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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
die Messung der absoluten Position eines Objektes.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Ein inkrementeller Positionsencoder
ist eine Einrichtung zum Messen der relativen Position zweier Objekte.
Typischerweise ist eine Skale an einem der Objekte und ein Lesekopf
an dem anderen angebracht, wobei auf der Skale in regelmäßigen Abständen angeordnete,
identische Markierungen vorgesehen sind. Der Lesekopf projiziert
Licht auf die Skale, welches dann abhängig von der Ausgestaltung
der Skale entweder reflektiert oder hindurchgelassen wird. Aus dem
reflektierten oder hindurchgelassenen Licht erzeugt der Lesekopf
eine Reihe von Signalen, die dazu verwendet werden können, einen
inkrementellen Zählwert
zu erzeugen, der die relative Verschiebung der beiden Objekte angibt.
Der Lesekopf kann eine gewisse elektronische Interpolation bereitstellen,
so dass die Auflösung
höher ist,
als sie durch direktes Zählen
der Markierungen auf der Skale erzielt werden könnte. In manchen Fällen sind
die Ausgänge
analog (oft zwei um Sinuswellen in Quadratur), um es zu ermöglichen,
dass eine Elektronik außerhalb
des Lesekopfes die Interpolation durchführen kann. Ein inkrementeller
Encoder kennt nicht die absolute Position des Lesekopfes entlang
der Skale.
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Ein absoluter Encoder umfasst typischerweise
eine Skale, auf der Daten in der Form einer pseudozufälligen Folge
oder diskreter Codeworte geschrieben sind. Durch Lesen dieser Daten,
wenn der Lesekopf über
die Skala hinwegtritt, kann der Lesekopf seine absolute Position
bestimmen.
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Es gibt auch hybride, inkrementelle,
absolute Positionsencoder. Es ist möglich, inkrementelle Encoder
mit einer feineren Auflösung
als absolute Encoder herzustellen, wobei viele absolute Encoder
auch separate inkrementelle Kanäle
umfassen. Der absolute Kanal ergibt eine absolute Position, die
bis zu zumindest einer Periode des inkrementellen Kanals genau ist.
Eine Interpolation des inkrementellen Kanals ergibt eine Position
innerhalb der Periode des inkrementellen Kanals bis zu der gewünschten
feinen Auflösung.
Miteinander kombiniert ergeben die beiden Systeme eine absolute
Position bis zu einer feinen Auflösung. Da der absolute Kanal
und der inkrementelle Kanal jedoch in separaten Spuren vorliegen, kann
ein Gieren des Lesekopfes zu Fehlern führen, wenn die inkrementelle
und die absolute Position kombiniert werden. Bei einer Skale mit
fester Position muss diese außerdem
in der richtigen Orientierung sein, so dass die inkrementellen und
absoluten Spuren mit den jeweiligen Leseköpfen ausgerichtet sind.
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Ein hybrider, inkrementeller, absoluter
Positionsencoder ist in dem europäischen Patent Nr. 0 503 716
offenbart, in welchem der absolute Kanal, der aus einem Pseudozufallscode
besteht, und der inkrementelle Kanal kombiniert sind, um einen einzigen zusammengesetzten
Kanal zu bilden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein erster Aspekt der vorliegenden
Erfindung stellt eine Messskale bereit, umfassend: eine inkrementelle
Skalenspur mit einer Reihe von Linien, die eine erste Eigenschaft
aufweisen und sich im Allgemeinen mit Linien abwechseln, die eine
zweite Eigenschaft aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die absoluten
Positionsdaten in der inkrementellen Datenspur in der Form diskreter
Codeworte eingebettet sind.
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Die Linien, die eine erste Eigenschaft
aufweisen, sind vorzugsweise lichtreflektierend oder lichtdurchlässig und
die Linien, die eine zweite Eigenschaft aufweisen, sind nicht lichtreflektierend
oder nicht lichtdurchlässig.
