DE69315686T2 - Winkel-detektion - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft die Erfassung des Winkels eines Lichtstrahls.
- Systeme zum Erfassen des Winkels eines Lichtstrahls werden zum Beispiel bei Geräten zum Feststellen der Ausrichtung von zwei Teilen einer Vorrichtung oder zum Feststellen der Ebenheit eines optischen Tisches oder eines anderen Tisches durch Messen der relativen Ausrichtung von verschiedenen Teilen des Tisches verwendet. Gleichermaßen können sie zum Messen der Ebenheit einer optischen Gleitbahn oder eines Maschinenbettes verwendet werden.
- Bei solchen Systemen wird ein Lichtstrahl auf die Oberfläche gerichtet, dessen Ausrichtung zu vermessen ist, und es wird der Winkel des reflektierten Strahls festgestellt. Der Winkel des reflektierten Strahls. stellt ein Maß is für den Winkel der Oberfläche dar, von dem er reflektiert wurde. In der Praxis wird der Strahl normalerweise nicht von der Oberfläche selbst reflektiert, sondern von einem auf der Oberfläche angebrachten Spiegel, um eine gerichtete Reflexion hoher Qualität zu erhalten.
- Bei einem bekannten System zum Messen des Winkels eines Lichtstrahls wird ein paralleler Lichtstrahl auf einen Gegenstand gerichtet, und der reflektierte Rückstrahl wird von einer Linse erfaßt. Der Winkel des reflektierten Rückstrahls wird mittels eines Multielement-Photodetektors festgestellt, der im Abstand einer Brennweite der Linse hinter dieser angebracht ist. Der reflektierte Rückstrahl ist ein Parallelstrahl, und bekanntlich wird ein Parallelstrahl von einer Linse an einer Stelle im Abstand einer Brennweite der Linse auf einen Punkt fokussiert, wobei die Position des Punktes in der Brennebene vom Einfallswinkel des Parallelstrahls abhängt. Entsprechend erzeugt diese Anordnung auf dem Multielement-Photodetektor an einer Stelle einen Lichtpunkt, der dem Winkel des reflektierten Rückstrahls entspricht. Die Position des Punktes läßt sich aus dem Ausgangssignal des Photodetektors feststellen.
- Diese Anordnung ist zwar theoretisch hochgenau, in der Praxis wird sie jedoch durch die Qualität der verwendeten optischen Elemente und auch durch die Eigenschaften des Multielement-Photodetektors eingeschränkt. Wenn der geometrische Aufbau theoretisch perfekt ist, wird die Gesamtheit des Lichts im reflektierten Rückstrahl auf ein einziges Element fokussiert. Die Auflösung, mit der bei diesem System der Winkel des Lichtstrahls erfaßt werden kann, hängt vom Abstand der Elemente im Detektor ab. Um ein Ausgangssignal guter Qualität zu erzeugen, müssen die Elemente in der Lage sein, der Lichtenergie des voll fokussierten Strahles zu widerstehen, wobei sie sich vorzugsweise bei dieser Lichtintensität nicht in der Sättigung befinden. In der Praxis kann die Anordnung derart sein, daß der Lichtstrahl auf dem Detektor nicht genau auf einen Punkt fokussiert ist, so daß der beleuchtete Bereich mehr als ein Element umfaßt. Die Position des hellsten Teils des beleuchteten Bereichs kann durch Vergleichen der Intensitäten der Ausgangssignale aller beleuchteten Elemente festgestellt werden. Ein Nachteil dieser Anordnung ist, daß die Berechnung sehr von der Qualität der Photodetektorelemente abhängt. Der Ausfall eines der Photodetektorelemente beeinflußt das System sehr stark negativ.
- In der GB-A-2 129 245 wird eine Anordnung vorgeschlagen, in der es eine Maske mit Schlitzen schmalen Linien von Strahlung erlaubt, auf eine Anordnung aus Reihen von photoempfindlichen Detektorelementen zu fallen. Die Reihen erstrecken sich quer zur Richtung der Linien der Strahlung. Jedes Element ist so lang wie der Abstand zwischen den Schlitzen der Maske groß ist und so geformt, daß es für die halbe Länge eine konstante Breite und für die andere Hälfte eine exponentiell abnehmende Breite hat. Die Reihen sind abwechselnd so angeordnet, daß sie sich in Gegenrichtung gegenüberliegen, und das Verhältnis der Signalstärke von Reihen, die in die eine Richtung schauen, zur Signalstärke von Reihen, die in die andere Richtung schauen, stellt ein Maß für die Position längs der jeweiligen Detektorelemente der einzelnen Linien der Strahlung dar. Da sich diese Position mit dem Einfallswinkel der Strahlung ändert, ist dieses Verhältnis der Signalstärke auch ein Maß für den Einfallswinkel.
