in der Richtung des Strahlungsweges ist.

Eine Vorrichtung dieser Art kann unter anderem zur Bestimmung der Lage eines frei aufgehängten Abtastspiegels in einer Abtasteinrichtung verwendet werden. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf ein Gerät zum Aufzeichnen und/oder Auslesen von in einem optischen Aufzeichnungsträger vorhandener Information, wobei das Gerät einen Polygonspiegel umfaßt, der um eine Achse drehbar ist, um den Aufzeichnungsträger abzutasten.

In einem Gerät zum optischen Aufzeichnen oder Auslesen großer Mengen auf einem Aufzeichnungsträger vorhandener Information mittels eines Abtastflecks sollte dieser Abtastfleck auf dem Aufzeichnungsträger einen großen Abstand pro Zeiteinheit abdecken. Dies ist notwendig, weil die Informationsdichte auf dem Aufzeichnungsträger durch die Abtastfleckabmessung begrenzt wird, die ihrerseits durch die Wellenlänge der Strahlung und die numerische Apertur des Abtastsystems bestimmt wird. Beide Größen können nicht beliebig gewählt werden. Wenn beispielsweise ein Fernsehprogramm von HDTV-Qualität auf dem optischen Aufzeichnungsträger in digitalisierter Form gespeichert wird oder worden ist, und wenn die lineare Informationsdichte auf dem Aufzeichnungsträger ungefähr 1,5 bit/µm ist, sollte die Abtastgeschwindigkeit des Abtastflecks ungefähr 60 m/s betragen. Selbst bei Verwendung einer begrenzten Zahl paralleler Abtastflecken beträgt die Abtastgeschwindigkeit mehr als 10 m/s. Um mit Hilfe eines Abtastspiegels, beispielsweise eines rotierenden Polygonspiegels, eine solche Geschwindigkeit zu erhalten und den Abtastfleck genau auf die abzutastenden Positionen gerichtet zu halten, ist eine konstante Messung der Polygon- oder Spiegelposition und eine Rückkopplung zum Steuermechanismus des Spiegels erforderlich.

Solch eine Messung wird vorzugsweise berührungslos ausgeführt, wofür erfindungsgemäß eine wie eingangs beschriebene Vorrichtung verwendet werden kann.

Eine solche Vorrichtung ist an sich aus EP-A-0.124.145 bekannt. Diese Anmeldung beschreibt ein optisches Meßsystem, in dem das Ende einer ersten optischen Faser mit Hilfe einer Linse oder eines Konkavspiegels auf eine Ebene abgebildet wird, in der die Enden der beiden anderen optischen Fasern liegen. Die erste optische Faser ist mit einer Strahlungsquelle verbunden, und die zweiten anderen Fasern sind mit Detektoren verbunden. Die abbildende Linse oder der abbildende Spiegel ist mit einer Membran gekoppelt, deren Verlagerung zu einer Verlagerung der Linse oder des Spiegels quer zur Richtung des einfallenden Strahlenbündels führt. Daher ist der gebildete Strahlungsfleck hinsichtlich der Enden der beiden optischen Fasern auch verlagert, so daß die relative Strahlungsintensität auf den beiden Detektoren sich ändert. Auf diese Weise ist die von den Detektoren empfangene relative Intensität ein Maß für die Lage des Objekts in einer Richtung quer zum Strahlungsweg, mit dem die Linse gekoppelt ist.

Bei der bekannten Vorrichtung ist es nicht möglich, die Verlagerung des Abbildungssystems in einer Richtung parallel zum Strahlenbündel zu detektieren. Für eine genaue Bestimmung der Position eines Objekts, wie eines Polygonspiegels oder eines anderen Abtastspiegels, ist es jedoch notwendig, die Position in drei Dimensionen schnell und zuverlässig mit einer möglichst kleinen Anzahl zusätzlicher optischer Systeme zu messen. Eventuelle zusätzliche optische Elemente sollten vorzugsweise nicht mechanisch mit dem Abtastspiegel gekoppelt sein, weil dies zu einer Vergrößerung der Masse und der Komplexität des Systems des Abtastspiegels führen würde.

Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine wie eingangs beschriebene Vorrichtung zu schaffen, in der die Lage des Objekts mit Hilfe nur eines optischen Abbildungssystems auch in Richtung des Strahlenbündels bestimmt werden kann. Ausgehend von üblichen Fokus/Spurfolgedetektionseinrichtungen für abtastende optische Medien, wie sie beispielsweise aus Elektronik 1978, Nr. 15, S. 32 bekannt und im Oberbegriff von Anspruch 1 definiert sind, ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem zumindest ein reflektierendes Element mit optischem Brechwert umfaßt.

