Positionsdetektor und Lichtablenkvorrichtung mit

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*DE102011050030B420130328*
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DE 10 2011 050 030 B4 2013.03.28
Patentschrift
(21) Aktenzeichen: 10 2011 050 030.8
(22) Anmeldetag: 02.05.2011
(43) Offenlegungstag: 08.11.2012
(45) Veröffentlichungstag
der Patenterteilung: 28.03.2013
(51) Int Cl.:
G01B 11/26 (2011.01)
G01D 5/38 (2011.01)
Innerhalb von drei Monaten nach Veröffentlichung der Patenterteilung kann nach § 59 Patentgesetz gegen das Patent
Einspruch erhoben werden. Der Einspruch ist schriftlich zu erklären und zu begründen. Innerhalb der Einspruchsfrist ist
eine Einspruchsgebühr in Höhe von 200 Euro zu entrichten(§ 6 Patentkostengesetz in Verbindung mit der Anlage zu § 2
Abs. 1 Patentkostengesetz).
(73) Patentinhaber:
SCANLAB AG, 82178, Puchheim, DE
(74) Vertreter:
Viering, Jentschura & Partner, 81675, München,
DE
(56) Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht
gezogene Druckschriften:
US 2004 / 0 213 109
US
4 694 164
US
4 775 788
JP
56- 018 709
(72) Erfinder:
Petschik, Norbert, 82178, Puchheim, DE;
Ponkratov, Vladimir, 82178, Puchheim, DE;
Valentin, Martin, 82178, Puchheim, DE; Münzer,
Hans-Joachim, 82178, Puchheim, DE
(54) Bezeichnung: Positionsdetektor und Lichtablenkvorrichtung mit Positionsdetektor
(57) Hauptanspruch: Positionsdetektor (1, 2, 61, 77, 93, 123)
zum Ermitteln der Drehwinkelposition (α) eines drehbar gelagerten Objekts (3), aufweisend:
– eine Lichtquelle (5) zum Erzeugen eines Lichtstrahls (17),
– ein Beugungsgitter (9),
– einen Spiegel (7), der derart mit dem Objekt (3) verbunden
ist, dass er bei einer Drehung des Objekts mit dem Objekt
(3) mitdreht, und der derart angeordnet ist, dass der Lichtstrahl (17) von ihm auf das Beugungsgitter (9) reflektiert wird
und der reflektierte Lichtstrahl (18) bei einer Drehung des
Spiegels (7) das Beugungsgitter (9) entsprechend der Drehung überstreicht, wobei das Licht des reflektierten Lichtstrahls unter Erzeugung von Beugungslicht (29) von dem
Beugungsgitter gebeugt wird,
– eine optische Interferenzvorrichtung (11, 12, 79, 95), die im
Lichtweg des Beugungslichts (29) angeordnet ist und derart
eingerichtet ist, dass von ihr unterschiedliche Beugungsordnungen (m = –1, m = +1) des Beugungslichts (29) unter Erzeugung eines Interferenzmusters (41,...
A1
A
A
A
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Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft einen Positionsdetektor, zum Beispiel zur Verwendung zum Ermitteln
der Drehwinkelposition eines drehbar gelagerten Objekts, und eine Lichtablenkvorrichtung mit einem Positionsdetektor.
[0002] Die präzise Bestimmung von räumlichen Positionen ist in vielen Bereichen, z. B. beim Einsatz
bewegbarer Teile bei der automatisierten Herstellung
oder Bearbeitung von Werkstücken, von erheblicher
Bedeutung, um z. B. auf effiziente Weise Bauteile mit
geringer Toleranz herstellen oder bearbeiten zu können. So erfordert z. B. die Materialbearbeitung von
Werkstücken mit einem Arbeits-Laserstrahl ein präzises Positionieren des Arbeits-Laserstrahls bzw. Arbeitsstrahls auf einem zu bearbeitenden Werkstück.
Der Laserstrahl eines Arbeitslasers wird z. B. mittels
eines Galvanometerscanners, welcher einen Scanspiegel bzw. Arbeitsstrahl-Ablenkspiegel aufweist,
der an einer drehbar angeordneten Welle eines Galvanometerantriebs befestigt ist, durch Reflexion an
dem Arbeitsstrahl-Ablenkspiegel an eine gewünschte
räumliche Position geführt, wobei die Welle und somit auch der Arbeitsstrahl-Ablenkspiegel durch einen
Motor in Rotation versetzt werden können, so dass
der Strahlengang des Arbeits-Laserstrahls räumlich
variiert werden kann. Durch das Hintereinanderschalten zweier solcher Galvanometerscanner kann Laserlicht in zwei Dimensionen abgelenkt werden. Eine
genaue Steuerung des Strahlengangs erfordert ein
präzises Ermitteln der jeweiligen Drehwinkelposition
der Welle (und somit des Arbeitsstrahl-Ablenkspiegels).
[0003] Zur Messung der Winkelposition, z. B. bei einem Galvanometerscanner, werden häufig kapazitive Positionsdetektoren verwendet, wobei z. B. die
drehbar angeordnete Welle mit einer Elektrode eines Drehkondensators oder mit einem zwischen den
Elektroden eines Drehkondensators angeordneten
Dielektrikum gekoppelt ist, und wobei der momentane Drehwinkel sich aus der Messung der Kapazität
des Drehkondensators ergibt. Solche kapazitiven Positionsdetektoren sind oft konstruktiv aufwändig, weisen ein hohes Massenträgheitsmoment auf und zeigen ein temperaturabhängiges Verhalten.
[0004] Ebenfalls häufig werden optische Positionsdetektoren verwendet, bei denen ein mittels einer
Welle drehbar angeordneter Lichtblocker von einer
Lichtquelle beleuchtet wird und je nach Winkelstellung mehr oder weniger Licht abschattet. Der momentane Drehwinkel ergibt sich dann z. B. aus der
Lichtmenge, die den Lichtblocker passiert und mit einem entsprechenden Detektor gemessen wird. Solche optischen Positionsdetektoren weisen oftmals eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit und zeitliche Drift auf und können eine nichtlineare Ausgangs-
charakteristik bei relativ geringem Auflösungsvermögen zeigen.
[0005] Alternativ werden Positionsdetektoren mit beweglichen optischen Gittern verwendet, wobei z. B.
an der drehbar angeordneten Welle eine kreisförmige Skalenscheibe mit einem in der Nähe des Außenumfangs der Scheibe vorgesehenen Skalenmuster
bzw. Strichmuster befestigt ist, und wobei durch optisches Abtasten des Skalenmusters die Drehwinkelposition der Welle ermittelt werden kann. In der Regel weisen solche Positionsdetektoren eine gute Linearität sowie eine geringe zeitliche Drift auf und liefern eine hohe Winkelauflösung. Jedoch wird durch
die Skalenscheibe das Massenträgheitsmoment der
Anordnung, die von dem Motor der Welle zu bewegen
ist, wesentlich erhöht, zumal die erreichbare Winkelauflösung umso größer ist, je größer der Durchmesser und somit auch das (stark mit dem Durchmesser
anwachsende) Massenträgheitsmoment der Skalenscheibe ist. Diese Erhöhung des Massenträgheitsmoments erhöht die Trägheit des Positioniersystems
und erschwert somit ein schnelles Umpositionieren
der Welle zu einer anderen Drehwinkelposition. Die
Dynamik eines solchen Systems wird u. a. durch die
niedrigeren Eigenfrequenzen, welche durch das hohe Massenträgheitsmoment hervorgerufen werden,
reduziert und somit verschlechtert.
[0006] Die Druckschrift JP 56 018 709 A offenbart
ein Verfahren und eine optische Anordnung mit einem Beugungsgitter zum Messen von Winkeln. Die
Druckschrift US 4 694 164 A offenbart eine Lichtstrahl-Scanvorrichtung mit einem mechanischen Deflektor wie zum Beispiel einem Galvanometer-Spiegel. Die Druckschrift US 4 775 788 A offenbart eine
Vorrichtung zum Detektieren eines drehenden Elements über ein Zwei-Gitter-Moiré-Muster. Die Druckschrift US 2004 0 213 109 A1 offenbart einen Neigungssensor, der den Winkel eines Objekts relativ zu
einer Bezugsebene bestimmt.
[0007] Durch die Erfindung werden ein Positionsdetektor, der ein präzises Ermitteln der Drehwinkelposition eines drehbar gelagerten Objekts ermöglicht,
zeitlich stabil arbeitet und ein Positioniersystem mit
einer geringen Trägheit ermöglicht, sowie eine Lichtablenkvorrichtung mit einem entsprechenden Positionsdetektor geschaffen.
[0008] Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein
Positionsdetektor zum Ermitteln der Drehwinkelposition eines drehbar gelagerten Objekts bereitgestellt,
aufweisend eine Lichtquelle zum Erzeugen eines
Lichtstrahls; ein Beugungsgitter; einen Spiegel, der
derart mit dem Objekt verbunden ist, dass er bei einer
Drehung des Objekts mit dem Objekt mitdreht, und
der derart angeordnet ist, dass der Lichtstrahl von
ihm auf das Beugungsgitter reflektiert wird und der
reflektierte Lichtstrahl bei einer Drehung des Spie-
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gels das Beugungsgitter entsprechend der Drehung
überstreicht, wobei das Licht des reflektierten Lichtstrahls unter Erzeugung von Beugungslicht von dem
Beugungsgitter gebeugt wird; eine optische Interferenzvorrichtung, die im Lichtweg des Beugungslichts
angeordnet ist und derart eingerichtet ist, dass von
ihr unterschiedliche Beugungsordnungen des Beugungslichts unter Erzeugung eines Interferenzmusters zur Interferenz gebracht werden können; einen
Lichtdetektor, der derart angeordnet und eingerichtet
ist, dass von ihm eine Helligkeitsänderung des Interferenzmusters, die durch das Überstreichen des Beugungsgitters mit dem reflektierten Lichtstrahl hervorgerufen wird, sowie ein die Helligkeitsänderung umfassender Helligkeitsverlauf erfassbar ist; und eine
Auswerteeinheit, die mit dem Lichtdetektor verbunden ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr basierend auf dem Helligkeitsverlauf die Drehwinkelposition des Objekts ermittelbar ist.
[0009] Indem die Drehwinkelposition des Objekts
durch Auswerten des Helligkeitsverlaufs beim Überstreichen des Beugungsgitters mit dem (masselosen)
Lichtstrahl ermittelt werden kann, kann das Massenträgheitsmoment der drehbar gelagerten Anordnung,
welche das Objekt und den Spiegel aufweist, gering
gehalten werden. Zum Beispiel können die Abmessungen des Spiegels gering gehalten werden (die Abmessungen können z. B. in etwa den Querschnittsabmessungen des Lichtstrahls entsprechen), so dass
der Beitrag des Spiegels zum Massenträgheitsmoment gering gehalten werden kann.
[0010] Als Lichtquelle kann z. B. eine Lichtquelle,
von der monochromatisches Licht erzeugt werden
kann, oder eine Lichtquelle, von der kohärentes Licht
(z. B. Laserlicht) erzeugt werden kann, wie z. B.
ein Laser oder eine Laserdiode, vorgesehen sein.
Es kann jedoch auch eine Lichtquelle vorgesehen
sein, von der nichtmonochromatisches, nichtkohärentes Licht erzeugt werden kann, wobei eine solche
Lichtquelle z. B. in Form einer Leuchtdiode ausgebildet sein kann. Der von der Lichtquelle erzeugte Lichtstrahl kann z. B. vor dem Auftreffen auf dem Spiegel
durch eine Kollimationsoptik, welche z. B. im Lichtweg zwischen der Lichtquelle und dem Spiegel angeordnet sein kann, kollimiert werden.
[0011] Das Licht des von dem Spiegel zu dem Beugungsgitter hin reflektierten Lichtstrahls wird an dem
Beugungsgitter gebeugt, wobei Beugungslicht beliebiger Beugungsordnungen erzeugt werden kann. Die
Intensitätsmaxima des Beugungslichts einer jeweiligen Ordnung können unter einem jeweils zugehörigen Ablenkwinkel bezüglich des auf das Beugungsgitter einfallenden Lichtstrahls (bzw. bezüglich einer
Gitternormale des Beugungsgitters) auftreten, wobei
die einzelnen Beugungsreflexe bzw. Beugungsordnungen divergieren und somit räumlich voneinander
getrennt werden. Unter dem Begriff „Beugungsord-
nung” bzw. „Licht einer Beugungsordnung” wird im
Folgenden das Licht der Ordnung eines Beugungsreflexes der jeweiligen Beugungsordnung verstanden,
falls sich nicht aus dem Kontext etwas anderes ergibt.
[0012] Von der im Lichtweg des Beugungslichts angeordneten optischen Interferenzvorrichtung werden
unterschiedliche Beugungsordnungen, z. B. ein Teil
der Beugungsordnungen oder alle Beugungsordnungen, der Gesamtheit der von dem Beugungsgitter
erzeugten Beugungsordnungen zur Interferenz gebracht. Zum Beispiel kann die optische Interferenzvorrichtung eine Anordnung von optischen Elementen, z. B. Blenden und/oder Linsen, aufweisen, mittels derer die unterschiedlichen Beugungsordnungen
aus der Gesamtheit der Beugungsordnungen selektiert werden können (z. B. mittels einer oder mehrerer Blenden, welche die Beugungsreflexe der zu selektierenden, unterschiedlichen Beugungsordnungen
transmittieren und die übrigen Beugungsordnungen
ausblenden bzw. blocken) und das Licht der divergierenden Reflexe der selektierten, unterschiedlichen
Beugungsordnungen wieder zusammengeführt werden kann (z. B. mittels entsprechender Fokussierlinsen) und somit unter Ausbildung eines Interferenzmusters zur Interferenz gebracht werden kann.
[0013] Das Interferenzmuster kann z. B. hellere Abschnitte (d. h. Abschnitte höherer Lichtintensität) konstruktiver Interferenz und (demgegenüber) dunklere Abschnitte (d. h. Abschnitte geringerer Lichtintensität) destruktiver Interferenz aufweisen, wobei das
Auftreten der Gebiete konstruktiver und destruktiver Interferenz und somit auch die (absolute) Helligkeit und/oder die (räumliche) Helligkeitsverteilung
des Interferenzmusters durch die Phasenbeziehungen des Lichts der unterschiedlichen Beugungsordnungen beeinflusst werden können.
[0014] Bei einer Drehung des Objekts (z. B. um eine
zugehörige Drehachse) dreht der Spiegel mit demselben mit, wobei der von dem Spiegel zu dem Beugungsgitter hin reflektierte Lichtstrahl das Beugungsgitter überstreicht. Das Beugungsgitter kann z. B. als
Reflexions- bzw. Phasengitter, z. B. als Blazegitter,
ausgeführt sein, wobei das Beugungsgitter z. B. derart ausgebildet sein kann (etwa durch entsprechende Wahl eines Blazewinkels eines als Blazegitter
ausgebildeten Beugungsgitters), dass von ihm möglichst viel Licht in die Reflexe der selektierten, unterschiedlichen Beugungsordnungen gebeugt wird. Das
Beugungsgitter kann jedoch z. B. auch als Transmissionsgitter ausgeführt sein. Das Beugungsgitter
kann z. B. eine entlang einer oder mehrerer Periodizitätsrichtungen periodische Beugungsstruktur aufweisen, welche z. B. aus einer Anordnung äquidistanter linienartiger Beugungsstrukturelemente bestehen
kann. Der Spiegel kann z. B. derart angeordnet sein,
dass bei einer Drehung des Spiegels der zu dem
Beugungsgitter hin reflektierte Lichtstrahl das Beu-
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gungsgitter im Wesentlichen parallel zu einer Periodizitätsrichtung der Beugungsstruktur des Beugungsgitters überstreicht, wobei sich beim Überstreichen
des Beugungsgitters die Phasen des Lichts der einzelnen Beugungsordnungen und die Phasenbeziehungen bzw. Phasendifferenzen der erzeugten Beugungsordnungen untereinander ändern können.
[0015] Eine Änderung der Phasenbeziehungen des
Lichts der (selektierten) unterschiedlichen Beugungsordnungen untereinander kann zu einer Helligkeitsänderung, z. B. zu einer Änderung der Gesamthelligkeit und/oder der räumlichen Helligkeitsverteilung, des von der optischen Interferenzvorrichtung erzeugten Interferenzmusters führen, wobei eine solche Helligkeitsänderung sowie ein zugehöriger Helligkeitsverlauf beim Überstreichen des Beugungsgitters durch den reflektierten Lichtstrahl von dem
Lichtdetektor erfasst werden können und z. B. von
der Auswerteeinheit in eine Drehwinkelpositionsänderung bzw. eine aus derselben resultierende momentane Drehwinkelposition des Objekts umgerechnet werden können. Der Begriff „Helligkeitsänderung” umfasst hier z. B. eine Änderung der absoluten Gesamthelligkeit des Interferenzmusters (bei z.
B. gleichbleibender relativer räumlicher Helligkeitsverteilung) und eine Änderung der räumlichen Helligkeitsverteilung des Interferenzmusters (bei z. B.
gleichbleibender absoluter Gesamthelligkeit), aber
auch eine Kombination einer Änderung der absoluten Gesamthelligkeit mit einer Änderung der räumlichen Helligkeitsverteilung. Als Lichtdetektor kann z.
B. eine Anordnung mit einer/einem oder mehreren, z.
B. entsprechend strukturierten, Photodioden, Photowiderständen, CCD-Sensoren oder beliebigen anderen Lichtdetektoren verwendet werden.
[0016] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung
wird eine Lichtablenkvorrichtung mit einem drehbar
gelagerten Arbeitsstrahl-Ablenkspiegel zum Ablenken eines Arbeits-Lichtstrahls (bzw. Arbeitsstrahls)
und einem Positionsdetektor zum Ermitteln der Drehwinkelposition des Arbeitsstrahl-Ablenkspiegels bereitgestellt, wobei der Positionsdetektor aufweist: eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls; ein
Beugungsgitter; einen Spiegel, der derart mit dem Arbeitsstrahl-Ablenkspiegel verbunden ist, dass er bei
einer Drehung des Arbeitsstrahl-Ablenkspiegels mit
dem Arbeitsstrahl-Ablenkspiegel mitdreht, und der
derart angeordnet ist, dass der Lichtstrahl von ihm auf
das Beugungsgitter reflektiert wird und der reflektierte
Lichtstrahl bei einer Drehung des Spiegels das Beugungsgitter entsprechend der Drehung überstreicht,
wobei das Licht des reflektierten Lichtstrahls unter
Erzeugung von Beugungslicht von dem Beugungsgitter gebeugt wird; eine optische Interferenzvorrichtung, die im Lichtweg des Beugungslichts angeordnet ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr unterschiedliche Beugungsordnungen des Beugungslichts
unter Erzeugung eines Interferenzmusters zur Inter-
ferenz gebracht werden können; einen Lichtdetektor, der derart angeordnet und eingerichtet ist, dass
von ihm eine Helligkeitsänderung des Interferenzmusters, die durch das Überstreichen des Beugungsgitters mit dem reflektierten Lichtstrahl hervorgerufen
wird, sowie ein die Helligkeitsänderung umfassender
Helligkeitsverlauf erfassbar ist; und eine Auswerteeinheit, die mit dem Lichtdetektor verbunden ist und
derart eingerichtet ist, dass von ihr basierend auf dem
Helligkeitsverlauf die Drehwinkelposition des Arbeitsstrahl-Ablenkspiegels ermittelbar ist.
