NL9001253A - Inrichting voor het optisch bepalen van de positie en stand van een voorwerp en optisch inschrijf- en/of weergaveapparaat voorzien van een dergelijke inrichting. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Inrichting voor het optisch bepalen van de positie en stand van een voorwerp en optisch inschrijf- en/of weergaveapparaat voorzien van een dergelijke inrichting.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het bepalen van de positie van een voorwerp, bevattende een stralingsbroneenheid voor het opwekken van een stralingsbundel, een stralingsgevoelig detektiestelsel, en een in de stralingsweg van de stralingsbundel aangebracht optisch afbeeldingsstelsel voor het vormen van een stralingsvlek op het detektiestelsel, welk optisch afbeeldingsstelsel geheel of gedeeltelijk met het voorwerp is gekoppeld zodanig dat de positie van de stralingsvlek op het detektiestelsel een maat is voor de positie van het voorwerp in een richting dwars op de stralingsweg.

Een dergelijke inrichting kan onder meer worden gebruikt voor het bepalen van de positie van een vrij opgehangen aftastspiegel in een aftastinrichting. De uitvinding heeft dan ook tevens betrekking op een apparaat voor het inschrijven en/of uitlezen van informatie in een optische registratiedrager, welke inrichting een, rond een rotatieas roteerbare polygoonspiegel bevat voor het aftasten van de registratiedrager.

In een apparaat voor het langs optische weg met behulp van een aftastvlek inschrijven of uitlezen van grote hoeveelheden informatie van een registratiedrager dient de aftastvlek een grote afstand per tijdseenheid op de registratiedrager af te leggen. Dit is noodzakelijk omdat de informatiedichtheid op de registratiedrager begrensd wordt de de afmeting van de aftastvlek, welke op zijn beurt bepaald wordt door de golflengte van de straling en de numerieke apertuur van het aftaststelsel. Beide grootheden zijn niet willekeurig te kiezen. Wanneer op de optische registratiedrager bijvoorbeeld een televisieprogramma van HDTV kwaliteit in gedigitaliseerde vorm wordt of is opgeslagen en de lineaire informatiedichtheid op de registratiedrager ongeveer 1,5 bit/pm bedraagt, moet de aftastsnelheid van de aftastvlek ongeveer 60 m/s zijn. Zelfs bij toepassing van een beperkt aantal parallelle aftastvlekken bedraagt de aftastsnelheid meer dan 10 m/s. Om een dergelijke snelheid met een aftastspiegel, bijvoorbeeld een roterende polygoonspiegel te bereiken en daarbij de aftastvlek nauwkeurig op de af te tasten posities gericht te houden is een konstante meting van de polygoon- of spiegelpositie en terugkoppeling naar het regelmechanisme van de spiegel noodzakelijk.

Een dergelijke meting dient bij voorkeur langs kontaktloze weg uitgevoerd te worden, waarbij, volgens de uitvinding, een inrichting volgens de aanhef kan worden toegepast.

Een dergelijke inrichting is op zichzelf bekend uit EP-A-0 124 145. Daarin wordt een optisch meetsysteem beschreven waarin het uiteinde van een eerste optische vezel met behulp van een lens of een konkave spiegel wordt afgebeeld op een vlak waarin de uiteinden van twee andere optische vezels liggen. Met de eerste optische vezel is een stralingsbron verbonden en met de tweede andere vezels zijn detektoren verbonden. De afbeeldende lens of spiegel is gekoppeld met een membraan waarbij de verplaatsing van het membraan resulteert in een verplaatsing van de lens of spiegel dwars op de richting van de opvallende stralingsbundel. Hierdoor verplaatst ook de gevormde stralingsvlek zich ten opzichte van de uiteinden van de twee optische vezels zodat de relatieve stralingsintensiteit op de twee detektoren verandert. Op deze wijze is de relatieve intensiteit die door de detektoren wordt opgevangen een maat voor de positie van het voorwerp in een richting dwars op de stralingsweg waarmee de lens gekoppeld is.

In de bekende inrichting is het niet mogelijk de verplaatsing van het afbeeldingsstelsel in een richting evenwijdig aan de stralingsbundel te detekteren. Voor een nauwkeurige bepaling van de positie van een voorwerp zoals een polygoonspiegel of andere aftastspiegel is het echter noodzakelijk om de positie in drie dimensies snel en betrouwbaar te meten met zo weinig mogelijk additionele optische stelsels. Bij voorkeur mogen eventuele additionele optische elementen niet mechanisch met de aftastspiegel gekoppeld zijn omdat dit tot een verhoging van de massa en de komplexiteit van het stelsel van de aftastspiegel leidt.

Het is onder meer een doel van de uitvinding een inrichting volgens de aanhef aan te geven waarin met slechts één optisch afbeeldingsstelsel de positie van het voorwerp tevens in de richting van de stralingsbundel kan worden vastgesteld. Daartoe heeft de inrichting volgens de uitvinding het kenmerk, dat de inrichting tevens is voorzien van middelen voor het doen veranderen van de stralingsvlek op het detektiestelsel in afhankelijkheid van de positie van het voorwerp in de richting van de stralingsweg.