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Es sind vorzugsweise zusätzliche
oder weniger Linien, die eine der Eigenschaften aufweisen, im Vergleich
mit jenen, die die andere Eigenschaft aufweisen, in Mustern, die
die Codeworte bilden, vorgesehen, wodurch die absoluten Daten in
der inkrementellen Skalenspur eingebettet sind. Alternativ sind
die Breite oder der Abstand der Linien in der inkrementellen Skalenspur
verändert,
wodurch die absoluten Daten in der inkrementellen Skalenspur eingebettet sind.
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Vorzugsweise erstrecken sich die
Linien, die die erste oder die zweite Eigenschaft aufweisen, im Wesentlichen über die
Breite der Skale. Die absoluten Daten auf der Skale können palindromisch
sein.
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Die absoluten Daten können in
diskrete Codeworte unterteilt sein, wobei der Beginn jedes Codewortes
durch ein identisches Startsymbol markiert ist. Die absoluten Daten
in sowohl den Codeworten als auch den Startsymbolen können aus
binären
Codes bestehen.
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Die Codeworte definieren vorzugsweise
N eindeutige Positionen über
eine Länge
einer Skale, wobei diese Länge
derart wiederholt wird, dass die (N+1)te Position gleich ist wie
die 1. Position usw.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung
stellt ein System zum Messen einer absoluten Position bereit, das
eine Messskale und einen Skalenleser umfasst, die relativ zueinander
beweglich sind, wobei die Messskale eine inkrementelle Skalenspur
mit einer Reihe von Linien umfasst, die eine erste Eigenschaft aufweisen
und sich im Allgemeinen mit Linien abwechseln, die eine zweite Eigenschaft
aufweisen, und wobei absolute Positionsdaten in der inkrementellen
Skalenspur in der Form diskreter Codeworte eingebettet sind, und
der Skalenleser eine Lichtquelle zum Beleuchten der Skale, einen
inkrementellen Lesekopf zum Bestimmen der inkrementellen Position
und ein Abbildungssystem und ein Detektorsystem zum Bestimmen der
absoluten Position umfasst.
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Der Lesekopf, der dazu verwendet
wird, die inkrementelle Position zu bestimmen, ist vorzugsweise
ein filternder Lesekopf.
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Jedes absolute Bit von Daten weist
vorzugsweise einen Wert von 1 oder 0 auf, wobei es ein Takt-Bit
mit einem Wert von 0 zwischen jedem absoluten Daten-Bit gibt, wobei
bestimmt wird, ob irgendein Bit der Skale ein absolutes Daten-Bit
oder ein Takt-Bit ist, indem die Werte der (m+1)ten Bits auf jeder
Seite dieses Bits gemessen werden, wobei m = eine beliebige gerade
ganze Zahl ist, und wobei die Werte dieser Bits summiert werden,
so dass, wenn die Summe kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, das
Bit ein absolutes Daten-Bit ist.
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Es wird vorzugsweise eine Nachschlagetabelle
verwendet, um eine grobe absolute Position zu bestimmen, indem absolute
Positionsdaten, die aus der Skale extrahiert werden, mit absoluten
Codeworten in der Nachschlagetabelle verglichen werden. Die absolute
Position kann auf innerhalb einer inkrementellen Skalenteilung bestimmt
werden, indem die grobe absolute Position mit der Position des Starts
des ersten Codeworts in den Daten, die durch das Detektorsystem
extrahiert werden, und dem Ort des ersten vollständigen Datenbits in den Daten,
die durch das Detektorsystem extrahiert werden, kombiniert wird. Die
absolute Position kann auf innerhalb eines Bruchteils der Skalenteilung
bestimmt werden, indem die absolute Position mit der inkrementellen
Position kombiniert wird.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung werden beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen
veranschaulicht, in denen:
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1A–1D schematische Darstellungen
einer inkrementellen Skale, einer absoluten Skale und einer Hybridskale
sind;
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2A und 2B schematische Darstellungen von
Codeworten auf der palindromischen Skale sind;
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3A und 3B die zyklische Natur der
Skale zeigen;
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4A und 4B schematische Darstellungen der
palindromischen und zyklischen Skale mit zwei und drei palindromischen
Codeworten jeweils pro Wiederholungslänge sind;
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5 eine
schematische Darstellung einer Hybridskale und einer Reihe von Pixeln
aus der Abbildungsoptik in dem Lesekopf sind; und
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6 ein
Mikrolinsen-Array ist;
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7 ein
Flussdiagramm für
das Verfahren zur Bestimmung einer groben absoluten Position ist; und
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8 eine
schematische Darstellung des Lesekopfes und der Skale ist.