[0017] Gemäß diesem Aspekt der Erfindung kann
das drehbar gelagerte Objekt z. B. der drehbar gelagerte Arbeitsstrahl-Ablenkspiegel der Lichtablenkvorrichtung sein. Die Lichtablenkvorrichtung kann z.
B. ein Galvanometerscanner zum Führen bzw. Positionieren eines Arbeits-Lichtstrahls in Form eines Arbeits-Laserstrahls sein, wobei der Arbeitsstrahl-Ablenkspiegel zum Beispiel an einer drehbar gelagerten Welle des Galvanometerscanners befestigt sein
kann. Zum Beispiel kann der Arbeitsstrahl-Ablenkspiegel eines solchen Galvanometerscanners an einem axialen Ende der drehbar angeordneten Welle
vorgesehen sein und der Spiegel des Positionsdetektors kann an dem entgegengesetzten axialen Ende
der Welle befestigt sein. Es kann auch vorgesehen
sein, dass das drehbar gelagerte Objekt die Welle
selbst einer solchen Lichtablenkvorrichtung bzw. eines solchen Galvanometerscanners ist.
[0018] Gemäß einer Ausführungsform ist der Spiegel integral mit dem (drehbar gelagerten) Objekt ausgebildet.
[0019] Zum Beispiel kann eine Fläche des drehbar gelagerten Objekts als Spiegelfläche ausgebildet sein. Zum Beispiel kann bei einer Lichtablenkvorrichtung (z. B. einem Galvanometerscanner) mit einem Arbeitsstrahl-Ablenkspiegel zum Führen eines
Arbeits-Lichtstrahls (z. B. Arbeits-Laserstrahls), der z.
B. an einer drehbar gelagerten Welle der Lichtablenkvorrichtung befestigt sein kann, der ArbeitsstrahlAblenkspiegel gleichzeitig als Spiegel zum Führen
des Lichtstrahls vorgesehen sein, oder eine Rückseite des Arbeitsstrahl-Ablenkspiegels kann als Spiegel zum Führen des Lichtstrahls ausgebildet sein.
Es kann z. B. auch vorgesehen sein, eine Fläche
an der Welle des Galvanometerscanners als Spiegel zum Führen des Lichtstrahls auszubilden. Gemäß
diesen Konfigurationen kann der Positionsdetektor z.
B. ohne einen zusätzlichen Beitrag zum Massenträgheitsmoment des drehbar gelagerten Objekts realisiert werden.
[0020] Gemäß einer Ausführungsform ist der Spiegel derart ausgebildet und angeordnet, dass eine
Drehachse des Objekts in einer Spiegelfläche des
Spiegels verläuft.
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[0021] Zum Beispiel kann der Spiegel als ein ebener Spiegel bzw. Planspiegel ausgebildet sein und
derart angeordnet sein, dass die Drehachse des Objekts durch die ebene Spiegelfläche verläuft. Dabei
kann z. B. vorgesehen sein, die Lichtquelle und/
oder den Spiegel derart anzuordnen, dass der von
der Lichtquelle erzeugte Lichtstrahl auf einer Position, die auf der (fiktiven) Schnittlinie der Drehachse
mit der Spiegelfläche liegt, auf den Spiegel auftrifft.
Dadurch kann z. B. sichergestellt werden, dass der
Lichtstrahl auch bei kleinen Abmessungen des Spiegels über einen großen Drehwinkelbereich hinweg
von dem Spiegel auf das Beugungsgitter reflektiert
werden kann. Des Weiteren kann dadurch z. B. eine
Konfiguration ermöglicht werden, bei welcher der reflektierte Lichtstrahl für verschiedene Drehwinkelpositionen des Spiegels im Wesentlichen immer von der
gleichen räumlichen Position ausgeht. Des Weiteren
kann der Spiegel z. B. derart ausgebildet und angeordnet sein, dass der Schwerpunkt des Spiegels auf
der Drehachse liegt, wobei z. B. verhindert werden
kann, dass von dem Spiegel eine Unwucht bezüglich
der Drehachse hervorgerufen wird. Analog kann z. B.
vorgesehen sein, dass der Spiegel derart ausgebildet
und angeordnet ist, dass ein Drehpunkt des Objekts
in einer Spiegelfläche des Spiegels liegt.
[0022] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist
das Beugungsgitter ein gekrümmtes Beugungsgitter
mit einer dem Spiegel zugewandten Konkavität.
[0023] Bei Verwendung eines ebenen Beugungsgitters können z. B. der Lichtweg, der von dem reflektierten Lichtstrahl von dem Spiegel ausgehend bis zum
Auftreffen auf das Beugungsgitter zurückgelegt wird,
und der Auftreffwinkel, unter welchem der reflektierte Strahl auf dem Beugungsgitter auftrifft, mit dem
Drehwinkel des Spiegels variieren. Mittels eines gekrümmten Beugungsgitters mit einer zu dem Spiegel
hinweisenden Konkavität kann z. B. eine solche Variation des Lichtweges und/oder des Auftreffwinkels
mit dem Drehwinkel zumindest teilweise kompensiert
werden, wodurch z. B. eine über einen größeren
Drehwinkelbereich hinweg im Wesentlichen gleichbleibende Charakteristik des Positionsdetektors gewährleistet werden kann.
[0024] Gemäß einer Ausführungsform ist das gekrümmte Beugungsgitter ein zylinderförmiges Beugungsgitter, welches konzentrisch zu einer Drehachse des Objekts angeordnet ist. Analog kann z. B.
vorgesehen sein, dass das gekrümmte Beugungsgitter ein sphärisches Beugungsgitter (d. h. ein Beugungsgitter in Form eines Kugelabschnitts) ist, welches konzentrisch zu einem Drehpunkt des Objekts
angeordnet ist.
[0025] Gemäß einer solchen Ausführungsform
kann, z. B. wenn der Spiegel und/oder die Lichtquelle derart angeordnet sind, dass das Drehzentrum (in
Form der Drehachse oder des Drehpunkts) des Objekts in der Spiegelfläche des Spiegels liegt und der
von der Lichtquelle kommende Lichtstrahl an einer
Position des Drehzentrums auf den Spiegel auftrifft,
z. B. gewährleistet werden, dass der Lichtweg, der
von dem reflektierten Lichtstrahl zwischen dem Spiegel und dem Beugungsgitter zurückgelegt wird, und
der Auftreffwinkel, unter dem der reflektierte Strahl
auf dem Beugungsgitter auftrifft, unabhängig von der
jeweiligen Drehwinkelposition des Spiegels bzw. des
Objekts sein können, wodurch z. B. eine über den
gesamten Drehwinkelbereich des Objekts hinweg im
Wesentlichen gleichbleibende Charakteristik des Positionsdetektors gewährleistet werden kann.
[0026] Wie oben beschrieben, kann der von der
Lichtquelle erzeugte Lichtstrahl durch eine Kollimationsoptik kollimiert werden und kann somit z. B.
als kollimierter Strahl auf das Beugungsgitter treffen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, den von
der Lichtquelle kommenden Lichtstrahl, z. B. nach
Durchlaufen einer solchen Kollimationsoptik, mittels
entsprechender Optiken zu fokussieren. Es kann z.
B. vorgesehen sein, den Lichtstrahl auf eine Position zwischen der Lichtquelle und dem Spiegel, oder
auf eine Position auf dem Spiegel zu fokussieren.
Es kann auch vorgesehen sein, den Lichtstrahl auf
eine Position zwischen dem Spiegel und dem Beugungsgitter zu fokussieren oder den Lichtstrahl auf
eine auf dem Beugungsgitter oder eine hinter dem
Beugungsgitter liegende Position (d. h. auf eine Position, die auf einer dem Spiegel abgewandten Seite
des Beugungsgitters liegt) zu fokussieren, wobei der
Lichtstrahl im letzteren Fall vor Erreichen der Fokusposition von dem Beugungsgitter gebeugt wird. Zum
Beispiel kann durch die Lage der Fokusposition des
zu dem Beugungsgitter hin verlaufenden Lichtstrahls
(und durch die Form des Beugungsgitters) die Form –
z. B. die Divergenz bzw. Konvergenz – des von dem
Beugungsgitter aus verlaufenden Strahls von Beugungslicht beeinflusst werden.
[0027] Gemäß einer Ausführungsform ist das Beugungsgitter als Reflexionsgitter ausgebildet, wobei
der Positionsdetektor ferner eine Eingangsstrahl-Fokussieroptik aufweist, die zwischen der Lichtquelle
und dem Spiegel im Lichtweg des Lichtstrahls angeordnet ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr
der von dem Spiegel zu dem Reflexionsgitter hin reflektierte Lichtstrahl auf einen Brennpunkt oder eine
Brennlinie des Reflexionsgitters oder in die Nähe eines solchen Brennpunkts oder einer solchen Brennlinie fokussiert wird (im Folgenden wird der Ausdruck
„Brennpunkt” sinngemäß auch für „Brennlinie” verwendet, d. h. der Ausdruck „Brennpunkt” kennzeichnet in diesem Zusammenhang sinngemäß einen Fokus bzw. eine Fokusposition eines optischen Elements, z. B. des Reflexionsgitters, wobei sich die jeweilige Bedeutung im Zweifelsfall aus dem Kontext
ergibt).
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[0028] Gemäß dieser Ausführungsform kann, z. B.
wenn der von dem Spiegel zu dem Reflexionsgitter hin reflektierte Lichtstrahl (im Wesentlichen) auf
den Brennpunkt des Reflexionsgitters fokussiert wird,
zum Beispiel bei der Reflexion des Lichtstrahls an
dem Reflexionsgitter ein (unter Berücksichtigung der
Divergenz der von dem Reflexionsgitter erzeugten
Beugungsreflexe) im Wesentlichen kollimierter Strahl
von Beugungslicht erzeugt werden, was z. B. ein Weiterleiten des Beugungslichts, z. B. zu der optischen
Interferenzvorrichtung, vereinfachen kann. Zum Beispiel kann das Reflexionsgitter als ein gekrümmtes
Beugungsgitter, z. B. als zylinderförmiges Gitter mit
einem zugehörigen Zylinder-Krümmungsradius, mit
einer dem Spiegel zugewandten Konkavität ausgebildet sein, und die Eingangsstrahl-Fokussieroptik kann
z. B. derart eingerichtet sein, dass von ihr der von
dem Spiegel reflektierte Lichtstrahl auf einen Brennpunkt des zylinderförmigen Reflexionsgitters, d. h.
auf eine Position (z. B. eine Linie oder einen Punkt)
in der Mitte zwischen der zylinderförmigen Fläche
des Reflexionsgitters und dem Krümmungszentrum
des Reflexionsgitters, fokussiert werden kann (wobei
für einen zylindrischen Hohlspiegel eine Position in
der Mitte zwischen der Spiegelfläche und dem Krümmungszentrum in guter Näherung als Brennpunkt angesehen werden kann).
[0029] Unter dem Fokussieren des von dem Spiegel zu dem Reflexionsgitter hin reflektierten Lichtstrahls auf eine Position „in der Nähe” des Brennpunkts des Reflexionsgitters ist das Fokussieren dieses Lichtstrahls auf eine Position zu verstehen, die
sich im Lichtweg zwischen dem Spiegel und dem Reflexionsgitter befindet. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, den reflektierten Lichtstrahl auf eine Position zu fokussieren, die bis zu 1/5 oder bis zu 1/2
der (zu dem Brennpunkt des Reflexionsgitters zugehörigen) Brennweite des Reflexionsgitters von dem
Brennpunkt des Reflexionsgitters entfernt sein kann.
[0030] Zum Beispiel kann vorgesehen sein, den zu
dem Reflexionsgitter hin reflektierten Lichtstrahl auf
eine Position in der Nähe des Brennpunkts des Reflexionsgitters zu fokussieren, welche Position zwischen dem Spiegel und dem Brennpunkt des Reflexionsgitters liegt, wobei z. B. bei der Reflexion des
Lichtstrahls an dem (z. B. zylinderförmigen) Reflexionsgitter ein (leicht) konvergenter Strahl von Beugungslicht erzeugt werden kann. Als ein anderes Beispiel kann vorgesehen sein, den zu dem Reflexionsgitter hin reflektierten Lichtstrahl auf eine Position in
der Nähe des Brennpunkts des Reflexionsgitters zu
fokussieren, welche Position zwischen dem Reflexionsgitter und dem Brennpunkt desselben liegt, wobei z. B. bei der Reflexion des Lichtstrahls an dem
(z. B. zylinderförmigen) Reflexionsgitter ein (leicht)
divergenter Strahl von Beugungslicht erzeugt werden kann. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass die
Fokusposition des Lichtstrahls (z. B. durch entspre-
chendes Ausbilden der Eingangsstrahl-Fokussieroptik) derart gewählt ist, dass der Öffnungswinkel eines solchen konvergenten oder divergenten Strahls
von Beugungslicht einen Öffnungswinkel von weniger als 5, 10, 20, oder 45 Grad aufweist. Die Ausbildung des Beugungslichts als konvergenter oder divergenter Lichtstrahl kann z. B. das räumliche Auseinanderlaufen der einzelnen Beugungsreflexe verlangsamen oder beschleunigen.
[0031] Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die
Eingangsstrahl-Fokussieroptik derart auszubilden,
dass von ihr der zu dem (gekrümmten, z. B. zylinderförmigen) Reflexionsgitter hin verlaufende Lichtstrahl
auf eine Position zwischen der Lichtquelle und dem
Spiegel oder auf eine Position auf dem Spiegel (z.
B. auf ein in der Spiegelfläche liegendes Drehzentrum des Objekts) fokussiert wird. Des Weiteren kann
z. B. vorgesehen sein, die Eingangsstrahl-Fokussieroptik derart auszubilden, dass von ihr der zu dem
(gekrümmten, z. B. zylinderförmigen) Reflexionsgitter
hin verlaufende Lichtstrahl auf eine auf dem Reflexionsgitter oder eine hinter dem Reflexionsgitter liegende Position fokussiert wird, wobei der Lichtstrahl
im letzteren Fall vor Erreichen der Fokusposition von
dem Reflexionsgitter gebeugt wird. Ferner kann vorgesehen sein, die Eingangsstrahl-Fokussieroptik derart auszubilden, dass von ihr der zu dem (gekrümmten, z. B. zylinderförmigen) Reflexionsgitter hin verlaufende Lichtstrahl auf eine Position im Unendlichen
fokussiert wird, wobei der Lichtstrahl als kollimierter
Lichtstrahl auf das Reflexionsgitter treffen kann.
[0032] Gemäß einer Ausführungsform ist die Eingangsstrahl-Fokussieroptik integral mit der optischen
Interferenzvorrichtung ausgebildet.
[0033] Zum Beispiel kann die Eingangsstrahl-Fokussieroptik gleichzeitig ein optisches Element der Interferenzvorrichtung bilden, wodurch z. B. die Baugröße
des Positionsdetektors und die Anzahl der benötigten
optischen Elemente reduziert werden können.
[0034] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist
das Beugungsgitter als Reflexionsgitter ausgebildet,
wobei der Positionsdetektor ferner aufweist: einen
Strahlteiler, der zwischen der Lichtquelle und dem
Spiegel im Lichtweg des Lichtstrahls angeordnet ist,
und derart ausgebildet ist, dass von ihm Licht einer
ersten Polarisation im Wesentlichen transmittiert wird
und Licht einer zweiten Polarisation im Wesentlichen
reflektiert wird; und ein Polarisationsänderungselement, das zwischen dem Reflexionsgitter und dem
Strahlteiler im Lichtweg des Beugungslichts angeordnet ist, und derart ausgebildet ist, dass von ihm die
Polarisation des Beugungslichts im Wesentlichen in
die erste Polarisation oder in die zweite Polarisation
überführt wird; wobei der Strahlteiler derart angeordnet und ausgebildet ist, dass von ihm das Beugungslicht zu der optischen Interferenzvorrichtung geleitet
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wird. Dabei ist die erste Polarisation von der zweiten
Polarisation verschieden.
[0035] Gemäß dieser Ausführungsform können z. B.
durch das Ausnutzen der Polarisationsabhängigkeit
des Strahlteilers die Intensitätsverluste des Lichts auf
dem Weg von der Lichtquelle zu der Interferenzvorrichtung gering gehalten werden und z. B. ein Rückfluss von Beugungslicht zu der Lichtquelle hin unterdrückt werden.
[0036] Zum Beispiel kann die Lichtquelle derart ausgebildet sein, dass das von ihr erzeugte Licht die erste Polarisation aufweist und somit den Strahlteiler auf
dem Weg zu dem Spiegel hin im Wesentlichen ungeschwächt durchläuft, um danach von dem Spiegel auf das Beugungsgitter gelenkt zu werden, wobei das Polarisationsänderungselement z. B. derart
ausgebildet sein kann, dass von ihm die Polarisation
des von dem Reflexionsgitter erzeugten Beugungslichts in die zweite Polarisation überführt wird und das
Beugungslicht somit von dem Strahlteiler im Wesentlichen vollständig reflektiert wird, wobei der Strahlteiler z. B. derart angeordnet und ausgebildet sein kann,
dass von ihm das Beugungslicht zu der Interferenzvorrichtung (oder zu einem Bestandteil derselben) hin
reflektiert wird.
[0037] Als ein anderes Beispiel kann die Lichtquelle derart ausgebildet sein, dass das von ihr erzeugte
Licht die zweite Polarisation aufweist und somit von
dem Strahlteiler im Wesentlichen vollständig reflektiert wird, wobei der Strahlteiler z. B. derart angeordnet sein kann, dass von ihm der von der Lichtquelle
kommende Lichtstrahl auf den drehbaren Spiegel reflektiert wird und von demselben auf das Reflexionsgitter gelenkt wird, und wobei das Polarisationsänderungselement z. B. derart ausgebildet sein kann, dass
von ihm die Polarisation des von dem Reflexionsgitter erzeugten Beugungslichts in die erste Polarisation
überführt wird und das Beugungslicht somit von dem
Strahlteiler im Wesentlichen ungeschwächt transmittiert wird, wobei der Strahlteiler bzw. die Interferenzvorrichtung z. B. derart angeordnet sein können, dass
das von dem Strahlteiler transmittierte Beugungslicht
zu der Interferenzvorrichtung hin verläuft.