Door de verandering van de vorm van de stralingsvlek te meten met behulp van het stralingsgevoelig detektiestelsel wordt hiermee de positie van het voorwerp bepaald. Gelijktijdig wordt door de plaats van de stralingsvlek op het detektiestelsel de positie van het voorwerp in de richting dwars op de stralingsbundel gedetekteerd.

Een eerste uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat in de stralingsweg tussen het optisch afbeeldingsstelsel en het detektiestelsel een astigmatisch element is aangebracht voor het introduceren van astigmatisme in de stralingsbundel, en dat het detektiestelsel is ingericht voor het detekteren van de vorm van de stralingsvlek. Met behulp van astigmatisme kan de positie van het voorwerp met voldoende nauwkeurigheid bepaald worden. Opgemerkt wordt dat het op zichzelf bekend is uit US-A 4 023 033 om met behulp van een astigmatische methode de positie van een lens in een stralingsbundel in de stralingsrichting te korrigeren. In deze bekende inrichting wordt echter de stralingsbundel met behulp van een objectieflens op een spiegelend oppervlak gefokusseerd. Daarbij is niet de positie van de lens zelf maar de onderlinge afstand tussen de lens en het oppervlak van belang. Verder is de lens in de richting dwars op de stralingsrichting ten opzichte van de stralingsbron en het detektiestelsel gefixeerd.

Deze uitvoeringsvorm kan als verder kenmerk hebben dat het optisch stelsel is ingericht voor het vormen van een konvergente bundel ter plaatse van het astigmatisch element en dat het astigmatisch element een planparallele plaat is die scheef in de stralingsweg is aangebracht. Ook kan de uitvoeringsvorm als kenmerk hebben dat het astigmatisch element een hologram of een cylinderlens is. In beide gevallen kan het astigmatisch element zowel met het voorwerp verbonden zijn als vast ten opzichte van de stralingsbroneenheid en het detektiestelsel geplaatst zijn. Met het oog op massavermindering heeft het laatste daarbij de voorkeur.

Een tweede uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat in de stralingsweg tussen het optisch afbeeldingsstelsel en het detektiestelsel een dakkantprisma is aangebracht voor het vormen van twee stralingsvlekken op het stralingsgevoelig detektiestelstel, waarbij de afstand tussen de stralingsvlekken een maat is voor de positie van het voorwerp in de richting van de stralingsweg. Ook op deze wijze is de positie van het afbeeldingsstelsel in de richting van de stralingsbundel te meten. Opgemerkt wordt dat het op zichzelf bekend is, bijvoorbeeld uit EP-A 0 063 830 of US-A 4 533 826, om met behulp van een dakkantprisma de onderlinge positie van een lens en een spiegelend oppervlak te korrigeren. Ook hierbij is echter niet de positie van de objektieflens van belang maar de juiste fokussering van een bundel op een spiegelend oppervlak, en kan de lens niet bewegen in een richting dwars op de richting van de stralingsbundel.

Een uitvoeringsvorm van het detektiestelsel heeft verder als kenmerk dat het optisch afbeeldingsstelsel ten minste één reflektief element bevat. Hierdoor kunnen de stralingsbroneenheid en het detektiestelsel konstruktief dicht bij elkaar geplaatst worden en hoeft tevens bij het voorwerp geen rekening gehouden te worden met een doorgaande stralingsbundel. Het afbeeldingsstelsel kan dus op een naar de stralingsbron en het detektiestelsel toegekeerde zijde van het voorwerp worden aangebracht. Tevens hoeft slechts aan een zijde van het voorwerp ruimte voor de stralingsweg te bestaan.

De inrichting volgens de uitvinding kan daarbij het verdere kenmerk hebben dat het reflektieve element van het optisch afbeeldingsstelsel een konkave of konvexe spiegel bevat. De konkave of konvexe spiegel vormt, of maakt deel uit, van het optisch afbeeldingsstelsel. Daarbij kan het toepassen van een konvexe spiegel het konstruktieve voordeel hebben dat het reflektieve element op een vlak van het voorwerp kan worden aangebracht, bijvoorbeeld door middel van lijmen, zonder dat het voorwerp zelf daarvoor een bewerking hoeft te ondergaan.

Bij voorkeur heeft de inrichting het kenmerk dat de konkave of konvexe spiegel een sferische vorm heeft. Daarbij heeft een rotatie van het voorwerp rond een willekeurige as door het middelpunt van de bolvorm geen invloed op de meting van de positie. Bovendien is een bolvorm eenvoudig te maken.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding heeft deze het kenmerk dat het optisch afbeeldingsstelsel een verder gedeelte bevat dat in een vaste positie ten opzichte van de stralingsbron en het detektiestelsel is aangebracht. Hierbij bevat het afbeeldingsstelsel dus een deel dat niet met het voorwerp gekoppeld is, waardoor er minder eisen aan het deel dat wel met het voorwerp gekoppeld is hoeven te worden gesteld. Zo is bijvoorbeeld het met het voorwerp gekoppelde deel in omvang en massa te minimaliseren terwijl toch een optisch stelsel van hoge kwaliteit, bestaande uit meerdere elementen kan worden gebruikt.