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Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsformen
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1A stellt
eine Länge
einer inkrementellen Skale 10 dar. Die inkrementelle Skale
weist ein sich wiederholendes Muster aus reflektierenden Linien 12 und
nicht reflektierenden Linien 14 auf. 1B zeigt eine Länge einer absoluten Skale 16.
Diese Skale umfasst auch reflektierende 12 und nicht reflektierende 14 Linien,
die jeweils ein Bit von absoluten Daten darstellen, die kombiniert
werden, um einen Code zum Festlegen der absoluten Position zu bilden.
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Die 1C und 1D zeigen die inkrementellen
und absoluten Skalen von 1A und 1B kombiniert 18.
Ein Bit von absoluten Daten ist pro Teilung der inkrementellen Skale
eingebettet. Bei diesem Beispiel ist die Codierung binär und somit
gibt es zwei mögliche
Zustände
1 und 0. Für
Zustand 1 in der absoluten Skale verbleibt die reflektierende Linie
in der inkrementellen Skale in ihrem ursprünglichen Zustand 20. Für Zustand
0 wird die reflektierende Linie der inkrementellen Skale entfernt,
wie es bei 22 gezeigt ist.
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Das Entfernen von Teilen des inkrementellen Musters
verschlechtert das Signal von dem inkrementellen Kanal, jedoch ist
der Effekt nicht schwerwiegend, wenn der Schaden entlang der Skale
gleich bleibend ist. Bei diesem Beispiel sind reflektierende Linien
der inkrementellen Skale entfernt, was zu einem Abfall in dem inkrementellen
Signal aber auch zu einem Abfall im Hintergrundlicht im gleichen
Verhältnis
führt.
Wenn jedoch statt dessen reflektierende Linien hinzugefügt werden
würden,
würde dies
zu einem Abfall in dem inkrementellen Signal um den gleichen Betrag
aber auch zu einer Zunahme im Hintergrundlicht führen.
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Absolute Daten können in der inkrementellen Skale
ohne das Hinzufügen
oder Entfernen von inkrementellen Linien eingebettet werden. Stattdessen kann
die Breite von Linien oder der Abstand zwischen Linien verändert werden.
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Wenn die absoluten Daten in den inkrementellen
Daten eingebettet sind, kann die Skale prismatisch sein. Dies bedeutet,
dass sie entlang ihrer Breite gleichförmig ist, wie es in 1D zu sehen ist, anstatt
dass parallele Datenspuren verwendet werden, wie bei bisher bekannten
hybriden inkrementellen und absoluten Skalen. Dies beseitigt drei
Mängel
von "Parallelspursystemen". Zunächst ist
es möglich, dass
der Lesekopf in der einen oder anderen Lage in Bezug auf die Skale
montiert werden kann. Zweitens ist ein Gieren des Lesekopfes nicht
so kritisch, da es keine Notwendigkeit gibt, parallele Spuren relativ
zueinander in Phase zu halten. Drittens gibt es keine Beschränkung der
seitlichen Versatztoleranz des Lesekopfes in Bezug auf die Skale.