Die Lage des Objekts wird durch Messung der Änderung der Form des Strahlungsflecks mit Hilfe des strahlungsempfindlichen Detektionssystems bestimmt. Gleichzeitig wird durch die Position des Strahlungsflecks auf dem Detektionssystem die Lage des Objekts in der Richtung quer zum Strahlenbündel detektiert.

Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein astigmatisches Element zum Einbringen von Astigmatismus in das Strahlenbündel in dem Strahlungsweg zwischen dem optischen Abbildungssystem und dem Detektionssystem angeordnet ist, und daß das Detektionssystem zum Detektieren der Form des Strahlungsflecks eingerichtet ist. Die Lage des Objekts kann mit Hilfe von Astigmatismus mit genügender Genauigkeit bestimmt werden. Es sei bemerkt, daß es aus US-A-4.023.033 an sich bekannt ist, mit Hilfe eines Astigmatismusverfahrens die Position einer Linse in einem Strahlenbündel in der Strahlungsrichtung zu korrigieren. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird jedoch das Strahlenbündel mit Hilfe einer Objektivlinse auf eine ebene reflektierende Oberfläche fokussiert.

Diese Ausführungsform kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, daß das optische System zum Bilden eines konvergenten Strahlenbündels am Ort des astigmatischen Elements eingerichtet ist und daß das astigmatische Element eine schräg im Strahlungsweg angeordnete planparallele Platte ist. Die Ausführungsform kann auch dadurch gekennzeichnet sein, daß das astigmatische Element ein Hologramm oder eine Zylinderlinse ist. In beiden Fällen kann das astigmatische Element mit dem Objekt verbunden sein oder es kann in bezug auf die Strahlungsquelleneinheit und das Detektionssystem fixiert sein. Im Hinblick auf eine Verringerung der Masse wird letzteres vorgezogen.

Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Dachprisma zum Bilden zweier Strahlungsflecken auf dem strahlungsempfindlichen Detektionssystem in dem Strahlungsweg zwischen dem optischen Abbildungssystem und dem Detektionssystem angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen den Strahlungsflecken ein Maß für die Position des Objekts in der Richtung des Strahlungsweges ist. Auf diese Weise kann auch die Position des Abbildungssystems in Richtung des Strahlenbündels gemessen werden. Es sei bemerkt, daß es an sich bekannt ist, beispielsweise aus EP-A 0.063.830 oder US-A 4.533.826, die Position einer Linse relativ zu einer ebenen reflektierenden Oberfläche mit Hilfe eines Dachprismas zu korrigieren.

Die Strahlungsquelleneinheit und das Detektionssystem können unter konstruktionstechnischem Gesichtspunkt nahe zueinander plaziert werden, und es ist nicht notwendig, beim Objekt ein durchlaufendes Strahlenbündel zu berücksichtigen. Das Abbildungssystem kann daher an der der Strahlungsquelle und dem Detektionssystem zugewandten Seite des Objekts vorgesehen werden. Außerdem sollte nur auf einer Seite des Objekts Raum für den Strahlungsweg zur Verfügung stehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, daß das reflektierende Element des optische Abbildungssystems einen Konkav- -oder einen Konvexspiegel umfaßt. Der Konkav- oder Konvexspiegel bildet das optische Abbildungssystem oder ist ein Teil davon. Die Verwendung eines Konvexspiegels kann den konstruktiven Vorteil haben, daß das reflektierende Element an einer Fläche des Objekts angeordnet werden kann, beispielsweise mittels Kleben, ohne daß das Objekt selbst einer gesonderten Behandlung unterzogen werden muß.

Die Vorrichtung ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß der Kon kav- oder Konvexspiegel Kugelform hat. Eine Drehung des Objekts um eine beliebige Achse durch den Mittelpunkt der Kugel hat dann keinen Einfluß auf die Messung der Position. Außerdem ist eine Kugel einfach zu fertigen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem ein weiteres Teil hat, das in einer festen Position relativ zur Strahlungsquelle und dem Detektionssystem angeordnet ist. Das Abbildungssystem umfaßt somit ein Teil, das nicht mit dem Objekt gekoppelt ist, so daß weniger hohe Anforderungen an das mit dem Objekt gekoppelte Teil gestellt zu werden brauchen. Beispielsweise können das Volumen und die Masse des mit dem Objekt gekoppelten Teils minimiert werden, während dennoch ein optisches System hoher Qualität mit einer Vielzahl Elementen verwendet werden kann.