Behalve de positie van het voorwerp is ook de kanteling van het voorwerp in de ruimte van belang, bijvoorbeeld voor het bepalen waar de door een aftastspiegel gereflekteerde aftastbundel op een af te tasten oppervlak valt.

Een inrichting volgens de uitvinding die niet alleen de positie maar ook de kanteling van het voorwerp bepaald heeft als verder kenmerk dat met het voorwerp tevens optische middelen zijn gekoppeld voor het afbuigen van straling uit de stralingsbundel in afhankelijkheid van de kanteling van het voorwerp en dat het detektiestelsel verder is ingericht voor het detekteren van de afgebogen straling en daarmee van de kanteling van het voorwerp.

Een uitvoeringsvorm hiervan heeft het verdere kenmerk dat de middelen voor het afbuigen van straling reflektieve middelen zijn. De middelen voor het meten van de kanteling worden bijvoorbeeld gevormd door een vlakke spiegel. Deze kan op eenvoudige wijze met een reflektief gedeelte van het afbeeldingsstelsel gekombineerd worden.

Het wordt opgemerkt dat het op zichzelf bekend is, uit ÜS-A 4 829 175, om de stand van de rotatieas van een polygoonspiegel te bepalen met behulp van een stralingsbundel die op een eindvlak van het polygoon gereflekteerd wordt. In de bekende inrichting wordt echter niet gelijktijdig de positie van de polygoonspiegel in de ruimte gemeten zodat slechts een beperkte informatie over de polygoonspiegel beschikbaar is. Bij de bekende inrichting wordt de spiegelpositie door een mechanisch lager bepaald. Een mechanisch lager beperkt de maximale rotatiesnelheid en is bij hoge rotatiesnelheden ongewenst.

De delen voor het bepalen van de positie en van de oriëntatie van het voorwerp kunnen bijvoorbeeld gekombineerd worden in een uitvoeringsvorm die als kenmerk heeft dat het optisch afbeeldingsstelsel een verder gedeelte bevat dat in een vaste positie ten opzichte van de stralingsbron en het detektiestelsel is aangebracht, welk verder gedeelte is geïntegreerd met een bundeldeler voor het splitsen van de stralingsbundel in twee deelbundels voor het bepalen van de positie en van de kanteling van het voorwerp, respektievelijk.

Op deze wijze wordt de opgewekte stralingsbundel pas geplitst in een bundel voor het bepalen van de positie en voor het bepalen van de kanteling zodra de straling op het afbeeldingsstelsel valt. De stralingsweg van de stralingsbron tot het afbeeldingsstelsel is enkelvoudig. In een verdere uitvoeringsvorm kunnen ook de stralingswegen van de afgebogen straling gemeenschappelijk verlopen en dus gemeenschappelijke optische komponenten bevatten.

Een toepassingsgebied van een inrichting voor het bepalen van de positie en/of de kanteling van een voorwerp volgens de uitvinding is het bepalen van deze grootheden voor een rond een rotatieas roteerbare polygoonspiegel die gebruikt worden in een apparaat voor het optisch aftasten van een object of een gebied, bijvoorbeeld voor het aftasten van een optische registratiedrager.

Een dergelijk apparaat voor het inschrijven en/of uitlezen van informatie in een optische registratiedrager is volgens de uitvinding voorzien van een stralingsbroneenheid, een detektiestelsel en een afbeeldingsstelsel, dat ten minste voor een deel gekoppeld is met de polygoonspiegel, voor het vormen van een stralingsvlek op het detektiestelsel, waarbij de stralingsbroneenheid, het detektiestelsel en het afbeeldingsstelsel deel uitmaken van een inrichting voor het bepalen van de positie van de polygoonspiegel en/of van de stand van de rotatieas van de roteerbare polygoonspiegel. Een dergelijke polygoonspiegel dient ertoe om met grote snelheid evenwijdig aan elkaar liggende stroken op de registratiedrager af te tasten zodat het noodzaakelijk is de positie van de polygoonspiegel en de stand van de as zorgvuldig te bewaken om te vermijden dat reeds afgetaste stroken nogmaals worden afgetast, of dat af te tasten stroken worden overgeslagen.

Een uitvoeringsvoorbeeld van een dergelijk apparaat bevat een roteerbare polygoonspiegel waarbij rond de rotatieas een konkave of konvexe rotatiesymmetrische spiegel is aangebracht. Door de konkave of konvexe spiegel, die dient ter bepaling van de positie van de polygoonspiegel, rotatie-symmetrisch rond de rotatieas aan te brengen heeft de rotatie van de polygoonspiegel rond de rotatieas geen invloed op de positiemeting.