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Die absoluten Daten, die in der inkrementellen
Skale eingebettet sind, sind derart entworfen, dass sie palindromisch
sind. Dies bedeutet, dass die absoluten Daten auf der Skale genau
gleich sind, wenn sie von jedem Ende der Codefolge aus gelesen werden. 2A zeigt zwei Codeworte
A und B auf einer Skale. Wenn die Skale um 180° gedreht wird, wie es in 2B gezeigt ist, wird die
Skale identisch sein. Codewort B ist mit dem ursprünglichen
A identisch und befindet sich in der gleichen Position, während Codewort
A identisch mit dem ursprünglichen
B ist und sich wieder in der gleichen Position befindet. Dies ermöglicht es,
dass eine Skale an einer Fläche in
jeder Orientierung montiert werden kann, ohne die Notwendigkeit
für ein
Umprogrammieren oder die Notwendigkeit, die Orientierung des Lesekopfes
zu verändern.
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Die absoluten Daten auf der Skale
definieren eindeutige Positionen über eine bestimmte Länge, die
mehrere Meter lang sein kann. Über
diese Länge hinaus
wiederholt sich die Codierung nahtlos, so dass die Codierung weder
einen Beginn noch ein Ende aufweist. Wenn die Skale N eindeutige
Positionen entlang ihrer Länge
vom Start bis zum Ende definiert, wird die Skale dann zyklisch,
wenn die (N+1)te Position gleich eingerichtet wird, wie die 1. Position und
die (N+2)te Position gleich eingerichtet wird wie die 2. Position
usw. Die Länge
eines Zyklus des Skalencodes ist als die Wiederholungslänge bekannt. Längen von
Skalen, die länger
als die Wiederholungslänge
sind, können
verwendet werden, obwohl Positionen, die entlang dieser definiert
sind, nicht länger
eindeutig sein werden. Wie es in 3A gezeigt ist,
definiert eine Länge
einer Skale eindeutige Positionen X, Y über eine Länge d. Diese Positionen werden über eine
Länge d2
wiederholt.
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Ein zyklisches Codieren ermöglicht es,
dass die Skale fortlaufend hergestellt und in langen Längen auf
Lager gelegt werden kann. Jede Länge,
die anschließend
zugeschnitten wird, wird über
ihre gesamte Länge
eine gültige
Codierung enthalten. Beispielsweise zeigt 3B eine Länge der Skale, wobei eine bestimmte
Länge d
zyklisch wiederholt wird. Wenn eine Länge L abgeschnitten wird, bildet
sie eine kontinuierliche Skale, wo auch immer sie abgeschnitten
worden ist.
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Es gibt ein Bit von absoluten Daten
pro Teilung der inkrementellen Skale. Die Bits sind in Codeworte
und Startsymbole gruppiert. Jedes Startsymbol ist identisch und
dient dazu, den Start jedes Codeworts zu markieren, wohingegen die
Codeworte dazu verwendet werden, die absolute Position zu definieren.
Die Auswahl von Startsymbolen ist eingeschränkt, da die gewählte Folge
für das
Startsymbol nicht innerhalb irgendeinem der Codeworte auftreten darf,
da sonst ein Teil des Codewortes fehlerhaft als ein Startsymbol
gedeutet werden könnte.
Außerdem darf
kein Codewort mit dem Beginn des Startsymbols enden oder umgekehrt,
da dies dazu führen
könnte, dass
die Position des Codewortes um wenige Bits fehlinterpretiert werden
könnte.
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Damit die Skale sowohl palindromisch
als auch zyklisch ist, müssen
die Startsymbole ebenfalls palindromisch sein. Zusätzlich können nur
zwei Codeworte innerhalb einer Wiederholungslänge palindromisch sein, ohne
dass irgendwelche sich wiederholende Codeworte vorliegen. Beide
Skalen 18, die in den 4A und 4B gezeigt sind, sind zyklisch
und palindromisch mit einer Wiederholungslänge d. Die Skale in 4A weist zwei palindromische
Codeworte ABA und LML auf, ohne dass irgendwelche Codeworte in der
Länge d
wiederholt vorkommen. Die Skale in 4B weist
drei palindromische Codeworte ABA, FGF und LML auf. Jedoch erscheint
FGF in der Skale innerhalb der Wiederholungslänge d doppelt.
