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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen
Positionskodierer, und insbesondere auf optische Positionskodierer,
die Verfahren zur Unterdrückung
von unerwünschten
harmonischen Komponenten, die in einem periodischen optischen Interferenzmuster
innerhalb des Kodierers erscheinen, verwenden.
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Ein
allgemeiner Typ des optischen Positionskodierers verwendet eine
Quelle für
kohärentes Licht,
ein hinsichtlich der Quelle bewegliches Diffraktionsgitter und einen
Detektor, der zur Abtastung eines Musters von Interferenzstreifen
(interference fringe), das vom durch das Diffraktionsgitter gebeugte Licht
aus der Lichtquelle erzeugt wird. Während sich das Gitter mit dem
Objekt bewegt, dessen Position gemessen wird, weist das Muster der
Interferenzstreifen eine offensichtliche Bewegung um einen verhältnismäßigen Betrag
auf. Der Detektor tastet das Muster an einer ausreichenden Anzahl
von Stellen ab, um eine Schätzung
der räumlichen
Phase der Interferenzstreifen zu erstellen, die sich leicht in eine Schätzung der
Position des Objekts umrechnen lässt.
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In
einer allgemeinen Konfiguration verwendet der optische Kodierer
eine sogenannte „four
bin" Abtastungs-
und Verarbeitungsmethode. Es wird angenommen, dass die Komponente
des Streifenmusters in der Bewegungsrichtung im Wesentlichen sinusförmig ist,
was zumindest bis zu einer ersten Annäherung korrekt ist. Der Detektor
umfasst eine oder mehrere Gruppen von vier diskreten Elementen,
und die Elemente einer jeden Gruppe sind um 90 Grad versetzt von
einander angeordnet. Die Ausgaben von zwei der Elemente, die um
180 Grad getrennt sind, werden kombiniert, um einen Wert abzuleiten,
der als der „Sinus" des Phasenwinkels
des Streifenmusters bezeichnet wird. Ebenso werden die Ausgaben
der anderen beiden Elemente kombiniert, um einen Wert abzuleiten,
der als der „Kosinus" des Phasenwinkels bezeichnet
wird. Der Positionsschätzwert
wird dann als ein Wert, der proportional zum Arcustangens des Verhältnisses
der Sinus- und Kosinuswerte ist, abgeleitet. Es gibt zahlreiche
Variationen, die verwendet werden können, einschließlich solche,
die andere Abtastungsanordnungen wie zum Beispiel Drei-Bin- oder
Sechs-Bin-Abtastung verwenden.
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Bei
diffraktiven optischen Kodierern wird bevorzugt, dass das Streifenmuster
so sinusförmig
wie möglich
ist, um Fehler in der Positionsschätzung zu vermeiden, die notwendigerweise
auftreten, wenn diese Annahme nicht gültig ist. Es kann viele Störquellen
oder andere Signalkomponenten geben, die das Streifenmuster von
einer idealen sinusförmigen Ausprägung verzerren.
Ein solches Problem ist das der harmonischen Verzerrung, d. h. des
Vorliegens von periodischen Komponenten, deren Frequenzen ein ganzzahliges
Vielfaches der Grundfrequenz des Streifenmusters sind. Merkmale
des Gitters und/oder der anderen optischen Komponenten im Kodierer können eine
unerwünschte
harmonische Verzerrung hervorrufen, die zu Fehlern bei den Postitionsschätzwerten
führen
können.
Zum Beispiel können
Kodierer, die den sogenannten Talbot-Effekt verwenden, viele Diffraktionsordnungen
haben, die zu Interferenzen am Detektor führen und komplexe Streifenmuster
mit mehreren harmonischen Komponenten entstehen lassen.
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In
vielen Fällen
wird jegliche harmonische Verzerrung, die im Interferenzstreifenmuster
erscheint, innerhalb eines Signalprozessors, der die Detektorausgaben
empfängt,
gefiltert. Während
dieser Ansatz zwar in manchen Anwendungen geeignet sein kann, kann
er jedoch in anderen schwierig oder unmöglich sein. Neben anderen Schwierigkeiten kann
eine solche Filterung eine ungewöhnlich
große Menge
von Verarbeitungsressourcen erfordern, was zu erhöhten Kosten
und anderen Nachteilen führen kann.
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Die
Verwendung von speziell entwickelten Detektoren, die dazu neigen,
gegenüber
bestimmten harmonischen Komponenten des Interferenzstreifenmusters
weniger empfindlich zu sein, ist bekannt. Zum Beispiel zeigt die
Veröffentlichung
der US Patentanmeldung 2003/0047673 A1 von Thorburn et al. einen
Harmonische unterdrückenden
optischen Detektor auf, bei dem die Formen, Größen und Lage der einzelnen
Elemente des optischen Detektors so gewählt sind, dass die Stufen bestimmter
Harmonischer, wie zum Beispiel die Harmonische dritter Ordnung,
reduziert sind. Insbesondere gibt die Veröffentlichung der Patentanmeldung
von Thorburn et al. Detektoren zur Unterdrückung von Harmonischen dritter Ordnung,
bei denen die Breiten von rechteckförmigen Detektorelementen gleich
der räumlichen
Periode T/3 der Harmonischen dritter Ordnung sind, bekannt. Demzufolge
sind die Detektorelemente unempfindlich gegenüber dieser speziellen Komponente
des Interferenzmusters und daher ist die Größe dieser Komponente im Detektorausgabesignal
sehr gering im Vergleich zur Größe der Grundkomponente.