Neben der Position des Objekts ist auch die Verkantung des Objekts im Raum wichtig, beispielsweise um zu bestimmen, wo das an einem Abtastspiegel reflektierte Abtaststrahlenbündel auf eine abzutastende Oberfläche auffällt.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die nicht nur die Position, sondern auch die Verkantung des Objekts bestimmt, ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß auch optische Mittel zum Ablenken von Strahlung aus dem Strahlenbündel in Abhängigkeit von der Verkantung des Objekts mit dem Objekt gekoppelt sind, und daß das Detektionssystem weiterhin eingerichtet ist, die abgelenkte Strahlung und damit die Verkantung des Objekts zu detektieren.

Eine Ausführungsform ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Ablenken von Strahlung reflektierende Mittel sind. Die Mittel zum Messen der Verkantung werden beispielsweise von einem Planspiegel gebildet. Dieser Spiegel kann in einfacher Weise mit einem reflektierenden Teil des Abbildungssystems kombiniert werden.

Es sei bemerkt, daß aus US-A 4.829.175 an sich bekannt ist, die Position der Drehachse eines Polygonspiegels mit Hilfe eines Strahlenbündels, das an einer Endfläche des Polygons reflektiert wird, zu bestimmen. Bei der bekannten Vorrichtung wird jedoch die Position des Polygonspiegels im Raum nicht gleichzeitig gemessen, so daß nur begrenzte Information über den Polygonspiegel verfügbar ist. Bei der bekannten Vorrichtung wird die Spiegelposition durch ein mechanisches Lager bestimmt. Ein mechanisches Lager begrenzt die maximale Drehgeschwindigkeit und ist bei hohen Drehgeschwindigkeiten unerwünscht.

Die Teile zur Bestimmung der Position und der Orientierung des Objekts können beispielsweise in einer Ausführungsform kombiniert werden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das optische Abbildungssystem eine Linse umfaßt, die in einer festen Position relativ zur Strahlungsquelle und dem Detektionssystem angeordnet ist, welche Linse mit einem Strahlteiler zum Aufspalten des Strahlenbündels in zwei Teilbündel zur Bestimmung der Position bzw. der Orientierung des Objekts integriert ist.

Auf diese Weise wird das erzeugte Strahlenbündel erst in ein Bündel zum Bestimmen der Position und eins zum Bestimmen der Verkantung aufgespalten, wenn die Strahlung auf das Abbildungssystem auffällt. Der Strahlungsweg zwischen der Strahlungsquelle und dem Abbildungssystem ist ein einzelner. In einer weiteren Ausführungsform können auch die Strahlungswege der abgelenkten Strahlung gemeinsam verlaufen und somit gemeinsame optische Komponenten umfassen.

Eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position und/oder der Verkantung eines erfindungsgemäßen Objekts kann mit einem Gerät zum optischen Abtasten eines Objekts oder eines Gebiets, beispielsweise zum Abtasten eines optischen Aufzeichnungs trägers, kombiniert werden, das einen um eine Achse drehbaren Polygonspiegel umfaßt.

Eine Ausführungsform eines solchen Geräts umfaßt einen drehbaren Polygonspiegel, mit einem um die Drehachse herum angeordneten rotationssymmetrischen Konkav- oder Konvexspiegel. Dadurch, daß der Konkav- oder Konvexspiegel, der zur Bestimmung der Position des Polygonspiegels verwendet werden soll, rotationssymmetrisch um die Drehachse herum angeordnet wird, hat die Drehung des Polygonspiegels um die Drehachse keinen Einfluß auf die Messung der Position.

Erfindungsgemäß wird ein solches Gerät zum Beschreiben und/oder Auslesen eines optischen Aufzeichnungsträgers mit Hilfe eines drehbaren Polygonspiegels vorzugsweise in einer Weise ausgeführt, in der der drehbare Polygonspiegel mit Hilfe einer Anzahl Elektromagnete magnetisch gelagert ist, wobei das Gerät weiterhin für das Zuführen von Erregungssignalen zu den Elektromagneten in Abhängigkeit von Ausgangssignalen des Detektionssystems eingerichtet ist.

In diesem Fall ist der Polygonspiegel in einem Magnetfeld frei aufgehängt, so daß bei seiner Drehung keine Reibung mit Lagern auftritt. Der Polygonspiegel und die Drehachse werden mit Hilfe einer Positionsdetektionseinrichtung wie vorstehend beschrieben in ihrer richtigen Lage gehalten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform, bei der ein reflektierendes optisches Element verwendet worden ist;

Fig. 3a, 3b und 3c schematisch einige andere Ausführungsformen für das reflektierende optische Element;

Fig. 4 eine Ausführungsform, bei der auch die Verkantung des Objekts gemessen wird, und

Fig. 5 eine Ausführungsform zum Stabilisieren eines rotierenden Polygonspiegels.