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Es werden mehrere Strategien angewandt, um
sicherzustellen, dass die verwendeten Codeworte nicht die messtechnische
Genauigkeit des inkrementellen Kanals verschlechtern. Einige dieser
Strategien umfassen, keine Codeworte zu verwenden, die das inkrementelle
Signal schlecht beeinflussen.
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Die erste Strategie ist, keine Codeworte
zu verwenden, die keine gleiche Anzahl von Einsen und Nullen enthalten.
Zum Beispiel sollte ein 16-Bit-Codewort
exakt acht Einsen und acht Nullen enthalten. Dies stellt sicher,
dass die Größe des inkrementellen Signals
konstant bleibt, wenn der Lesekopf die Skale überquert. Es ist möglich, diese
Randbedingung auf Codeworte zu lockern, die zwischen sieben und
neun Einsen und Nullen aufweisen, und möglicherweise weiter.
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Die zweite Strategie umfasst, keine
Codeworte zu verwenden, die eine Kette von mehr als einer vorbestimmten
Anzahl von Einsen oder Nullen in einer Reihe enthalten. Beispielsweise
kann die maximale Anzahl von Einsen in einer Reihe sechs, oder stärker bevorzugt
vier sein. Diese langen gleichmäßigen Folgen
bewirken, dass die inkrementellen Lissajou-Figuren, die durch zwei
um sinusförmige
Ausgänge
in Quadratur gebildet werden, in dem Moment außermittig liegen, wenn der
Lesekopf über
sie hinwegtritt.
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Die dritte Strategie umfasst nicht,
dass irgendwelche Codeworte nicht verwendet werden. Um den Effekt
der absoluten Daten auf den inkrementellen Kanal zu minimieren,
muss die Skale über
die Länge
des Lesefensters des inkrementellen Kanals, das typischerweise 50
Bits lang ist, gleichmäßig sein. Dies
wird erzielt, indem die Reihenfolge von Codeworten entlang der Skale
umgeordnet wird, um sicherzustellen, dass jede Folge von fünfzig aufeinander
folgenden Bits so nahe wie möglich
die gleichen Anzahlen von Einsen (oder gleichermaßen Nullen) aufweist.
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Der Lesekopf, der dazu verwendet
wird, die Skale zu lesen, umfasst zumindest eine Lichtquelle, um
die Skale zu beleuchten, und zumindest einen Detektor, um die inkrementellen
und absoluten Positionen zu bestimmen.
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Eine vereinfachte Version des Lesekopfes 54 und
der Skale 18 ist in 8 gezeigt.
Um den inkrementellen Teil der Skale zu lesen, sind eine Lichtquelle
LS1, ein Gittermaßstab 52 und
ein Detektor 50 (z.B. Fotodioden-Array) vorgesehen. Um den absoluten
Teil der Skale zu lesen, sind eine Lichtquelle LS2, eine Abbildungslinse 25 und
ein Detektor 26 (z.B. linearer Bildsensor) vorgesehen.
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Es können separate Detektoren verwendet werden,
oder alternativ könnten
beide Detektoren auf einem Chip eingebettet sein (d.h. die gleichen
Pixel detektieren sowohl die absoluten als auch die inkrementellen
Positionen). Gleichermaßen
können
gemeinsame oder separate Lichtquellen und Linsen-Arrays verwendet
werden.
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Ein filternder Lesekopf, wie er in
dem europäischen
Patent Nr. 0 207 121 beschrieben ist, ist zur Verwendung bei der
Bestimmung der inkrementellen Position geeignet. In einem solchen
Lesekopf erzeugt jeder Punkt auf der Skale Ringe oder Streifen an
einem Detektor in der Form einer sinusförmigen Welle. Jeder Ring oder
Streifen an dem Detektor wird durch viele Punkte auf der Skale erzeugt.
