(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的位置決定のために光源（２）によって生成され、光学システム（８）を用いて光検知器（１２）に集束される測定光線（６）が、測定対象（１０）から反射され、位置感知性の光検知器（１２）に到達し、検知器を用いて測定対象（１０）の位置に対応する情報へ変換され、かつ光検知器（１２）によって得た測定値から信号プロセッサ（２８）を用いた補間法によって集束した測定スポットの強度分布の重心または最大値（Ｉ０）に対応する位置信号が決定される、可動測定対象（１０）の位置制御回路のための制御出力の生成方法であって、
測定値が連続的にＡ／Ｄ変換器（２６）を介して読み出され、デジタルデータがデジタル信号プロセッサ（２８）に伝達され、信号プロセッサを用いて実際の強度分布の関数に対応する分布関数を考慮して補間が実施され、システム制御計算機（３０）を用いて測定対象（１０）の目標位置が計算され、該目標位置が信号プロセッサ（２８）に供給され、
信号プロセッサを用いて補間法により算出した焦点スポット位置を目標位置と比較してデジタル制御値が生成され、該デジタル制御値からＤ／Ａ変換器（３４）を用いてアナログ制御値が生成され、該アナログ制御値が測定対象（１０）に割当てられた制御回路（２２）に入力されることを特徴とする方法。
【請求項２】
可動測定対象（１０）が、ミラーまたはリフレクタである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
重心または最大値（Ｉ０）を決定する際に強度（Ｉ）の既知の分布関数が考慮される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
重心または最大値を決定する際に所与の閾値（Ｉｓ）を用いてより低い強度値が抑制される、請求項１から３のいずれか1項に記載の方法。
【請求項５】
閾値Ｉｓが最大強度（Ｉ０）の２０％から５０％の範囲で与えられる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
閾値Ｉｓが最大強度（Ｉ０）の３０％のオーダーの大きさで与えられる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
制御出力がミラー位置の直接制御のために生成される、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記方法がスキャン装置で使用され、前記測定対象（１０）がミラーであり、当該ミラーを用いてスキャン方法が別の光源を使用して実施される、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
まず静止している測定対象（１０）で対応する分布関数が決定され、信号プロセッサ（２８）に入力される、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
対応する分布関数が信号プロセッサ（２８）のメモリの中に準備して保持される、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
光検知器（１２）にＡ／Ｄ変換器（２６）が後置され、前記Ａ／Ｄ変換器に信号プロセッサ（２８）が後置され、信号プロセッサを用いてシステム制御計算機（３０）が接続され、信号プロセッサ（２８）が分布関数のためのメモリを含み、信号プロセッサ（２８）がＤ／Ａ変換器（３４）を介して測定対象（１０）の制御回路（２２）に接続されている請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法を実施する装置。
【請求項１２】
光検知器（１２）に強度分布の最大値および／または重心（Ｉ０）を決定するための電子装置（２０）が後置され、電子装置（２０）に測定対象（１０）の位置制御用の制御回路（２２）が後置されている、請求項１１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、特許請求の範囲の第１項序文に示した特徴に基づく位置制御回路用制御出力の生成方法に関する。さらに、本発明はこの方法を実施するための装置に関する。
【０００２】