[0038] Der polarisierende Strahlteiler und das Reflexionsgitter können z. B. derart angeordnet sein, dass
das Beugungslicht von dem Reflexionsgitter (via das
Polarisationsänderungselement) zu dem Strahlteiler
hin verläuft, wobei das Beugungslicht z. B. (wieder)
über den Spiegel geführt werden kann. Gemäß einer solchen Anordnung kann der Lichtweg des von
dem Strahlteiler zu dem Reflexionsgitter hin verlaufenden Lichtstrahls im Wesentlichen mit dem Lichtweg des von dem Reflexionsgitter zu dem Strahlteiler hin verlaufenden Beugungslichts zusammenfallen, wobei das Polarisationsänderungselement z.
B. derart im Lichtweg zwischen dem Reflexionsgitter
und dem Strahlteiler angeordnet sein kann, dass es
sowohl von dem zu dem Reflexionsgitter hin verlaufenden Lichtstrahl als auch von dem Beugungslicht
durchlaufen wird. Gemäß einer solchen Konfiguration
kann das Polarisationsänderungselement z. B. derart
ausgebildet sein, dass erst ein solches zweimaliges
Durchlaufen desselben das Überführen der Polarisation des Beugungslichts in die erste bzw. in die zweite
Polarisation bewirkt, wobei das Licht nach dem erstmaligen Durchlaufen (und vor dem zweiten Durchlaufen) des Polarisationselements z. B. eine von der ersten und der zweiten Polarisation verschiedene, dritte
Polarisation annehmen kann.
[0039] Das Polarisationsänderungselement kann z.
B. eine Verzögerungsplatte, z. B. eine λ/4-Platte oder
eine λ/2-Platte, oder ein beliebiges anderes optisches
Element, von welchem die Polarisation – z. B. die
Polarisationsart und/oder die Polarisationsrichtung –
von durchtretendem Licht geändert werden kann,
sein oder aufweisen.
[0040] Es kann jedoch auch vorgesehen sein, das
Polarisationsänderungselement als Polarisationsfilter auszubilden, wobei in einem solchen Fall das Polarisationsfilter z. B. im Wesentlichen ausschließlich
Licht der ersten Polarisation oder Licht der zweiten
Polarisation transmittiert und Licht anderer Polarisationen aus dem hindurchtretenden Licht herausfiltert.
[0041] Ferner kann ein zusätzliches Polarisationselement, z. B. ein Polarisationsfilter oder ein zusätzliches Polarisationsänderungselement, im Lichtweg
zwischen der Lichtquelle und dem Strahlteiler angeordnet sein, von welchem z. B. die Polarisation des
von der Lichtquelle emittierten Lichts vor dem Auftreffen auf den Strahlteiler in eine vorgegebene Polarisation überführt werden kann bzw. aus dem von der
Lichtquelle emittierten Licht das Licht einer vorgegebenen Polarisation herausgefiltert werden kann.
[0042] Gemäß einer weiteren Ausführungsform
weist die optische Interferenzvorrichtung eine Blende
auf, die derart ausgebildet und angeordnet ist, dass
von ihr (im Wesentlichen) nur die (zur Erzeugung des
Interferenzmusters vorgesehenen) unterschiedlichen
Beugungsordnungen des Beugungslichts transmittiert werden, wobei die optische Interferenzvorrichtung ferner derart eingerichtet ist, dass von ihr die unterschiedlichen Beugungsordnungen des Beugungslichts auf jeweils zugehörige Öffnungen der Blende
geleitet (z. B. fokussiert) werden.
[0043] Zum Beispiel kann die optische Interferenzvorrichtung, z. B. mittels einer entsprechenden Fokussieroptik, derart eingerichtet sein, dass von ihr die
unterschiedlichen, aus der Gesamtheit der erzeugten
Beugungsordnungen zu selektierenden Beugungsordnungen auf jeweils zugehörige Öffnungen der
Blende geleitet, z. B. fokussiert, werden können, und
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dass von ihr die übrigen Beugungsordnungen auf Positionen auf der Blende fernab der Blendenöffnungen geleitet, z. B. fokussiert, werden können. Somit kann sichergestellt werden, dass im Wesentlichen
ausschließlich das Beugungslicht der gewünschten
unterschiedlichen Beugungsordnungen zur Bildung
des Interferenzmusters beitragen kann. Des Weiteren kann die Blende z. B. derart ausgebildet und
angeordnet sein (z. B. durch entsprechende Positionierungen und Abmessungen der Blendenöffnungen), dass von ihr (im Wesentlichen) ausschließlich
die gewünschten unterschiedlichen Beugungsordnungen einer vorgegebenen Wellenlänge des Beugungslichts transmittiert werden. Die Blende kann ferner derart angeordnet und ausgebildet sein, dass
das von den jeweiligen Blendenöffnungen, welche je
nach Form und Größe z. B. als punktförmige oder linienförmige Lichtquellen wirken können, ausgehende Licht der unterschiedlichen Beugungsordnungen
hinter der Blende unter Ausbildung des Interferenzmusters interferieren kann.
[0044] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist
die optische Interferenzvorrichtung derart eingerichtet, dass von ihr die unterschiedlichen Beugungsordnungen des Beugungslichts unter Erzeugung eines
räumlich periodischen Interferenzmusters zur Interferenz gebracht werden.
[0045] Dabei kann das von der optischen Interferenzvorrichtung erzeugte Interferenzmuster z. B. ein
räumlich periodisches Hell-Dunkel-Muster (z. B. ein
Hell-Dunkel-Streifenmuster) sein, in dem hellere Abschnitte Gebiete konstruktiver Interferenz und (demgegenüber) dunklere Abschnitte Gebiete destruktiver Interferenz des Lichts der unterschiedlichen Beugungsordnungen kennzeichnen, wobei die räumliche
Position der Gebiete konstruktiver und destruktiver
Interferenz durch die Phasenbeziehungen des Lichts
der unterschiedlichen Beugungsordnungen beeinflusst werden kann. Eine Änderung dieser Phasenbeziehungen mit einer Änderung der Drehwinkelposition des Spiegels kann somit zu einer Änderung der
Positionen der hellen und der dunklen Abschnitte (d.
h. einer Helligkeitsänderung in Form einer Änderung
der Helligkeitsverteilung), also z. B. zu einer räumlichen Verschiebung des räumlich periodischen Interferenzmusters entlang einer zugehörigen Periodizitätsrichtung, und somit zu einer Änderung der Helligkeit an bestimmten Positionen des Interferenzmusters führen. Der Lichtdetektor kann in dieser Konfiguration z. B. derart eingerichtet sein, dass von ihm eine solche Helligkeitsänderung an bestimmten Positionen des räumlich periodischen Interferenzmusters
erfasst werden kann.
[0046] Gemäß einer Ausführungsform weist eine
Detektorfläche des Lichtdetektors eine räumlich periodische Strukturierung aus lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten und nicht-lichtsensitiven Detek-
torflächen-Abschnitten mit derselben Periode wie das
räumlich periodische Interferenzmuster (beim Auftreffen auf der Detektorfläche bzw. an der Position
der Detektorfläche) auf. Der Lichtdetektor kann z.
B. derart eingerichtet sein, dass von ihm eine Helligkeitsänderung des räumlich periodischen Interferenzmusters (z. B. in Form einer räumlichen Verschiebung und einer damit einhergehenden Änderung der Helligkeitsverteilung desselben) erfasst werden kann.
[0047] Gemäß dieser Konfiguration kann der Lichtdetektor z. B. derart eingerichtet sein, dass von
ihm die Gesamt-Intensität bzw. Gesamt-Lichtleistung
der von den einzelnen lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten erfassten Einzel-Lichtintensitäten
bzw. Einzel-Lichtleistungen als Helligkeitssignal erfasst werden kann. Zum Beispiel können die Abmessungen der lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitte den Abmessungen der hellen Abschnitte konstruktiver Interferenz des räumlich periodischen Interferenzmusters (beim Auftreffen auf der Detektorfläche)
entsprechen. Bei einer Änderung der Drehwinkelposition des Spiegels und einer damit einhergehenden
räumlichen Verschiebung der hellen und der dunklen Abschnitte des Interferenzmusters kann sich die
von dem Lichtdetektor erfasste Helligkeit (GesamtLichtleistung) somit z. B. zwischen einem Maximalwert, welcher einer maximalen Überlappung der hellen Abschnitte des Interferenzmusters mit den lichtsensitiven Abschnitten der Detektorfläche entsprechen kann, und einem Minimalwert, welcher einer minimalen Überlappung der hellen Abschnitte des Interferenzmusters mit den lichtsensitiven Abschnitten
der Detektorfläche entsprechen kann, ändern, wobei ein Hell-Dunkel-Zyklus des von dem Lichtdetektor
erfassten, zugehörigen Helligkeitsverlaufs einer Verschiebung des Interferenzmusters um eine Periodenlänge desselben entsprechen kann und wobei ein
Fortschreiten des reflektierten Lichtstrahls auf dem
Beugungsgitter um eine Periode der Beugungsstruktur z. B. einem oder mehreren Hell-Dunkel-Zyklen in
dem Helligkeitsverlauf entsprechen kann. Die Auswerteeinheit kann z. B. derart eingerichtet sein, dass
von ihr durch Auswerten der Anzahl der Hell-Dunkel-Zyklen in einem solchen Helligkeitsverlauf und/
oder der Form des Helligkeitsverlaufs eine Drehwinkelpositionsänderung und/oder eine aus derselben
resultierende vorliegende Drehwinkelposition ermittelt werden kann. Die Auswerteeinheit kann z. B. ferner derart eingerichtet sein, dass von ihr der Helligkeitsverlauf (bzw. dessen Form) mittels eines Interpolationsverfahrens ausgewertet werden kann, wodurch die erfassbare Winkelauflösung z. B. wesentlich besser sein kann als der Drehwinkel bzw. die
Drehwinkeländerung, welche einem Hell-Dunkel-Zyklus in einem solchen Helligkeitsverlauf entspricht.
[0048] Gemäß einer weiteren Ausführungsform
weist die optische Interferenzeinrichtung ferner eine
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Maske auf, die eine räumlich periodische Struktur
aus (im Wesentlichen) lichtdurchlässigen Abschnitten und (im Wesentlichen) lichtundurchlässigen Abschnitten aufweist und derart angeordnet ist, dass
von ihr durch Überlagerung der räumlich periodischen Struktur der Maske mit dem räumlich periodischen Interferenzmuster ein räumlich periodisches
Moiré-Interferenzmuster auf einer Detektorfläche des
Lichtdetektors erzeugt werden kann. Der Lichtdetektor kann z. B. derart eingerichtet sein, dass von ihm
eine Helligkeitsänderung des Moiré-Interferenzmusters erfasst werden kann.
[0049] Beim Überlagern zweier periodischer Muster, wobei die Muster z. B. Strukturen leicht unterschiedlicher Periodenlängen aufweisen und/oder gegeneinander verdreht sind, können Muster mit einer (wesentlich) größeren Periodenlänge als die der
Ausgangsmuster entstehen, wobei dieser Effekt als
Moiré-Effekt und das resultierende Muster als Moiré-Muster bekannt sind. Durch Überlagerung mit der
räumlich periodischen Struktur der Maske kann somit aus dem von der optischen Interferenzvorrichtung
erzeugten, räumlich periodischen Interferenzmuster
z. B. ein resultierendes, räumlich periodisches MoiréMuster mit einer größeren Periodenlänge als die des
Interferenzmusters erzeugt werden, welches im Folgenden als Moiré-Interferenzmuster bezeichnet wird.
[0050] Die Erfassung und Auswertung des Moiré-Interferenzmusters kann z. B. ähnlich wie die oben beschriebene Erfassung und Auswertung des von der
optischen Interferenzvorrichtung erzeugten räumlich
periodischen Interferenzmusters erfolgen, wobei jedoch bei der Erfassung des Moiré-Interferenzmusters
aufgrund der gegenüber dem periodischen Interferenzmuster größeren Periodenlänge z. B. Detektoren
mit großflächigeren lichtsensitiven Detektorabschnitten eingesetzt werden können.
winkelposition des Spiegels und einer damit einhergehenden räumlichen Verschiebung der hellen und
der dunklen Abschnitte des Moiré-Interferenzmusters
kann sich, analog zu oben beschriebenem Fall, die
von dem Lichtdetektor erfasste Helligkeit somit z. B.
zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert
ändern, wobei ein Hell-Dunkel-Zyklus des von dem
Lichtdetektor erfassten, zugehörigen Helligkeitsverlaufs einer Verschiebung des Moiré-Interferenzmusters um eine Periodenlänge desselben entsprechen
kann. Die Auswerteeinheit kann z. B. derart eingerichtet sein, dass von ihr durch Auswerten der Anzahl
der Hell-Dunkel-Zyklen in einem solchen Helligkeitsverlauf und/oder der Form des Helligkeitsverlaufs eine Drehwinkelpositionsänderung und/oder eine aus
derselben resultierende vorliegende Drehwinkelposition ermittelt werden kann.
[0053] Gemäß den oben beschriebenen Konfigurationen kann der Lichtdetektor derart eingerichtet
sein, dass von ihm mehrere Hell-Dunkel-Perioden
des räumlich periodischen Intensitätsmusters bzw.
des Moiré-Interferenzmusters erfasst werden können. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der
Lichtdetektor derart eingerichtet ist, dass von ihm lediglich eine Helligkeitsänderung einer einzigen Periode des jeweiligen Interferenzmusters erfasst werden kann. Zum Beispiel können die Abmessungen
der Detektorfläche des Lichtdetektors im Wesentlichen den Abmessungen eines einzigen hellen Abschnitts des räumlich periodischen Intensitätsmusters bzw. des Moiré-Interferenzmusters entsprechen,
wobei der Lichtdetektor z. B. derart eingerichtet sein
kann, dass von ihm die auf dieser Detektorfläche
auftreffende Lichtleistung als Helligkeitssignal erfasst
wird.
[0051] Gemäß einer Ausführungsform weist eine
Detektorfläche des Lichtdetektors eine räumlich periodische Strukturierung aus lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten und nicht-lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten mit derselben Periode wie das
Moiré-Interferenzmuster (beim Auftreffen auf der Detektorfläche bzw. an der Position der Detektorfläche)
auf.
[0054] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist
die optische Interferenzvorrichtung derart eingerichtet, dass von ihr die unterschiedlichen Beugungsordnungen des Beugungslichts unter Erzeugung eines
Interferenzmusters, das eine mit der Drehwinkelposition (des Spiegels bzw. des drehbar gelagerten Objekts) variierende Gesamthelligkeit aufweist, auf einer gemeinsamen Position auf dem Lichtdetektor zur
Überlagerung (und somit zur Interferenz) gebracht
werden (z. B. auf eine gemeinsame Position auf dem
Lichtdetektor fokussiert werden).
[0052] Gemäß dieser Konfiguration kann der Lichtdetektor z. B. derart eingerichtet sein, dass von
ihm die Gesamt-Intensität bzw. Gesamt-Lichtleistung
der von den einzelnen lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten erfassten Einzel-Lichtintensitäten
bzw. Einzel-Lichtleistungen als Helligkeitssignal erfasst werden kann. Zum Beispiel können die Abmessungen der lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitte den Abmessungen der hellen Abschnitte des Moiré-Interferenzmusters (beim Auftreffen auf der Detektorfläche) entsprechen. Bei einer Änderung der Dreh-
[0055] Dabei kann das von der optischen Interferenzvorrichtung erzeugte Interferenzmuster durch direktes Überlagern der Beugungsreflexe der unterschiedlichen Beugungsordnungen an der gemeinsamen Position erzeugt werden, wobei das so erzeugte
Gesamtintensitäts-Interferenzmuster durch die (aus
der Interferenz des Lichts der unterschiedlichen Beugungsordnungen) resultierende Helligkeit bzw. Gesamt-Lichtintensität an der gemeinsamen Position
gegeben sein kann. Gemäß dieser Konfiguration
kann z. B. vorgesehen sein (z. B. durch entsprechen-
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des Ausgestalten der Interferenzvorrichtung), dass
das Licht der unterschiedlichen Beugungsordnungen
zunächst auf getrennten Lichtwegen zu dem Lichtdetektor läuft und erst an der gemeinsamen Position auf
dem Lichtdetektor überlagert und somit zur Interferenz gebracht wird, oder es kann vorgesehen sein,
dass das Licht der unterschiedlichen Beugungsordnungen bereits an einer Position vor dem Auftreffen
auf den Lichtdetektor überlagert wird und dann entlang eines gemeinsamen Lichtweges bzw. Strahlengangs zu dem Lichtdetektor hin läuft. Der Lichtdetektor kann in dieser Konfiguration z. B. derart eingerichtet sein, dass von ihm die Gesamt-Lichtintensität erfasst werden kann. Eine Änderung der Phasenbeziehungen des Lichts der unterschiedlichen Beugungsordnungen mit einer Änderung der Drehwinkelposition des Spiegels kann zu einer Änderung,
z. B. einer Abnahme oder Zunahme, der resultierenden Gesamt-Lichtintensität bzw. Gesamthelligkeit
des Interferenzmusters führen, wobei diese Helligkeitsänderung und der zugehörige Helligkeitsverlauf
von dem Lichtdetektor erfasst werden können. Dabei
kann sich die Gesamt-Lichtintensität mit dem Überstreichen des Gitters durch den reflektierten Lichtstrahl z. B. (periodisch) zwischen einem Maximalwert, der einer im Wesentlichen konstruktiven Interferenz der unterschiedlichen Beugungsordnungen entspricht, und einem Minimalwert, der einer im Wesentlichen destruktiven Interferenz der unterschiedlichen
Beugungsordnungen entspricht, ändern, wobei das
Fortschreiten des reflektierten Lichtstrahls auf dem
Beugungsgitter um eine Periode der Beugungsstruktur z. B. einem oder mehreren Hell-Dunkel-Zyklen in
dem Helligkeitsverlauf entsprechen kann. Die Auswerteeinheit kann z. B. derart eingerichtet sein, dass
von ihr durch Auswerten der Anzahl der Hell-Dunkel-Zyklen in einem solchen Helligkeitsverlauf und/
oder der Form des Helligkeitsverlaufs eine Drehwinkelpositionsänderung und/oder eine aus derselben
resultierende, vorliegende Drehwinkelposition ermittelt werden kann.