Wenn Teile der Skale fehlen, wird das Signal an den Detektor geringfügig verschlechtert,
aber dieser Effekt wird herausgemittelt, und die Frequenz und die
sinusförmige Form
bleiben gleich. Es wird nur die Grundfrequenz der Skale detektiert,
und Oberwellen, die durch fehlende Teile der Skale hervorgerufen
werden, werden herausgefiltert.
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Die Verwendung eines filternden Lesekopfes erlaubt
daher, dass eine Skale mit nicht beugender Qualität verwendet
werden kann und der Lesekopf dennoch in der Lage ist, eine inkrementelle
Position auf innerhalb einer Teilung der Skale zu bestimmen, wenn
ausgewählte
Skalenmarkierungen fehlen oder hinzugefügt sind. Somit ist der filternde
Lesekopf in der Lage, die hybride, absolute und inkrementelle Skale
so zu lesen, als ob sie eine rein inkrementelle Skale wäre.
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Ein optisches Detektorsystem, das
aus einem linearen Array von Pixeln besteht, kann dazu verwendet
werden, die absolute Position zu bestimmen. Die maximale Größe jedes
Pixels ist durch das Nyquist-Kriterium vorgeschrieben, es werden
aber vorzugsweise kleinere Pixel verwendet.
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Ein Mikrolinsen-Array 27,
wie es in 6 gezeigt
ist, kann dazu verwendet werden, die Skale 18 auf dem Detektor 26 (z.B.
dem optischen Detektorsystem) abzubilden. Jede Linse 28 ist
tatsächlich
ein Paar Linsen 28A, 28B, die als ein aufrechtes
Abbildungssystem wirken, um ein fortlaufendes Bild zu erzeugen.
Die Verwendung eines Mikrolinsen-Arrays erzeugt einen viel geringeren
Arbeitsabstand zwischen der Skale 18 und dem Detektor 26 als
bei herkömmlichen
Abbildungssystemen.
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Die absoluten Daten müssen aus der hybriden, absoluten und inkrementellen
Skale extrahiert werden. Es ist ein Test erforderlich, um zu bestimmen,
ob der Wert irgendeines besonderen Pixels ein Daten-Bit darstellt
oder nicht. Absolute Daten sind nur auf den reflektierenden Linien
der ursprünglichen inkrementellen
Skale eingebettet. Diese Daten-Bits können nun abhängig davon,
ob die reflektierenden Linien entfernt worden sind oder verblieben
sind, einen Wert von 0 oder 1 aufweisen. Die ursprünglichen nicht
reflektierenden Linien auf der inkrementellen Skale sind unverändert geblieben.
Diese weisen einen Wert von 0 auf und wer den als Takt-Bits bezeichnet.
Es gibt ein Takt-Bit zwischen jedem Daten-Bit.
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Eine typische Skale 18,
wie sie in 5 gezeigt
ist, kann eine 40 μm-Teilung aufweisen,
mit beispielsweise 5,12 Pixeln 24 je Teilung auf dem Detektor
und einer optischen Vergrößerung von
1 zwischen der Skale und dem Detektor. Es wird deshalb entweder
ein Daten-Bit (1 oder 0) oder ein Takt-Bit (C)
alle 2,56 Pixel auf dem Detektor geben (d.h. alle halbe Skalenteilung).
Wenn ein getestetes Pixel (P) ein Daten-Bit darstellt, wird dann
jede (m+1)te Position auf jeder Seite von P ein Takt-Bit sein. Deshalb
sollten Takt-Bits an den folgenden Pixelorten vorhanden sein:
...,
..., (–5×2,56),
(–3×2,56),
(–1×2,56),
(+1x2,56), (+3x2,56), (+5x2,56) ..., ...
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Da es keine Pixel für Bruchteile
gibt, sollten die folgenden Pixel am nächsten bei den Takt-Daten relativ
zu dem getesteten Pixel liegen:
–23, –18, –13, –8, –3, +3, +8, + 13, + 18, +23.