欧州特許出願第０３９０９６９号から、光源を用いて生成された測定光線がミラーの形態の可動測定対象から反射し、位置感知性の光検知器に到達し、前記測定光線が光学システムを用いて光検知器上に集束する方法が知られている。光検知器を用いて得られた測定値が計算機または信号プロセッサに供給され、信号プロセッサの中で集束した測定スポットの強度分布の重心または最大値に相当する位置信号が補間によって決定される。光検知器のアナログ信号が直接信号プロセッサに供給され、まずアナログで引き続き処理され、さらに焦点スポットの算出位置に対応するデジタル補間信号を得るために、目標位置に対応する信号が算入される。補間信号は、測定対象を駆動するために制御回路に供給される。光検知器上の測定光線の実際の強度分布関数と対応する関数を補間の際に考慮することは指示されていない。さらに、アナログ信号が直接信号プロセッサに供給される。
【０００３】
さらに、ドイツ国特許出願第４２１２０６６号から光学的直線の位置決定方法および装置が知られており、その方法によれば光学的直線を含む像がビデオカメラで行ごとに、ビデオ信号ならびにピクセルクロックを取り出すために記録される。ビデオ信号から前記光学的直線のデジタル表示が算出され、ビデオカメラの行が光学的直線と交差するようにビデオカメラが調整される。補間法による位置制御および位置信号の決定も行われず、その組合せのための指示も含まれていない。
【０００４】
文献：光学の構成要素、設計者のためのポケットブック、ハー・ナウマン（Ｈ．Ｎａｕｍａｎｎ）およびゲー・シュレーダ（Ｇ．Ｓｃｈｒｏｄｅｒ）、第４版、ハンザー（Ｈａｎｓｅｒ）出版、１９８３年より、自動視準法と呼ばれ、回転ミラーの角度位置の測定を可能にする方法が知られている。この場合、視準レンズを用いて視準を合わせた光線が測定光線として被測定ミラーに反射され、入射光線に対する反射光線の角度が視準レンズを逆方向に通過する際に位置情報へ変換される。しかし、情報変換は、レンズ誤差の形態で追加の誤差源を測定に持ち込む。計算による前記の誤差の修正は、回転ミラーの瞬間的角度位置に対応する情報算出時の計算時間を引き延ばす。
【０００５】
さらに、米国特許第４３１８５８２号から２次元スキャン装置が知られており、スキャン装置は光源、特にレーザの光線を偏向するために互いに本質的に垂直の２方向にある２つの回転ミラーを有する。回転ミラーは電気的駆動によって回転され、回転ミラーの回転角度位置を決定するために信号発生器が設けられ、信号発生器は電気駆動モータの駆動軸と連結されている。信号発生器によって得られた情報は各回転ミラーの各位置制御回路に供給される。波の角度位置を得るための前記のような信号発生器は、通常誘導的または電磁的な位置検知器であり、これら検知器は高精度の仕上げを必要とし、今日の精度要求を実際上全く満たさないか、あるいは多大な製造費用を要してのみ満たす。
【０００６】
上述を前提として本発明は、ミラー、特に回転ミラーの位置の高速な光学的測定が簡単な光学的構造で実現可能な方法を形成することを課題としている。少ない費用で解像度の向上が達成されなくてはならない。さらに、この方法の実施のために設けられる装置が少ない装置費用で済み、追加の誤差源を回避しなければならない。また、特にスキャン装置でミラーの位置の高速な光学的測定を簡単な光学的構造で実現し、制御値として前記ミラーに割当てられた制御回路に入力し、あるいは被測定ミラーの設定信号として直接使用できる信号を生成しなくてはならない。
【０００７】
この方法に関する前記課題は、特許請求の範囲に示した特徴に従って解決される。装置に関しては、特許請求の範囲の第１１項に示した特徴に従って解決される。
【０００８】
提案した方法および該方法を実施するために提案した装置は、特にミラーまたはリフレクタとして形成され、ミラーなどの機械的動きが光学的に得られる測定対象の位置の高速な光学的測定を少ない費用で可能にする。測定対象の機械的動きに対応する、特に位置感知性の光検知器上の光点の比例する移動が利用され、検知器は以下光学的位置センサとも呼ばれる。光源として、特に半導体レーザまたはダイオードレーザが考慮されており、光学システムを用いて光源の実像が光検知器もしくは位置センサ上に生成される。光学システムは、集束装置として形成されており、最も簡単な場合では正の焦点距離を有するレンズとして、収束レンズとして、あるいは例えば色消レンズまたは対物レンズのような複数のレンズからなるシステムとしても形成することができる。光源と所定の開口径Ａを有する開口を用いて、測定光線が生成され、測定光線が光学システムおよび／または集束装置を用いてミラーに向けられ、前記ミラーから位置感知性の光検知器もしくは光学的位置センサ上に偏向される。好ましくは、光線もしくは測定光線が測定対象またはミラーから直接光検知器上に偏向され、追加の誤差、特にレンズ誤差に基づく誤差が回避される。提案した方法および該方法を実施するために提案した装置は、測定光線として集束レーザ光線ならびに検知器解像度よりも高い解像度を有する測定光線の位置決定を可能にし、それによってより低解像度で高速読取の可能な検知器の使用を許容する計算および／または補間の使用によって回転ミラーの位置決め用制御値の高速な生成を可能にする。