Bij voorkeur is een apparaat volgens de uitvinding voor het inschrijven en/of uitlezen van een optische registratiedrager met behulp van een roteerbare polygoonspiegel op een wijze uitgevoerd waarbij de roteerbare polygoonspiegel magnetisch gelagerd is door middel van een aantal elektromagneten en welk apparaat verder is ingericht voor het toevoeren van bekrachtigingssignalen aan de elektromagneten in afhankelijkheid van uitgangssignalen van het detektiestelsel.

De polygoonspiegel is hierbij vrij opgehangen in een magnetisch veld zodat geen wrijving aan lagers optreedt bij het roteren. Met behulp van een positie- en stand-detektieinrichting zoals in het voorgaande beschreven wordt de polygoonspiegel op de juiste plaats gehouden en wordt de rotatieas in de juiste stand gehouden.

Deze en andere, meer gedetailleerde, aspekten van de uitvinding worden nader beschreven en toegelicht aan de hand van de tekeningen,

In de tekeningen wordt in figuur 1 schematisch een eerste voorbeeld van een inrichting volgens de uitvinding weergegeven; figuur 2 een alternatief uitvoeringsvoorbeeld getoond waarbij een reflektief optisch element is toegepast; figuren 3a, 3b en 3c schematisch enkele andere uitvoeringsvoorbeelden voor het reflektieve optische element aangegeven; figuur 4 een uitvoeringsvorm weergegeven waarbij tevens de kanteling van het voorwerp wordt gemeten; en figuur 5 een uitvoeringsvorm voor het stabiliseren van een roterende polygoonspiegel aangegeven.

In figuur 1 is met 10 een voorwerp aangegeven dat, binnen bepaalde grenzen, vrij kan bewegen. Met het voorwerp 10 is een lens 20 gekoppeld, waarvan de positie een direkte relatie heeft met de positie van het voorwerp 10. De lens 20 is bijvoorbeeld aan het voorwerp bevestigd of via een hefboom of een as daarmee verbonden. Aan een zijde van de lens 20 is een stralingsbroneenheid 30 geplaatst, aan de andere zijde een detektiestelsel 40. Daarbij zijn de stralingsbroneenheid 30, het detektiestelsel 40 en de lens 20 zodanig ten opzichte van elkaar gepositioneerd dat, wanneer het voorwerp en de lens zich op hun nominale posities bevinden, de stralingsbroneenheid 30 wordt afgebeeld op het detektiestelsel 40. De stralingsbroneenheid bestaat bijvoorbeeld uit een lamp 31, een kondensorlens 32 en een diafragma 33.

Het detektiestelsel 40 is een positiegevoelig detektiestelsel en bestaat bijvoorbeeld uit een viertal stralingsgevoelige diodes 41, 42, 43 en 44 die in een vierkant zijn geplaatst. De lens 20 is zo uitgevoerd dat deze astigmatisme vertoont zodat de vorm van de op het detektiestelsel 40 geprojekteerde stralingsvlek 34 afhangt van de positie van de lens 20 in de richting van de hoofdas van de stralingsbundel die van de stralingsbroneenheid 30 op de lens 20 valt.

Wanneer het voorwerp 10, en daarmee de lens 20 wordt verplaatst in de richting van de dubbele pijl 11, de x of de y-richting dwars op de richting van de stralingsbundel, verplaatst de vlek 34 die is gevormd op het detektiestelsel 40 zich in dezelfde richting als de lens 20. Wanneer het voorwerp 10, en daarmee de lens 20 zich verplaatst in de richting van de pijl 12, de z-richting, dat wil zeggen in een richting evenwijdig van die van de stralingsbundel, verandert de vorm van de vlek 32, van een cirkel naar een liggende ellips of een staande ellips, omdat de lens 20 een lens is met een aanzienlijk mate van astigmatisme. Uit de vorm en de positie van de stralingsvlek 34 is de positie van de lens 20 en dus die van het voorwerp 10 in drie richtingen te bepalen. Behalve met behulp van de lens 20, kan astigmatisme ook in de stralingsbundel geïntroduceerd worden met behulp van een extra element 53, bijvoorbeeld een raster, hologram of cilinderlens, dat niet met het voorwerp 10 verbonden is.

Om uit de stralingsvlek 34 drie signalen af te kunnen leiden die de positie van de lens in de x, y en z richting aangeven is het detektiestelsel 40 onderverdeeld in een viertal detektoren 41, 42, 43 en 44 die in een vierkant geplaatst zijn, waarbij de scheidingslijnen tussen de detektoren een hoek van 45° maken met de assen van de liggende of staande ellipsvorm van de stralingsvlek 34. De detektie-elementen 41 en 42 zijn in de y-richting naast elkaar aangebracht en de detektie-elementen 43 en 44 in de x-richting. De signalen die de positie van de lens aangeven zijn dan uit de uitgangssignalen van het detektiestelsel af te leiden via de relaties:

Sx ” ^43 ~ ^44^

Sy = (I41 - I42) sz = (i41 + i42) - d43 + i44) waarij Sx, Sy en Sz signalen zijn die de verplaatsing aangeven ten opzichte van een nominale positie en I41, I42, I43 en I44 de door ieder van de detektie-elementen waargenomen intensiteit. Om uit deze signalen Sx, Sy en Sz de exacte positie te bepalen dient nog een korrektie plaats te vinden ten gevolge van invloeden als de intensiteit van de bundel en het effekt van de pupil van de lens op de verplaatsing en vorm van de stralingsvlek.