[0056] Gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen kann die Auswerteeinheit z. B. derart
eingerichtet sein, dass von ihr aus dem mittels des
jeweiligen Lichtdetektors erfassten Helligkeitsverlauf
eine Drehwinkeländerung betragsmäßig erfasst werden kann. Der Positionsdetektor kann ferner z. B. einen Drehrichtungsdetektor aufweisen, der derart eingerichtet ist, dass von ihm ein Drehrichtungssignal
erfasst werden kann, mittels dessen die Richtung
der Drehwinkeländerung (d. h. die zugehörige Drehrichtung) erfassbar ist. Zum Beispiel kann der Drehrichtungsdetektor mit der Auswerteeinheit verbunden
sein und die Auswerteeinheit kann derart eingerichtet
sein, dass von ihr basierend auf dem Drehrichtungssignal die Drehrichtung ermittelbar ist.
[0057] Als Drehrichtungsdetektor kann z. B. ein Bezugs-Lichtdetektor vorgesehen sein, der derart ange-
ordnet und eingerichtet ist, dass von ihm (analog zu
dem jeweiligen Lichtdetektor) eine Helligkeitsänderung des Interferenzmusters, die durch das Überstreichen des Beugungsgitters mit dem reflektierten Lichtstrahl hervorgerufen wird, sowie ein die Helligkeitsänderung umfassender Bezugs-Helligkeitsverlauf erfassbar ist, wobei der Positionsdetektor und/oder der
jeweilige Bezugs-Lichtdetektor ferner derart angeordnet und eingerichtet sein kann, dass der BezugsHelligkeitsverlauf gegenüber dem von dem Lichtdetektor erfassten Helligkeitsverlauf phasenverschoben
ist, und wobei die Auswerteeinheit z. B. ferner derart
eingerichtet sein kann, dass von ihr basierend auf der
Phasenverschiebung der beiden Helligkeitsverläufe
eine zu einer jeweiligen Drehwinkeländerung zugehörige Drehrichtung des Objekts bzw. des Spiegels
ermittelbar ist.
[0058] Gemäß einer Ausführungsform sind die unterschiedlichen (mittels der optischen Interferenzvorrichtung selektierten) Beugungsordnungen die plus
erste Beugungsordnung und die minus erste Beugungsordnung.
[0059] Zum Beispiel kann die optische Interferenzvorrichtung derart eingerichtet sein, dass von ihr aus
der Gesamtheit der von dem Beugungsgitter erzeugten Beugungsreflexe lediglich die Beugungsreflexe
plus erster und minus erster Beugungsordnung selektiert werden und unter Erzeugung des Interferenzmusters zur Interferenz gebracht werden. Zum Beispiel können die plus erste und die minus erste Beugungsordnung relativ zu den Beugungsreflexen höherer Ordnungen eine hohe Lichtintensität aufweisen
und somit z. B. das Erzeugen eines kontrastreicheren
bzw. strahlungsstärkeren Interferenzmusters ermöglichen.
[0060] Gemäß einer weiteren Ausführung weist der
Positionsdetektor ferner einen ReferenzpositionsLichtdetektor auf, der derart angeordnet ist, dass er
bei einer Drehung des Spiegels von einem von dem
Spiegel reflektierten Teilstrahl des Lichtstrahls überstrichen wird, und der derart eingerichtet ist, dass von
ihm ein durch das Überstreichen hervorgerufener Referenzpositions-Helligkeitsverlauf erfassbar ist, wobei die Auswerteeinheit ferner mit dem Referenzpositions-Lichtdetektor verbunden ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr aus dem ReferenzpositionsHelligkeitsverlauf eine Referenz-Drehwinkelposition
des Objekts ermittelbar ist.
[0061] Der Referenzpositions-Lichtdetektor kann z.
B. zum Ermitteln eines absoluten Nullpunkts oder Referenzpunkts bzw. Referenz-Drehwinkels des Spiegels dienen, bezüglich dessen dann eine absolute
Drehwinkelposition des Spiegels (und somit auch des
drehbar gelagerten Objekts) von der Auswerteeinheit
ermittelt werden kann. Zum Beispiel kann die Auswerteeinheit derart eingerichtet sein, dass von ihr die
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absolute Drehwinkelposition des Spiegels ermittelbar
ist, indem von ihr – z. B. wie oben beschrieben –
aus dem von dem Lichtdetektor erfassten Helligkeitsverlauf Drehwinkeländerungen ermittelt werden können und diese Drehwinkeländerungen, ausgehend
von dem Referenz-Drehwinkel, richtungsmäßig aufaddiert werden können. Des Weiteren kann die Auswerteeinheit z. B. derart eingerichtet sein, dass von
ihr eine bestimmte Periode (bzw. ein bestimmter HellDunkel-Zyklus) in dem von dem Lichtdetektor erfassten Helligkeitsverlauf aufgefunden bzw. ermittelt werden kann, wobei in einem solchen Fall z. B. ein Referenzpositions-Lichtdetektor mit einer entsprechend
geringeren Genauigkeit vorgesehen sein kann.
[0062] Zum Beispiel kann der ReferenzpositionsLichtdetektor derart im Lichtweg des von dem Spiegel
zu dem Beugungsgitter hin reflektierten Lichtstrahls
(z. B. zwischen dem Spiegel und dem Beugungsgitter) angeordnet sein, dass er bei einer Drehung des
Spiegels von einem Teil des reflektierten Lichtstrahls
überstrichen wird. Der Referenzpositions-Lichtdetektor kann ferner z. B. derart eingerichtet und angeordnet sein, dass der Referenzpositions-Helligkeitsverlauf ein Helligkeits-Extremum (z. B. ein Maximum
oder ein Minimum) oder ein anderes Charakteristikum aufweist, wenn sich der Spiegel in der ReferenzDrehwinkelposition befindet, wobei die Auswerteeinheit z. B. derart eingerichtet sein kann, dass von ihr
die Referenz-Drehwinkelposition basierend auf der
Lage eines solchen Extremums bzw. Charakteristikums aus dem Referenzpositions-Helligkeitsverlauf
ermittelt werden kann.
[0063] Gemäß einer Ausführungsform weist der Positionsdetektor ferner eine Teilstrahl-Auskopplungsvorrichtung auf, die zwischen der Lichtquelle und dem
Spiegel im Lichtweg des Lichtstrahls angeordnet ist
und derart eingerichtet ist, dass von ihr der Teilstrahl
ausgekoppelt und in einem Winkel zu dem (von der
Lichtquelle zu dem Spiegel hin verlaufenden) Lichtstrahl derart auf den Spiegel gelenkt wird, dass er bei
einer Drehung des Spiegels den ReferenzpositionsLichtdetektor überstreicht.
[0064] Gemäß dieser Ausführung kann der Referenzpositions-Lichtdetektor z. B. außerhalb des
Strahlengangs des von dem Spiegel zu dem Beugungsgitter reflektierten Lichtstrahls angeordnet werden. Zum Beispiel kann die Teilstrahl-Auskopplungsvorrichtung ein Auskopplungs-Beugungsgitter aufweisen, das derart eingerichtet ist und derart zwischen der Lichtquelle und dem Spiegel angeordnet
ist, dass von ihm ein Teil des von der Lichtquelle kommenden Lichtstrahls als ein Teilstrahl unter einem
Winkel bezüglich des einfallenden Lichtstrahls abgelenkt wird. Es kann jedoch z. B. auch ein teildurchlässiger Auskopplungs-Spiegel oder ein anderes optisches Element zum Auskoppeln des Teilstrahls vorgesehen sein.
[0065] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist
der Referenzpositions-Lichtdetektor an einem Brennpunkt der Eingangsstrahl-Fokussieroptik angeordnet
(wobei der Begriff „Brennpunkt” sinngemäß auch für
„Brennlinie” verwendet wird, d. h. hier sinngemäß einen Fokus bzw. eine Fokusposition der Eingangsstrahl-Fokussieroptik kennzeichnet).
[0066] Gemäß dieser Ausführung kann die Eingangsstrahl-Fokussieroptik z. B. ferner derart angeordnet und eingerichtet sein, dass von ihr der an dem
Spiegel reflektierte Teilstrahl auf eine zugehörige Fokusposition fokussiert wird. Somit kann die Eingangsstrahl-Fokussieroptik sowohl zum Fokussieren des
zu dem Beugungsgitter hin reflektierten Lichtstrahls
als auch zum Fokussieren des zu dem Referenzpositions-Lichtdetektor hin reflektierten Teilstrahls vorgesehen sein. Der Referenzpositions-Lichtdetektor
kann z. B. an der Fokusposition des Teilstrahls angeordnet sein, so dass z. B. keine zusätzlichen optischen Elemente zum Positionieren bzw. Fokussieren
dieses Teilstrahls vorgesehen sein müssen.
[0067] Die Erfindung wird im Folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei in den Zeichnungen gleiche oder ähnliche Teile durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind. In den Zeichnungen zeigen:
[0068] Fig. 1 eine schematische Draufsicht eines
Positionsdetektors gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung,
[0069] Fig. 2 eine schematische Illustration eines
räumlich periodischen Interferenzmusters zur Erläuterung der Funktionsweise des in Fig. 1 gezeigten
Positionsdetektors,
[0070] Fig. 3 eine schematische Illustration zur Erläuterung einer Helligkeitsänderung des in Fig. 2 gezeigten Interferenzmusters,
[0071] Fig. 4 eine Darstellung eines Helligkeitsverlaufs und eines Bezugs-Helligkeitsverlaufs zur Erläuterung der Funktionsweise des in Fig. 1 gezeigten
Positionsdetektors,
[0072] Fig. 5 eine schematische Draufsicht eines
Positionsdetektors gemäß einer anderen Ausführungsform,
[0073] Fig. 6 eine schematische Illustration zur Erläuterung der Funktionsweise eines Positionsdetektors gemäß einer weiteren Ausführungsform unter
Ausnutzung des Moiré-Effekts,
[0074] Fig. 7 eine schematische Draufsicht eines
Teils eines Positionsdetektors gemäß einer weiteren
Ausführungsform,
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[0075] Fig. 8 eine Darstellung eines Helligkeitsverlaufs und eines Bezugs-Helligkeitsverlaufs zur Erläuterung der Funktionsweise des in Fig. 7 gezeigten
Positionsdetektors,
[0076] Fig. 9 eine schematische Draufsicht eines
Teils eines Positionsdetektors gemäß einer weiteren
Ausführungsform,
[0077] Fig. 10 eine schematische Draufsicht eines
Teils eines Positionsdetektors gemäß einer weiteren
Ausführungsform mit einem Referenzpositions-Lichtdetektor,
[0078] Fig. 11 eine schematische Perspektiv-Teilansicht des Positionsdetektors gemäß Fig. 10,
[0079] Fig. 12 eine Illustration zur Erläuterung eines
Referenzpositions-Helligkeitsverlaufs.
[0080] Fig. 1 veranschaulicht einen Positionsdetektor 1 gemäß einer Ausführungsform, wobei der Positionsdetektor 1 zum Ermitteln der Drehwinkelposition
einer entlang der z-Richtung des in Fig. 1 dargestellten xyz-Koordinatensystems (d. h. senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 1) verlaufenden, um ihre Längsachse drehbar angeordneten Welle 3 vorgesehen ist,
welche z. B. als Welle einer Lichtablenkvorrichtung
(z. B. eines Galvanometerscanners) fungieren kann.
[0081] Gemäß Fig. 1 weist der Positionsdetektor 1
eine Lichtquelle in Form einer Laserdiode 5, einen
drehbar angeordneten Spiegel 7, ein Beugungsgitter 9, eine optische Interferenzvorrichtung 11, einen
Lichtdetektor 13 sowie eine Auswerteeinheit 15 auf.
Die Laserdiode 5 emittiert einen Laser-Lichtstrahl 17
mit Laserlicht einer zugehörigen Wellenlänge. Der
Laserstrahl bzw. Lichtstrahl 17 wird mittels einer Kollimationsoptik, hier ausgebildet als eine Kollimationslinse 19, kollimiert und über eine Eingansstrahl-Fokussieroptik, hier ausgebildet als eine Zylinderlinse
21, auf den Spiegel 7 geleitet, wobei der Lichtstrahl
17 einen Strahlteiler 23 und ein Polarisationsänderungselement 28 durchläuft.
[0082] Der Spiegel 7 ist als Planspiegel ausgeführt
und ist derart mit der Welle 3 verbunden, z. B. an einem axialen Ende der Welle 3 befestigt, dass die (verlängerte) Längsachse bzw. Drehachse der Welle 3
in einer Spiegelfläche 25 des Spiegels 7 verläuft und
der Spiegel 7 bei einer Drehung der Welle 3 mit derselben mitdreht. Es kann auch vorgesehen sein, dass
der Spiegel integral mit der Welle 3 ausgebildet ist,
wobei z. B. eine Fläche der Welle 3 als Spiegelfläche
ausgebildet sein kann.
[0083] In der Konfiguration gemäß Fig. 1 ist das
Beugungsgitter 9 als zylinderförmiges Reflexionsgitter 9 ausgeführt, welches mit seiner Konkavität dem
Spiegel 7 zugewandt ist und konzentrisch zu der
Drehachse der Welle 3, d. h. konzentrisch zu der Welle 3, angeordnet ist. Das Reflexionsgitter 9 weist eine entlang der Umfangsrichtung des zylinderförmigen Gitters 9 periodische Beugungsstruktur 27 auf,
die hier z. B. aus einer Anordnung entlang der z-Richtung verlaufender, zueinander paralleler und äquidistanter Beugungsstrukturen, z. B. in Form von Stegen, besteht (in Fig. 1 vereinfachend veranschaulicht
durch die Strichteilung 27 des Reflexionsgitters 9).
[0084] Das Beugungsgitter 9 und der Spiegel 7 sind
derart angeordnet, dass der von der Laserdiode 5
kommende Lichtstrahl 17 unter Ausbildung eines reflektierten Lichtstrahls 18 von dem Spiegel 7 auf das
Beugungsgitter 9 reflektiert wird, und dass der reflektierte Lichtstrahl 18 bei einer Drehung des Spiegels
7 das Beugungsgitter 9 entsprechend der Drehung
parallel zu der Umfangsrichtung des zylinderförmigen Gitters 9, d. h. parallel zu der Periodizitätsrichtung der Beugungsstruktur 27 bzw. senkrecht zu der
Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturelemente
der Beugungsstruktur 27, überstreicht.
[0085] Das Licht des reflektierten Lichtstrahls 18
wird unter Erzeugung von Beugungslicht 29 von dem
Reflexionsgitter 9 in Reflexion gebeugt, wobei das
Beugungslicht 29 Licht beliebiger Beugungsordnungen enthalten kann und von dem Reflexionsgitter 9 in
Richtung zu dem Spiegel 7 hin reflektiert wird.
[0086] In der Konfiguration gemäß Fig. 1 ist die zwischen der Laserdiode 5 und dem Spiegel 7 im Lichtweg des Lichtstrahls 17 angeordnete EingangsstrahlFokussieroptik in Form der Zylinderlinse 21 derart
ausgebildet und angeordnet, dass von ihr der Lichtstrahl 17 bzw. der von dem Spiegel 7 zu dem Reflexionsgitter 9 hin reflektierte Lichtstrahl 18 im Wesentlichen auf einen linienförmigen Brennpunkt bzw. eine
Brennlinie 31 des zylinderförmigen Reflexionsgitters
9 (d. h. auf eine entlang der z-Richtung verlaufende
Brennlinie 31 in der Mitte zwischen dem Reflexionsgitter 9 und dem Krümmungszentrum des Gitters 9,
welches hier durch die Drehachse der Welle 3 gegeben ist) fokussiert wird. Das von dem Reflexionsgitter 9 in Reflexion gebeugte Beugungslicht 29 verläuft
somit in Form eines (unter Berücksichtigung der Divergenz der einzelnen Beugungsreflexe) im Wesentlichen kollimierten Beugungslicht-Strahls 29 in Richtung zu dem Spiegel 7 und wird von dem Spiegel
7 auf den Strahlteiler 23 reflektiert. Es kann jedoch
auch vorgesehen sein, die Eingangsstrahl-Fokussieroptik 21 derart auszubilden, dass von ihr der reflektierte Lichtstrahl 18 auf eine Position in der Nähe
der Brennlinie 31 (d. h. auf eine Position abseits der
Brennlinie 31) fokussiert wird, so dass das Beugungslicht 29 in Form eines (leicht) konvergenten oder divergenten Beugungslicht-Strahls 29 zu dem Spiegel
7 hin verläuft.
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[0087] Des Weiteren ist der Spiegel 7 derart angeordnet, dass der Lichtstrahl 17 (bzw. ein zentraler
Hauptstrahl des Lichtstrahls 17) im Wesentlichen auf
einer zentralen Position, die auf der (fiktiven) Schnittlinie der Drehachse der Welle 3 mit der Spiegelfläche
25 liegt, auf die Spiegelfläche 25 auftrifft, wobei der
linienförmige Fokus des reflektierten Lichtstrahls 18
bei einer Drehung des Spiegels 7 im Wesentlichen
eine entsprechende Kreisbahn bzw. kreisförmige Fokus-Trajektorie überstreicht.
[0088] Der Strahlteiler 23 ist derart ausgebildet und
angeordnet, dass von ihm zumindest ein Teil des
Beugungslichts 29 ausgekoppelt, d. h. unter einem
Winkel zu dem von der Laserdiode 5 her kommenden
Lichtstrahl 17 abgelenkt, werden kann und zu der optischen Interferenzvorrichtung 11 bzw. Interferenzoptik 11 des Positionsdetektors 1 geleitet werden kann,
wobei die von dem Strahlteiler 23 ausgehenden Beugungsreflexe der jeweiligen Ordnungen räumlich divergieren. In Fig. 1 sind zur besseren Veranschaulichung lediglich die von dem Strahlteiler 23 ausgehenden Beugungsreflexe der nullten Ordnung (m = 0),
der minus ersten (m = –1) und der plus ersten (m = +1)
Ordnung durch ihre jeweiligen Begrenzungsstrahlen
veranschaulicht.
[0089] In der Konfiguration gemäß Fig. 1 ist der
Strahlteiler 23 ein polarisationssensitiver bzw. polarisierender Strahlteiler 23, der derart ausgebildet ist,
dass von ihm Licht einer ersten Polarisation, hier z.
B. in y-Richtung linear polarisiertes Licht, im Wesentlichen transmittiert wird und Licht einer (von der ersten Polarisation verschiedenen) zweiten Polarisation,
hier z. B. in z-Richtung linear polarisiertes Licht, im
Wesentlichen reflektiert wird. Gemäß dieser Konfiguration ist der Strahlteiler 23 somit im Wesentlichen ein
polarisationssensitiver Auskopplungsspiegel 23.