- In der US-A-5 046 843 wird eine Anordnung vorgeschlagen, bei der der von einem Spiegel reflektierte Lichtstrahl durch zwei quadratische optische Gitter mit der gleichen Teilung läuft. Das Licht, das die Gitter passiert hat, wird von einer Kamera aufgenommen. Bei einer Ausführungsform verlaufen die Streifen beider Gitter parallel zueinander. Wenn die Richtung des Strahls exakt parallel zu einer vorgegebenen Richtung ist, fallen die Schatten der Streifen des ersten Gitters mit den Streifen des zweiten Gitters so zusammen, daß durch die beiden Gitter die Hälfte der einfallenden Lichtintensität durchgelassen wird. Wird der Spiegel leicht gekippt, so daß sich die Richtung des Lichtstrahls ändert, bewegen sich die Schatten der Streifen des ersten Gitters über das zweite Gitter und beginnen, die Räume zwischen den Streifen des zweiten Gitters zu überlappen, wodurch sich die Intensität des Lichts vermindert, das durch die beiden Gitter läuft. Wenn die Schatten der Streifen des ersten Gitters genau gegenphasig zu den Streifen des zweiten Gitters liegen, wird kein Licht durchgelassen. Wenn der Spiegel weiter gekippt wird, nimmt die Intensität des durchgelassenen Lichts wieder zu. Auf diese Weise ändert sich die Intensität periodisch mit dem Winkel des Spiegels. Änderungen im Winkel des Spiegels können durch Zählen, wie oft die Lichtintensität zwischen Maximum und Minimum wechselt, überwacht werden. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Streifen der beiden Gitter nicht ganz parallel, so daß das Intensitätsmuster des durchgelassenen Lichts eine Reihe von geraden Randstreifen umfaßt, die dunkel sind, wenn die Schatten der Streifen des ersten Gitters genau zwischen die Streifen des zweiten Gitters fallen, und die von maximaler Helligkeit sind, wenn das Muster Positionen längs der Gitter entspricht, bei denen die Schatten der Streifen des ersten Gitters genau mit den Streifen des zweiten Gitters zusammenfallen. Beim Kippen des Spiegels, wobei sich die Richtung des Lichtstrahls ändert, bewegt sich das Muster der Randstreifen, so daß Änderungen im Winkel des Spiegels durch das Überwachen der Verschiebung der Randstreifen festgestellt werden können.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Erfassen des Winkels eines Lichtstrahls geschaffen, wie es im Anspruch 1 bzw. Anspruch 6 bzw. Anspruch 9 angegeben ist. Die übrigen Ansprüche beinhalten wahlweise vorzusehende Merkmale.
- Bei der bevorzugten Ausführungsform wird auf einem Photodetektorarray eine sich wiederholende Wellenform erzeugt, derart, daß sich die Phase der Wellenform oder deren Form (die relative Phase von Komponenten) mit dem Winkel des Lichtstrahls ändert. Entsprechend kann der Winkel des Lichtstrahls durch geeignetes Verarbeiten der Ausgangssignale des Photosensorarrays bestimmt werden. Da das Lichtmuster, das auf dem Photosensorarray entsteht, eine sich wiederholende Form hat, trägt eine relativ große Anzahl von Photodetektorelementen zum Ausgangssignal bei, so daß die Genauigkeit der Messung bei jeder beliebigen Gelegenheit nicht sehr von den Eigenschaften einer sehr kleinen Anzahl von Elementen im Detektorarray abhängt.
- Außerdem ermöglicht es die große Anzahl von Photodetektorelementen, daß zum Ausgangssignal eine größere optische Gesamtenergie beiträgt als bei einem System, das den Strahl auf einen Punkt fokussiert. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist dadurch erhöht.
- Der Abstand der Photosensorelemente in der Anordnung ist kleiner als die halbe Wellenlänge des Wellenformmusters, das beim Verarbeiten der Photosensor-Ausgangssignale verwendet wird. Vorzugsweise ist der Abstand kleiner als ein Viertel der Wellenlänge. Dieser kleine Abstand ermöglicht ein gutes Abtasten der Phaseneigenschaften.
- Um eine gute Erfassung der Phaseneigenschaften sicherzustellen, ist die Detektoranordnung mindestens so lang wie die Wellenlänge des Wellenformmusters, das beim Verarbeiten der Photosensor-Ausgangssignale verwendet wird, vorzugsweise wenigstens doppelt so lang als die Wellenlänge der Wellenform und am besten mindestens vier mal so lang.
- Bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Größe der Detektoranordnung bis zur Grenze des Bereichs erweitert werden, in dem das sich wiederholende Muster ausgebildet wird, damit die Anzahl der Elemente ansteigt, die zum Ausgangssignal beitragen, wodurch sich die Qualität des Ausgangssignals erhöht und die Auswirkungen von Variationen in der Leistungsfähigkeit von verschiedenen Detektorelementen verringert werden.
- Beim Analysieren der Ausgangssignale vom Photodetektor kann es nützlich sein, am Ausgangssignal eine Fouriertransformation auszuführen, zum Beispiel mittels einer Prozedur zur schnellen Fouriertransformation (FFT).
- Bei den bevorzugten Ausführungsformen fällt der Strahl, dessen Winkel zu erfassen ist, durch eine oder mehrere Masken mit einem sich wiederholenden Muster, zum Beispiel einem sinusförmigen Hell-Dunkel-Muster, auf das Photodetektorarray. Die Masken sind voneinander beabstandet, und wenn nur eine Maske verwendet wird, ist diese vom Detektor beabstandet. Dieser Abstand hat zur Folge, daß sich die Stelle, an der der Schatten der ersten Maske auf die nächste Maske oder den Detektor fällt, mit dem Winkel des einfallenden Lichts ändert. Wenn zwei Masken verwendet werden, beeinflußt dies die Form des sich auf dem Detektor ergebenden Musters, und es verändern sich in jedem Fall die Phaseneigenschaften des Detektor-Ausgangssignals mit dem Winkel, mit dem das Licht auf die Anordnung fällt.
- Wenn nur eine einzige Maske verändert wird, kann diese auf der einen Oberfläche eines Blocks aus Glas oder einem ähnlich transparenten Material vorgesehen werden, wobei das Detektorarray (z.B. eine CCD) an der gegenüberliegenden Oberfläche ausgebildet oder damit verbunden sein kann, damit die Dimensionsstabilität der Anordnung sichergestellt ist.
- Beim Verarbeiten des Ausgangssignals des Detektorarrays wird der Wert eines Parameters bestimmt, der sich mit dem Winkel des Lichtstrahls ändert. Es ist möglich, dann den Wert dieses Parameters in eine Gleichung einzusetzen, die anhand von Kenntnissen der Merkmale des Systems vorgegeben wurde, um den Winkel zu berechnen. Es wird jedoch öfters zweckmäßig sein, das System anhand von Werten des Parameters für Lichtstrahlen mit bekannten Winkeln zu kalibrieren und dadurch eine Nachschlagetabelle zu erzeugen, die das System dann in der Folge verwendet, um aus dem Wert des Parameters, der vom Photodetektor-Ausgangssignal abgeleitet wird, den Winkel zu bestimmen.
- Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die nicht-einschränkende Beispiele darstellen, werden nun anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 2 schematisch eine Nahansicht der Detektoranordnung der Ausführungsform der Fig. 1;
- Fig. 3 eine Verarbeitungsschaltung zum Verarbeiten der Ausgangssignale des Photodetektorarrays;
- Fig. 4 einen ersten physikalischen Aufbau für die Detektoranordnung bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 2;
- Fig. 5 einen alternativen physikalischen Aufbau für die Detektoranordnung;
- Fig. 6 einen weiteren alternativen physikalischen Aufbau für die Detektoranordnung;
- Fig. 7 eine schematische Ansicht, entsprechend der Fig. 1, einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 8 schematisch eine Nahansicht der Detektoranordnung der Ausführungsform der Fig. 7;
- Fig. 9 eine Modifikation der Ausführungsformen der Fig. 1 und 7, mit der der Winkel eines Lichtstrahls längs zwei quer zueinander liegenden Achsen festgestellt werden kann.
- Die Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung der Teile einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und die Fig. 2 schematisch eine vergrößerte Ansicht des Detektorabschnittes der Vorrichtung der Fig. 1.
- Bei der Anordnung der Fig. 1 fällt das Licht von einer Lichtquelle 1 durch eine Blende 3 und eine Kollimatorlinse 5 auf einen Strahlteilerspiegel 7.
- Das Licht von der Lichtquelle 1, das durch den Strahlteilerspiegel 7 gelaufen ist, fällt auf einen externen Meßspiegel 13, der an der Fläche angebracht ist, deren Ausrichtung zu bestimmen ist. Das Licht wird vom externen Meßspiegel 13 auf den Strahlteilerspiegel 7 zurück reflektiert und gelangt von dort zu einem Photodetektorarray 11. In der Regel ist das Photodetektorarray 11 ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD).
- Das Licht von der Lichtquelle 1 braucht nicht genau parallel und auch nicht kohärent zu sein, es können daher außer einäm Laser auch viele andere Arten von Lichtquellen verwendet werden.
- Vor dem Photodetektorarray 11 sind derart, daß das Licht vom externen Meßspiegel 13 darauf fällt, zwei Schattengitter oder Masken 23, 25 in einem Abstand d&sub1; voneinander angeordnet. Die nähere Maske 25 weist vom Photodetektorarray 11 einen Abstand d&sub2; auf. Jede dieser Masken besitzt ein sich wiederholendes Muster sich ändernder Lichtdurchlässigkeit Zum Beispiel kann sich die Durchlässigkeit jeder Maske sinusförmig zwischen im wesentlicher vollständiger Durchlässigkeit und im wesentlichen vollständiger Undurchlässigkeit ändern. Diese sinuswellenförmige Änderung der Durchlässigkeit ist in den Fig. 1 und 2 schematisch durch die in jeder der Masken 23 und 25 gezeigte Wellenlinie dargestellt.
- Wenn das vom externen Meßspiegel 13 reflektierte Licht durch die Masken 23, 25 auf das Photodetektorarray 11 fällt, entsteht auf dem Photodetektorarray 11 ein Schatten jeder Maske. Jeder Schatten ist ein abwechselndes Hell- Dunkel-Muster mit einer Wellenform und einer Wellenlänge, die der der jeweiligen Maske entspricht. Das auf dem Photodetektorarray 11 tatsächlich entstehende Hell-Dunkel-Muster setzt sich aus den Schatten der beiden Masken 23, 25 zusammen.
- Wie in der Fig. 2 zu sehen ist, fällt ein Lichtstrahl, der durch einen bestimmten Punkt der ersten Maske 23 geht, durch einen Punkt der zweiten Maske 25, der durch den Winkel des Lichtstrahls bestimmt ist. In den Fig. 1 und 2 sind Masken gezeigt, die Muster mit den gleichen Wellenlängen haben, die für Licht, das senkrecht zu den Masken und zum Photodetektorarray 11 einfällt, zueinander in Phase sind. Die Überlagerung der Schatten der beiden Masken 23, 25 lassen auf dem Photodetektorarray 11 ein Hell-Dunkel-Muster entstehen, das formelmäßig das Produkt einer Multiplikation der Formeln für die beiden Masken 23, 25 ist. Die Masken werden ohne jede Verschiebung miteinander multipliziert, wenn die Richtung des einfallenden Lichts senkrecht zu den Masken 23, 25 und dem Photodetektorarray 11 ist. Wenn das Licht jedoch von der Senkrechten abweicht, werden die Formeln der Masken miteinander mit einer Längenverschiebung multipliziert, die gleich d&sub1; tan a ist, wenn a der Winkel zwischen der Richtung des Lichts und der Senkrechten zu den Masken 23, 25 ist, und das Produkt ist selbst relativ zum Photodetektorarray 11 um d&sub2; tan a verschoben. Diese Längenverschiebungen stellen in der Gleichung für die Masken Phasenverschiebungen entsprechend dem Anteil der Wellenlänge L des Maskenmusters an der Verschiebung dar.
- Wenn die Position oder der Winkel der Masken 23, 25 oder des Photodetektorarrays 11 verändert wird, verändern sich auch die Phasenverschiebungen im Signal des Photodetektorarrays 11. Für eine gegebene Anordnung der Masken 23, 25 und des Photodetektorarrays 11 stellen die Phasenverschiebungen im Signal vom Photodetektorarray 11 ein Maß für den Winkel des Meßstrahles relativ zu den Masken 23, 25 und zum Photodetektorarray 11 dar. Die Wellenlänge des Lichtintensitätsmusters, das auf dem Photodetektorarray 11 entsteht, wird von den Mustern der Maske bestimmt und ändert sich nicht mit dem Winkel des Lichtstrahls.