Das Bezugszeichen 10 in Fig. 1 bezeichnet ein Objekt, das sich innerhalb bestimmter Grenzen frei bewegen kann. Das Objekt 10 ist mit einer Linse 20 gekoppelt, deren Position direkt mit der Position des Objekts 10 zusammenhängt. Die Linse 20 ist beispielsweise an dem Objekt befestigt oder mit diesem Objekt über einen Hebel, einen Balken oder eine Welle verbunden. Eine Strahlungsquelleneinheit 30 ist an einer Seite der Linse 20 angeordnet, und ein Detektionssystem 40 ist an der anderen Seite angeordnet. Die Strahlungsquelleneinheit 30, das Detektionssystem 40 und die Linse 20 sind zueinander so positioniert, daß die Strahlungsquelleneinheit 30 auf das Detektionssystem abgebildet wird, wenn das Objekt und die Linse sich in ihren Sollpositionen befinden. Die Strahlungsquelleneinheit umfaßt beispielsweise eine Lampe 31, eine Kondensorlinse 32 und eine Blende 33.

Das Detektionssystem 40 ist ein positionsempfindliches Detektionssystem und umfaßt beispielsweise vier in einem Quadrat angeordnete strahlungsempfindliche Dioden 41, 42, 43 und 44. Die Linse 20 ist so ausgeführt, daß sie Astigmatismus aufweist, so daß die Form des auf das Detektionssystem 40 projizierten Strahlungsflecks 34 von der Position der Linse 20 in der Richtung der Hauptachse des aus der Strahlungsquelleneinheit 30 kommenden und auf die Linse 20 einfallenden Strahlenbündels abhängt.

Wenn das Objekt 10 und damit die Linse 20 in der Richtung des doppelseitigen Pfeils 11, der x- oder y-Richtung quer zur Richtung des Strahlenbündels verlagert werden, wird der auf dem Detektionssystem 40 gebildete Fleck 34 in der gleichen Richtung wie die Linse 20 verlagert. Wenn das Objekt 10 und damit die Linse 20 in der Richtung des Pfeils 12, der z-Richtung, nämlich in einer Richtung parallel zu der des Strahlenbündels verlagert werden, ändert sich die Form des Flecks 32 von einem Kreis in eine liegende Ellipse oder eine aufrechte Ellipse, weil die Linse 20 eine Linse mit einem erheblichen Maß an Astigmatismus ist. Die Position der Linse 20 und damit die des Objekts 10 können aus der Form und der Position des Strahlungsflecks 34 in drei Richtungen bestimmt werden. Astigmatismus kann nicht nur mit Hilfe der Linse 20 in das Strahlenbündel eingebracht werden, sondern auch mit Hilfe eines zusätzlichen Elements 53, das nicht mit dem Objekt 10 verbunden ist, beispielsweise einem Gitter, einem Hologramm oder einer Zylinderlinse.

Um aus dem Strahlungsfleck 34 drei Signale ableiten zu können, die die Position der Linse in der x-, y- und z-Richtung bestimmen, wird das Detektionssystem 40 in vier in einem Quadrat angeordnete Detektoren 41, 42, 43 und 44 aufgeteilt, wobei die Grenzlinien zwischen den Detektoren mit den Achsen der liegenden oder aufrechten Ellipsenform des Strahlungsflecks 34 einen Winkel von 45º bilden. Die Detektionselemente 41 und 42 liegen in der y-Richtung nebeneinander, und die Detektionselemente 43 und 44 liegen in der x-Richtung nebeneinander. Die die Position der Linse bestimmenden Signale können aus den Ausgangssignalen des Detektionssystems abgeleitet werden, und zwar über die Beziehungen:

Sx (I&sub4;&sub3; - I&sub4;&sub4;)

Sy (I&sub4;&sub1; - I&sub4;&sub2;)

Sz (I&sub4;&sub1; + I&sub4;&sub2;) - (I&sub4;&sub3; + I&sub4;&sub4;)

wobei Sx, Sy und Sz Signale sind, die die Verlagerung in bezug auf eine Sollposition bestimmen, und I&sub4;&sub1;, I&sub4;&sub2;, I&sub4;&sub3; und I&sub4;&sub4; die von jedem Detektionselement detektierte Intensität angeben. Um aus diesen Signalen Sx, Sy, und Sz die genaue Position zu bestimmen, sollte infolge von Einflüssen wie der Intensität des Strahlenbündels und der Auswirkung der Pupille der Linse auf die Verlagerung und Form des Strahlungsflecks eine Korrektur vorgenommen werden.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der das optische System reflektierend ist. Ein Konkavspiegel 21 ist an dem frei beweglichen Objekt 10 befestigt. Eine Strahlungsquelle 30, in Fig. 2 als Haibleiterlaser dargestellt, erzeugt ein Strahlenbündel, das über einen halbdurchlässigen Spiegel 50 auf den Konkavspiegel 21 einfallt. Das dadurch reflektierte Strahlenbündel fällt anschließend durch einen halbdurchlässigen Spiegel 50 auf ein Dachprisma 52 auf. Das Dachprisma spaltet das Strahlenbündel in zwei Teilbündel auf, von denen jedes auf dem strahlungsempfindlichen Detektionssystem 60 einen Strahlungsfleck 35 bzw. 36 bildet. Der gegenseitige Abstand zwischen den beiden Strahlungsflecken 35 und 36 ist ein Maß für die Position des Konkavspiegels 21 und des Objekts 10 in Richtung des Strahlenbiindels, der z-Richtung.

