專利名稱：可移動反光鏡光學位置的確定方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有專利權利要求1上位概念中所描述特征的可移動反光鏡光學位置的確定方法。此外本發(fā)明涉及實施這種方法的裝置。
從Hanser出版社1983年第4版的瑙曼和施羅德的《光學元件-設計者的袖珍手冊》一書中(Bauelement der Optik，Taschengbuchfuer Konstrukteure，H.Neumann und G.Schrder，4.Ausgabe，Hanser-Verlag，1983)這種方法已經(jīng)成為眾所周知，將該方法作為自動準直方法進行了描述，并且該方法能夠測量旋轉(zhuǎn)反光鏡的角度位置。在這種情況下，一束借助準直透鏡被準直的光線作為測量光線反射到有待測量的反光鏡上，并且反射光線與入射光線所構(gòu)成的夾角在向后穿過準直透鏡時被轉(zhuǎn)換成一個位置信息。但是，該信息轉(zhuǎn)換在測量過程中以透鏡缺陷的形式引入了額外的誤差源。在確定旋轉(zhuǎn)反光鏡當前角度位置對應的信息時，這種誤差的計算修正延長了計算時間。
此外從美國專利4 318 582中，已知一種二維掃描裝置，這種裝置包括二個在二個方向上基本互相垂直的旋轉(zhuǎn)反光鏡，它們用于一種光源，尤其是激光源的光線折射。這些旋轉(zhuǎn)反光鏡借助電驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)，此時為了確定轉(zhuǎn)角位置，旋轉(zhuǎn)反光鏡設有信號發(fā)生器，該信號發(fā)生器與電動馬達的傳動軸連接在一起。這些借助信號發(fā)生器獲取的信息被提供給各旋轉(zhuǎn)反光鏡相應的位置調(diào)節(jié)電路。這種獲取光波角度位置的信號發(fā)生器通常情況下是感應式或電磁式位置探測器，它需要進行高精度的制造，因此目前很難滿足在實際中的精度要求或花費昂貴的制造費用才能滿足。
由此出發(fā)本發(fā)明提出任務，即設計這樣一種方法，它利用簡單光學裝置可實現(xiàn)反光鏡位置的快速測量，尤其是旋轉(zhuǎn)反光鏡的光學測量?？梢杂幂^少的花費來實現(xiàn)分辨率的提高。另外預先設計的用于執(zhí)行該方法的裝置應該要求較低的裝置制造費用并且避免額外的誤差源。另外，借助簡單的光學裝置實現(xiàn)了反光鏡位置的快速光學測量，尤其在掃描裝置中，并且產(chǎn)生一種信號，它能作為調(diào)節(jié)值被輸入到反光鏡所屬的調(diào)整電路中或者直接作為調(diào)整信號用于被測量的反光鏡。
按照專利權利要求中所述特征來實現(xiàn)關于該方法任務的解決方案。按照專利權利要求8所述特征來實現(xiàn)關于這種裝置任務的解決方案。
所建議的方法以及實施該方法的裝置能夠借助較低的花費完成測量目標位置的快速光學測量，該測量目標尤其是作為反光鏡或反光器并且其機械運動通過光學方式被獲取。利用對應于測量目標的機械運動，特別是與位置靈敏光探測器上光斑的位移成比例的運動，該光探測器在下文中也被表示為光學位置傳感器。特別采用半導體激光器或二極管激光器作為光源，并且借助一個光學系統(tǒng)，在光探測器或位置傳感器上產(chǎn)生一個真實的光源圖像。該光學系統(tǒng)被設計為聚焦單元并且在最為簡單的情況下被設計為一個正焦距透鏡，聚光透鏡或者也可以是一個多透鏡系統(tǒng)，譬如消色差透鏡或物鏡。借助光源和一個預定孔徑A的光闌產(chǎn)生一束測量光線，這束光線借助光學系統(tǒng)和/或聚焦單元對準一個反光鏡并且被該反光鏡折射到一個對位置靈敏的光探測器或光學位置傳感器上。以有利的方式由測量目標或反光鏡直接將這束光線或測量光線折射到光探測器上，這樣避免了額外的誤差，尤其是透鏡誤差。所建議的方法以及實施該方法的裝置能夠借助使用聚焦的激光束作為測量光束以及借助計算和/或內(nèi)插迅速生成一個用于確定旋轉(zhuǎn)反光鏡位置的調(diào)整值，這種內(nèi)插能夠用較高分辨率的光探測器來確定測量光束的位置并且允許使用較低分辨率的可快速讀取的探測器。