Figuur 2 toont een voorbeeld waarbij het optisch stelsel reflectief is. Aan het vrij beweegbare voorwerp 10 is een konkave spiegel 21 bevestigd. Een stralingsbron 30, in figuur 2 weergegeven met een halfgeleiderlaser, wekt een stralingsbundel op die via een halfdoorlatende spiegel 50 op de konkave spiegel 21 valt. De daardoor gereflekteerde bundel valt vervolgens door de planparallele plaat 51 op een dakkantprisma 52. Het dakkantprisma splitst de stralingsbundel in twee deelbundels die ieder een stralingsvlek 35 en 36, respektievelijk, vormen op het stralingsgevoelige detektiestelsel 60. De onderlinge afstand van de twee stralingsvlekken 35 en 36 is een maat voor de positie van de konkave spiegel 21 en het voorwerp 10 in de richting van de stralingsbundel de z-richting.

Het detektiestelsel 60 is opgebouwd uit bijvoorbeeld acht stralingsgevoelige elementen 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67 en 68 die twee ' evenwijdige rijen van vier elementen vormen en zo zijn aangebracht dat de scheidslijn tussen de rijen 61, 63, 65 en 67 en 62, 64, 66 en 68 samenvalt met de nominale posities van de stralingsvlekken 35 en 36. Tevens zijn de paren 61, 62 en 63, 64 zo aangebracht dat de deze aan weerszijden van de nominale positie van de stralingsvlek 35 liggen. De paren 65, 66 en 67, 68 zijn op analoge wijze aangebracht ten opzichte van de stralingsvlek 36.

üit de stralingsverdeling op de detektie-elementen is de positie van de konkave spiegel 21 te bepalen in de x, y en z richtingen volgens:

Sx = (I62 + I64 + I66 + I68) " (I61 + I63 + *65 + I67)

Sy = (I63 + I64 + T67 + I68) ' {I61 + T62 + I65 + I66) en

Sz = (I61 + T62 + X67 + I68) ' (I63 + *64 + *65 + W

De transparante planparallele plaat 51 waarop de halfdoorlatende spiegel 50 is aangebracht bevindt zich in het getoonde voorbeeld in een konvergente stralingsbundel. Daardoor wordt in de stralingsbundel na de planparallele plaat 51 astigmatisme geïntroduceerd, zodat de positie van de holle spiegel 21 in de z-richting ook met behulp van de astigmatische methode zoals geïllustreerd aan de hand van figuur 1 kan worden bepaald.

In de figuren 3a, 3b en 3c zijn schematisch enkele andere uitvoeringsvormen van een met het voorwerp verbonden spiegel getoond voor toepassing in overeenstemming met de uitvinding. In figuur 3a wordt de door de stralingsbron 30 opgewekte stralingsbundel met behulp van een lens 71 tot een evenwijdige bundel gevormd die via de halfdoorlatende spiegel 50 op de konkave parabololde spiegel 22 valt. Deze paraboloide spiegel fokusseert de bundel op het detektiestelsel 40 waar een stralingsvlek 34 wordt gevormd. In de figuren 3b en 3c wordt de stralingsbundel met behulp van de lens 71 gefokusseerd op een in het fokuspunt bij het voorwerp 10. Met het voorwerp 10 is een sferische spiegel 23 of 24 verbonden, konkaaf 23 in figuur 3b en konvex 24 in figuur 3c, waarvan het middelpunt samenvalt met het genoemde fokuspunt wanneer de spiegel 23 of 24 zich in de nominale positie bevindt.

De stralingsbundel wordt door de spiegel 23 of 24 gereflekteerd en na doorlopen van de bundelsplitser of halfdoorlatende spiegel 50 door de lens 73 gefokusseerd tot een stralingsvlek 34 op het detektiestelsel 40. In deze bundel wordt astigmatisme geïntroduceerd, bijvoorbeeld door in een convergent of divergent deel van de bundel een scheefstaande planparallele plaat 51 de plaatsen. Ook kan een cilinderlens of raster 53 in de bundel zijn aangebracht. De vervorming van de stralingsvlek 34 die daardoor optreedt wordt vervolgens gedetekteerd op het detektiestelsel 40, bijvoorbeeld op de wijze zoals beschreven aan de hand van figuur 1.