Das Detektionssystem 60 umfaßt beispielsweise acht strahlungsempfindliche Elemente 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67 und 68, die zwei parallele Reihen aus je vier Elementen bilden und so angeordnet sind, daß die Grenzlinie zwischen der Reihe mit den Elementen 61, 63, 65 und 67 und der Reihe mit den Elementen 62, 64, 66 und 68 mit den Sollpositionen der Strahlungsflecke 35 und 36 zusammenfallt. Die Paare 61, 62 und 63, 64 sind so angeordnet, daß sie zu beiden Seiten der Sollposition des Strahlungsflecks 35 liegen. Die Paare 65, 66 und 67, 68 sind in bezug auf den Strahlungsfleck 36 entsprechend angeordnet.

Die Position des Konkavspiegels 21 kann aus der Strahlungsverteilung auf den Detektionselementen in der x-, y- und z-Richtung definiert werden nach:

Sx = (I&sub6;&sub2; + I&sub6;&sub4; + I&sub6;&sub6; + I&sub6;&sub8;)-(I&sub6;&sub1; + I&sub6;&sub3; + I&sub6;&sub5; + I&sub6;&sub7;)

Sy = (I&sub6;&sub3; + I&sub6;&sub4; + I&sub6;&sub7; + I&sub6;&sub8;)-(I&sub6;&sub3; + I&sub6;&sub4; + I&sub6;&sub5; + I&sub6;&sub6;)

und

Sz = (I&sub6;&sub1; + I&sub6;&sub2; + I&sub6;&sub7; + I&sub6;&sub8;) - (I&sub6;&sub3; + I&sub6;&sub4; + I&sub6;&sub5; + I&sub6;&sub6;).

Wie mit den gestrichelten Linien in Fig. 2 gezeigt wird, kann der halbdurchlässige Spiegel alternativ durch eine transparente planparallele Platte 51 mit einem halbdurchlässigen Spiegel 50 ersetzt werden. Diese Platte liegt in einem konvergenten Strahlenbündel. Infolgedessen bringt sie in das Strahlenbündel Astigmatismus ein, so daß die Position des Konkavspiegels 21 in der z-Richtung auch mit Hilfe des Astigmatismusverfahrens, wie anhand von Fig. 1 erläutert, bestimmt werden kann. Bei Verwendung der planparallelen Platte 51 gibt es kein Dachprisma 52.

Fig. 3a, 3b und 3c zeigen schematisch einige andere Ausführungsformen eines mit dem Objekt verbundenen Spiegels für eine erfindungsgemäße Anwendung. In Fig. 3a wird das von der Strahlungsquelle 30 erzeugte Strahlenbündel mit Hilfe einer Linse 71 in ein paralleles Strahlenbündel umgeformt, das über den halbdurchlässigen Spiegel 50 auf den konkaven Paraboloidspiegel 22 fällt. Dieser Paraboloidspiegel fokus siert das Strahlenbündel auf das Detektionssystem 40, wo ein Strahlungsfleck 34 gebildet wird. In den Fig. 3b und 3c wird das Strahlenbündel mit Hilfe der Linse 71 in einen Brennpunkt nahe dem Objekt 10 fokussiert. Ein sphärischer Spiegel 23 oder 24, konkav 23 in Fig. 3b und konvex 24 in Fig. 3c, ist mit dem Objekt 10 verbunden, und der Mittelpunkt der Kugelform dieses Spiegels fallt mit dem genannten Brennpunkt zusammen, wenn der Spiegel 23 oder 24 sich in seiner Sollposition befindet.

Das Strahlenbündel wird am Spiegel 23 oder 24 reflektiert und nachdem es den Strahlteiler oder den halbdurchlässigen Spiegel 50 durchlaufen hat, wird es von der Linse 73 in einen Strahlungsfleck 34 auf dem Detektionssystem 40 fokussiert. Durch Anordnung beispielsweise einer schrägen planparallelen Platte 51 in einem konvergenten oder divergenten Teil des Strahlenbündels wird in dieses Strahlenbündel Astigmatismus eingebracht. Auch eine Zylinderlinse oder ein Gitter 53 kann in dem Strahlenbündel angeordnet sein. Die dabei verursachte Verformung des Strahlungsflecks 34 wird anschließend auf dem Detektionssystem 40 detektiert, beispielsweise in der anhand von Fig. 1 beschriebenen Weise.