[0090] Des Weiteren ist in der Konfiguration gemäß
Fig. 1 die Lichtquelle 5 derart ausgebildet, dass das
von ihr erzeugte Licht 17 die erste Polarisation aufweist, der Lichtstrahl 17 also in y-Richtung linear polarisiert ist. Die Lichtquelle kann auch derart ausgebildet sein, dass das von ihr erzeugte Licht eine
von der ersten Polarisation verschiedene Polarisation aufweist, wobei in diesem Fall z. B. ein optisches
Element (in Fig. 1 nicht dargestellt), z. B. eine Verzögerungsplatte bzw. λ/n-Platte, im Lichtweg zwischen
der Lichtquelle und dem Strahlteiler vorgesehen sein
kann, welches derart ausgebildet ist, dass von ihm
die Polarisation des Lichtstrahls 17 vor dem Auftreffen auf den Strahlteiler 23 in die erste Polarisation
überführt wird. Der von der Lichtquelle 5 kommende
Lichtstrahl 17 wird somit von dem Strahlteiler 23 im
Wesentlichen vollständig (d. h. ohne Intensitätsverlust) transmittiert.
[0091] Das Polarisationsänderungselement 28 ist
derart im Lichtweg zwischen dem Strahlteiler 23 und
dem Reflexionsgitter 9 angeordnet, dass es sowohl
von dem zu dem Reflexionsgitter 9 hin verlaufenden Lichtstrahl 17 als auch (in umgekehrter Richtung)
von dem Beugungslicht 29 durchlaufen wird. In der
Konfiguration gemäß Fig. 1 ist das Polarisationselement 28 als Beispiel eine λ/4-Platte, von welcher das
von dem Strahlteiler 23 kommende, in y-Richtung linear polarisierte Licht in zirkular polarisiertes Licht
umgewandelt wird, welches an dem Gitter 9 in Reflexion gebeugt wird. Das von dem Beugungsgitter
9 kommende, zirkular polarisierte Beugungslicht 29
wiederum durchläuft auf seinem Weg zu dem Strahlteiler 23 die λ/4-Platte in umgekehrter Richtung, wobei das zirkular polarisierte Beugungslicht 29 in entlang der z-Richtung linear polarisiertes Beugungslicht
29 umgewandelt wird, d. h. in die zweite Polarisation überführt wird. Gemäß der vorliegenden Konfiguration ist das Polarisationselement 28 also derart
ausgebildet, dass von ihm das von der Lichtquelle
5 kommende Licht der ersten Polarisation zunächst
(bei einmaligem Durchlaufen des Polarisationsänderungselements 28) in eine (von der ersten und der
zweiten verschiedene) dritte Polarisation überführt
wird und danach (bei zweimaligem Durchlaufen des
Polarisationsänderungselements 28) von der dritten
in die zweite Polarisation überführt wird. Das Polarisationselement 28 ist also derart ausgebildet, dass
von ihm die Polarisation des Beugungslichts 29 in
die zweite Polarisation überführt wird und das Beugungslicht 29 somit nunmehr von dem Strahlteiler 23
im Wesentlichen vollständig d. h. ohne Intensitätsverlust) zu der Interferenzvorrichtung 11 hin reflektiert
wird.
[0092] Es kann jedoch auch vorgesehen sein, den
Positionsdetektor 1 ohne das Polarisationsänderungselement 28 zu realisieren, wobei in einem solchen Fall die Lichtquelle 5 z. B. Licht mit beliebigen Polarisationseigenschaften emittieren kann und
der Strahlteiler 23 z. B. ein polarisationsunabhängiger Strahlteiler sein kann.
[0093] Gemäß der in Fig. 1 dargestellten Konfiguration weist die Interferenzvorrichtung 11 eine Fokussieroptik, hier ausgebildet als eine Fokussierlinse 33
(hier z. B. in Form einer einer Zylinderlinse), und eine
Blende, hier ausgebildet als eine Spaltblende 35, auf.
[0094] Die Fokussierlinse 33 und die Spaltblende 35
sind derart angeordnet, dass von der Fokussierlinse 33 das Beugungslicht der minus ersten und der
plus ersten Beugungsordnung auf jeweils zugehörige Spaltöffnungen 37, 39 der Spaltblende 35 fokussiert wird, wobei die Spaltblende 35 derart ausgebildet und (parallel zur xz-Ebene des xyz-Koordinatensystems) angeordnet ist, dass von ihr ausschließlich
das Beugungslicht der minus ersten und der plus ersten Beugungsordnung des Beugungslichts transmittiert wird, wohingegen die übrigen Beugungsordnungen von der Spaltblende 35 abgeblockt, d. h. ausge-
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blendet, werden. Zum Beispiel kann die Fokussierlinse 33 derart ausgebildet sein, dass von ihr das Beugungslicht nullter Ordnung (m = 0) auf eine Position
in der Mitte zwischen den beiden Spaltöffnungen 37,
39 auf die Spaltblende 35 fokussiert und somit ausgeblendet wird (siehe Fig. 1).
[0095] Das von den beiden Spaltöffnungen 37, 39
ausgehende Licht der Beugungsreflexe der minus
ersten (m = –1) und der plus ersten (m = +1) Beugungsordnung interferiert hinter der Spaltblende 35
am Ort des Detektors 13 wie in Fig. 2 veranschaulicht
unter Erzeugung eines räumlich periodischen, streifenförmigen Interferenzmusters 41 aus hellen Streifen 43 (d. h. Streifen höherer Lichtintensität) und
dunklen Streifen 45 (d. h. Streifen geringerer Lichtintensität), die parallel zur z-Richtung verlaufen, wobei
die hellen Streifen 43 Gebieten konstruktiver Interferenz und die dunklen Streifen 45 Gebieten destruktiver Interferenz des Lichts der plus ersten und minus
ersten Ordnungen entsprechen. Das streifenförmige
Interferenzmuster 41 weist somit, wie in Fig. 2 veranschaulicht, ein entlang der x-Richtung des xyz-Koordinatensystems periodisches Hell-Dunkel-Streifenmuster auf (wobei in Fig. 2 zur besseren Veranschaulichung ein abrupter Hell-Dunkel-Übergang zwischen
den einzelnen Streifen dargestellt ist, wohingegen
dieser Übergang tatsächlich fließend ist, wie z. B. aus
der Intensitätsverteilung gemäß Fig. 3 ersichtlich).
[0096] In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist die Divergenz des Lichts eines jeweiligen, von der Blende 35
transmittierten Beugungsreflexes (hier: m = ±1) hinter
der Blende 35 (d. h. nach Durchlaufen der Blende 35)
gleich der Divergenz vor der Blende 35 nach Durchlaufen der Fokussierlinse 33. Dies kann z. B. der Fall
sein, wenn die kleinste Abmessung der Blendenöffnungen 37, 39 (z. B. die Spaltbreite der Spaltöffnungen 37, 39) so groß ist (z. B. größer als die Wellenlänge des Beugungslichts), dass Beugungserscheinungen an der Blende 35 vernachlässigbar sind oder gar
nicht erst auftreten. Es kann jedoch auch vorgesehen
sein, eine Abmessung der Blendenöffnungen 37, 39
(z. B. die Spaltbreite der Spaltöffnungen 37, 39) derart zu wählen (z. B. kleiner als die Wellenlänge des
Beugungslichts), dass die Öffnungen der Blende 35
als punkt- bzw. linienförmige Lichtquellen wirken, wobei aufgrund der dann auftretenden Beugungseffekte
die Divergenz des Lichts eines jeweiligen Beugungsreflexes hinter der Blende 35 größer sein kann als
die Divergenz vor der Blende 35. Eine solche Ausbildung kann z. B. einen geringeren Abstand zwischen
der Blende 35 und dem Lichtdetektor 13 und somit eine reduzierte Baugröße des Positionsdetektors 1 ermöglichen.
[0097] Der Lichtdetektor 13 ist derart angeordnet
und eingerichtet, dass von ihm eine Änderung der
räumlichen Helligkeitsverteilung des streifenförmigen
Interferenzmusters 41 als eine Helligkeitsänderung
erfasst werden kann, wobei die Gesamtbreite (in xRichtung) des Lichtdetektors 13 z. B. der Gesamtbreite (in x-Richtung) des Interferenzmusters 41 angepasst sein kann. Wie in Fig. 3 veranschaulicht, weist
der Lichtdetektor 13 eine parallel zu der xz-Ebene
des xyz-Koordinatensystems angeordnete Detektorfläche 47 auf, welche eine streifenförmige, entlang
der x-Richtung periodische Strukturierung aus entlang der z-Richtung verlaufenden lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten 49 (nicht schraffiert) und
nicht-lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten 51
(schraffiert) aufweist, wobei die Strukturierung der
Detektorfläche 47 dieselbe Periode aufweist wie das
(ebenfalls entlang der x-Richtung periodische) Interferenzmuster 41 beim Auftreffen auf der Detektorfläche 47, und wobei die Breite der lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitte 49 (in x-Richtung) der Breite der hellen Streifen 43 des Interferenzmusters 41
beim Auftreffen auf der Detektorfläche 47 entspricht.
Die Breite der Streifen 43, 45 des Interferenzmusters
41 auf der Detektorfläche 47 kann z. B. vom Abstand
der Detektorfläche 47 von der Spaltblende 35 abhängen. Der Lichtdetektor 13 ist derart eingerichtet, dass
von ihm die Gesamt-Lichtleistung P, d. h. die Summe der von den einzelnen lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten 49 erfassten Einzel-Lichtleistungen, als Helligkeitssignal erfasst wird.
[0098] Fig. 3 erläutert die Funktionsweise der vorliegenden Ausführungsform schematisch anhand der
von dem streifenförmigen Interferenzmuster 41 auf
der Detektorfläche 47 hervorgerufenen Intensitätsverteilung, wobei der obere Teil von Fig. 3 die Variation der Lichtintensität I auf der Detektorfläche 47
mit der x-Position veranschaulicht. Die Position (in
x-Richtung) der hellen Streifen 43 und der dunklen
Streifen 45 des Interferenzmusters 41 auf der Detektorfläche 47 hängt von der Phasenbeziehung bzw.
Phasendifferenz des von den Spaltöffnungen 37, 39
ausgehenden Lichts der plus ersten und minus ersten
Beugungsordnung ab. Eine Drehung des Spiegels 7
führt durch die damit einhergehende Positionsänderung des von dem Spiegel 7 reflektierten Lichtstrahls
17 auf dem Reflexionsgitter 9 zu einer Änderung
der Phasenbeziehung dieser beiden Beugungsordnungen und somit zu einer Verschiebung des streifenförmigen Interferenz- bzw. Intensitätsmusters 41
auf der Detektorfläche 47 entlang der Periodizitätsrichtung desselben, d. h. entlang der x-Richtung (in
Fig. 3 veranschaulicht durch den Doppelpfeil), wobei
die Gesamthelligkeit des Interferenzmusters 41 z. B.
unveränderlich sein kann. Dabei variiert der Grad der
Überlappung der hellen Streifen 43 des Interferenzmusters 41 mit den lichtsensitiven DetektorflächenAbschnitten 49, und somit auch die von dem Lichtdetektor 47 erfasste Gesamt-Lichtleistung P. Aufgrund
der übereinstimmenden Strukturen des Interferenzmusters 41 und der Detektorfläche 47 entspricht dabei eine maximale Überlappung der hellen Streifen
43 hoher Lichtintensität I des Interferenzmusters 41
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mit den lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten
49, in Fig. 3 dargestellt durch die durchgezogene Intensitätsverteilung 53, einem Maximalwert Pmax der
von dem Lichtdetektor 13 erfassten Gesamt-Lichtleistung P, wohingegen eine maximale Überlappung
der dunklen Streifen 45 niedriger Lichtintensität 1 des
Interferenzmusters 41 mit den lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten 49, in Fig. 3 dargestellt durch
die gestrichelte Intensitätsverteilung 55, einem Minimalwert Pmin der Leistung P entspricht.
[0099] Bei einer Drehung des Spiegels 7 variiert somit die von dem Lichtdetektor 13 erfasste Lichtleistung P zwischen dem Minimalwert Pmin und dem Maximalwert Pmax, wobei diese Helligkeitsänderung sowie ein zugehöriger Helligkeitsverlauf von dem Lichtdetektor 13 erfasst werden, wobei der Lichtdetektor
13 z. B. zunächst einen Helligkeits-Zeit-Verlauf erfassen kann.
[0100] Fig. 4 zeigt als Beispiel einen Helligkeitsverlauf 57 beim Drehen des Spiegels 7, wobei die horizontale Achse die Zeit t angibt, und wobei auf der
vertikalen Achse die von dem Lichtdetektor 13 erfasste Gesamt-Lichtleistung P als Helligkeitssignal aufgetragen ist. Bei konstanter Drehgeschwindigkeit des
Spiegels 7 ist, wie in Fig. 4 veranschaulicht, das von
dem Lichtdetektor 13 erfasste Helligkeitssignal periodisch mit der Zeit, wobei sich z. B. ein wellenbzw. sinusförmiger Helligkeitsverlauf ergibt. Die Zeitabhängigkeit der von dem Lichtdetektor 13 erfassten
Gesamt-Lichtleistung P kann z. B. mittels der Auswerteeinheit 15 in eine Drehwinkelabhängigkeit der
Gesamt-Lichtleistung P umgerechnet werden, wobei
die erfasste Lichtleistung P periodisch mit dem Drehwinkel α des Spiegels 7 variiert, was in Fig. 4 durch
die in Klammern gesetzte Bezeichnung α der horizontalen Achse angedeutet ist.
[0101] Die Auswerteeinheit 15 ist mit dem Lichtdetektor 13 verbunden und derart eingerichtet, dass von
ihr basierend auf dem Helligkeitsverlauf 57 die Drehwinkelposition des Spiegels 7 und somit auch der
Welle 3 ermittelbar ist. Zum Beispiel kann die Auswerteeinheit 15 derart eingerichtet sein, dass von ihr
durch Mitzählen bzw. durch Auswerten der Anzahl
der Hell-Dunkel-Zyklen in dem Helligkeitsverlauf 57
und/oder der Form des Helligkeitsverlaufs 57 die zugehörige Drehwinkeländerung, z. B. betragsmäßig,
ermittelt werden kann, wobei der Positionsdetektor 1
z. B. ferner einen Drehrichtungsdetektor (nicht dargestellt) zum Ermitteln der zugehörigen Drehrichtung
aufweisen kann. Der Drehrichtungsdetektor kann z.
B. mit der Auswerteeinheit 15 verbunden sein und
derart eingerichtet sein, dass von ihm die jeweilige
Drehrichtung erfasst werden kann, wobei die Auswerteeinheit 15 ferner derart eingerichtet sein kann,
dass von ihr basierend auf dem von dem Lichtdetektor 13 erfassten Helligkeitsverlauf 57 und der von
dem Drehrichtungsdetektor erfassten Drehrichtung
eine vorzeichenbehaftete bzw. drehrichtungsbehaftete Drehwinkeländerung ermittelbar ist.
[0102] Der Drehrichtungsdetektor kann z. B. in Form
eines Bezugs-Lichtdetektors (nicht dargestellt) ausgeführt sein, der analog zu dem Lichtdetektor 13
ausgebildet ist (d. h. z. B. auch eine Strukturierung mit streifenförmigen lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten und nicht-lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten mit derselben Periode wie das
Interferenzmuster 41 aufweist), wobei die Strukturierung des Bezugs-Lichtdetektors jedoch gegenüber
der Strukturierung des Lichtdetektors 13 entlang der
Periodizitätsrichtung der Strukturierung (d. h. hier
entlang der x-Richtung), z. B. um eine viertel Periode, verschoben ist. Der mittels des Bezugs-Lichtdetektors erfasste Bezugs-Helligkeitsverlauf 59 ist
dann gegenüber dem Helligkeitsverlauf 57 phasenverschoben bzw. zeitversetzt, wobei sich z. B. bei
konstanter Drehgeschwindigkeit des Spiegels 7 und
bei einer Verschiebung der Strukturierungen der beiden Lichtdetektoren um eine viertel Periode periodische Helligkeitsverläufe 57, 59 ergeben, die gegeneinander um eine viertel Periode phasenverschoben
sind (siehe Fig. 4). Die Auswerteeinheit 15 kann z.
B. mit dem Bezugs-Lichtdetektor verbunden sein und
derart eingerichtet sein, dass von ihr aus der Phasenbeziehung zwischen dem Helligkeitsverlauf 57 und
dem Bezugs-Helligkeitsverlauf 59 die (zu einer Drehwinkeländerung zugehörige) Drehrichtung ermittelbar ist.
[0103] Zum Beispiel kann, wenn der vorliegende
Drehwinkel einer Flankenposition des Helligkeitssignals 57 entspricht, die Drehrichtung allein anhand
des von dem Lichtdetektor 13 erfassten Helligkeitsverlaufs 57 eindeutig bestimmbar sein, indem eine
Zunahme der Helligkeit einer bestimmten Drehrichtung und eine Abnahme der Helligkeit der entgegengesetzten Drehrichtung zugeordnet werden kann.
Wenn der vorliegende Drehwinkel jedoch einem Maximum oder einem Minimum des Helligkeitsverlaufs
57 entspricht, ist das Vorzeichen der Helligkeitsänderung unabhängig von der Drehrichtung, so dass die
Drehrichtung anhand des Helligkeitsverlaufs 57 nicht
eindeutig ermittelt werden kann. In einem solchen
Fall kann die Drehrichtung jedoch z. B. anhand des
phasenverschobenen Bezugs-Helligkeitsverlaufs 59
ermittelt werden, da ein Extremum des Helligkeitsverlaufs 57 immer einer Flanke des Bezugs-Helligkeitsverlaufs 59 entspricht.
[0104] Das anhand der Konfiguration gemäß Fig. 1
erläuterte Funktionsprinzip kann auch mit anderen
optischen Elementen oder mit anderen Anordnungen
und Kombinationen optischer Elemente als in Fig. 1
dargestellt realisiert werden. Zum Beispiel können die
verschiedenen Lichtwege mittels Umlenkspiegeln gefaltet bzw. umgelenkt werden oder die optischen Bauelemente können (zumindest teilweise) integral mit-
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einander ausgebildet werden, wobei z. B. Funktionalität mehrerer optischer Elemente in ein einziges optisches Element integriert werden kann, wodurch z. B.
die Baugröße des Positionsdetektors reduziert werden kann.
[0105] Als ein Beispiel veranschaulicht Fig. 5 einen
Positionsdetektor 2 gemäß einer anderen Ausführungsform, wobei in der folgenden Erläuterung Sachverhalte, welche bereits mit Bezug auf Fig. 1 erläutert
wurden und analog für die Ausführungsform gemäß
Fig. 5 gelten, nicht noch einmal vollständig erläutert
werden.