【０００９】
冒頭に述べた自動視準法と異なり本発明によれば測定対象と呼ばれるミラーもしくはリフレクタで平行光線が反射されず、光学的写像システムが二重に使用されないことが堅持される。光源と光学的写像システムとの間に、好ましくは所定の開口径を有する開口が設けられる。光学的写像システムは集束装置として形成されており、位置センサもしくは光検知器が測定対象もしくはミラーまたはリフレクタで集束された測定光線の焦点にある。位置感知性の光検知器が検出した光点またはスポットの大きさは、光点等の中心位置が使用されるので実質的に重要ではない。ビームスポットまたはスポットの中心は最大強度で、または強度が同じ場合はスポットの幾何学的中心で定義される。光検知器は、以下ピクセルと呼ばれる個々の領域またはセルを含み、電気信号が各ピクセル上の放射強度に依存して、好ましくは比例して生成される。光検知器もしくはその領域のものまたはピクセルとして、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＣＤ素子、光感知性の抵抗またはアナログの撮像管も使用できる。位置感知性の光検知器および後置された電子回路を用いて集束した光線またはスポットがデジタル化され、スポットを検出するピクセルを用いて電気的測定値が各放射強度に従って生成される。測定値は、スポットの強度もしくは強度分布に関する情報を含む。
【００１０】
これらの測定値は、光線またはスポットの強度分布の重心または最大値を決定する計算法および／または補間法に供給される。その際に有利にはスポットの光の強度分布関数を基礎とし、評価または計算時に考慮される。そのため、特にまず静止している測定対象、またはミラー、またはリフレクタで光検知器を用いて得たスポットの分布関数が検出され、計算機に入力することができ、計算機を用いてこの方法の実施中に続いて強度分布の重心または最大値が決定される。また、有利な実施形態において既知の強度分布関数を計算機に入力し、特に計算用のメモリに保持することができる。ピクセルの離散的測定点または走査点の強度に関する情報を含む測定値から、本発明による評価および計算に基づき、特に光検知器の個々の領域またはセルの最終的な大きさのために測定されなかった位置の重心または最大値の状態に関する情報も決定される。従って、既知と仮定した又はあらかじめ定められた強度分布関数は、特に好ましくは強度分布の重心または最大値の決定を可能にする。本発明に従って実施した計算に基づき、好都合には光検知器または位置センサの解像度が特に向上する。従って、検知器解像度よりも高い解像度で測定光線の位置決定が可能になる。従って、高い解像度に対して低い解像度を有する、高速に解像可能な光検知器を使用することができる。
【００１１】
本発明のさらなる構成および特別な構造は、従属請求項と、以下の特別の実施例の明細に記載する。
【００１２】
本発明は、以下、図面に表わした実施例を利用してより詳しく説明するが、それのみに制限されるものではない。
【００１３】
図１は、２を含む装置であり、光源は特にレーザおよび／またはダイオードレーザとして形成される。所定の開口径Ａを有するアパーチャ４を用いて、光学的写像システム８に到達する測定光線６が生成される。光学的写像システム８は、簡単な場合に正の焦点距離を有するレンズもしくは収束レンズを含み、場合によっては例えば色消レンズまたは対物レンズのような複数のレンズからなるシステムも考えられる。図から明らかなように、光学システム８から測定光線が被測定ミラー１０に到達し、ミラー１０から所定の、好ましくは小さい角度で直角に位置感知性の光検知器１２上に反射する。ミラー１０は、この場合矢印１６に従って図平面と直交する軸１４の周りに回転可能である回転ミラーとして形成されている。光学システム８を用いて、長い焦点距離を有する測定光線が集束され、光検知器１２が焦点の中にある。