Außer einer Paraboloid- oder Kugelform kann der Spiegel auch eine Hyperboloid- oder Ellipsoidform haben. In diesem Fall wird das Strahlenbündel mit Hilfe der Linse 71 auf den ersten Brennpunkt des Hyperboloids oder Ellipsoids fokussiert, und der zweite Brennpunkt fallt mit dem Detektionssystem zusammen oder wird über ein weiteres optisches Abbildungssystem darauf abgebildet.

In den dargestellten Ausführungsformen wird die Position der Strahlungsflecke auf dem Detektionssystem nur durch die Position des Objekts und nicht durch seine Orientierung bestimmt.

Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform eines Systems, mit dem auch die Orientierung des Objekts bestimmt werden kann. In dieser Ausführungsform wird die Position als Beispiel mit Hilfe eines Konvexspiegels 24 bestimmt, wie in Fig. 3c. Zusätzlich zu dem Konvexspiegel 24 ist ein Planspiegel 25 angeordnet. Die Vorrichtung ist mit einer Kondensorlinse 71 versehen, mit der das von der Strahlungsquelle erzeugte Strahlenbündel in ein paralleles Strahlenbündel umgeformt wird. Dieses parallele Strahlenbündel wird durch Reflexion am Strahlteiler 50 in Richtung des Objekts 10 abgelenkt. In diesem Strahlenbündel ist eine Objektivlinse 72 angeordnet, mit der ein Teil des Strahlenbündels auf einen mit der Sollposition des Mittelpunkts des Konvexspiegels 24 zusammenfallenden Punkt fokussiert wird. Wie in der Figur gezeigt wird, kann dies dadurch erreicht werden, daß die Linse 72 nur einen Teil des Querschnitts des Strahlenbündels bedeckt. Es ist beispielsweise alternativ möglich, einen optischen Keil in dem Strahlenbündel anzuordnen, mit dem ein Teil des Strahlenbündels an der Objektivlinse 72 entlang geführt wird. Der Teil des Strahlenbündels, der die Linse 72 durchläuft und an dem gebogenen Spiegel 24 reflektiert wird, wird über den Strahlteiler 50 und die Linse 73 auf das Detektionssystem 40 projiziert, um ein Signal zu liefern, aus dem die Position des Objekts 10 abgeleitet werden kann. Der andere Teil des Strahlenbündels fallt auf den Planspiegel 25 und bildet, nachdem er den Strahlteiler 50 und die Linse 73 durchlaufen hat, einen zweiten Strahlungsfleck 34a auf dem Detektionssystem. Die Position dieses Strahlungsflecks 34a hängt nahezu ausschließlich von der Verkantung des Planspiegels 25 ab und nicht oder kaum von dessen Position. Indem ein Keil oder ein Prisma in einem der beiden Strahlenbündelteile vorgesehen wird, die von den Spiegeln 24 bzw. 25 reflektiert werden, werden die Strahlungsflecke 34 und 34a räumlich voneinander getrennt, so daß sie unabhängig voneinander auf zwei Teilen 45 und 46 des Detektionssystems 40 detektiert werden. In der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform wird dies realisiert, indem ein optisches Element 74 in dem Strahlenbündel angeordnet wird, welches Element in dem Teil, der von aus dem Planspiegel 25 kommender Strahlung durchlaufen wird, keilförmig ist, und im Rest des Strahlenbündels konstante Dicke hat.

Der Strahlteiler 50 kann außer als Teilerwürfel auch als halbdurchlässiger Spiegel ausgeführt sein und von einer planparallelen Platte gestützt werden, mit der zwischen dem Objekt 10 und dem Detektionssystem 40 Astigmatismus in das Strahlenbündel eingebracht wird. Eine bevorzugte Ausführungsform wird in Fig. 5 gezeigt. In dieser Ausführungsform wird eine Anwendung der Positionsdetektionseinrichtung für das Stabilisieren eines rotierenden Polygonspiegels gezeigt. Diese Figur zeigt einen Halbleiterlaser 30 zum Erzeugen des Strahlenbündels sowie einen halbdurchlässigen Spiegel 50 zum Ablenken des Strahlenbündels zum Objekt 10. Eine Kollimatorlinse 78, mit der das Strahlenbündel parallel gemacht wird, und eine Linse 75 zum Fokussieren des Strahlenbündels auf den gebogenen Spiegel 24 auf dem Objekt 10 sind in dieser Ausführungsform zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel 50 und dem Objekt 10 angeordnet. Die Linse 75 hat einen ebenen Mittelteil 76, wobei diese Ebene und eine entsprechende Ebene 77 in der anderen reflektierenden Oberfläche der Linse einen kleinen Winkel miteinander bilden, so daß dieser Teil als optischer Keil wirkt. Die Linse 75 fokussiert das auf die periphere brechende Oberfläche einfallende Licht auf einen Punkt, der mit dem Mittelpunkt oder einem Brennpunkt des Konvexspiegels 24 auf dem Objekt 10 zusammenfällt. Diese Strahlung wird von dem Spiegel 24 reflektiert und über Linsen 75 und 78 und die planparallele Platte 51 auf das Detektion ssystem 40 fokussiert. In der vorstehend beschriebenen Weise wird ein Strahlungsfleck 34, dessen Position und Form Information über die Position des Spiegels 24 und damit des Objekts 10 liefern, auf dem Teil 45 des Detektionssystems 40 gebildet.