[0106] Gemäß Fig. 5 wird von der Lichtquelle 5
in Form der Laserdiode 5 zunächst ein kegelförmig divergierender Lichtstrahl 17 emittiert, welcher
sich in x-Richtung ausbreitet und sowohl eine Divergenz bezüglich der y-Richtung als auch eine Divergenz bezüglich der z-Richtung aufweist. Der Lichtstrahl 17 wird zunächst mittels einer Kollimationsoptik
20, hier ausgebildet als Zylinderlinse 20, derart kollimiert, dass die Divergenz des Lichtstrahls 17 bezüglich der y-Richtung eliminiert wird, der Lichtstrahl 17
also nach Durchlaufen der Kollimationsoptik 20 in einer parallel zur xy-Ebene verlaufenden Ebene kollimiert ist, wobei jedoch (aufgrund der Asymmetrie der
Zylinderlinse 20) die Divergenz des Lichtstrahls 17
bezüglich der z-Richtung erhalten bleibt, der Lichtstrahl 17 also in einer parallel zur xz-Ebene verlaufenden Ebene weiterhin divergiert.
[0107] Der derart teilkollimierte Lichtstrahl 17 durchläuft einen Strahlteiler 24 und wird über eine
Eingangsstrahl-Fokussieroptik, hier ausgebildet als
sphärische Linse 34, und das Polarisationsänderungselement 28 auf den drehbar angeordneten
Spiegel 7 geleitet, so dass der reflektierte Lichtstrahl
18 in Richtung zu dem Beugungsgitter 9 hin verläuft.
Die Eingangsstrahl-Fokussieroptik bzw. sphärische
Linse 34 ist derart ausgebildet, dass von ihr die Divergenz des Lichtstrahls 17 in z-Richtung eliminiert wird
(der Lichtstrahl 17 also nach Durchlaufen der sphärischen Linse 34 bezüglich der z-Richtung kollimiert
ist), und dass von ihr der Lichtstrahl 17 bzw. der reflektierte Lichtstrahl 18 in einer parallel zur xy-Ebene
verlaufenden Ebene auf einen Brennpunkt bzw. eine
Brennlinie (in Fig. 5 nicht dargestellt) des zylinderförmigen Reflexionsgitters 9 oder in die Nähe dieses
Brennpunkts bzw. dieser Brennlinie fokussiert wird.
In der Ausführung gemäß Fig. 5 wird der Lichtstrahl
17 auf eine Position in der Nähe des Brennpunkts
fokussiert, welche Position auf der dem Beugungsgitter bzw. Reflexionsgitter 9 zugewandten Seite dieses Brennpunkts liegt, so dass das von dem Reflexionsgitter 9 in Reflexion gebeugte Beugungslicht 29
in Form eines – in einer parallel zur xy-Ebene verlaufenden Ebene – (leicht) divergenten BeugungslichtStrahls 29 in Richtung zu dem Spiegel 7 verläuft und
von dem Spiegel 7 via das Polarisationsänderungs-
element 28 wieder zu der Eingangsstrahl-Fokussieroptik 34 in Form der sphärischen Linse 34 hin reflektiert wird, wobei die Beugungsreflexe der jeweiligen Ordnungen räumlich divergieren. Es kann auch
vorgesehen sein, die Eingangsstrahl-Fokussieroptik
34 derart auszubilden, dass von ihr der reflektierte
Lichtstrahl 18 auf die Brennlinie des Reflexionsgitters 9 fokussiert wird, so dass das Beugungslicht 29
in Form eines vollständig (d. h. bezüglich beider zu
seiner Ausbreitungsrichtung senkrecht verlaufender
Richtungskomponenten) kollimierten BeugungslichtStrahls 29 zu dem Spiegel 7 hin verläuft.
[0108] Der Strahlteiler 24 ist derart ausgebildet und
angeordnet, dass von ihm zumindest ein Teil des
Beugungslichts 29 nach dem Durchlaufen der Eingangsstrahl-Fokussieroptik 34 ausgekoppelt und in
Richtung zu einer Blende (hier: Spaltblende) 36 hin
geleitet wird, wobei die Eingangsstrahl-Fokussieroptik 34 und die Blende 36 ferner derart ausgebildet
und angeordnet sind, dass von der EingangsstrahlFokussieroptik 34 die zum Erzeugen des Interferenzmusters vorgesehenen Beugungsreflexe auf entsprechende Öffnungen (hier: Spaltöffnungen) 38, 40 der
Spaltblende 36 fokussiert werden und somit von der
Blende 36 transmittiert werden, wohingegen die übrigen Beugungsreflexe von der Spaltblende 36 abgeblockt werden. Analog zu der Konfiguration gemäß
Fig. 1 sind in Fig. 5 lediglich die Beugungsreflexe der
nullten (m = 0), minus ersten (m = –1) und plus ersten
(m = +1) Ordnung durch ihre jeweiligen Begrenzungsstrahlen veranschaulicht, wobei gemäß Fig. 5 ausschließlich die Beugungsreflexe der minus und der
plus ersten Ordnung (m = ±1) von der Spaltblende
36 transmittiert werden und die Beugungsreflexe der
übrigen Ordnungen abgeblockt werden, wie in Fig. 5
am Beispiel des Beugungslichts nullter Ordnung (m
= 0) veranschaulicht.
[0109] In der Konfiguration gemäß Fig. 5 können
die Lichtquelle 5, der Strahlteiler 24 und das Polarisationsänderungselement 28 hinsichtlich Funktionsweise und Polarisationseigenschaften analog zu der
Lichtquelle 5, dem Strahlteiler 23 und dem Polarisationsänderungselement 28 gemäß Fig. 1 ausgebildet
sein.
[0110] Die von der Blende 36 transmittierten Beugungsreflexe, hier das von den beiden Spaltöffnungen 38, 40 ausgehende Licht der Beugungsreflexe
der minus ersten (m = –1) und der plus ersten (m =
+1) Beugungsordnung, interferieren hinter der Spaltblende 36 am Ort des Detektors 13 unter Ausbildung
eines streifenförmigen Interferenzmusters 41, wobei
eine Drehung des Spiegels 7 analog zu der mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Konstellation zu einer
Verschiebung des Interferenzmusters 41 auf der Detektorfläche 47 führt. Analog zu der mit Bezug auf
die Fig. 1 bis Fig. 4 beschriebenen Konfiguration
kann eine solche Verschiebung des Interferenzmus-
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ters 41 von dem Lichtdetektor 13 (und von einem Bezugs-Lichtdetektor) als eine Helligkeitsänderung erfasst werden und von der Auswerteeinheit 15 basierend auf der Helligkeitsänderung eine Drehwinkeländerung und/oder eine Drehwinkelposition des Spiegels 7 und somit auch der Welle 3 erfasst werden.
[0111] Gemäß der in Fig. 5 dargestellten Konfiguration dient die sphärische Linse 34 somit sowohl als
Eingangsstrahl-Fokussieroptik 34 als auch als optisches Element einer Interferenzvorrichtung 12, wobei die Interferenzvorrichtung 12 aus der sphärischen
Linse 34, dem Strahlteiler 24 und der Blende 36 gebildet wird. Gemäß dieser Konfiguration ist somit die
Eingangsstrahl-Fokussieroptik 34 integral mit der Interferenzvorrichtung 12 ausgebildet.
[0112] Gemäß der mit Bezug auf die Fig. 1 bis Fig. 5
beschriebenen Ausführungsformen wurden mittels
der Interferenzvorrichtungen 11 bzw. 12 jeweils lediglich die plus erste (m = +1) und die minus erste (m
= –1) Beugungsordnung zur Erzeugung des Interferenzmusters 41 verwendet. Die optische Interferenzvorrichtung 11 bzw. 12 kann jedoch auch derart ausgebildet sein, z. B. mittels entsprechender Fokussiervorrichtungen und Blenden, dass von ihr das Licht
beliebiger anderer Beugungsreflexe bzw. Beugungsordnungen zur Interferenz gebracht wird, wobei durch
Auswahl der Beugungsordnungen z. B. die Periode
des auf dem Lichtdetektor 13 entstehenden Interferenzmusters, und somit auch die mittels des Positionsdetektors erzielbare Winkelauflösung, beeinflussbar ist. Aus der Gesamtheit der von dem Reflexionsgitter 9 bzw. der Beugungsstruktur 27 erzeugten Beugungsordnungen können z. B. durch Selektieren einzelner Beugungsordnungen (z. B. mittels Blenden)
die zur Erzeugung des Interferenzmusters auf dem
Detektor beitragenden zugehörigen Fourier-Komponenten des Beugungslichts 29 selektiert werden und
dadurch kann die räumliche Periode des entstehenden Interferenzmusters beeinflusst werden. Zum Beispiel ergibt sich gemäß oben beschriebener Konfiguration durch Selektieren der plus ersten und der minus ersten Beugungsordnung und Ausblenden der
übrigen Beugungsordnungen ein Interferenzmuster
mit der halben Periodenlänge im Vergleich zu einem
unter Verwendung aller (von dem Beugungsgitter 9
erzeugten) Beugungsordnungen erzeugten Interferenzmuster. Gemäß dieser Konfiguration entspricht
somit eine Positionsänderung des Lichtstrahls 17 auf
dem Reflexionsgitter 9 um eine Periode des Reflexionsgitters 9 zwei Hell-Dunkel-Zyklen des Helligkeitsverlaufs 59, wodurch z. B. die Winkelauflösung des
Positionsdetektors 1 bzw. 2 entsprechend verdoppelt
werden kann.
[0113] Fig. 6 veranschaulicht die Funktionsweise eines Positionsdetektors 61 gemäß einer weiteren Ausführung, wobei der Positionsdetektor 61 einen Lichtdetektor 63 aufweist, und wobei die optische Inter-
ferenzvorrichtung 11 oder 12 (gemäß Fig. 1 bzw.
Fig. 5) ferner eine Maske 65 aufweist. Der Aufbau des Positionsdetektors 61 entspricht bis auf den
Lichtdetektor 63 und die Maske 65 dem Aufbau des
Positionsdetektors 1 gemäß Fig. 1 oder des Positionsdetektors 2 gemäß Fig. 5, wobei die Maske 65
jeweils im Lichtweg des von der jeweiligen Blende
35 bzw. 36 kommenden Lichts vor dem Lichtdetektor angeordnet ist. Im Folgenden wird das Funktionsprinzip des Positionsdetektors 61 anhand des Aufbaus gemäß Fig. 1 unter Bezugnahme auf die Blende 35 mit den Blendenöffnungen 37, 39 beschrieben,
wobei jedoch auch eine analoge Konfiguration anhand des Aufbaus gemäß Fig. 5 unter Bezugnahme
auf die Blende 36 mit den Blendenöffnungen 38, 40
möglich ist. Die Maske 65 ist im Lichtweg des von
den Spaltöffnungen 37, 39 der Spaltblende 35 kommenden Lichts vor einer Detektorfläche 67 des Lichtdetektors 63 parallel zur xz-Ebene des xyz-Koordinatensystems angeordnet und weist eine streifenförmige, entlang der x-Richtung räumlich periodische
Maskenstruktur aus sich in z-Richtung erstreckenden
lichtdurchlässigen Maskenabschnitten 69 und lichtundurchlässigen Maskenabschnitten 71 auf, wobei
die Maskenstruktur z. B. eine von der Periode des
streifenförmigen Interferenzmusters 41 verschiedene
Periode aufweist. Die Überlagerung der streifenförmigen Struktur der Maske 65 mit dem streifenförmigen
Interferenzmuster 41 ergibt aufgrund des Moiré-Effekts, wie im unteren Teil von Fig. 6 schematisch veranschaulicht, ein Moiré-Interferenzmuster 73, hier ein
streifenförmiges Moiré-Interferenzmuster 73 mit einer
entlang der x-Richtung periodischen Anordnung aus
helleren Streifen 72 und (demgegenüber) dunkleren
Streifen 74, welches eine Periode A aufweist, die größer ist als die Perioden des Interferenzmusters 41
und der Struktur der Maske 65.
[0114] Gemäß dieser Ausführung kann z. B. vorgesehen sein, den Lichtdetektor 63 derart auszubilden, dass die Detektorfläche 67 lediglich einen einzigen lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitt 75 aufweist, wobei die Ausdehnung des lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitts 75 (in x-Richtung) z. B. der
Abmessung der hellen Streifen des Moiré-Interferenzmusters 73 entsprechen kann, z. B. der Hälfte
der Periode A des Moiré-Interferenzmusters entsprechen kann (siehe Fig. 6). Zum Beispiel kann der lichtsensitive Abschnitt einer Detektorfläche einer handelsüblichen Photodiode, z. B. mittels Auftragens einer lichtundurchlässigen Beschichtung, auf eine entsprechende Größe gebracht werden. Eine Verschiebung des Interferenzmusters 41 mit einer Drehung
des Spiegels 7 führt zu einer Verschiebung der hellen
und dunklen Streifen des Moiré-Interferenzmusters
73 entlang der Periodizitätsrichtung desselben (d. h.
entlang der x-Richtung), was zu einer Änderung der
von dem lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitt 75
des Lichtdetektors 63 erfassten Helligkeit bzw. Lichtleistung führt, wobei von dem Lichtdetektor 63 ein
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diese Helligkeitsänderung umfassender Helligkeitsverlauf erfasst werden kann. Die Auswerteeinheit 15
ist mit dem Lichtdetektor 63 verbunden und kann z.
B. analog zu der mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen
Konfiguration derart eingerichtet sein, dass von ihr
basierend auf dem mittels des Lichtdetektors 63 erfassten Helligkeitsverlauf eine Drehwinkeländerung
und/oder eine Drehwinkelposition der Welle 3 ermittelbar ist.
[0115] Analog zu dem Lichtdetektor 13 der Ausführung gemäß Fig. 1 kann auch vorgesehen sein,
dass die Detektorfläche 67 eine streifenförmige, entlang der x-Richtung periodische Strukturierung aus
entlang der z-Richtung verlaufenden lichtsensitiven
Detektorflächen-Abschnitten 75 und nicht-lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten 76 aufweist, wobei die Strukturierung der Detektorfläche 67 dieselbe Periode aufweist wie das (ebenfalls entlang der
x-Richtung periodische) Moiré-Interferenzmuster 73
beim Auftreffen auf der Detektorfläche 67 (wobei die
Breite der lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitte
(in x-Richtung) z. B. der Breite der hellen Streifen
des Moiré-Interferenzmusters 73 beim Auftreffen auf
der Detektorfläche 67 entsprechen kann), und wobei der Lichtdetektor 63 z. B. derart eingerichtet sein
kann, dass von ihm die Gesamt-Lichtleistung, d. h.
die Summe der von den einzelnen lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten erfassten Einzel-Lichtleistungen, als Helligkeitssignal erfasst wird. Die Auswertung des Helligkeitsverlaufs gemäß dieser Konfiguration kann z. B. analog zu der in Bezug auf den Positionsdetektor 1 beschriebenen Auswertung erfolgen.
[0116] Des Weiteren kann zum Erzeugen eines Moiré-Interferenzmuster z. B. auch vorgesehen sein, die
Maske 65 mit einer der Periode des Interferenzmusters entsprechenden Periode auszubilden und derart
anzuordnen, dass die Strukturen des Interferenzmusters 41 und der Maske gegeneinander verkippt bzw.
verdreht sind.
[0117] Fig. 7 zeigt einen Teil eines Positionsdetektors 77 gemäß einer anderen Ausführungsform, wobei der Positionsdetektor 77 eine optische Interferenzvorrichtung 79 und einen Lichtdetektor 81 aufweist. Der Aufbau des Positionsdetektors 77 entspricht bis auf den Aufbau der optischen Interferenzvorrichtung 79 und den Aufbau des Lichtdetektors 81
dem Aufbau des Positionsdetektors 1 gemäß Fig. 1,
wobei jedoch gemäß Fig. 7 die von dem Strahlteiler
23 ausgehenden einzelnen Beugungsreflexe (m = 0,
±1) jeweils etwas stärker divergieren (wobei die Divergenz des Beugungslichts 29, wie oben beschrieben, z. B. durch eine entsprechende Ausgestaltung
der Eingangsstrahl-Fokussieroptik eingestellt werden
kann).
[0118] Gemäß der in Fig. 7 dargestellten Konfiguration weist die Interferenzvorrichtung 79 eine Blende,
hier ausgebildet als Spaltblende 83, und eine Fokussieroptik, hier ausgebildet als eine Fokussierlinse 85
(z. B. in Form einer sphärischen Linse oder einer Zylinderlinse) auf.
[0119] Die Spaltblende 83 ist derart im Lichtweg des
von dem Strahlteiler 23 ausgekoppelten Beugungslichts 29 (wobei in Fig. 7 zur besseren Veranschaulichung lediglich die Beugungsreflexe der Ordnungen
m = 0 und m = ±1 durch ihre jeweiligen Randstrahlen
veranschaulicht sind) angeordnet, dass von ihr lediglich die Beugungsreflexe der minus ersten (m = –1)
und der plus ersten (m = +1) Beugungsordnung transmittiert werden, wohingegen die übrigen Beugungsordnungen von der Spaltblende 83 abgeblockt, d. h.
ausgeblendet werden, wie in Fig. 7 am Beispiel der
nullten Beugungsordnung (m = 0) veranschaulicht.
[0120] Des Weiteren ist die Fokussieroptik in Form
der Fokussierlinse 85 derart angeordnet und ausgebildet, dass von ihr die mittels der Spaltblende 83
selektierten Beugungsreflexe plus und minus erster
Ordnung auf eine gemeinsame Position auf einer
Detektorfläche 87 des Lichtdetektors 81 fokussiert
und somit zur Überlagerung gebracht werden, wobei in der Konfiguration gemäß Fig. 7 das Licht der
unterschiedlichen Beugungsordnungen m = ±1 zunächst auf unterschiedlichen, getrennten Lichtwegen
zu dem Lichtdetektor 81 läuft und erst an der gemeinsamen Position auf der Detektorfläche 87 direkt überlagert wird und unter Erzeugung eines Interferenzmusters 88 interferiert. Das Interferenzmuster 88 ist
in Fig. 7 lediglich schematisch angedeutet, da es im
Wesentlichen aus einem – je nach Drehwinkelposition des Spiegels 7 – mehr oder weniger hellen Lichtfleck bestehen kann. Die Helligkeit bzw. Gesamthelligkeit des auf der Detektorfläche 87 erzeugten Interferenzmusters 88 variiert mit der Phasenbeziehung
bzw. Phasendifferenz des Lichts der plus ersten Ordnung und der minus ersten Ordnung untereinander,
d. h. mit der Drehwinkelposition des Spiegels 7 bzw.
der Welle 3, wobei die räumliche Position des Interferenzmusters 88 jedoch unveränderlich sein kann.