Behalve een parabololde of sferische vorm kan de spiegel ook een hyperbololde of ellipsoïde vorm hebben. In dat geval wordt de stralingsbundel met behulp van de lens 71 op het eerste brandpunt van de hyperbololde of ellipsoïde gefokusseerd, en valt het tweede brandpunt op het detektiestelsel of wordt daarop afgebeeld via een verder optisch afbeeldingsstelsel.

In de getoonde voorbeelden wordt de positie van de stralingsvlekken op het detektiesysteem alleen bepaald door de positie van het voorwerp en niet door de oriëntatie daarvan.

In figuur 4 is een eerste uitvoeringsvoorbeeld getoond van een systeem waarmee tevens de oriëntatie van het voorwerp kan worden bepaald. In dit uitvoeringsvoorbeeld wordt bij wijze van voorbeeld de positie bepaald met behulp van een bolvormige spiegel 24 zoals in figuur 3c. Naast de konvexe spiegel 24 is een vlakke spiegel 25 aangebracht. De inrichting is voorzien van een kondensorlens 71 waarmee de door de stralingsbron opgewekte stralingsbundel naar een evenwijdige bundel wordt omgezet. Deze evenwijdige bundel wordt, via reflektie aan de bundelsplitser 50, in de richting van het voorwerp 10 afgebogen. In deze bundel is een objektieflens 72 aangebracht waarmee een deel van de bundel wordt gefokusseerd naar een punt dat samenvalt met de nominale positie van het middelpunt van de bolvormige spiegel 24. Zoals getoond in de figuur kan dit worden bereikt doordat de lens 72 slechts een deel van de doorsnede van de stralingsbundel beslaat. Ook is het bijvoorbeeld mogelijk een optische wig in de stralingsbundel te plaatsen waarmee een deel van de bundel langs de objektieflens 72 wordt geleid. Het deel van de stralingsbundel dat de lens 72 doorloopt en aan de gebogen spiegel 24 wordt gereflekteerd, wordt via de bundelsplitser 50 en de lens 73 op het detektiestelsel 40 geprojekteerd voor het leveren van een signaal waaruit de positie van het voorwerp 10 kan worden afgeleid. Het andere deel van de bundel valt op de vlakke spiegel 25 en vormt, na het doorlopen van de bundelsplitser 50 en de lens 73 een tweede stralingsvlek 34a op het detektiestelsel. De positie van deze stralingsvlek 34a hangt vrijwel uitsluitend af van de kanteling van de vlakke spiegel 25 en niet of nauwelijks van de positie daarvan. Door het aanbrengen van een wig of prisma in een van de twee delen van de stralingsbundel die door de spiegels 24 en 25, respektievelijk, zijn gereflekteerd worden de stralingsvlekken 34 en 34a ruimtelijk van elkaar gescheiden, zodat ze onafhankelijk van elkaar gedetekteerd worden op twee delen 45 en 46 van het detektiestelsel 40. In het uitvoeringsvoorbeeld volgens de tekening is dit gerealiseerd door een optisch element 74 in de stralingsbundel aan te brengen dat wigvormig is in het gedeelte dat doorlopen wordt door straling afkomstig van de vlakken spiegel 25 en dat een konstante dikte heeft in de rest van de bundel.

De bundelsplitser 50 kan behalve als deelkubus ook als halfdoorlatende spiegel zijn uitgevoerd en worden ondersteund door een planparallele plaat met behulp waarvan astigmatisme in de bundel tussen het voorwerp 10 en het detektiestelsel 40 wordt geïntroduceerd. Een voorkeursuitvoeringsvorm daarmee is getoond in figuur 5. Daarin wordt verder een toepassing van de positiedetektie-inrichting aangeven voor het stabiliseren van een roterende polygoonspiegel. Deze figuur toont een halfgeleiderlaser 30 voor het opwekken van de stralingsbundel, een halfdoorlatende spiegel 50 voor het afbuigen van de stralingsbundel naar het voorwerp 10. Een kollimatorlens 78 waarmee de bundel evenwijdig wordt gemaakt. Een lens 75 voor het fokusseren van de stralingsbundel op het gekromde spiegeltje 24 op het voorwerp 10 is in dit uitvoeringsvoorbeeld tussen de halfdoorlatende spiegel 50 en het voorwerp 10 aangebracht. De lens 75 heeft een vlak centraal gedeelte 76, welk vlak en een korresponderend vlak 77 in het andere brekend oppervlak van de lens een kleine hoek met elkaar maken zodat dit gedeelte als optische wig fungeert. De lens 75 fokusseert het licht dat op het perifere brekende oppervlak valt naar een punt dat samenvalt met het middelpunt, of een brandpunt, van het konvexe spiegeltje 24 op het voorwerp 10. Deze straling wordt door het spiegeltje 24 weerkaatst en via de lenzen 75 en 78 en de planparallele plaat 51 op het detektiestelsel 40 gefokusseerd. Op de in het voorafgaande beschreven wijze wordt op het deel 45 van het detektiestelsel 40 een stralingsvlek 34 gevormd waarvan de positie en de vorm informatie geven over de positie van het spiegeltje 24 en dus van het voorwerp 10.