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Die Werte an diesen Orten (d.h. zwischen
1 und 0) werden summiert. Je niedriger die Summe ist, desto wahrscheinlicher
repräsentieren
die Pixel Takt-Bits, und desto wahrscheinlicher repräsentiert deshalb
das getestete Pixel ein Daten-Bit. Da die exakte Vergrößerung unbekannt
ist (wegen einer Schwankung aufgrund der Fahrhöhe des Lesekopfes beispielsweise),
ist es nur zweckmäßig, nach Takt-Bits
innerhalb eines bestimmten Abstandes des getesteten Pixels zu suchen.
Ein Suchen nach Takt-Bits zu weit von dem getesteten Pixel weg kann dazu
führen,
dass sie aufgrund von Vergrößerungsfehlern
aus dem Tritt mit ihren wahren Positionen gelangen.
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Es ist nicht möglich, das erste Daten-Bit
in dem Bild durch dieses Verfahren zu lokalisieren, da es nicht
möglich
ist, ausreichend Pixel auf jeder Seite dieses Daten-Bits zu lesen.
Aus demselben Grund ist es nicht möglich, das letzte Daten-Bit
auf dem Bild durch dieses Verfahren zu lokalisieren. Es werden durch
das obige Verfahren die Daten-Bits weiter in Richtung der Mitte
des Bildes bestimmt, wobei dann, unter der Annahme, dass die Vergrößerung konstant ist,
Daten-Bits an jedem Ende gelesen werden können, da die Anzahl von Pixeln
zwischen jedem Daten-Bit nun bekannt ist.
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In diesem Stadium ist ein Block von
extrahierten Daten geschaffen worden. Das Flussdiagramm von 7 fasst zusammen, wie die
grobe absolute Position aus den extrahierten absoluten Daten bestimmt
werden kann. Dieser Block von extrahierten absoluten Daten 32 sollte
etwas mehr als 4 Codeworte von Daten und zumindest 3 Startsymbole
enthalten. Jedes Startsymbol ist identisch und bei diesem Beispiel
9 Bits lang. Die extrahierten Daten werden abgetastet 34 und
jeder 9-Bit-Block wird mit der Startsymbolfolge verglichen 36.
Die Güte
der Übereinstimmung
eines 9-Bit-Blocks von Daten wird bestimmt, indem jedes Bit des
Datenblockes invertiert wird, wenn sein entsprechendes Bit in der
Startsymbolfolge 1 ist. Die Werte aller 9 Bits in dem Block werden
summiert, und das Ergebnis ist die Güte der Übereinstimmung 38,
wobei gilt, dass je geringer der Wert ist, desto besser die Übereinstimmung
ist. Wenn die Startsymbole nicht richtig beabstandet angeordnet
sind (d.h. mit exakt einem Codewort zwischen jedem Startsymbol),
muss dann das Bild fehlerhaft sein. In diesem Fall wird das Bild
verworfen und der Prozess beginnt erneut von Anfang an mit einem
neuen Bild 30.
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Sobald die Startsymbole gefunden
worden sind 40, werden die Orte von drei vollständigen Codeworten in den extrahierten
Daten berechnet. Dies kann durch die Verwendung einer Nachschlagetabelle
vorgenommen werden, die permanent in dem Speicher des Lesekopfes
gespeichert ist und dazu verwendet wird, die drei Codeworte zu decodieren. Jede
Serie von drei aufeinander folgenden Worten in der Nachschlagetabelle
wird mit den drei Worten von dem Bild verglichen 42. In
jedem Fall wird eine Güte einer Übereinstimmung
auf die gleiche Weise wie beim der Berechnung der Startsymbole berechnet 44.
Die Position der besten Übereinstimmung
in der Nachschlagetabelle ergibt die grobe absolute Position des
Lesekopfes. Der Koeffizient der Güte der Übereinstimmung der zweitbesten Übereinstimmung wird
ebenfalls gespeichert, und dieser Koeffizient wird dann dazu verwendet,
die Vertrauenswürdigkeit der
groben Position zu bestimmen 46. Wenn die beste Übereinstimmung
nur marginal besser ist als die zweitbeste Übereinstimmung, ist dann die
berichtete grobe Position nicht vertrauenswürdig. Wenn dagegen die beste Übereinstimmung
viel besser ist als die zweitbeste Übereinstimmung, ist der Vertrauensgrad höher. Es
können
Schwellenwerte auf diesen Wert angewandt werden, um zu bestimmen,
ob der Lesekopf die Daten dazu verwendet, die grobe absolute Position 48 zu
berechnen, oder die Ergebnisse fallen lässt und wieder mit einem neuen
Bild startet 30.