Die auf den ebenen Mittelteil 76 der Linse 75 einfallende Strahlung wird nicht auf den Konvexspiegel 24 fokussiert, sondern fällt auf die diesen umgebende reflektierende Oberfläche 25. Diese Strahlung wird daran reflektiert, wobei die Richtung der reflektierten Strahlung ausschließlich von der Verkantung des Planspiegels 25 und damit des Objekts 10 abhängt. Das reflektierte Strahlenbündel durchläuft wiederum den Keil, der die Flächen 76 und 77 in der Linse 75 umfaßt, durchläuft anschließend die Linse 78 und den halbdurchlässigen Spiegel 50 und bildet einen Strahlungsfleck 34a auf dern Teil 46 des strahlungsempfindlichen Detektionssystems 40. Die Position dieses Flecks 34a bestimmt die Verkantung des Planspiegels 25 und damit die Verkantung des Objekts.

Das strahlungsempfindliche Detektionssystem 40 umfaßt beispielsweise zwei Quadrantendetektoren 45 und 46, die jeweils aus vier strahlungsempfindlichen Elementen bestehen, mit denen sowohl die Position als auch die Form der gebildeten Strahlungsflecken 34 und 34a bestimmt wird.

Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Positions- und Orientierungsdetektors wird auch in Fig. 5 gezeigt. Das Objekt 10 ist beispielsweise ein um eine Welle 11 drehbarer Polygonspiegel. Der Polygonspiegel hat eine Vielzahl Facetten, die in der Figur als Flächen 12 gezeigt werden, die mit der Drehachse 11 einen Winkel von 45º bilden. Ein aus einer Strahlungsquelle 81 und der Kondensorlinse 82 kommendes Strahlenbündel 80 fällt auf die reflektierenden Flächen 12 des Polygonspiegels und wird daran abgelenkt, je nach der Position des Polygons. Das Strahlenbündel wird über ein Linsensystem 83, beispielsweise eine f-Θ-Linse, auf einen Strahlungsfleck 85 auf einer abzutastenden Oberfläche 84 fokussiert. Diese Oberfläche stellt einen Teil beispielsweise eines optischen Aufzeichnungsträgers dar, der mit Hilfe des Abtaststrahlenbündels 80 beschrieben oder ausgelesen werden soll. Der Aufzeichnungsträger ist beispielsweise ein plattenförmiger oder bandförmiger Aufzeichnungsträger, der mit Hilfe einer großen Zahl paralleler, relativ kurzer Spuren oder Streifen beschrieben wird. Die Richtung der Spuren oder Streifen wird durch die kombinierte Verlagerung des Aufzeichnungsträgers 84 bezüglich der Abtasteinrichtung und die Bewegung des Abtastflecks 85 infolge der Drehung des Polygons bestimmt.

Um auf diese Weise Information auf dem Aufzeichnungsträger genügend schnell aufzeichnen oder auslesen zu können, beispielsweise für ein HDTV-Programm (HDTV: high-definition television; hochauflösendes Fernsehen), sollte das Polygon mit einer Geschwindigkeit von mehreren tausend Umdrehungen pro Sekunde rotieren. Um dies zu erreichen, ist das Polygon magnetisch gelagert und an einer Metall- oder magne tisierten Scheibe 90 befestigt, die durch eine Vielzahl elektromagnetischer Spulen 91 an ihrem Platz gehalten und angetrieben wird.

Die Strahlungsflecke 34 und 34a, die über die reflektierende Oberfläche und den Konvexspiegel 24 auf dem Detektionssystem 40 gebildet werden, werden von den Detektionselementen in dem System 40 in elektrische Signale umgewandelt, die Information über die Position und Verkantung des Polygons liefern und in einer Verarbeitungseinheit 92 analysiert werden. Diese Verarbeitungseinheit liefert anschließend Ausgangssignale 93, die den Elektromagneten 91 zugeführt werden, mit denen die durch diese erzeugten Magnetfelder beeinflußt werden. Die Position und die Verkantung des drehenden Polygonspiegels wird dadurch konstant gehalten.