據(jù)認為，與本文開始敘述的自動準直方法相反，按照本發(fā)明，沒有平行光反射到被視為測量目標的反光鏡或反光器上，而且該光學成像系統(tǒng)沒有被使用二次。以有利的方式在光源和光學成像系統(tǒng)之間設計設置一個帶預定口徑的光闌。將該光學成像系統(tǒng)設計為聚焦單元，而且位置傳感器及光探測器位于測量目標或反光鏡或反光器已聚焦的測量光線的焦點上。實際上，通過位置靈敏光探測器獲取的光斑或光斑尺寸并不重要，因為只使用它的中心點位置。光斑點或光斑的中心通過最大強度來定義或在等強度的情況下通過光斑的幾何中心來定義。該光探測器包括單個范圍或單元，這些單元在下文中被稱為像素，這里電信號優(yōu)選地正比于對應像素上的光線強度。照相二極管、照相晶體管、CCD元件，光敏電阻或者模擬攝像管能夠作為光探測器或其范圍或像素使用。借助位置靈敏光探測器和所附的電子學線路可以對聚焦光線或光斑進行數(shù)字化，這里借助包含光斑的像素，生成對應各相關光線強度的電測量值。該測量值包括光斑的強度及強度分布的信息。
測量值通過一種計算方法和/或內(nèi)插方法去確定光線或光斑強度分布的重心或最大值。在這種情況下，最好以光線或光斑強度分布函數(shù)為基礎并且在評估或計算時予以考慮。此外尤其是在測量目標或反光鏡或反光器初始靜止狀態(tài)時，獲取借助光探測器獲取的光斑分布函數(shù)并且輸入到計算機里，緊接著，在實施本方法時，借助計算機確定重心或強度分布的最大值。此外在一個優(yōu)選的布置中該已知的強度分布函數(shù)被輸入到計算機，特別存儲在存儲器準備用于計算。由包含有離散測量點或像素采樣點的強度信息的測量值，并且在按照本發(fā)明對這些測量值進行評價和計算的基礎上，有關重心位置或該位置的最大值信息也被確定，即使在這些位置尤其鑒于光探測器的單個范圍或單元的最終尺寸沒有被測量到。因此該作為已知的事先設置或事先確定的強度分布函數(shù)能夠以特別有利的方式去確定重心或強度分布的最大值?；诟鶕?jù)本發(fā)明進行的計算，適當?shù)靥岣吡斯馓綔y器或位置傳感器的分辨率。因此能夠以高于探測器分辨的分辨率確定一束測量光線的位置。因此將較低分辨率但能迅速分辨的光探測器應用于高分辨率的條件下。
本發(fā)明進一步的構(gòu)成及特別的擴展在附屬權利要求中和后續(xù)的實施例的描述中得以說明。
本發(fā)明接下來將借助附圖中已說明的實施例作進一步解釋，但并不局限于這些實施例

圖1為該裝置的示意圖；圖2與圖1類似，它用于解釋所用公式的符號；圖3是光斑和采樣值的強度分布示意圖；圖4對帶有線性可移動反光鏡裝置的另一個實施方案的示意圖；圖5讀取和調(diào)整電子線路的方框圖。
圖1示出了包括一個光源2的裝置，該光源2被特別設計為激光器和/或二極管激光器。借助一個具有預定孔徑A的光闌4，生成測量光線6，該光線到達光學成像系統(tǒng)8。該光學成像系統(tǒng)在最簡單的情況下包括一個帶有正焦距的透鏡或一個聚光透鏡，這里如果可能的話也可以認為是一個由多個透鏡組成的系統(tǒng)，譬如一個消色差透鏡或物鏡系統(tǒng)。如圖所示，測量光線從光學系統(tǒng)8到達一個被測量反光鏡10上，并且由反光鏡10以一個預定的優(yōu)選的與垂直面呈一個小角度的方式反射到一個位置靈敏光探測器12。