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Unter der Annahme, dass die Daten
als hinreichend vertrauenswürdig
angesehen werden, ist der letzte Schritt, die absolute Position
zu berechnen. Es sind vier Datenstücke erforderlich. Diese sind
(a) die grobe Position aus der Nachschlagetabelle (zu dem nächstliegenden
Codewort auf der Skale), (b) die Position des Starts des ersten
Wortes in den extrahierten Daten (zu der nächstliegenden Skalenteilung),
(c) die Position des Starts des ersten vollständigen Daten-Bits in dem ursprünglichen
Bild (zu dem nächstliegenden
Detektorpixel) und (d) die Phase der Lissajou-Figur aus dem inkrementellen
Kanal (zu der Auflösungseinheit).
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(a) und (b) sind ausreichend, um
die absolute Position des Lesekopfes zu der nächstliegenden Skalenteilung
zu berechnen. (d) wird dazu verwendet, die Position innerhalb einer
Skalenteilung bis zur erforderlichen Endauflösung zu bestimmen. Es ist jedoch
möglich,
einen Positionsfehler von einer Skalenteilung allein aus dieser
Information zu erhalten. (c) enthält ausreichend Information,
um darauf zu prüfen
und ggf. die Position zu korrigieren.
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Diese Erfindung kann unter Verwendung
einer lichtdurchlässigen
Skale anstelle einer lichtreflektierenden Skale ausgeführt werden.
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Obwohl diese Ausführungsform eine lineare Skale
und einen linearen Lesekopf beschreibt, könnte diese Erfindung auch für einen
rotierende Skale oder eine zweidimensionale Skale geeignet sein.
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Außerdem ist die Skale nicht
auf eine binäre Codierung
begrenzt. Es kann auch eine Codierung mit mehreren Niveaus verwendet
werden. Wenn beispielsweise die Skale eine Glasplatte mit darauf
abgeschiedenem Chrom umfasst, könnte
der Code erzeugt werden, indem klares Glas für die Takt-Bits belassen wird,
Chrom mit halber Dichte für
die "0"-Daten-Bits und Chrom voller
Dichte für
die "1"-Daten-Bits verwendet
wird. Alternativ können
die "0"-Daten-Bits punktierte
Linien umfassen, und die " 1"-Daten-Bits können durchgezogene Linien umfassen.
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Diese Erfindung wäre auch für nicht optische Skalen geeignet,
beispielsweise für
kapazitive oder magnetische Skalen.
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Zusammenfassung
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Eine absolute Messskala (18)
umfasst eine inkrementelle Skale (10) mit lichtreflektierenden
Linien (12), die sich mit nicht lichtreflektierenden Linien (14)
abwechseln, bei der absolute Daten in der Form diskreter Codeworte
in der inkrementellen Skale eingebettet sind, indem lichtreflektierende
Linien (22) entfernt sind. Die Codeworte sind derart angeordnet, dass
die Skale palindromisch und zyklisch ist. Eine Nachschlagetabelle
wird dazu verwendet, eine grobe absolute Position zu bestimmen,
indem absolute Positionsdaten, die aus der Skale extrahiert werden,
mit absoluten Codeworten in der Nachschlagetabelle verglichen werden.
Die absolute Position wird bestimmt, indem die grobe absolute Position
mit der Position des Starts des ersten Codeworts in den extrahierten
Daten kombiniert wird. Die absolute Position kann auch innerhalb
einer Skalenteilung bestimmt werden, indem die absolute Position
mit der inkrementellen Position kombiniert wird.