Zur Erhöhung der Abtastgeschwindigkeit oder um eine niedrigere Umdrehungszahl des Polygons zu realisieren, ist es möglich, das optische System 81-83 so auszuführen, daß der Aufzeichnungsträger gleichzeitig mit Hilfe einer Vielzahl von Abtastflecken eine Vielzahl paralleler Spuren abtastet.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Lage eines Objekts (10), welche Vorrichtung eine Strahlungsquelleneinheit (30) zum Erzeugen eines Strahlenbündels, ein strahlungsempfindliches Detektionssystem (40; 60) und ein in dem Strahlungsweg des Strahlenbündels angeordnetes optisches Abbildungssystem (21; 22; 23; 24) zum Bilden eines Strahlungsflecks (34, 34a; 35, 36) auf dem Detektion ssystem (40; 60) umfaßt, wobei das genannte optische Abbildungssystem (21; 22; 23; 24) zumindest teilweise so mit dem Objekt (10) gekoppelt ist, daß die Intensitätsverteilung des Strahlungsflecks (34, 34a; 35, 36) auf dem Detektionssystem (40; 60) ein Maß für die Position des Objekts (10) in einer Richtung (x, y) quer zum Strahlungsweg und in der Richtung des Strahlungsweges (z) ist, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem zumindest ein reflektierendes Element (21; 22; 23; 24) mit optischem Brechwert umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Element (23; 24) Kugelform hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem weiterhin eine Linse (72; 75) umfaßt, die in einer festen Position relativ zur Strahlungsquelle (30) und dem Detektionssystem (40; 60) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung auch zum Bestimmen der Orientierung des Objekts eingerichtet ist und optische Mittel (25) umfaßt zum Ablenken von Strahlung aus dem Strahlenbündel in Abhängigkeit von der Verkantung des Objekts (10), wobei diese optischen Mittel mit dem Objekt gekoppelt sind, und daß das Detektionssystem (40; 60) weiterhin eingerichtet ist, die abgelenkte Strahlung und damit die Verkantung des Objekts zu detektieren.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Ablenken von Strahlung reflektierende Mittel (25) sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem weiterhin eine Linse (75) umfaßt, die in einer festen Position relativ zur Strahlungsquelle (10) und dem Detektionssystem (40) angeordnet ist, welche weitere Linse mit einem Strahlteiler (76, 77) zum Aufspalten des Strahlenbündels in zwei Teilbündel zur Bestimmung der Position bzw. der Orientierung des Objekts integriert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein astigmatisches Element (51; 53) zum Einbringen von Astigmatismus in das Strahlenbündel in dem Strahlungsweg zwischen dem optischen Abbildungssystem (20) und dem Detektionssystem (40) angeordnet ist, und daß das Detektionssystem (40) zum Detektieren der Form des Strahlungsflecks (34) eingerichtet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (20) zum Bilden eines konvergenten Strahlenbündels am Ort des astigmatischen Elements eingerichtet ist und daß das astigmatische Element eine schräg im Strahlungs weg angeordnete planparallele Platte (51) ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das astigmatische Element (53) ein Hologramm oder eine Zylinderlinse ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dachprisma (52) zum Bilden zweier Strahlungsflecken (35, 36) auf dem strahlungsempfindlichen Detektionssystem (60) in dein Strahlungsweg zwischen dem optischen Abbildungssystem (20; 21) und dem Detektion ssystem angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen den Strahlungsflecken (35, 36) ein Maß für die Position des Objekts (10) in der Richtung (z) des Strahlungsweges ist.

11. Gerät zum Abtasten einer Oberfläche (84), mit einem um eine Drehachse (11) drehbaren Polygonspiegel zum Abtasten der Oberfläche, und eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Position des Polygonspiegels nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

12. Gerät nach Anspruch 11, in dem der drehbare Polygonspiegel mit einer reflektierenden Fläche (25) versehen ist, die senkrecht zu der Drehachse (11) steht, und in dem ein konkaver oder konvexer rotationssymmetrischer Spiegel (24) um die Drehachse (11) herum angeordnet ist.

13. Gerät nach Anspruch 11 oder 12, in dem der drehbare Polygonspiegel mit Hilfe eine Anzahl Elektromagnete (91) magnetisch gelagert ist, wobei das Gerät weiterhin für das Zuführen von Erregungssignalen (93) zu den Elektromagneten in Abhängigkeit von Ausgangssignalen des Detektionssystems (40) eingerichtet ist.







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