Der Lichtdetektor 81 ist z. B. derart ausgebildet, dass
von ihm die aus der Interferenz auf der Detektorfläche
87 resultierende Lichtleistung als Helligkeitssignal erfasst wird.
[0121] Bei einer Drehung des Spiegels 7 und einer
damit einhergehenden Änderung der Phasenbeziehung des Lichts der beiden Beugungsordnungen m =
±1 ändert sich, wie in Fig. 8 veranschaulicht, die auf
der Detektorfläche 87 erfasste Lichtleistung P z. B.
zwischen einem Maximalwert, der einer im Wesentlichen konstruktiven Interferenz der beiden Beugungsordnungen m = ±1 entspricht, und einem Minimalwert, der einer im Wesentlichen destruktiven Interferenz der beiden Beugungsordnungen m = ±1 entspricht, wobei diese Helligkeitsänderung und der zugehörige Helligkeitsverlauf von dem Lichtdetektor 81
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erfasst werden können, wobei der Lichtdetektor 81
z. B. zunächst einen Helligkeits-Zeit-Verlauf erfassen
kann.
[0122] Fig. 8 zeigt als Beispiel einen Helligkeitsverlauf 89 beim Drehen des Spiegels 7, wobei die horizontale Achse die Zeit t angibt, und wobei auf der vertikalen Achse die von dem Lichtdetektor 81 erfasste
Lichtleistung P aufgetragen ist. Bei konstanter Drehgeschwindigkeit des Spiegels 7 ist, wie in Fig. 8 veranschaulicht, das von dem Lichtdetektor 81 erfasste
Helligkeitssignal periodisch mit der Zeit, wobei sich
z. B. ein wellen- bzw. sinusförmiger Helligkeitsverlauf
ergibt. Die Zeitabhängigkeit der von dem Lichtdetektor 81 erfassten Lichtleistung P kann z. B. mittels der
Auswerteeinheit 15 in eine Drehwinkelabhängigkeit
umgerechnet werden, wobei die Lichtleistung P periodisch mit dem Drehwinkel α des Spiegels 7 variiert, was in Fig. 8 durch die in Klammern gesetzte Bezeichnung α der horizontalen Achse angedeutet ist.
[0123] Gemäß dieser Ausführungsform kann die
Auswerteeinheit 15 z. B. analog zu der mit Bezug
auf den Positionsdetektor 1 beschriebenen Auswerteeinheit 15 ausgebildet sein, wobei die Auswerteeinheit 15 mit dem Lichtdetektor 81 verbunden ist und
z. B. derart eingerichtet, dass von ihr basierend auf
dem Helligkeitsverlauf 89 die Drehwinkelposition des
Spiegels 7 und somit auch der Welle 3 ermittelbar
ist. Zum Beispiel kann die Auswerteeinheit 15 derart
eingerichtet sein, dass von ihr durch Mitzählen bzw.
durch Auswerten der Anzahl der Hell-Dunkel-Zyklen
in dem Helligkeitsverlauf 89 und/oder der Form des
Helligkeitsverlaufs 89 die zugehörige Drehwinkeländerung, z. B. betragsmäßig, ermittelt werden kann,
wobei der Positionsdetektor 77 z. B. ferner einen mit
der Auswerteeinheit 15 verbundenen Drehrichtungsdetektor (nicht dargestellt) zum Ermitteln der zugehörigen Drehrichtung aufweisen kann. Somit kann
die Auswerteeinheit 15 z. B. derart eingerichtet sein
kann, dass von ihr basierend auf dem von dem Lichtdetektor 81 erfassten Helligkeitsverlauf 89 und der
von dem Drehrichtungsdetektor erfassten Drehrichtung eine vorzeichenbehaftete bzw. drehrichtungsbehaftete Drehwinkeländerung ermittelbar ist.
[0124] Auch gemäß der mit Bezug auf die Fig. 7
und Fig. 8 beschriebenen Ausführungsform kann der
Drehrichtungsdetektor z. B. in Form eines BezugsLichtdetektors (nicht dargestellt) ausgeführt sein, wobei z. B. ein Teil des Lichts der Beugungsordnungen
m = ±1 derart auf dem Bezugs-Lichtdetektor überlagert und somit zur Interferenz gebracht wird, dass ein
von dem Bezugs-Lichtdetektor erfasster Helligkeitsverlauf 91 gegenüber dem Helligkeitsverlauf 89, z. B.
um eine viertel Periode, phasenverschoben bzw. zeitversetzt ist (siehe Fig. 8). Zum Beispiel können ein
oder mehrere phasenschiebende optische Elemente (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die im Lichtweg mindestens einer der beiden Beugungsordnun-
gen m = ±1 angeordnet sind und derart eingerichtet sind, dass von ihnen die Phase mindestens einer der beiden Beugungsordnungen vor dem Auftreffen auf dem Bezugs-Lichtdetektor derart verschoben
wird, dass der Bezugs-Helligkeitsverlauf 91 gegenüber dem Helligkeitsverlauf 89 entsprechend phasenverschoben ist. Die Auswerteeinheit 15 kann z.
B. mit dem Bezugs-Lichtdetektor verbunden sein und
derart eingerichtet sein, dass von ihr aus der Phasenbeziehung zwischen dem Helligkeitsverlauf 89 und
dem Bezugs-Helligkeitsverlauf 91 die zu einer Drehwinkeländerung zugehörige Drehrichtung ermittelbar
ist.
[0125] Fig. 9 zeigt einen Teil eines Positionsdetektors 93 gemäß einer anderen Ausführungsform, wobei der Positionsdetektor 93 eine optische Interferenzvorrichtung 95 und einen Lichtdetektor 97 aufweist. Der Aufbau des Positionsdetektors 93 entspricht bis auf den Aufbau der optischen Interferenzvorrichtung 95 und den Aufbau des Lichtdetektors 97
dem Aufbau des Positionsdetektors 1 gemäß Fig. 1.
[0126] Gemäß der in Fig. 9 dargestellten Konfiguration weist die Interferenzvorrichtung 95 eine Blende 99, hier ausgebildet als Spaltblende 99, zwei Umlenkspiegel 101, 103 sowie einen Strahlteiler 105,
hier ausgebildet als ein beidseitiger halbdurchlässiger, planparalleler Teilerspiegel 105, auf.
[0127] Gemäß Fig. 9 verlaufen die von dem Strahlteiler 23 ausgehenden einzelnen Beugungsreflexe
(m = 0, ±1) jeweils im Wesentlichen kollimiert in
Form einer im Wesentlichen ebenen Welle auf die
Spaltblende 99 zu, wobei die Divergenz der einzelnen Beugungsreflexe z. B. durch eine entsprechende Ausgestaltung der Eingangsstrahl-Fokussieroptik
eingestellt sein kann. Die Spaltblende 99 ist derart im
Lichtweg des von dem Strahlteiler 23 ausgekoppelten
Beugungslichts 29 angeordnet, dass von ihr lediglich
die Beugungsreflexe der minus ersten (m = –1) und
der plus ersten (m = +1) Beugungsordnung transmittiert werden, wohingegen die übrigen Beugungsordnungen von der Spaltblende 99 abgeblockt, d. h. ausgeblendet werden, wie in Fig. 9 am Beispiel der nullten Beugungsordnung (m = 0) veranschaulicht.
[0128] Des Weiteren sind die Umlenkspiegel 101,
103 und der Teilerspiegel 105 derart angeordnet und
ausgebildet, dass der Beugungsreflex der minus ersten Ordnung (m = –1) von dem Umlenkspiegel 101
und der Beugungsreflex der plus ersten Ordnung (m
= +1) von dem Umlenkspiegel 103 derart in Richtung
zu dem halbdurchlässigen Teilerspiegel 105 hin reflektiert werden, dass ein der minus ersten Ordnung
(m = –1) entsprechender (von dem beidseitig halbdurchlässigen Teilerspiegel 105) transmittierter Teilstrahl und ein der plus ersten Ordnung (m = +1) entsprechender (an dem Teilerspiegel 105) reflektierter
Teilstrahl unter Ausbildung eines Interferenzstrahls
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107 und ein der minus ersten Ordnung (m = –1) entsprechender reflektierter Teilstrahl und ein der plus
ersten Ordnung (m = +1) entsprechender transmittierter Teilstrahl unter Ausbildung eines Interferenzstrahls 109 jeweils entlang eines gemeinsamen Lichtweges von dem Teilerspiegel 105 weg verlaufen. Der
Teilerspiegel 105 kann z. B. derart ausgebildet sein,
dass jeder der an bzw. von demselben reflektierten
und transmittierten Teilstrahlen die gleiche Intensität aufweist. Somit wird mittels der Interferenzvorrichtung 95 das Licht der selektierten Beugungsreflexe
plus und minus erster Ordnung am Ort des Teilerspiegels 105 zur Interferenz bzw. zur Überlagerung gebracht.
[0129] Der Interferenzstrahl 107, der aus dem reflektierten Teilstrahl plus erster (m = +1) und dem transmittierten Teilstrahl minus erster (m = –1) Ordnung
besteht, verläuft zu dem Lichtdetektor 97 und erzeugt
auf einer Detektorfläche 111 des Lichtdetektors 97
ein Interferenzmuster 113, wobei die plus erste und
die minus erste Beugungsordnung des Beugungslichts auf der (gemeinsamen) Auftreffposition des Interferenzstrahls 107 auf der Detektorfläche 111 zur
Überlagerung gebracht werden. Das Interferenzmuster 113 ist in Fig. 9 lediglich schematisch angedeutet,
da es im Wesentlichen aus einem – je nach Drehwinkelposition des Spiegels 7 – mehr oder weniger hellen
Lichtfleck bestehen kann, wobei seine Gesamthelligkeit mit der Phasenbeziehung bzw. Phasendifferenz
des Lichts der plus ersten Ordnung und der minus
ersten Ordnung untereinander, d. h. mit der Drehwinkelposition des Spiegels 7 bzw. der Welle 3, variiert.
Der Lichtdetektor 97 ist z. B. derart ausgebildet, dass
von ihm die durch die Interferenz auf der Detektorfläche 111 resultierende Lichtleistung als Helligkeitssignal erfasst wird.
[0130] Gemäß der Konfiguration nach Fig. 9 werden
somit die selektierten unterschiedlichen Beugungsordnungen (m = ±1) unter Erzeugung eines Interferenzmusters 113, das eine mit der Drehwinkelposition des Spiegels 7 variierende Helligkeit aufweist, auf
einer gemeinsamen Position auf dem Lichtdetektor
97 zur Überlagerung (und somit zur Interferenz) gebracht, wobei im Unterschied zu der Konfiguration gemäß Fig. 7 das Licht der selektierten unterschiedlichen Beugungsordnungen bereits an einer Position
vor dem Auftreffen auf den Lichtdetektor 97 überlagert wird und dann entlang eines gemeinsamen Lichtweges zu dem Lichtdetektor 97 hin verläuft.
[0131] Bei einer Drehung des Spiegels 7 und einer
damit einhergehenden Änderung der Phasenbeziehung des Lichts der beiden Beugungsordnungen m
= ±1 ändert sich die auf der Detektorfläche 111 erfasste Lichtleistung, wobei diese Helligkeitsänderung
analog zu der mit Bezug auf die Fig. 7 und Fig. 8 beschriebenen Konfiguration von dem Lichtdetektor 97
als eine Helligkeitsänderung bzw. ein Helligkeitsver-
lauf 89 erfasst werden kann und von der Auswerteeinheit 15 basierend auf der Helligkeitsänderung eine Drehwinkelposition des Spiegels 7 und somit auch
der Welle 3 erfasst werden kann.
[0132] Der Positionsdetektor 93 kann ferner, wie in
Fig. 9 veranschaulicht, einen Drehrichtungsdetektor
in Form eines Bezugs-Lichtdetektors 115 aufweisen,
wobei der Bezugs-Lichtdetektor 115 z. B. im Lichtweg des Interferenzstrahls 109, der aus dem transmittierten Teilstrahl plus erster (m = +1) und dem reflektierten Teilstrahl minus erster (m = –1) Ordnung
besteht, angeordnet ist und der Interferenzstrahl 109
beim Auftreffen auf eine Detektorfläche 117 des Bezugs-Lichtdetektors 115 ein Bezugs-Interferenzmuster 119 erzeugt. Der Bezugs-Lichtdetektor 115 kann
derart angeordnet und ausgebildet sein, dass ein
von ihm entsprechend dem Bezugs-Interferenzmuster 119 erfasster Bezugs-Helligkeitsverlauf 91 gegenüber dem Helligkeitsverlauf 89, z. B. um eine viertel
Periode, phasenverschoben bzw. zeitversetzt ist (siehe Fig. 8). Zum Beispiel kann im Lichtweg des Interferenzstrahls 109 eine optische Vorrichtung 121 vorgesehen sein, die derart eingerichtet ist, dass von ihr die
Phase des Lichts mindestens einer der beiden Beugungsordnungen in dem Interferenzstrahl 109 vor
dem Auftreffen auf dem Bezugs-Lichtdetektor 115
derart verschoben wird, dass der Bezugs-Helligkeitsverlauf 91 gegenüber dem Helligkeitsverlauf 89 entsprechend phasenverschoben ist. Die Auswerteeinheit 15 kann z. B. mit dem Bezugs-Lichtdetektor 115
verbunden sein und derart eingerichtet sein, dass von
ihr aus der Phasenbeziehung zwischen dem Helligkeitsverlauf 89 und dem Bezugs-Helligkeitsverlauf 91
die zu einer Drehwinkeländerung zugehörige Drehrichtung ermittelbar ist.
[0133] Gemäß der Konfiguration nach Fig. 9 verlaufen die Beugungsreflexe der plus und der minus ersten Ordnung (m = ±1) zunächst auf getrennten Lichtwegen von dem Reflexionsgitter 9 zu dem Teilerspiegel 105 und werden am Ort des Teilerspiegels 105
zur Überlagerung gebracht, wobei die jeweiligen Teilstrahlen der plus ersten und der minus ersten Ordnung jeweils in Form der Interferenzstrahlen 107, 109
von dem Teilerspiegel 105 auf einem gemeinsamen
Lichtweg zu den jeweiligen Lichtdetektoren 97, 115
verlaufen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein,
dass der Lichtstrahl 17 z. B. noch vor dem Auftreffen auf das Beugungsgitter 9 derart in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, dass diese Teilstrahlen jeweils genau unter einem Winkel, der dem Beugungswinkel einer bestimmten Beugungsordnung m (z. B. m = ±1)
von senkrecht auf das Beugungsgitter 9 auftreffendem Licht 17 entsprechen würde, auf eine gemeinsame Position auf dem Beugungsgitter 9 auftreffen
(allerdings von unterschiedlichen Richtungen bezüglich einer entsprechenden Gitternormale), wobei das
Beugungslicht minus m-ter Ordnung des einen Teilstrahls und das Beugungslicht plus m-ter Ordnung
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des anderen Teilstrahls bereits ab dem Beugungsgitter 9 entlang der entsprechenden Gitternormale auf
einem gemeinsamen Lichtweg in Richtung zu dem
Spiegel 7 und darauffolgend zu einem entsprechenden Lichtdetektor verlaufen.
[0134] Gemäß der mit Bezug auf die Fig. 7 bis Fig. 9
beschriebenen Ausführungsformen wurden mittels
der Interferenzoptiken 79 bzw. 95 lediglich die plus
erste und die minus erste Beugungsordnung zur Interferenz gebracht. Die optische Interferenzvorrichtung 79 bzw. 95 kann jedoch auch derart ausgebildet
sein, z. B. mittels entsprechender Fokussiervorrichtungen, Blenden, Spiegel und anderer optischer Elemente, dass von ihr das Licht beliebiger anderer unterschiedlicher Beugungsordnungen zur Interferenz
gebracht wird.
[0135] Gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen ist der Positionsdetektor 1, 2, 61, 77,
bzw. 93 derart eingerichtet, dass das von der Laserdiode 5 kommende Licht 17 lediglich ein einziges
Mal von dem Beugungsgitter in Form des Reflexionsgitters 9 gebeugt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, den Positionsdetektor derart einzurichten, dass das Licht des Lichtstrahls 17 zum Erzeugen des Beugungslichts zwei- oder mehrmals an dem
Beugungsgitter des Positionsdetektors, z. B. an dem
Reflexionsgitter 9, gebeugt wird, was z. B. bei einer
Drehung des Spiegels 7 um einen bestimmten Drehwinkel zu einer stärkeren damit einhergehenden Änderung der Phasenbeziehungen des Beugungslichts
und somit z. B. zu einer Verringerung der Periode
des von dem jeweiligen Lichtdetektor erfassten Helligkeitsverlaufs führen kann, und somit z. B. eine höhere Winkelauflösung des jeweiligen Positionsdetektors ermöglichen kann. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass das von der Lichtquelle des Positionsdetektors emittierte Licht über den Spiegel auf
das Beugungsgitter geleitet wird, von dem Beugungsgitter gebeugt wird und das entstehende Beugungslicht zu der Interferenzvorrichtung geleitet wird, wobei die Interferenzvorrichtung derart ausgebildet sein
kann – z. B. mittels entsprechender optischer Elemente wie z. B. Umlenkspiegel, Linsen und Blenden
– dass von ihr das Beugungslicht nochmals auf das
Beugungsgitter gelenkt wird und somit nochmals von
dem Beugungsgitter gebeugt wird, wobei von der Interferenzvorrichtung aus den Beugungsreflexen des
nun zweifach (oder auch mehrfach) gebeugten Beugungslichts (z. B. gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen) bestimmte Beugungsreflexe selektiert und zur Interferenz gebracht werden
können, und wobei eine Helligkeitsänderung des somit entstehenden Interferenzmusters z. B. gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen erfasst und ausgewertet werden kann.
[0136] Die Fig. 10 und Fig. 11 zeigen jeweils einen
Teil eines Positionsdetektors 123 gemäß einer an-
deren Ausführungsform, wobei der Positionsdetektor
123 einen Referenzpositions-Lichtdetektor 125 und
eine Teilstrahl-Auskopplungsvorrichtung, hier ausgebildet als Teilstrahl-Auskopplungsgitter 127, aufweist.
Der Aufbau des Positionsdetektors 123 kann bis
auf den Referenzpositions-Lichtdetektor 125 und die
Teilstrahl-Auskopplungsvorrichtung 127 z. B. dem
Aufbau eines der Positionsdetektoren 1, 2, 61, 77 und
93 entsprechen (siehe z. B. Fig. 1 oder Fig. 5), wobei
das Funktionsprinzip des Referenzpositions-Lichtdetektors 125 in den Fig. 10 und Fig. 11 als Beispiel
basierend auf dem Aufbau des Positionsdetektors 1
gemäß Fig. 1 veranschaulicht ist.