位置検知器とも呼ばれる位置感知性の光検知器１２として、例えば焦点のビームスポットまたは焦点の位置を測定するため、特に１６８のセルを有するダイオード列１８が使用される。図中、見易くするために少数の前記セル１８のみを表わしており、前記セル数は各要件に従って与えられる。これは、セル１８の大きさに関しても当てはまり、セル１８は、例えばそれぞれ約６４μｍのエッジ長を有する。セル１８は、光感知性の領域であり、以下ピクセルと呼び、各ピクセル上の放射強度に対応および／または比例する電気信号の生成を可能にする。そのために、個々の感光性のセル１８またはピクセル上に当たる光出力が読み出される。焦点は所定の係数だけピクセル１８の大きさまたはエッジ長よりも大きい直径Ｄを有する。前記係数は、好ましくは１０から３０の間の領域にあり、特に１５から２５の間の領域にある。位置感知性の光検知器１２に電子装置２０が後置されており、電子装置は有利には制御電子回路として形成されており、制御電子回路を用いて算出した焦点の位置がミラー１０に設定された目標角度で計算された目標位置と比較される。別法として又は追加して、電子装置を用いて同程度の焦点スポットの強度の場合最大の強度または幾何学的中心に対応する重心または中心の位置の算出もしくは決定のための計算法および／または補間法が実施される。この差分からアナログ制御信号がミラー１０に一体として組み込まれた制御回路２２のために生成される。
【００１４】
測定対象１０がミラーとして、特に回転ミラーとして形成されている場合、このミラーをスキャン装置の構成要素とすることができる。従って、ミラーは、有利な実施形態において二重に利用され、光源２が説明したように測定光線を生成し、さらに別の光源を用いて目的に応じて同様にレーザとして形成され、スキャン法を実施する。光検知器およびそれに続く強度分布の重心または最大値の評価および計算を用いた提案する光学的位置決定によって得られたミラー位置の現在値が説明した方法において電子装置２０からミラー１０の制御回路２２に供給され、さらにスキャン装置のミラー１０のスキャニングおよび位置決めに必要な値、特に位置目標値が制御システムに入力される。
【００１５】
図２に従って、開口４が開口径Ａを有し、光学的写像システム８が焦点距離Ｆを有する。個々の感光性セルまたはピクセル１８に当たる光出力が読み出され、光検知器１２上の焦点径Ｄとピクセルの大きさδｘとの間の好適な比率で計算法および／または補間法によって測定光線の焦点スポットの重心または中心の位置が前記情報から例えば個々のセルまたはピクセル１８の大きさの１／１２の精度で正確に算出される。焦点の直径Ｄは、開口径Ａと、光学システム８の焦点距離Ｆと、使用したレーザ光の波長λとから次式によって得られる。
【数１】
0003768883.tif 000002
【００１６】
システムの角度解像度δφは、例えばδｘ／１２の放射位置を決定するための解像度と、ミラー１０および検知器１２の間の距離Ｓとから次式によって得られる。
【数２】
0003768883.tif 000003
【００１７】
検出可能の回転角度領域Δφは、同じ方法で検知器の範囲Δｘから得られる。
【数３】
0003768883.tif 000004
【００１８】
図３は、原理図としてスポットの強度分布ならびに光検知器を用いて得られた走査値または測定値を、光検知器の長手方向の範囲Ｘに渡ってプロットした位置Ｘｉで示す。個々の強度値Ｉｉに位置Ｘｉが割当てられる。この実施例において、強度分布ＩはＸ０で明確に示される最大値を有する鐘型状曲線またはガウス分布曲線に相当する。図から明らかなように、得られれた最大走査値は、光検知器のピクセルの最終的な大きさの結果、強度曲線の実際の最大値に対して離間している。本発明に従って、特に光検知器のスポットの強度分布の走査値が提供される上記の計算機を用いて、特に重心または最大強度の、特に補間による計算が実施される。この計算は、基本的に次式によって行われる。
【数４】
0003768883.tif 000005
【００１９】