該反光鏡10這里被設計為旋轉(zhuǎn)反光鏡，它可以圍繞與圖示平面垂直的軸14且按照箭頭16的方向旋轉(zhuǎn)。借助光學系統(tǒng)8測量光線用較長的焦距聚焦，其中光探測器12位于焦點。作為位置靈敏光探測器12，它也被標為位置探測器，使用譬如一個特別地帶有168個單元18的二極管行，以測量聚焦點光斑或焦點斑點的位置。在圖中出于簡化的原因僅僅示出較少的單元18。其中對應于當時的要求同樣數(shù)目的單元被預先設定。這也適合于單元18的大小，這里單元18譬如各自邊長約為64μm。單元18是光敏感范圍，在下文中稱之為像素，它能夠?qū)诤?或正比于像素上的光線強度產(chǎn)生一個電信號。此外讀出落在這些圖像敏感單元18或像素上的光功率。焦點光斑的直徑為D，它比像素18尺寸或邊長大一個預定的因子。所述因子優(yōu)選地位于10至30之間的范圍，尤其是15至25之間。一個電子學單元緊接著該對位置靈敏的光探測器12，優(yōu)選地將該電子學單元設計為調(diào)整電路的電子學單元，并且借助它將所確定的焦點光斑位置與計算出的標準位置相比較，此時反光鏡10調(diào)整到標準角度。可以選擇地或額外地借助電子學單元實施計算方法和/或內(nèi)插方法，該方法用于查出和確定重心的位置或相應于最大強度的中心位置或者在焦點光斑等強度的情況下的幾何中心。對于列入反光鏡10的一個集成調(diào)整電路來說，其差別生成一個模擬調(diào)整信號。
如果測量目標10設計為反光鏡，尤其是旋轉(zhuǎn)反光鏡，則該反光鏡可以是一個掃描裝置的組件。該反光鏡在該優(yōu)選的布置中如此被二次利用，從而執(zhí)行掃描過程，其中光源2以所述方式產(chǎn)生測量光束，并且進一步地借助另外的光源，為這些光源設計成激光器作是適宜的。通過所建議的對光學位置的確定，它借助光探測器以及后續(xù)的重心或強度分布的最大值的估計和計算，電子學單元20將所獲取的反光鏡位置的實際值以所述方式準備好供反光鏡10的調(diào)整電路22支配，這里進一步地用于掃描和掃描裝置反光鏡10的定位所需要的值，尤其是位置標準值，被納入在調(diào)整系統(tǒng)中。
根據(jù)圖2光闌4具有孔徑A，光學成像系統(tǒng)8具有焦距F。讀出單個圖像敏感的單元或像素18接收的功率，并且在光探測器12上焦點光斑直徑D與像素尺寸δ×之間一個合適的關系的情況下，通過計算和/或內(nèi)插方法，重心的位置或測量光線焦點光斑中心的位置由準確地求得這些信息，譬如以1/12單個單元或像素18的尺寸。焦點光班的直徑D由光闌直徑A，光學系統(tǒng)8的焦距F以及所應用的激光波長λ給出D=πFλA]]>系統(tǒng)的角度分辨率δ由確定光線位置的分辨率，譬如δ×/12及在反光鏡10及探測器12之間的距離S給出 可探測的旋轉(zhuǎn)角范圍Δ以相同的方式從探測器的伸展ΔX得出Δ＝ΔX/S圖3作為原理描述指出一個光斑的強度分布及借助光探測器獲取的在光探測器的一個長度段X上的位置Xi的掃描或測量值，位置Xi對應于單個的強度值1i，在該實施例中強度分布1對應于一個在Xo處帶有明顯的最大值的鐘形曲線或高斯分布曲線。如圖所見，該獲取的最大掃描值位于光探測器的像素的最終尺寸序列中但卻偏離了實際的強度曲線的最大值。根據(jù)本發(fā)明，尤其借助已敘述的計算機，它能支配在光探測器上的光斑的強度分布的掃描值，一個重心或最大強度的計算，尤其是通過內(nèi)插實施。該計算按照下面的公式徹底地實現(xiàn)X0=ΣIi.XiΣIi.]]>從現(xiàn)存的測量值或預先給定的部分量中，適當?shù)仄┤缬心康牡爻槿∪齻€幾何上互相關連著的測量值，從這些值中有一個必須是獲取最大的測量值。這些挑選出的測量值用于對應于強度分布的描述函數(shù)的參數(shù)計算。