[0137] Die Teilstrahl-Auskopplungsvorrichtung 127
(hier in Form des Teilstrahl-Auskopplungsgitters 127)
ist, z. B. zwischen der Eingangsstrahl-Fokussieroptik in Form der Zylinderlinse 21 und dem Strahlteiler
23, zwischen der Lichtquelle 5 und dem Spiegel 7 im
Lichtweg des Lichtstrahls 17 angeordnet und derart
ausgebildet, dass von ihr ein Teilstrahl 129 aus dem
Lichtstrahl 17 ausgekoppelt und in Richtung der positiven z-Achse des xyz-Koordinatensystems abgelenkt werden kann, so dass der Teilstrahl 129 unter
einem Winkel β zu dem Lichtstrahl 17 (bzw. zu einem
zentralen Hauptstrahl des Lichtstrahls 17) verlaufend
auf den Spiegel 7 gelenkt wird und von diesem reflektiert wird (siehe z. B. Fig. 11).
[0138] Der Referenzpositions-Lichtdetektor 125 ist
an einer Position außerhalb des Lichtweges des von
dem Spiegel 7 reflektierten Lichtstrahls 18, z. B. an einer Position in einem senkrechten Abstand Δz oberhalb des oberen Endes des Reflexionsgitters 9, derart angeordnet, dass er bei einer Drehung des Spiegels 7 von dem reflektierten Teilstrahl 129 überstrichen wird. Der Referenzpositions-Lichtdetektor 125
ist ferner derart angeordnet, dass der von dem Spiegel 7 reflektierte Teilstrahl 129 nur dann auf den Referenzpositions-Lichtdetektor 125 trifft, wenn sich der
Spiegel 7 in einer entsprechenden Referenz-Drehwinkelposition (bzw. in einem entsprechenden, kleinen Drehwinkelbereich) befindet.
[0139] In der Konfiguration gemäß den Fig. 10 und
Fig. 11 wird der Teilstrahl 129 aus dem Lichtstrahl
17 ausgekoppelt, nachdem der Lichtstrahl 17 die Eingangsstrahl-Fokussiervorrichtung in Form der Zylinderlinse 21 durchlaufen hat, wobei der Teilstrahl 129
von der Eingangsstrahl-Fokussiervorrichtung auf einen zugehörigen Fokus 131 fokussiert wird. Gemäß
der vorliegenden Ausführung fällt die xy-Position des
Fokus 131 des Teilstrahls 129 im Wesentlichen mit
der xy-Position des Fokus 31 des Lichtstrahls 17
bzw. des reflektierten Lichtstrahls 18 zusammen, wobei die Positionen dieser beiden Fokusse 31, 131
in z-Richtung unterschiedlich sind, und wobei diese
beiden Fokusse 31, 131 beim Drehen des Spiegels
7 eine jeweilige, im Wesentlichen kreisförmige Fokus-Trajektorie überstreichen. Gemäß der vorliegen-
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den Ausführung ist der Referenzpositions-Lichtdetektor 125 an einer Position auf der Fokus-Trajektorie
des Fokus 131 des Teilstrahls 129 angeordnet.
[0140] Der Referenzpositions-Lichtdetektor 125
kann z. B. derart eingerichtet sein, dass von ihm eine Änderung der auf ihn einfallenden Helligkeit bzw.
Lichtleistung P erfasst werden kann, und dass von
ihm beim Überstreichen mit dem Fokus 131 des
reflektierten Teilstrahls 129 ein zugehöriger Referenzpositions-Helligkeitsverlauf erfasst werden kann.
Zum Beispiel kann der Referenzpositions-Lichtdetektor 125 derart eingerichtet sein, dass der beim Überstreichen des Detektors 125 mit dem fokussierten, reflektierten Teilstrahl 129 von demselben erfasste Referenzpositions-Helligkeitsverlauf ein Maximum, ein
Minimum oder einen Nulldurchgang aufweist, wenn
die Welle 3 bzw. der Spiegel 7 sich in einer zugehörigen Referenz-Drehwinkelposition αref befinden.
Zum Beispiel kann der Referenzpositions-Lichtdetektor 125, wie in den Fig. 10 und Fig. 11 veranschaulicht, als Spaltdiode ausgeführt sein, deren Differenzsignal einen Nulldurchgang oder deren Summensignal ein Maximum aufweist, wenn sich der Fokus 131
des Teilstrahls 129 über die Mitte des Spaltes der
Spaltdiode bewegt (in den Fig. 10 und Fig. 11 ist
die Spaltdiode 125 zur besseren Veranschaulichung
symbolisch mit einem durchgehenden Spalt dargestellt, wobei die Spaltdiode jedoch tatsächlich keinen
solchen Spalt aufweisen muss). Als ein weiteres Beispiel kann der Referenzpositions-Lichtdetektor 125
als ein mit einem schmalen Spalt maskierter Lichtdetektor ausgeführt sein, dessen Ausgangssignal ein
Maximum aufweist, wenn sich der Fokus 131 des
Teilstrahls 129 über den Spalt des Lichtdetektors bewegt.
[0141] Fig. 12 zeigt als Beispiel zwei Referenzpositions-Helligkeitsverläufe 133, 135. Der Helligkeitsverlauf 133 veranschaulicht ein Differenzsignal 133
der von den beiden Diodenelementen des Referenzpositions-Lichtdetektors in Form der Spaltdiode 125
erfassten Lichtleistungen P, wobei dieses Differenzsignal 133 einen Nulldurchgang aufweist, wenn sich
der Spiegel 7 in der Referenz-Drehwinkelposition αref
befindet. Der Helligkeitsverlauf 135 veranschaulicht
ein Summensignal 135 der von den beiden Diodenelementen erfassten Lichtleistungen P, wobei dieses
Summensignal 135 ein Maximum aufweist, wenn sich
der Spiegel 7 in der Referenz-Drehwinkelposition αref
befindet.
[0142] Die Auswerteeinheit 15 ist mit dem Referenzpositions-Lichtdetektor 125 verbunden und derart eingerichtet, dass von ihr aus dem Referenzpositions-Helligkeitsverlauf 133, 135 die ReferenzDrehwinkelposition αref der Welle 3 bzw. des Spiegels 7 ermittelt werden kann. Die Auswerteeinheit
15 kann z. B. derart eingerichtet sein, dass von ihr
ein Nulldurchgang, ein Maximum oder ein Minimum
(oder ein anderes Charakteristikum) in dem jeweiligen Referenzpositions-Helligkeitsverlauf 133, 135 ermittelt wird und die zu dem jeweiligen Extremum bzw.
Charakteristikum zugehörige Drehwinkelposition der
Welle 3 bzw. des Spiegels 7 als die Referenz-Drehwinkelposition αref identifiziert wird.
Patentansprüche
1. Positionsdetektor (1, 2, 61, 77, 93, 123) zum Ermitteln der Drehwinkelposition (α) eines drehbar gelagerten Objekts (3), aufweisend:
– eine Lichtquelle (5) zum Erzeugen eines Lichtstrahls (17),
– ein Beugungsgitter (9),
– einen Spiegel (7), der derart mit dem Objekt (3) verbunden ist, dass er bei einer Drehung des Objekts
mit dem Objekt (3) mitdreht, und der derart angeordnet ist, dass der Lichtstrahl (17) von ihm auf das
Beugungsgitter (9) reflektiert wird und der reflektierte Lichtstrahl (18) bei einer Drehung des Spiegels (7)
das Beugungsgitter (9) entsprechend der Drehung
überstreicht, wobei das Licht des reflektierten Lichtstrahls unter Erzeugung von Beugungslicht (29) von
dem Beugungsgitter gebeugt wird,
– eine optische Interferenzvorrichtung (11, 12, 79,
95), die im Lichtweg des Beugungslichts (29) angeordnet ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr unterschiedliche Beugungsordnungen (m = –1, m = +1)
des Beugungslichts (29) unter Erzeugung eines Interferenzmusters (41, 73, 88, 113) zur Interferenz gebracht werden können,
– einen Lichtdetektor (13, 63, 81, 97), der derart angeordnet und eingerichtet ist, dass von ihm eine Helligkeitsänderung des Interferenzmusters (41, 73, 88,
113), die durch das Überstreichen des Beugungsgitters (9) mit dem reflektierten Lichtstrahl (18) hervorgerufen wird, sowie ein die Helligkeitsänderung
umfassender Helligkeitsverlauf (57, 89) erfassbar ist,
und
– eine Auswerteeinheit (15), die mit dem Lichtdetektor
(13, 63, 81, 97) verbunden ist und derart eingerichtet
ist, dass von ihr basierend auf dem Helligkeitsverlauf
(57, 89) die Drehwinkelposition (α) des Objekts (3)
ermittelbar ist.
2. Positionsdetektor gemäß Anspruch 1, wobei der
Spiegel (7) integral mit dem Objekt (3) ausgebildet ist.
3. Positionsdetektor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Spiegel (7) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass eine Drehachse des Objekts (3) in einer
Spiegelfläche (25) des Spiegels (7) verläuft.
4. Positionsdetektor gemäß einem der Ansprüche
1 bis 3, wobei das Beugungsgitter (9) ein gekrümmtes Beugungsgitter mit einer dem Spiegel (7) zugewandten Konkavität ist.
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5. Positionsdetektor gemäß Anspruch 4, wobei das
Beugungsgitter (9) ein zylinderförmiges Beugungsgitter (9) ist, welches konzentrisch zu einer Drehachse
des Objekts (3) angeordnet ist.
6. Positionsdetektor gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei das Beugungsgitter (9) ein Reflexionsgitter (9) ist,
ferner aufweisend eine Eingangsstrahl-Fokussieroptik (21, 34), die zwischen der Lichtquelle (5) und dem
Spiegel (7) im Lichtweg des Lichtstrahls (17) angeordnet ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr der
von dem Spiegel (7) zu dem Reflexionsgitter (9) hin
reflektierte Lichtstrahl (18) auf einen Brennpunkt (31)
oder in die Nähe des Brennpunkts (31) des Reflexionsgitters (9) fokussiert wird.
7. Positionsdetektor gemäß Anspruch 6, wobei die
Eingangsstrahl-Fokussieroptik (34) integral mit der
optischen Interferenzvorrichtung (12) ausgebildet ist.
8. Positionsdetektor gemäß einem der Ansprüche
1 bis 7, wobei das Beugungsgitter (9) ein Reflexionsgitter (9) ist, ferner aufweisend:
– einen Strahlteiler (23, 24), der zwischen der Lichtquelle (5) und dem Spiegel (7) im Lichtweg des Lichtstrahls (17) angeordnet ist, und derart ausgebildet ist,
dass von ihm Licht einer ersten Polarisation im Wesentlichen transmittiert wird und Licht einer zweiten
Polarisation im Wesentlichen reflektiert wird, und
– ein Polarisationsänderungselement (28), das zwischen dem Reflexionsgitter (9) und dem Strahlteiler
(23, 24) im Lichtweg des Beugungslichts (29) angeordnet ist, und derart ausgebildet ist, dass von ihm
die Polarisation des Beugungslichts (29) im Wesentlichen in die erste Polarisation oder in die zweite Polarisation überführt wird, wobei
– der Strahlteiler (23, 24) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass von ihm das Beugungslicht (29) zu
der optischen Interferenzvorrichtung (11, 12) geleitet
wird.
9. Positionsdetektor gemäß einem der Ansprüche
1 bis 8, wobei die optische Interferenzvorrichtung (11,
12) eine Blende (35, 36) aufweist, die derart ausgebildet und angeordnet ist, dass von ihr im Wesentlichen
nur die unterschiedlichen Beugungsordnungen (m =
–1, m = +1) des Beugungslichts (29) transmittiert werden, und wobei die optische Interferenzvorrichtung
(11, 12) ferner derart eingerichtet ist, dass von ihr die
unterschiedlichen Beugungsordnungen (m = –1, m =
+1) des Beugungslichts (29) auf jeweils zugehörige
Öffnungen (37, 39, 38, 40) der Blende (35, 36) geleitet werden.
10. Positionsdetektor (1, 2, 61) gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 9, wobei die optische Interferenzvorrichtung (11, 12) derart eingerichtet ist, dass von ihr
die unterschiedlichen Beugungsordnungen (m = –1,
m = +1) des Beugungslichts (29) unter Erzeugung
eines räumlich periodischen Interferenzmusters (41)
zur Interferenz gebracht werden.
11. Positionsdetektor (1) gemäß Anspruch 10,
wobei eine Detektorfläche (47) des Lichtdetektors (13) eine räumlich periodische Strukturierung
aus lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten (49)
und nicht-lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten (51) mit derselben Periode wie das räumlich periodische Interferenzmuster (41) aufweist.
12. Positionsdetektor (61) gemäß Anspruch 10,
wobei die optische Interferenzeinrichtung (11) ferner
eine Maske (65) aufweist, die eine räumlich periodische Struktur aus im Wesentlichen lichtdurchlässigen Abschnitten (69) und im Wesentlichen lichtundurchlässigen Abschnitten (71) aufweist und derart angeordnet ist, dass von ihr durch Überlagerung der räumlich periodischen Struktur der Maske
(65) mit dem räumlich periodischen Interferenzmuster (41) ein räumlich periodisches Moiré-Interferenzmuster (73) auf einer Detektorfläche (67) des Lichtdetektors (63) erzeugt werden kann.
13. Positionsdetektor (61) gemäß Anspruch 12,
wobei eine Detektorfläche (67) des Lichtdetektors (63) eine räumlich periodische Strukturierung
aus lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten (75)
und nicht-lichtsensitiven Detektorflächen-Abschnitten (76) mit derselben Periode wie das Moiré-Interferenzmuster (73) aufweist.
14. Positionsdetektor (77, 93) gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 9, wobei die optische Interferenzvorrichtung (79, 95) derart eingerichtet ist, dass von ihr
die unterschiedlichen Beugungsordnungen (m = –1,
m = +1) des Beugungslichts (29) unter Erzeugung
eines Interferenzmusters (88, 113), das eine mit der
Drehwinkelposition variierende Gesamthelligkeit aufweist, auf einer gemeinsamen Position auf dem Lichtdetektor (81, 97) zur Überlagerung gebracht werden.
15. Positionsdetektor (1, 2, 61, 77, 93, 123) gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die unterschiedlichen Beugungsordnungen (m = –1, m = +1) die plus
erste Beugungsordnung (m = +1) und die minus erste
Beugungsordnung (m = –1) sind.
16. Positionsdetektor (123) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, ferner aufweisend
– einen Referenzpositions-Lichtdetektor (125), der
derart angeordnet ist, dass er bei einer Drehung des
Spiegels (7) von einem von dem Spiegel (7) reflektierten Teilstrahl (129) des Lichtstrahls (17) überstrichen
wird, und der derart eingerichtet ist, dass von ihm ein
durch das Überstreichen hervorgerufener Referenzpositions-Helligkeitsverlauf (133, 135) erfassbar ist,
wobei
– die Auswerteeinheit (15) ferner mit dem Referenzpositions-Lichtdetektor (125) verbunden ist und der-
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art eingerichtet ist, dass von ihr aus dem Referenzpositions-Helligkeitsverlauf (133, 135) eine ReferenzDrehwinkelposition (αref) des Objekts (3) ermittelbar
ist.
(57, 89) die Drehwinkelposition (α) des ArbeitsstrahlAblenkspiegels (3) ermittelbar ist.
17. Positionsdetektor gemäß Anspruch 16, ferner
aufweisend eine Teilstrahl-Auskopplungsvorrichtung
(127), die zwischen der Lichtquelle (5) und dem Spiegel (7) im Lichtweg des Lichtstrahls (17) angeordnet
ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr der Teilstrahl (129) ausgekoppelt und in einem Winkel (β)
zu dem Lichtstrahl (17) derart auf den Spiegel (7)
gelenkt wird, dass er bei einer Drehung des Spiegels den Referenzpositions-Lichtdetektor (125) überstreicht.
18. Positionsdetektor gemäß Anspruch 16 oder 17,
sofern rückbezogen auf Anspruch 6 oder 7, wobei
der Referenzpositions-Lichtdetektor (125) an einem
Brennpunkt (131) der Eingangsstrahl-Fokussieroptik
(21) angeordnet ist.
19. Lichtablenkvorrichtung mit
– einem drehbar angeordneten Arbeitsstrahl-Ablenkspiegel zum Ablenken eines Arbeits-Lichtstrahls, und
– einem Positionsdetektor (1, 2, 61, 77, 93, 123)
zum Ermitteln der Drehwinkelposition (α) des Arbeitsstrahl-Ablenkspiegels, aufweisend:
– eine Lichtquelle (5) zum Erzeugen eines Lichtstrahls (17),
– ein Beugungsgitter (9),
– einen Spiegel (7), der derart mit dem ArbeitsstrahlAblenkspiegel verbunden ist, dass er bei einer Drehung des Arbeitsstrahl-Ablenkspiegels mit dem Arbeitsstrahl-Ablenkspiegel mitdreht, und der derart angeordnet ist, dass der Lichtstrahl (17) von ihm auf das
Beugungsgitter (9) reflektiert wird und der reflektierte Lichtstrahl (18) bei einer Drehung des Spiegels (7)
das Beugungsgitter (9) entsprechend der Drehung
überstreicht, wobei das Licht des reflektierten Lichtstrahls unter Erzeugung von Beugungslicht (29) von
dem Beugungsgitter gebeugt wird,
– eine optische Interferenzvorrichtung (11, 12, 79,
95), die im Lichtweg des Beugungslichts (29) angeordnet ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr unterschiedliche Beugungsordnungen (m = –1, m = +1)
des Beugungslichts (29) unter Erzeugung eines Interferenzmusters (41, 73, 88, 113) zur Interferenz gebracht werden können,
– einen Lichtdetektor (13, 63, 81, 97), der derart angeordnet und eingerichtet ist, dass von ihm eine Helligkeitsänderung des Interferenzmusters (41, 73, 88,
113), die durch das Überstreichen des Beugungsgitters (9) mit dem reflektierten Lichtstrahl (18) hervorgerufen wird, sowie ein die Helligkeitsänderung
umfassender Helligkeitsverlauf (57, 89) erfassbar ist,
und
– eine Auswerteeinheit (15), die mit dem Lichtdetektor
(13, 63, 81, 97) verbunden ist und derart eingerichtet
ist, dass von ihr basierend auf dem Helligkeitsverlauf
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Es folgen 12 Blatt Zeichnungen
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Anhängende Zeichnungen
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