De straling die op het vlakke centrale gedeelte 76 van de lens 75 valt wordt niet op het bolle spiegeltje 24 gefokusseerd maar valt op het spiegelend vlak 25 daaromheen. Hieraan wordt deze straling gereflekteerd waarbij de richting van de gereflekteerde straling uitsluitend afhangt van de kanteling van de vlakke spiegel 25 en dus van het voorwerp 10. De gereflekteerde bundel doorloopt opnieuw de wig die bestaat uit de vlakken 76 en 77 in de lens 75, vervolgens de lens 78 en de halfdoorlatende spiegel 50 en vormt een stralingsvlek 34a op het deel 46 van het stralingsgevoelig detektiestelsel 40. De positie van deze vlek 34a geeft de kanteling van de vlakke spiegel 25 aan en dus de kanteling van het voorwerp.

Het stralingsgevoelig detektiestelsel 40 bestaat bijvoorbeeld uit twee kwadrantendetektoren 45 en 46 die ieder uit vier stralingsgevoelige elementen bestaan, waarmee zowel de positie als de vorm van de gevormde stralingsvlekken 34 en 34a wordt bepaald.

Een toepassing van de positie- en oriëntatiedetektor volgens de uitvinding is eveneens in figuur 5 aangegeven. Het voorwerp 10 is bijvoorbeeld een polygoonspiegel die draaibaar is rond een as 11. De polygoonspiegel bevat een aantal facetten, in de figuur aangegeven als vlakken 12 die een hoek van 45° maken met de rotatieas 11. Een stralingsbundel 80 afkomstig van een stralingsbron 81 en de kondensorlens 82 valt op de spiegelende vlakken 12 van de polygoonspiegel en wordt daardoor afgebogen, afhankelijk van de stand van het polygoon. De stralingsbundel wordt via een lenzenstelsel 83, bijvoorbeeld een f-θ lens, gefokusseerd tot een stralingsvlek 85 op een af te tasten vlak 84. Dit vlak maakt bijvoorbeeld deel uit van een optische registratiedrager die met behulp van de aftastbundel 80 wordt ingeschreven of uitgelezen. De registratiedrager is bijvoorbeeld een schijfvormige of bandvormige registratiedrager die wordt beschreven met een groot aantal evenwijdig aan elkaar geplaatste relatief korte sporen of stroken. De richting van de sporen of stroken wordt daarbij bepaald door de gekombineerde verplaatsing van de registratiedrager 84 ten opzichte van de aftastinrichting en van de beweging van de aftastvlek 85 ten gevolge van de rotatie van het polygoon.

Om op deze wijze voldoende snel informatie op de registratiedrager te kunnen inschrijven of te kunnen uitlezen bijvoorbeeld voor een HDTV programma (hoge-definitietelevisie) dient het polygoon met een omwentelingssnelheid van enkele duizenden omwentelingen per seconde te roteren. Om dit te bereiken is het polygoon magnetisch gelagerd en bevestigd op een metalen of gemagnetiseerde schijf 90 die door een aantal electromagnetische spoelen 91 op zijn plaats gehouden wordt en aangedreven.

De stralingsvlekken 34 en 34a die via het spiegelende vlak 25 en het bolvormige spiegeltje 24 op het detektiestelsel 40 worden gevormd, worden door de detektie-elementen in het stelsel 40 omgezet in elektrische signalen die informatie geven omtrent positie en kanteling van het polygoon en worden geanalyseerd in een verwerkingseenheid 92. Deze verwerkingseenheid levert vervolgens uitgangssignalen 93 die worden toegevoerd aan de elektromagneten 91 waarmee de daardoor opgewekte magnetische velden worden beïnvloed. Hiermee wordt de positie en de kanteling van de roterende polygoonspiegel konstant gehouden.

Om de aftastsnelheid te verhogen of een lagere omwentelingssnelheid van het polygoon mogelijk te maken is het mogelijk om het optische stelsel 81-83 zo uit te voeren dat de registratiedrager met meerdere aftastvlekken gelijktijdig meerdere parallele sporen aftast.

Claims (15)

1. Inrichting voor het bepalen van de positie van een voorwerp (10), bevattende een stralingsbroneenheid (30) voor het opwekken van een stralingsbundel, een stralingsgevoelig detektiestelsel (40;60), en een in de stralingsweg van de stralingsbundel aangebracht optisch afbeeldingsstelsel (20;21;22;23;24) voor het vormen van een stralingsvlek (34,34a;35,36) op het detektiestelsel (40;60), welk optisch afbeeldingsstelsel (20;21;22;23;24) geheel of gedeeltelijk met het voorwerp (10) is gekoppeld zodanig dat de positie van de stralingsvlek (34,34a;35,36) op het detektiestelsel (40;60) een maat is voor de positie van het voorwerp (10) in een richting (x,y) dwars op de stralingsweg, met het kenmerk, dat de inrichting tevens is voorzien van middelen (20;51;52;53) voor het doen veranderen van de stralingsvlek (34;35,36) op het detektiestelsel (40;60) in afhankelijkheid van de positie van het voorwerp in de richting (z) van de stralingsweg.