這樣描述一個三參數(shù)的拋物線就譬如需要三個測量值。從這樣計算的參數(shù)中最大強度10的位置X0被隨后計算出。這里具有特別意義的是在計算時適當考慮完全已知的強度分布函數(shù)。以優(yōu)選的方式計算在一個與實際強度分布相對應的函數(shù)基礎上進行。如果已知譬如說光斑的測量值完全位于鐘形曲線，則這種實際關系在重心的計算及強度分布的最大值的計算時將被考慮。由通過借助光探測器測量獲取的測量值及在離散測量點或掃描點的強度信息，根據(jù)本發(fā)明的計算與評估，各點最大值的位置被確定，在這些點基于光探測器的單元的最后尺寸，測量值沒有被獲取。該額外的關于最大值位置的信息由作為已知事先預設的強度分布函數(shù)產(chǎn)生。
在該計算及內(nèi)插中以優(yōu)選的方式阻止生成帶有較高誤差的低強度值。因此一個最小值或閾值1s被確定。該閾值1s位于以設定的額值在最大測量值之下，并且優(yōu)選地處于在20％至50％之間的范圍內(nèi)，最好是30％的尺度。如果在所示實施例中閾值Is被設為30％，則在前面解釋過的計算中考慮在該實施例中6個測量值。因此在像素足夠地照亮的情況下，一個遠遠大于光探測器分辨率的分辨率被達到。
圖4指出另一個實施例，根據(jù)該實施例測量目標10可按照雙箭頭24線性移動。線性移動的互相靠近的測量目標10的位置用虛線來說明，這里測量目標10尤其被設計為反光器。相應于測量目標10的運動，在位置靈敏的光探測器12上的測量光斑隨之運動。上面對其它組件的描述，譬如光源2，光闌4等在該實施例中也適用。
圖5指出電子學單元20的一個框架圖。該電子學單元也能被視為讀取或調(diào)整電子學單元。通過A/D轉(zhuǎn)換器26尤其串行地實現(xiàn)光探測器12像素18的讀取，譬如用一個8位分辨率的轉(zhuǎn)換器。數(shù)字化的數(shù)據(jù)被傳遞給緊接著的信號處理器28，它首先從個別的像素18的測量值中，有選地利用內(nèi)插，通過上述的方式確定強度分布的重心位置。在計算和內(nèi)插時以有利的方式通過引入最小值或閾值，阻止帶有誤差的低測量值，并且在計算及內(nèi)插時不予以考慮。一個對焦點光斑位置的標準值，尤其是一個16位的標準值由一個系統(tǒng)控制計算機30導入給計算機里或DSP28，該標準值由測量目標或反光鏡的標準角度位置來計算。已經(jīng)計算出或內(nèi)插出的重心將與該值比較，而且由于其偏差一個數(shù)字調(diào)整值32將生成。因此在下面的D/A轉(zhuǎn)換器34里，它有選地設計為一個14或16位的D/A轉(zhuǎn)換器，生成一個模擬調(diào)節(jié)值36，該調(diào)節(jié)值被輸入到測量目標或反光鏡的調(diào)整電路22中。
參考符號2 光源/激光器4 光闌6 測量光線8 光學成像系統(tǒng)10 測量目標/反光鏡/反光器12 位置靈敏光探測器/光學位置探測器14 10的旋轉(zhuǎn)軸16 箭頭18 圖像敏感單元/像素20 電子學單元22 對10的調(diào)整電路24 雙箭頭26 A/D轉(zhuǎn)換器28 計算機/數(shù)值信號處理器/DSP30 系統(tǒng)控制計算機32 數(shù)字調(diào)整值34 D/A轉(zhuǎn)換器36 模擬調(diào)整值A 孔徑寬D 焦點光斑直徑1 強度Is 閾值Io 最大值
S 10與12間的距離X 位置V 強度分布ΔX 探測器擴展/行長Δ 測量的角度范圍δX 像素尺寸δ 角度分辨率
權利要求
