具有至少五个自由度的目标物的位置检测系统技术方案

本发明专利技术描述了一种位置检测系统（８０），该系统用来检测一个目标物（２０）在至少五自由度内的位移，该系统包括：光源（３３）；用来形成第一测量子光束（４５）和第二测量子光束（５０）的分束器（３６）；设置在这些测量光束（４５，５０）中的一个的光路中的反射器（３８）；和组合光敏检测系统（６０）。第一测量子光束（４５）用来检测沿三个相互垂直的轴（Ｘ，Ｙ，Ｚ）的位移，第二测量子光束（５０）用来检测绕这些轴中至少两个轴的旋转角。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种位置检测系统，该系统用来检测一个目标物相对于此系统沿一正交直角坐标系的三个轴的位移，以及检测该目标物绕三个轴中两轴的旋转角，所述目标物具有一个反射基准面，在该反射基准面上设置一个球形元件，所述系统包括光源，用来提供测量光束；光学系统，用来形成一个第一测量子光束和一个第二测量子光束，所述第一测量子光束聚焦于球形元件弯曲部分的中央，它用来测量所述位移，所述第二测量子光束基本上照射到基准面上球形元件的外侧，它用来测量所述旋转角；光敏检测系统，设置于由基准面反射的、并穿过光学系统的测量子光束的光路上，该光敏检测系统包括用于第一测量子光束的第一检测器和用于第二测量子光束的第二检测器，光学系统装有一个朝向基准面的分束器。本专利技术还涉及一种用来扫描媒体的光学设备，该设备装有上述这样一个位置检测系统。本专利技术还涉及一种多面镜，它用作上述位置检测系统和上述设备中的目标物。应认为“媒体”一词具有较广的含义，它包括例如带形记录载体、打印机中的光敏层、或是可用电磁照射光写的图像显示板，其中由所写的图像组成信息。自从引进数字光学记录技术以来，对增大所使用的媒体的存贮容量从而例如可将数字视频信号存在这样一个媒体上的需求有所增长。在人们已知的音频唱盘或小型光盘(CD)和由例如CD-ROM、CD-I等所驱动的媒体中，存贮容量由形成于这些媒体的信息面中的扫描光斑的大小决定，该扫描光斑决定扫描装置的分辨率，并由此确定信息细节部分例如仍可被分别检测的信息抗的最小尺寸。当然扫描光斑的尺寸可通过减小所用的扫描光束的波长和/或通过增大形成扫描光斑的物镜系统的数值孔径来减小，但是这只能达到一个有限的程度而不能使存贮容量增大到十倍或更多。如SPIE，第2338卷，Optical Data Storage，1994年第8-14页中的文章“A Compact Optical Tape Recording System”中所述，可将容量和扫描速度增加几个数量级，同时通过采用带形记录载体来保持传统的扫描光斑尺寸，沿纵向看该带形记录载体沿一光学扫描装置向前移动，且其中在沿与记录带的纵向相垂直的方向延伸的信息记录道中提供信息。为扫描这些信息记录道，扫描装置包括一个具有例如六个镜面的多面镜形式的扫描元件。在多面镜旋转时，各相邻镜面的每个镜面确保一个信息记录道被扫描，由此使该信息记录道被写或读。在SPIE文章中所述的扫描设备中，将多面镜绕轴颈安装并用电磁装置驱动它。必要时对五个自由度范围内的多面镜的位置连续检测，以便对其进行校正。为此，该已知的设备包括一个位置检测系统，其中产生一个照射光束，用一个分束器将一部分照射光束作为测量光束反射到多面镜的上侧，该上侧起基准面的作用。在分束器和基准面之间设置一个特殊的透镜，它将测量光束的外围部分聚焦于一个球形元件的弯曲部分的中央，该球形元件设在基准面的中央部分。所述外围部分组成第一测量子光束。第二测量子光束由测量光束的中间部分组成，所述透镜对第二测量子光束并不起透镜的作用，而是仅为该测量子光束的主光束提供一个与第一测量子光束的主光束方向不同的方向。由基准面反射的第一与第二测量子光束由分束器分别传到第一与第二检测器，这些检测器将这些光束转换为电信号。