- Wenn die Durchlässigkeiten T1 und T2 der Masken 23, 25 gegeben sind durch
- T1 = T2 = 1 + cosX, (7)
- wobei X der normalisierte Abstand längs der Masken 23, 25 ist (d.h. x = 2π, wenn der Abstand gleich einer Wellenlänge L des Maskenmusters ist), ist das Muster S des Lichts auß dem Photodetektorarray 11 gegeben durch
- S = T1 x T2 = [1 + cos(X+k&sub2;)] [1 + cos(X+k&sub1;+k&sub2;)] (8)
- wobei k&sub1; die Phasenverschiebung zwischen den Schatten der Muster der Masken 23, 25, die sich aus der Neigung des Lichts ergibt, und k&sub2; die Phasenverschiebung des Schattens des Musters der näheren Maske 25 auf dem Photodetektorarray 11 ist. Die Phasenverschiebungen k&sub1; und k&sub2; sind mit den Abständen d&sub1; und d&sub2; durch die Gleichungen
- k&sub1; = (2πd&sub1; tan a)/L (9)
- k&sub2; = (2πd&sub2; tan a)/L (10)
- verknüpft, wobei a der Winkel, um den das Licht von der Senkrechten zu den Masken 23, 25 abweicht, und L die Wellenlänge des Durchlässigkeitsmusters auf den beiden Masken 23, 25 ist.
- Das Ausmultiplizieren der Gleichung (8) ergibt
- S = 1 + cos (X+k&sub2;) + cos (X+k&sub1;+k&sub2;) + cos(X+k&sub2;) cos(X+k&sub1;+k&sub2;) (11)
- und das Anwenden trigonometrischer Beziehungen
- S = 1 + ½ cosk&sub1;
- + 2cos (k&sub1;/2) cos(X+k&sub2;+k&sub1;/2) + ½ cos(2X+2k&sub2;+k&sub1;) (12)
- Es ist ersichtlich, daß die Phasenverschiebung k&sub1; im Gleichspannungs-Offsetpegel des Ausgangssignals des Photodetektorarrays 11 und der Amplitude des Ausdrucks für die erste Harmonische (cosX) erscheint, und daß die Phasenverschiebungen k&sub1; und k&sub2; in der Phase der Ausdrücke für die erste Harmonische (cosX) und der zweiten Harmonischen (cos2X) erscheinen.
- Wenn am Ausgangssignal des Photodetektorarrays 11 eine schnelle Fouriertransformation ausgeführt wird, gibt das Ausgangssignal die Amplitude der Gleichspannungskomponente und die Amplituden und die Phasen der Harmonischen wieder. Da die Phaseninformation von (k&sub2; + k&sub1;/2) abhängt, hängt die Umwandlung davon in eine Information über den Winkel a von den Werten für sowohl d&sub2; als auch d&sub1; ab. Wenn die Amplituden der Gleichspannungskomponente und der ersten Harmonischen verwendet werden, hängt die Umwandlung davon in eine Information über den Winkel a nur vom Wert des Abstands d&sub1; ab, und der genaue Wert von d&sub2; spielt keine Rolle.
- Die Fig. 3 zeigt schematisch die Teile einer Verarbeitungsschaltung zum Bestimmen des Winkels des Lichtstrahls vom externen Meßspiegel 13 aus dem sich wiederholenden Muster von Hell und Dunkel auf dem Photodetektorarray 11. Zusätzlich zum Detektorarray 11 umfaßt das System der Fig. 3 eine Verarbeitungseinheit 15 mit einem Programm- und Arbeitsspeicher, eine Nachschlagetabelle 17, eine optionale Einheit 19 für eine schnelle Fouriertransformation und eine Ausgabevorrichtung 21 wie eine Anzeige oder einen Drucker für die Ausgabe der Ausgangsinformationen über den Winkel des Strahles vom externen Meßspiegel 13. Die Einheit 19 für eine schnelle Fouriertransformation kann erforderlichenfalls als Software-Paket im Programmspeicher der CPU 15 vorgesehen werden. Einheiten für die schnelle Fouriertransformation und Software-Pakete dafür sind allgemein bekannt.
- Es ist theoretisch möglich, zum Umwandeln des abgeleiteten Signals in den Winkel des externen Meßspiegels 13 mit der Kenntnis der optischen Eigenschaften der Vorrichtung eine Formel bereitzustellen. Normalerweise ist es in der Praxis jedoch zweckmäßiger, an der Vorrichtung einen Kalibrier vorgang auszuführen, nachdem er aufgestellt wurde, bei dem für eine Anzahl von bekannten Winkeln des externen Meßspiegels 13 Werte für das abgeleitete Signal bestimmt werden, aus denen eine Tabelle erstellt wird, die die Werte des abgeleiteten Signals im Verhältnis zum Winkel des Spiegels 13 angibt. Diese Tabelle wird dann als die Nachschlagetabelle 17 gespeichert, und die CPU 15 verwendet die Nachschlagetabelle 17, um die Winkelinformationen zu erhalten, die den Werten für das Fourier-transformierte Signal entsprechen. Die so erhaltenen Winkelwerte werden an der Ausgabeeinheit 21 ausgegeben.
- Aus der Gleichung (9) ist ersichtlich, daß für jeden gegebenen Wert des Winkels a der Wert von k&sub1; direkt proportional dem Abstand d&sub1; zwischen den beiden Masken 23, 25 ist. Durch Erhöhen des Abstandes d&sub1; kann daher die Empfindlichkeit der Vorrichtung verbessert werden. Es wird jedoch dabei auch der Winkelbereich für das Licht verringert, für den die Vorrichtung verwendet werden kann, da jeder Wert von k&sub1; außerhalb des Bereiches von +π bis -π nicht vom entsprechenden Wert in diesem Bereich unterschieden werden kann. Entsprechend sollte die Vorrichtung nur dazu verwendet werden, Winkel innerhalb des Bereichs zu bestimmen, wenn keine weiteren Vorkehrungen getroffen wurden, um zwischen verschiedenen Winkeln zu unterscheiden, die die gleiche Phasenverschiebung k&sub1; ergeben.