2. Inrichting volgens konklusie 1, met het kenmerk, dat in de stralingsweg tussen het optisch afbeeldingsstelsel (20) en het detektiestelsel (40) een astigmatisch element (51;53) is aangebracht voor het introduceren van astigmatisme in de stralingsbundel, en dat het detektiestelsel (40) is ingericht voor het detekteren van de vorm van de stralingsvlek (34).

3. Inrichting volgens konklusie 2, met het kenmerk, dat het optisch stelsel (20) is ingericht voor het vormen van een konvergente bundel ter plaatse van het astigmatisch element en dat het astigmatisch element een planparallele plaat (51) is die scheef in de stralingsweg is aangebracht.

4. Inrichting voltens konklusie 2, met het kenmerk, dat het astigmatisch element (53) een hologram of een cylinderlens is.

5. Inrichting volgens konklusie 1, met het kenmerk, dat in de stralingsweg tussen het optisch afbeeldingsstelsel (20;21) en het detektiestelsel een dakkantprisma (52) is aangebracht voor het vormen van twee stralingsvlekken (35,36) op het stralingsgevoelig detektiestelstel (60), waarbij de afstand tussen de stralingsvlekken (35,36) een maat is voor de positie van het voorwerp (10) in de richting (z) van de stralingsweg.

6. Inrichting volgens konklusie 1, 2, 3, 4 of 5, met het kenmerk, dat het optisch afbeeldingsstelsel (21;22;23;24) ten minste één reflektief element bevat.

7. Inrichting volgens konklusie 6, met het kenmerk, dat het reflektieve element van het optisch afbeeldingsstelsel een konkave of konvexe spiegel (21;22;23;24) bevat.

8. Inrichting volgens konklusie 7, met het kenmerk, dat de konkave of konvexe spiegel (23;24) een sferische vorm heeft.

9. Inrichting volgens één van de voorgaande konklusies, met het kenmerk, dat het optisch afbeeldingsstelsel een verder gedeelte (72;75) bevat dat in een vaste positie ten opzichte van de stralingsbron (30) en het detektiestelsel (40;60) is aangebracht.

10. Inrichting volgens één van de voorgaande konklusies, met het kenmerk, dat met het voorwerp tevens optische middelen (25) zijn gekoppeld voor het afbuigen van straling uit de stralingsbundel in afhankelijkheid van de kanteling van het voorwerp (10) en dat het detektiestelsel (40;60) verder is ingericht voor het detekteren van de afgebogen straling en daarmee van de kanteling van het voorwerp.

11. Inrichting volgens konklusie 10, met het kenmerk, dat de middelen voor het afbuigen van straling reflektieve middelen (25) zijn.

12. Inrichting volgens konklusie 10 of 11, met het kenmerk, dat het optisch afbeeldingsstelsel een verder gedeelte (75) bevat dat in een vaste positie ten opzichte van de stralingsbron (10) en het detektiestelsel (40) is aangebracht, welk verder gedeelte is geïntegreerd met een bundeldeler (76,77) voor het splitsen van de stralingsbundel in twee deelbundels voor het bepalen van de positie en van de kanteling van het voorwerp, respektievelijk.

13. Apparaat voor het inschrijven en/of uitlezen van informatie in een optische registratiedrager, welke inrichting een, rond een rotatieas (11) roteerbare polygoonspiegel bevat voor het aftasten van de registratiedrager, welk apparaat is voorzien van een stralingsbroneenheid (30), een detektiestelsel (40) en een afbeeldingsstelsel (24,75,78), dat ten minste voor een deel (24) gekoppeld is met de polygoonspiegel, voor het vormen van een stralingsvlek op het detektiestelsel, waarbij de stralingsbroneenheid (30), het detektiestelsel (40) en het afbeeldingsstelsel (24,75,78) deel uitmaken van een inrichting voor het bepalen van de positie van de polygoonspiegel en/of van de stand van de rotatieas van de roteerbare polygoonspiegel.

14. Apparaat volgens konklusie 13, waarbij de roteerbare polygoonspiegel van een reflekterend vlak (25) is voorzien, welk vlak loodrecht op de rotatieas (11) staat, en waarbij rond de rotatieas (11) een konkave of konvexe rotatiesymmetrische spiegel (24) is aangebracht.

15. Apparaat volgens konklusie 13 of 14, waarbij de roteerbare polygoonspiegel magnetisch gelagerd is door middel van een aantal elektromagneten (91) en welk apparaat verder is ingericht voor het toevoeren van bekrachtigingssignalen (93) aan de elektromagneten in afhankelijkheid van uitgangssignalen van het detektiestelsel (40).