1.用于可移動測量目標(10)，尤其是一個反光鏡或反光器的光學位置確定的方法，其中一個借助光源(2)產(chǎn)生的測量光線(6)被測量目標(10)反射并且到達一個位置靈敏的光探測器(12)上，借助該光探測器(12)完成一個相應于測量目標(10)的位置信息的轉(zhuǎn)換，其特征在于測量光線(6)借助一個光學系統(tǒng)(8)被聚焦在光探測器(12)上，并且由通過光探測器(12)獲取的測量值，確定對應于計算函數(shù)已聚焦的測量光斑的強度分布的重心或最大值的信號。
2.按照權利要求1的方法，其特征在于在確定重心或最大值(Is)時，考慮該被確定的或已知的強度(1)的分布函數(shù)和/或以對應于計算函數(shù)的強度分布為基礎。
3.按照權利要求1或2的方法，其特征在于在確定重心或最大值時借助一個預定的閾值(Is)阻止較小的強度值和/或?qū)㈤撝礗s設定在20％至50％的范圍，優(yōu)選的數(shù)量級為最大強度的30％。
4.尤其按照權利要求1-3之一的方法，其特征在于為了產(chǎn)生一個用于測量目標位置調(diào)整電路的調(diào)整值，通過將光探測器(12)上測量光束(6)的焦點光斑的位置與一個標準值相比較，一個調(diào)整值將隨之產(chǎn)生，該調(diào)整值被輸入到一個屬于測量目標的調(diào)整電路(22)中，這里光探測器(12)上的測量光束優(yōu)選地通過內(nèi)插確定。
5.按照權利要求4的方法，其特征在于生成一個模擬調(diào)整值和/或一個模擬調(diào)節(jié)值和/或生成一個直接調(diào)整反光鏡位置的調(diào)整值。
6.按照權利要求1-5之一的方法，其特征在于從測量目標(10)反射的測量光線立刻被引導到位置靈敏光探測器(12)上。
7.按照權利要求1-6之一的方法，其特征在于它用于一個掃描裝置，其中同一反光鏡用作測量目標，在使用一個其他的光源條件下借助這一反光鏡實施該掃描方法。
8.實施按照權利要求1-7之一的方法的裝置，其特征在于優(yōu)選地采用激光器作為光源來產(chǎn)生測量光線的光學圖像系統(tǒng)(8)，該光學圖像系統(tǒng)被設計成聚焦單元和/或它通過測量目標(10)在該位置靈敏光探測器(12)上產(chǎn)生一個焦點光斑。
9.按照權利要求8的裝置，其特征在于在測量目標(10)和光探測器(12)之間存在一個對測量光線(6)的直接光路。
10.按照權利要求8或9的裝置，其特征在于一個用于確定強度分布的重心(Is)和/或最大值的電子學單元(20)被設置在光探測器(12)之后，和/或該電子學單元(20)，在該電子學單元(20)之后設置一個用于測量目標(10)位置調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)電路(22)。
全文摘要
一種用于可移動測量目標，特別是反光鏡或反光器的光學位置確定的方法。其中一種借助光源(2)產(chǎn)生的測量光束(6)被測量目標(10)反射到一個位置靈敏光探測器(12)上，借助該光探測器實施一個對應于測量目標(10)位置的信息轉(zhuǎn)換。本發(fā)明的任務是構(gòu)造一個方法，即用簡單的光學構(gòu)件能實現(xiàn)反光鏡，尤其是旋轉(zhuǎn)反光鏡的一個迅速的光學位置測量。為完成該任務本發(fā)明建議借助一個光學系統(tǒng)(8)將測量光束(6)聚焦在一個光探測器(12)上并且由該借助光探測器(12)獲取的測量值確定對應于所聚焦的測量光斑強度分布最大值或重心的信號。
文檔編號G01D5/28GK1395677SQ01803896
公開日2003年2月5日 申請日期2001年1月18日 優(yōu)先權日2000年1月19日
發(fā)明者S·沃格勒, R·卡普蘭, R·維克爾特, R·維納恩德茨－范－雷桑德特 申請人:海德堡顯微技術儀器股份有限公司