- Ein als Photodetektorarray 11 verwendetes CCD-Array enthält typisch zum Beispiel 2048 oder 4096 Zellen mit einer Teilung von zum Beispiel 10 Mikrometern. Die Gesamtlänge des Arrays liegt daher im Bereich von einigen Zentimetern. Der Abschnitt des Arrays, auf dem das Schattenmuster ausgebildet wird, ist dann sehr viel länger als die Wellenlänge des auf dem Array ausgebildeten Schättenmusters, so daß sich auf dem Array 11 viele Zyklen des sich wiederholenden Musters befinden. Daher sind, wenn einzelne CCD-Zellen ausfallen oder ein nicht standardgemäßes Ausgangssignal abgeben, die Auswirkungen davon auf die Zuverlässigkeit der durchgeführten Winkelmessung sehr gering.
- Für ein solches CCD-Array ist der Abstand d&sub1; zwischen den Masken 23, 25 zweckmäßigerweise etwa 4 bis 5 mm, er kann jedoch auch bis zu 5 cm betragen. Der Abstand d&sub2; zwischen dem Photodetektorarray 11 und der näheren Maske 25 beträgt zweckmäßigerweise einige mm oder bis zu etwa 5 cm.
- Bei dem beschriebenen Beispiel wiesen die Muster der beiden Masken 23, 25 die gleiche Frequenz auf und waren in Phase. Dies ist nicht erforderlich, wenn sie jedoch verschiedene Frequenzen haben, befinden sich in der Gleichung (12) zusätzliche Terme. In diesem Fall sollte die Verarbeitungsschaltung der Fig. 3 diejenigen Terme im Fouriertransformations-Ausgangssignal feststellen und heraustrennen, die sich mit dem Winkel a ändern.
- Für die obige CCD-Art und die obigen Maskenabstände liegen die Wellenlängen des sich wiederholenden Durchlässigkeitsmusters jeder Maske in der Regel im Bereich von 50 µm. Als generelle Einschränkung sollte die Wellenlänge des Maskenmusters größer sein als der Abstand von 2 Zellen der CCD, sie braucht jedoch auch nicht sehr viel größer zu sein. Der Wert von 50 µm für die Wellenlänge des Maskenmusters ist im Vergleich zu der Teilung von 10 µm für die Elemente der CCD, so daß der eine Wert fünf mal so groß ist wie der andere, für die Praxis gut geeignet.
- Die Fig. 4 zeigt einen möglichen Aufbau der Detektoranordnung aus dem Photodetektorarray 11 und den Masken 23, 25 bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 2. In der Fig. 4 werden erste und zweite lichtdurchlässige Elemente 27, 29 und das Photodetektorarray 11 durch starre Seitenteile 31 getragen und festgehalten. Die Durchlässigkeitsmuster, die die Masken 23, 25 bilden, sind auf den Oberflächen der lichtdurchlässigen Elemente 27, 29 ausgebildet, und die Seitenteile 31 halten die beiden Masken 23, 25 im Abstand d&sub1;.
- Aufgrund des Erfordernisses einer sehr guten mechanischen Stabilität für die Detektoranordnung können bei dem Aufbau der Fig. 4 einige Schwierigkeiten auftreten. Bei einer CCD mit 4096 Zellen im Abstand von 10µm, einem Maskenabstand d&sub1; von etwa 5 mm und einer Wellenlänge des Maskenmusters von etwa 50 µm werden Bewegungen im Bereich von 10 nm im Muster einer der Masken 23, 25 relativ zur anderen mit dem obigen Verfahren des Bestimmens der Phase der Komponenten im CCD- Ausgangssignal durch Ausführen einer Fouriertransformation erfaßt. Entsprechend muß die Positionierung der beiden Masken 23, 25 relativ zueinander in der Längsrichtung der Masken 23, 25 und zum Photodetektorarray 11 stabil und innerhalb eines wesentlich kleineren Abstandes als diesem unveränderlich sein, vorzugsweise innerhalb weniger als 1 nm. Das System kann nämlich nicht zwischen Änderungen im Winkel des Lichts und relativen Bewegungen der beiden Masken 23 und 25 unterscheiden. Bei der Anordnung der Fig. 4 ist ein so hoher Grad an mechanischer Stabilität nur schwer zu erreichen.
- In der Fig. 5 ist ein alternativer Aufbau der Detektoranordnung gezeigt. Bei diesem Aufbau ist ein einziges lichtdurchlässiges Element 33 vorgesehen, und die Masken 23, 25 werden durch Modifizieren der Lichtdurchlässigkeit der gegenüberliegenden Oberflächen des einen lichtdurchlässigen Elements 33 erzeugt. Entsprechend ist der Abstand d&sub1; zwischen den beiden Masken 23, 25 durch die Dicke des einen lichtdurchlässigen Elements 33 gegeben. Die Seitenteile 31 dienen dazu, das eine lichtdurchlässige Element 33 am Photodetektorarray 11 zu halten.
- Durch die in der Fig. 6 gezeigte Anordnung kann der Aufbau der Detektoranordnung weiter vereinfacht und die physikalische Stabilität der Anordnung zweckmäßig erreicht werden, wobei das Photodetektorarray 11 direkt mit dem einen lichtdurchlässigen Element 33 verbunden oder alternativ direkt auf dem einen lichtdurchlässigen Element 33 als Substrat ausgebildet ist. Das eine lichtdurchlässige Element 33 kann aus Glas oder einem anderen transparenten Material sein, das für die Verwendung als Substrat bei dem Prozeß des Ausbildens des Photodetektorarrays 11 geeignet ist.
- Um die beiden Masken 23, 25 bei der Detektoranordnung der Fig. 6 zu erzeugen, kann die zweite Maske 25 auf der Oberfläche des einen lichtdurchlässigen Elements 33 ausgebildet werden, auf der das Photodetektorarray 11 vorgesehen ist. Dies kann jedoch zu Schwierigkeiten bei der Herstellung führen, und es kann insbesondere schwierig sein, die zweite Maske 25 vorzusehen, wenn das Photodetektorarray 11 direkt auf dem einen lichtdurchlässigen Element 33 als Substrat ausgebildet werden soll. Entsprechend wird die Detektoranordnung der Fig. 6 zweckmäßigerweise bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet, die nur eine Maske 23 variabler Durchlässigkeit aufweist, die an der vom Photodetektorarray 11 abgewandten Seite des lichtdurchlässigen Elements 33 ausgebildet werden kann.