每个检测器都由一个象限检测器构成，该象限检测器即为一个由分布在四个不同象限内的四个检测部分组成的检测器。在该已知的位置检测系统中，仅将测量照射光束的一部分例如一半射向基准面用于测量，而该照射光的其余部分被散失掉。另外，其中用来对测量光束进行聚焦的透镜是一个极不普通的透镜，很难制造该透镜，从而使该系统变得很昂贵。再有，用该检测系统仅能测量绕X轴与Y轴的旋转角，却无法测量绕Z轴的旋转角，Z轴即为多面镜必须绕其旋转以实现所需扫描的轴。本专利技术的目的在于提供一种位置检测系统，其中可以用一个标准的透镜来进行聚焦，并且其中更好地使用了测量照射光束。为此，按照本专利技术的位置检测系统的特征在于，其光学系统还装有一个反射器，它把由分束器所传送的测量光束部分作为一个测量子光束向基准面反射，并且其特征还在于分束器把测量光束的另一部分作为另一测量子光束向基准面反射。在本位置检测系统中，测量子光束不再由一个具有特殊形状的透镜产生，而是由分束器产生，从而分束器具有一个双重功能而不再需要使用一个特殊成形的透镜。另外，这就可将测量光束的最大照射光量用于测量以获得更强的测量信号。该分束器可以是一种极化中性分束器，但它另外也可以由一个光敏分束器和一个四分之一波长板的组合来构成。本位置检测系统的一个优选实施例的特征还在于，第二测量子光束还测量目标物绕第三轴的旋转角，为此，基准面设有至少一个具有与其周围不同的反射面的区域。在一个用于带形记录载体的扫描设备中，本实施例尤为重要。由于本位置检测系统还提供一个表示绕Z轴或多面镜的旋转轴的旋转角的测量信号，所以不必再采用一个用来产生该信号的分开的检测系统。按照本专利技术的位置检测系统的第一实施例，其特征还在于，在一个与测量光束的主光束成某一夹角的位置处设置反射器，以使由反射器所反射的测量子光束与法线成一锐角照射在基准面上，其中所述测量子光束为第二测量子光束，并且其中在由分束器反射的第一测量子光束的光路中设置一个会聚透镜系统。由于第二测量子光束与法线成一小的夹角照射在基准面上，所以在基准面反射之后，该测量子光束的主光束具有一个与第一测量子光束的主光束不同的方向，从而使这些光束在检测平面内充分分开以使它们分别照射到分开的检测器上。本位置检测系统的一个优选实施例具有一个比第一实施例大的捕获范围，其特征还在于，分束器的分束面设置在与测量光束的主光束成一夹角处，以使由该面所反射的测量子光束与法线成一锐角照射在基准面上，其中所述测量子光束是第二测量子光束，且其中在由反射器反射的第一测量子光束的光路中设置一个会聚透镜系统。在该实施例中，两个测量子光束在由分束器反射之后斜穿过会聚透镜系统，从而相对于第一实施例使由检测平面中的光束所形成的照射光斑之间的距离增大一倍，以获得一个较大的捕获范围而不会在该系统的透镜元件上发生渐晕现象。本专利技术还涉及一种用电磁法扫描一个媒体的光学设备，该光学设备装有一个光学扫描装置，在其工作中，该扫描装置用一个电磁照射光斑沿至少一个方向扫描媒体，该扫描装置还装有一个旋转扫描元件以及一个用于该扫描元件的位置检测系统。该光学设备的特征在于位置检测系统是一种如前文所述的系统，目标物是所述的扫描元件。该设备可以是例如一个激光打印机，其中将一个扫描激光束用来首先在一光敏层中设标记、符号或图像，接着使该光敏层通过墨盒，然后将这些标记、符号或图像打印在纸上。在该激光打印机中，一个扫描光斑以极快的速度扫过连续的线，通过以一个较小的速度沿一与照射光斑的扫描方向相垂直的方向移动光敏层来实现从第一线到下一线的转换。该设备还可以是一个图像显示设备，它装有至少一个含一光敏层的反射液晶图像显示板。按照一个矩阵图案，通过用扫描光斑扫描光敏层来写要显示的图像，根据要显示的图像信息来调制形成扫描光斑的光束。为了沿第一方向以一个高速度进行扫描，使用上述快速扫描元件，用前文所述的位置检测系统控制该快速扫描元件的位置。第二扫描元件例如一个振动镜可用来沿第二方向较慢地扫描。