好都合には、現存する測定値または所与の部分量それ自体から、例えば幾何学的に連続する３つの測定値が抽出され、そのうちの１つは得られる最大測定値の一つに成るはずである。選ばれた測定値は、強度分布に対応する記述関数のパラメータの計算に利用される。例えば、３つのパラメータを持つ放物線の記述には３つの測定値が必要になることがある。このように算出されたパラメータから、次に、最大強度Ｉ０の位置Ｘ０が計算される。この場合、特に基本的に既知の強度の分布関数を計算で考慮することが重要である。計算は、好ましくは実際の強度分布に対応する関数に基づいて行われる。例えば、スポットの測定値が基本的に鐘型曲線上にあることが知られているときは、この事実関係が強度分布Ｖの重心もしくは最大値の計算で考慮される。離散的測定点または走査点の強度に関する光検知器を用いた測定によって得た測定値もしくは情報から、本発明に係わる計算および評価に基づき、光検知器のセルの最終的な大きさのために測定値が得られない位置の最大値の状態に関する情報が提供される。これら最大値の状態に関する追加の情報は、既知と仮定した強度の分布関数から明らかになる。
【００２０】
この計算もしくは補間では、好ましくは、比較的高い誤差を伴う低い強度値の抑制が行われる。そのために最小値または閾値Ｉｓが与えられる。閾値Ｉｓは、最大測定値未満の所定の量であり、好ましくは２０％から５０％の範囲にあり、有利には３０％のオーダーである。上記の実施例で、閾値Ｉｓが３０％で与えられたときは、本実施例では６つの測定値が上記の計算で考慮される。以上によってピクセルの充分な照明で光検知器の幾何学的解像度をはるかに上回る解像度を達成することができる。
【００２１】
図４は、別の実施例を示し、実施例では測定対象１０が二重矢印２４に従って直線状に移動可能である。点線によって、直線状に離れた測定対象１０の相互の位置が示されており、これは特にリフレクタとして形成されている。測定対象１０の動きに従って、測定スポットが位置感知性の光検知器１２上で移動する。光源２、開口４などのその他の構成要素に関する上記の説明は、この実施例にも準用する。
【００２２】
図５は、読取および制御電子装置とも呼ぶことができる電子装置２０のブロック図である。光検知器１２のピクセル１８の読出しは、特にＡ／Ｄ変換器２６を介して連続的に行われ、しかも例えば８ビットの解像度で行われる。デジタル化したデータは後置の信号プロセッサ２８に伝達され、信号プロセッサはまず個々のピクセル１８の測定値から、特に補間法によって上記の方法で強度分布の重心位置を決定する。この計算もしくは補間では、有利には最小値または閾値の導入によって誤差を伴う低い測定値が抑制され、計算もしくは補間では考慮されない。計算機またはＤＳＰ２８に、システム制御計算機３０から目標値、特に１６ビットの目標値が測定対象もしくはミラーの目標角度位置から計算された焦点の位置のために供給される。この値と計算もしくは補間された重心が比較され、その差異からデジタル制御値３２が生成される。そこから、好ましくは１４ビットまたは１６ビットのＤ／Ａ変換器として形成された後続のＤ／Ａ変換器３４でアナログ制御値３６が生成され、この制御値が測定対象またはミラーの制御回路２２に供給される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  装置の概略図である。
【図２】  使用した式記号の説明のための図１に類似した図である。
【図３】  スポットおよび走査値の強度分布の概略図である。
【図４】  直線状に移動可能なミラーを備えた装置の別の実施例の概略図である。
【図５】  読取および制御電子装置のブロック図である。
【符号の説明】
２  光源／レーザ
４  開口
６  測定光線
８  光学的写像システム
１０  測定対象／ミラー／リフレクタ
１２  位置感知性の光検知器／光学的位置検知器
１４  １０の回転軸
１６  矢印
１８  感光性セル／ピクセル
２０  電子装置
２２  １０用の制御回路
２４  二重矢印
２６  Ａ／Ｄ変換器
２８  計算機／デジタル信号プロセッサ／ＤＳＰ
３０  システム制御計算機
３２  デジタル制御値
３４  Ｄ／Ａ変換器
３６  アナログ制御値
Ａ  開口幅
Ｄ  焦点の直径
Ｉ  強度
Ｉｓ  閾値
Ｉ０  最大値
Ｓ  １０と１２の間の距離
Ｘ  位置
Ｖ  強度分布
Δｘ  検知器の広がり／セル長さ
Δφ  測定の回転角度範囲
δｘ  ピクセルの大きさ
δφ  角度解像度
【図１】
0003768883.tif 000006
【図２】
0003768883.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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