- Die Fig. 7 und 8 zeigen eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der nur eine Maske mit variabler Lichtdurchlässigkeit verwendet wird.
- Die Anordnung der Fig. 7 und 8 ist die gleiche wie bei den Fig. 1 und 2, mit der Ausnahme, daß nur eine Maske 23 vorhanden ist. Entsprechend ist das Hell-Dunkel-Muster, das auf dem Photodetektorarray 11 entsteht, das gleiche sich wiederholende Muster wie das Muster auf der Maske 23. Wie in der Fig. 8 zu sehen ist, hängt die Stelle, an der der Schatten eines bestimmten Punktes auf der Maske 23 auf dem Photodetektorarray 11 erscheint, vom Winkel des Lichts ab, das vom externen Meßspiegel 13 reflektiert wird. Entsprechend ändert sich die Phase des auf dem Photodetektorarray 11 entstehenden Hell-Dunkel-Musters bezüglich des Photodetektorarrays 11 mit dem Winkel des Lichts, und die Verarbeitungsschaltung der Fig. 3 wird dazu verwendet, diese Phase zu bestimmen. In diesem Fall ist der kritische Abstand d der Abstand zwischen der Maske 23 und dem Photodetektorarray 11, wie es in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist.
- Die Phasenverschiebung des auf dem Photodetektorarray entstehenden Lichtintensitätsmusters ist ein Maß für den Winkel des Lichtstrahls relativ zur Maske 23 und dem Photodetektorarray 11. Die Wellenlänge des Lichtintensitätsmusters wird durch das Maskenmuster bestimmt und ändert sich nicht mit dem Winkel des Lichtstrahls.
- Wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 ist die Phasenverschiebung k zwischen dem auf dem Photodetektorarray 11 erzeugten Schattenmuster und dem Muster der Maske 23 definiert durch
- k = (2πd tan a)/L (13)
- wobei L die Wellenlänge des Musters der Maske 23 und a der Winkel ist, um den das Licht von der Senkrechten zur Maske 23 und dem Photodetektorarray 11 abweicht.
- Wenn die Durchlässigkeit T der Maske 23 gegeben ist durch
- T = 1 + cosX, (14)
- wobei X der bezüglich L normalisierte Abstand längs der Maske 23 ist, ist das Muster S des Lichts auf dem Photodetektorarray 11 gegeben durch
- S = 1 + cos(X+k) (15)
- wobei k die Phasenverschiebung ist.
- Ein möglicher Weg zur Bestimmung von k ist, mittels der Einheit 19 zur schnellen Fouriertransformation die Fouriertransformierte von 5 zu berechnen und die Komponente auszuwählen, die die Frequenz des Maskenmusters hat. Der Ausdruck für die Phase dieser Komponente enthält k.
- Es ist anzumerken, daß es, da die Raumfrequenzen der erwünschten Harmonischen vorab bekannt sind, nicht erforderlich ist, die Fouriertransformierte für alle Raumfrequenzwerte zu berechnen, sondern nur für diejenigen, die gewünscht sind, auch wenn in diesem Fall bestimmte Werte für die Wellenlänge des sinusartigen Maskenmusters vorzuziehen sind. Bei der Ausführungsform der Fig. 7 ist nur die Komponente mit der Raumfrequenz des Maskenmusters erforderlich, und es ist daher möglich, die erwünschte Phaseninformation aus einer einzigen Integrationsoperation zu erhalten. Die erforderliche Verarbeitungszeit verringert sich dadurch, und es kann im Vergleich zu einem System, das die volle schnelle Fouriertransformation durchführt, auch eine einfachere Hardware Verwendung finden.
- In einem alternativen Verfahren kann das Ausgangssignal des Photodetektorarrays 11 in der CPU 15 mit cosX und getrennt davon mit sinX wie folgt multipliziert werden. Die Multiplikation mit cosX ergibt
- S cosX = cosX [1 + cos(X+k)] (16) = cosX + cosX cos(X+k) - cosX + ½cos(2X+k) + ½cosk (17)
- und die Multiplikation mit sinX
- S sinX = sinX [1 + cos(X+k)] (18) = sinX + sinX cos(X+k) = sinX + ½sin(2X+k) - ½sink (19)
- Aus den Gleichungen (17) und (19) ist ersichtlich, daß, wenn die Ergebnisse der Multiplikation des Ausgangssignales des Photodetektorarrays 11 mit cosX und sinX jeweils so gefiltert werden, daß die sich ändernden Terme entfernt werden und nur die Gleichstromterme erhalten bleiben, für cos k und sin k Werte erhalten werden können. Das Verhältnis davon ergibt tan k. Die CPU 15 kann mit einer Tabelle von tan- Werten versehen werden, damit sie aus tan k den Wert von k bestimmen kann, alternativ kann die Nachschlagetabelle 17 so ausgestaltet werden, daß die Werte von tan k direkt eingegeben werden können. Dieses Verfahren kann mehr Rechenleistung erfordern als das Verfahren mit der Fouriertransformation.
- Wenn als Photodetektorarray 11 ein CCD-Array mit 2048 Elementen mit einem Elementabstand von 13 µm verwendet wird, die Wellenlänge des Musters auf der Maske 23 gleich 52 µm und der Abstand d zwischen der Maske 23 und dem Photodetektorarray 11 gleich 4 cm ist, ergibt eine Abschätzung auf der Basis von theoretischen Betrachtungen des Photonenrauschens, daß Neigungswinkel des externen Meßspiegels 13 mit einer Ungenauigkeit im Bereich von 0,005 Bogensekunden gemessen werden können.
- Wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 kann die Genauigkeit durch Vergrößern des Abstandes d erhöht werden. Aber auch wenn die physikalische Stabilität des Detektorsystems sichergestellt ist, gibt es eine Grenze für die Erhöhung des Abstandes d. Wenn die anderen Parameter des Systems wie oben angegeben sind, ergeben Abstände d von mehr als etwa 10 cm im Ausgangssignal des Photodetektors 11 ein erhebliches Rauschen, das vom Beugungsgittereffekt der Maske 23 verursacht wird.
- Wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 ist der maximal zur Verfügung stehende Meßbereich begrenzt, da eine Verschiebung des Musters auf dem Photodetektorarray 11 von mehr als L/2 (wobei L die Wellenlänge des Musters der Maske 23 ist) nicht von einer von einem anderen Winkel des Lichtstrahls verursachten Verschiebung innerhalb dieses Bereichs unterschieden werden kann. Dies stellt nicht notwendigerweise ein Problem dar, da Systeme dieser Art normalerweise nur zum Messen sehr kleiner Abweichungen von der gewünschten Richtung verwendet werden, und wenn der externe Meßspiegel 13 um einen größeren Winkel aus der gewünschten Richtung gekippt wird, kann der reflektierte Strahl ganz an der Detektoranordnung vorbeigehen. Wenn es gewünscht ist, den Meßbereich des Systems zu erhöhen, können jedoch Einrichtungen vorgesehen werden, die aufeinanderfolgende Zyklen im Wert von k unterscheiden können.
- Ein Weg zum Vorsehen einer solchen Anordnung ist, die Transmissionseigenschaften der Maske 23 so zu ändern, daß ein weiteres sinusförmiges Hell-Dunkel-Muster überlagert wird, dessen Wellenlänge viel größer ist als die des Musters, das für die genaue Winkelmessung verwendet wird. In diesem Fall ist die Transmissionsfunktion T der Maske 23 gegeben durch
- T = 1 + cosX + cos(X/N) (20)
- wobei N der Faktor ist, um den die Wellenlänge des zusätzlichen Musters größer ist als die Wellenlänge des Musters, das für die genaue Winkelmessung verwendet wird.
- Wenn zum Bestimmen der Phasenverschiebung ein Fouriertransformationsverfahren angewendet wird, können die einzelnen Komponenten der überlagerten Sinusmuster leicht voneinander unterschieden werden, da sie wesentlich unterschiedliche Frequenzen haben. Die Phasenverschiebung des langfrequenzigen Musters ergibt einen unzweideutigen Näherungswert für den Winkel, während die Phasenverschiebung des kurzwelligen Musters eine genaue Messung des näherungsweise bestimmten Winkels erlaubt.
- Bei Systemparametern wie oben angegeben ergibt eine Abschätzung, daß ohne ein zusätzliches Langwellenmuster in der Maske 23 das System dazu verwendet werden kann, eine Neigung des externen Meßspiegels 13 im Bereich von ±67 Bogensekunden festzustellen, und wenn in der Maske 23 ein weiteres Muster mit einer Wellenlänge von 1,644 mm vorgesehen wird, kann der maximale Meßbereich auf ±2100 Bogensekunden des Kippwinkels des externen Meßspiegels 13 erweitert werden. Dies wird von einer kleinen Erhöhung in der Unsicherheit der Messung im Bereich von etwa 2 begleitet.
- Bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 und der der Fig. 7 und 8 braucht das Licht der Lichtquelle 1 nicht kohärent zu sein, und der davon ausgehende Lichtstrahl braucht nicht genau parallel zu sein. Die Intensitätsverteilung des Lichts quer über den Strahl braucht auch nicht gleichmäßig zu sein, sie sollte aber über Abstände im Bereich der Größe des Durchlässigkeitsmusters der Maske bzw. der Masken 23, 25 ziemlich gleichmäßig sein.
- Die oben beschriebenen Systeme sind in dem Sinne eindimensionale Systeme, daß der Neigungswinkel des einfallenden Lichtstrahls und damit des externen Meßspiegels 13 nur längs einer Achse festgestellt wird. Die Systeme können in der in der Fig. 9 gezeigten Art aber auch in zweidimensionale Systeme umgewandelt werden, die den Neigungswinkel in zwei Achsen messen.
- In der Fig. 9 fällt das den Strahlteilerspiegel 7 zum Detektor verlassende Licht auf einen zweiten Strahlteilerspiegel 35. Ein Teil des Lichts durchläuft den zweiten Strahlteilerspiegel 35 und ein Teil wird davon reflektiert. Der Teil, der den zweiten Strahlteilerspiegel 35 durchläuft, fällt auf eine erste Detektoranordnung 37, die sich linear in eine Richtung erstreckt, und der reflektierte Teil des Lichts fällt auf eine zweite Detektoranordnung 39, die sich so in eine andere Richtung linear erstreckt, daß Änderungen im Winkel des Lichts längs einer Achse erfaßt werden können, die im wesentlichen senkrecht zu der Achse ist, in der Änderungen durch die erste Detektoranordnung 37 erfaßt werden. Jede der Detektoranordnungen 37, 39 kann wie in der Fig. 2 oder in der Fig. 8 gezeigt aufgebaut sein, abhängig davon, welche der Detektoranordnungen verwendet wird.
- Um zweidimensionale Informationen zu liefern, sollte der Lichtstrahl eine Querschnittsform mit einer wesentlichen Erstreckung in zueinander senkrechten Richtungen haben, zum Beispiel eine im wesentlichen quadratische oder kreisförmige Querschnittsform. Um das Licht jeweils auf das generell lange, dünne Photodetektorarray 11 in jeder Detektoranordnung 37, 39 zu konzentrieren, sind Zylinderlinsen 41, 43 vorgesehen.
- Bei der zweidimensionalen Anordnung der Fig. 9 kann is für jede der Detektoranordnungen 37, 39 eine eigene Verarbeitungsschaltung wie in der Fig. 3 gezeigt vorgesehen werden. Alternativ kann eine einzige gemeinsame Verarbeitungsschaltung verwendet werden, die die beiden Ausgangssignale unabhängig voneinander verarbeitet. Diese kann zu der Ausgabeein heit 21 die Neigungswinkel in den Richtungen der beiden Achsen ausgeben, alternativ kann die CPU 15 die beiden Winkel auch geometrisch kombinieren, um ein Ausgangssignal in der Form eines Wertes für die Neigung und einer Richtung der Neigung auszugeben.