本专利技术在一个设备中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用来检测一个目标物相对于所述系统沿所述三个轴的位移的位移以及检测该目标物绕一正交直角坐标系的三个轴中两轴的旋转角的位置检测系统，所述目标物具有一个反射基准面，在所述反射基准面上设置一个球形元件，所述系统包括：光源，用来提供测量光束；光学系统，用来形成一个第一测量子光束和一个第二测量子光束，将所述第一测量子光束聚焦于球形元件的曲率中心，用来测量所述位移，所述第二测量子光束基本上照射到基准面上球形元件的外侧，用来测量所述旋转角；光敏检测系统，设置于由基准面所反射的、并穿过光学系统的测量子光束的光路上，所述光敏检测系统包括用于第一测量子光束的第一检测器和用于第二测量子光束的第二检测器，其中光学系统装有一个分束器，其特征在于所述光学系统还装有一个反射器，它把由所述分束器传送的测量光束部分作为一个测量子光束向基准面反射，并且其中所述分束器把测量光束的另一部分作为另一测量子光束向基准面反射。

【技术特征摘要】
EP 1996-7-3 96201817.21.一种用来检测一个目标物相对于所述系统沿所述三个轴的位移的位移以及检测该目标物绕一正交直角坐标系的三个轴中两轴的旋转角的位置检测系统，所述目标物具有一个反射基准面，在所述反射基准面上设置一个球形元件，所述系统包括光源，用来提供测量光束；光学系统，用来形成一个第一测量子光束和一个第二测量子光束，将所述第一测量子光束聚焦于球形元件的曲率中心，用来测量所述位移，所述第二测量子光束基本上照射到基准面上球形元件的外侧，用来测量所述旋转角；光敏检测系统，设置于由基准面所反射的、并穿过光学系统的测量子光束的光路上，所述光敏检测系统包括用于第一测量子光束的第一检测器和用于第二测量子光束的第二检测器，其中光学系统装有一个分束器，其特征在于所述光学系统还装有一个反射器，它把由所述分束器传送的测量光束部分作为一个测量子光束向基准面反射，并且其中所述分束器把测量光束的另一部分作为另一测量子光束向基准面反射。2.一种如权利要求1中所述的位置检测系统，其特征在于第二测量子光束还测量目标物绕第三轴的旋转角，为此，基准面设有至少一个具有与其周围不同的反射面的区域。3.一种如权利要求1或2中所述的位置检测系统，其特征在于，在一个与测量光束的主光束成某一夹角的位置处设置所述反射器，以使由所述反射器反射的测量子光束与法线成一锐角照射在基准面上，其中所述测量子光束为第二测量子光束，并且其中在由分束器向基准面反射的第一测量子光束的光路中设置一个会聚透镜系统。4.一种如权利要求1或2中所述的位置检测系统，其特征在于，所述分束器的分束面设置在与测量光束的主光束成一夹角处，以使由该面反射的测量子光束与法线成一锐角照射在基准面上，其中所述测量子光束是第二测量子光束，且其中在由反射器反射的第一测量子光束的光路中设置一个会聚透镜系统。5.一种用电磁法扫描一个媒体的光学设备，该光学设备装有一个光学扫描装置，在其工作中，该扫描装置用一个电磁照射光斑沿至少一个方向扫描媒体，该扫描装置还装有一个旋转扫描元件以及一个用于该扫描元件的位置检测系统，其特征在于所述位置检测系统是一种如权利要求1、2、3或4中所述的系统，所述目标物是所述的扫描元件。6.一种如权利要求5中所述的光学设备，其中所述媒体为一种带形光学记录载体，用来记录分布于信息记录道中可用光学法检测的信息区域的结构，所述信息记录道相对于记录带的纵向沿一第一方向横向延伸，所述设备设有一供带盘和一接收盘，它们用来沿第二方向传输所述载体，第...

【专利技术属性】
技术研发人员：WG奥菲，GE范罗斯马伦，
申请(专利权)人：皇家菲利浦电子有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]