- Die obigen Ausführungsformen wurden beispielhaft vorgestellt, und für den Fachmann sind verschiedene Modifikationen und Alternativen offensichtlich.
Claims (11)
1. System zum Erfassen des Winkels eines Lichtstrahls
innerhalb eines Winkelmeßbereichs, umfassend
eine Photodetektoreinrichtung (11),
mindestens eine Maske (23, 25) mit einem
Transmissionsmuster, in dem sich die Transmission durch die Maske (23,
25) mit dem Weg längs der Maske periodisch ändert und das der
Lichtstrahl durchsetzt, um auf die Photodetektoreinrichtung
(11) ein Muster zu projizieren,
eine Analysiereinrichtung (15, 17, 19) zur Aufnahme
eines von der Photodetektoreinrichtung (11) ausgelesenen
Signals und zum Analysieren des Signals zur Erzielung eines
Meßwerts des Lichtstrahlwinkels,
dadurch gekennzeichnet, daß die Analysiereinrichtung
(15, 17, 19) das Signal auf eine Phaseneigenschaft in dem
Lichtmuster analysiert,
und daß die Photodetektoreinrichtung (11) eine
Anordnung von Photodetektorzellen aufweist,
wobei die Zellen der Anordnung in einer Teilung
vorliegen, die für jeden Lichtstrahlwinkel im Meßbereich kleiner
ist als die Hälfte der kürzesten Wellenlänge des
Lichtmusters, und wobei die Anordnung eine Länge aufweist, die für
jeden Lichtstrahlwinkel im Meßbereich größer ist als das
Doppelte der längsten Wellenlänge des Lichtmusters.
2. System nach Anspruch 1, wobei der Lichtstrahl eine
erste und eine zweite Maske (23, 25) durchsetzt, um auf die
Photodetektoreinrichtung (11) ein zusammengesetztes Muster zu
projizieren.
3. System nach Anspruch 2, wobei zu der
Phaseneigenschaft die Phase des Transmissionsmusters der ersten Maske
(23) relativ zu dem der zweiten Maske (25) in dem
zusammengesetzten Muster gehört.
4. System nach Anspruch 1, wobei der Lichtstrahl die
eine Maske (23) durchsetzt und ein ungemischtes Muster davon
auf die Photodetektoreinrichtung (11) projiziert.
5. System nach Anspruch 4, wobei zu der
Phaseneigenschaft die Phase des Transmissionsmusters der Maske (23) in
dem Lichtmuster auf der Anordnung von Photodetektorzellen
relativ zu der Anordnung gehort.
6. System zum Erfassen des Winkels eines Lichtstrahls
innerhalb eines Winkelmeßbereichs, wobei der Strahl vor dem
Auftreffen auf eine Detektoreinrichtung (11) eine erste und
eine im Abstand von dieser angeordnete zweite Maske (23, 25)
durchsetzt, um auf der Detektoreinrichtung (11) ein
Lichtmuster zu bilden, wobei die erste und die zweite Maske (23, 25)
jeweils ein Transmissionsmuster aufweisen, das sich mit dem
Weg längs der Maske periodisch ändert, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Phaseneigenschaft des Ausgangssignals der
Detektoreinrichtung (11) analysiert wird, um einen Meßwert für
den Lichtstrahlwinkel zu erhalten, und daß die
Detektoreinrichtung (11) eine Anordnung von Photodetektorzellen mit
einer Teilung umfaßt, die für jeden Lichtstrahlwinkel im
Meßbereich kleiner ist als die Hälfte der kürzesten Wellenlänge
des Lichtmusters, und wobei die Länge der Anordnung für jeden
Lichtstrahlwinkel im Meßbereich größer ist als das Doppelte
der längsten Wellenlänge des Lichtmusters.
7. System nach Anspruch 6, wobei auf der
Detektoreinrichtung (11) ein zusammengesetztes Bild der ersten und der
zweiten Maske (23, 25) erzeugt und das Ausgangssignal der
Detektoreinrichtung (11) zur Bestimmung der relativen Phase
zwischen dem Bild der ersten Maske (23) in dem
zusammengesetzten Bild und dem der zweiten Maske (25) in dem
zusammengesetzten Bild verarbeitet wird.
8. System nach Anspruch 7, wobei die Bilder Schatten der
Masken sind.
9. System zum Erfassen des Winkels eines Lichtstrahls
innerhalb eines Winkelmeßbereichs, wobei der Strahl eine
Maske (23) mit einem sich mit dem Weg längs der Maske periodisch
ändernden Transmissionsmuster durchsetzt, bevor er auf eine
Detektoreinrichtung (11) auftrifft und auf dieser ein
Lichtmuster erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Phaseneigenschaft des Ausgangssignals der Detektoreinrichtung (11) zur
Erzielung eines Meßwerts für den Lichtstrahlwinkel analysiert
wird, und daß die Detektoreinrichtung (11) eine Anordnung aus
Photodetektorzellen mit einer Teilung umfaßt, die für jeden
Lichtstrahlwinkel im Meßbereich kleiner ist als die Hälfte
der kürzesten Wellenlänge des Lichtmusters, und wobei die
Länge der Anordnung für jeden Lichtstrahlwinkel im Meßbereich
größer ist als das Doppelte der längsten Wellenlänge des
Lichtmusters.
10. System nach Anspruch 9, wobei auf der
Detektoreinrichtung (11) ein Bild der Maske (23) erzeugt und das
Ausgangssignal der Detektoreinrichtung zur Bestimmung der Phase
des Bildes relativ zu der Detektoreinrichtung verarbeitet
wird.
11. System nach Anspruch 10, wobei das Bild der Maske
deren Schatten ist.
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