Die Detektorelemente sind so angeordnet, dass die Vier-Bin-Verarbeitung
ausgeführt
werden kann.
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Das
US-Patent 6,018,881 zeigt
ein magnetisches Positionsmesssystem auf, das eine schräge Anordnung
von magneto-resistiven (MR) Detektorelementen verwendet, durch die
eine dritte Harmonische gefiltert wird. Die Filterung reduziert
Verzerrung, die durch die stark nichtlineare Reaktion der MR-Elemente
verursacht wird, was in erster Linie durch den Betrieb in sogenannten „Sättigungsbereichen" bedingt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Kodierer,
die Harmonische unterdrückende Fotodetektor-Anordnungen
verwenden, wie zum Beispiel in der Veröffentlichung der Patentanmeldung von
Thorburn et al. gezeigt, können
zwar eine gute Unterdrückung
unerwünschter
harmonischer Komponenten erzielen, aber sie sind möglicherweise nicht
für alle
Anwendungen geeignet. In vielen Fällen ist die harmonische Komponente
der dritten Ordnung von größtem Interesse,
weil ihre Größe wesentlich größer sein
kann als die von ungeraden Harmonischen höherer Ordnung, wie z. B. die
4., 7. etc. Jedoch ist die Notwendigkeit von Detektorelementen mit
einer Breite von T/3 in gewissem Maße unvereinbar mit einem Vier-Bin-Abtastverfahren.
Es ist nicht möglich,
vier Detektorelemente neben einander auszulegen, die in eine Periode
des Streifenmusters passen und jeweils eine Breite von T/3 haben.
In der Veröffentlichung
der Patentanmeldung von Thorburn et al. werden alternative Anordnungen
verwendet, die im Allgemeinen die Verteilung der Detektorelemente einer
Gruppe über
mehrere Zyklen des Streifenmusters beinhalten, und zwar mit geeignetem
Phasenversätzen.
In alternativen bekannten Schemata sind die Elemente einer jeden
Gruppe in der orthogonalen Richtung zur Bewegungsrichtung der Skala
getrennt, so dass zum Beispiel nur zwei Elemente mit der Breite
T/3 neben einander angeordnet sind. Während diese Anordnungen die
Verwendung von relativ breiten Detektorelementen im Kontext der
Vier-Bin-Abtastung
ermöglichen,
haben sie jedoch möglicherweise
andere Nachteile, die ihrer Verwendung in einem spezifischen Kodierer
entgegen stehen können.
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In
der vorliegenden Patentoffenlegung werden optische Detektoren aufgezeigt,
die Unterdrückung
von Harmonischen unabhängig
von ihren Breiten aufweisen. Die offengelegten optischen Detektoren
verwenden eine geneigte Orientierung im Hinblick auf die Interferenzstreifen,
die zur räumlichen Integration
einer unerwünschten
harmonischen Komponente dient und daher deren Beitrag zur Ausgabe des
Detektors unterdrückt.
Demzufolge können
die Detektoren in flexiblerer Weise angeordnet werden, zum Beispiel
um leicht ein Vier-Bin-Abtastschema zu ermöglichen.
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Insbesondere
umfassen die offengelegten optischen Kodierer im Allgemeinen eine
Quelle eines Lichtstrahls und ein optisches Gitter, das für eine Bewegung
relativ zum Lichtstrahl vorgesehen ist. Das optische Gitter wird
in Verbindung mit dem Lichtstrahl betrieben, um ein räumliches
Muster von Interferenzstreifen an einem Detektorort zu erzeugen,
wobei das Interferenzstreifenmuster eine unerwünschte harmonische Komponente
umfasst. Der Kodierer umfasst weiterhin einen optischen Detektor
am Detektorort, der eine Reihe von im Allgemeinen länglichen
Detektorelementen umfasst, die dazu dienen, das Interferenzstreifenmuster
an räumlich
getrennten Stellen entlang der Bewegungsrichtung des optischen Gitters
abzutasten. Jedes Detektorelement besteht im wesentlichen aus einem
oder mehreren geneigten Segmenten, und jedes geneigte Segment ist
entlang der Bewegungsrichtung des optischen Gitters um ein ganzzahliges
Mehrfaches der Periode der unerwünschten
harmonischen Komponente geneigt, um die unerwünschte harmonische Komponente
räumlich
zu integrieren und dadurch ihren Beitrag zu einer Ausgabe des optischen
Detektors im Wesentlichen zu unterdrücken.
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In
spezifischeren Ausführungsformen
verwenden die optischen Kodierer eine Vielzahl von länglichen
rechteckigen Detektorelementen, die im Wesentlichen parallel zu
einander verlaufen. Untertypen dieser Kodierer umfassen Detektoren,
in denen die Detektorelemente in einem Rechteck-Array angeordnet
sind, wobei das gesamte Rechteck-Array im Hinblick auf die Bewegungsrichtung
des optischen Gitters gedreht wird, um so den Detektorelementen die
Neigung zu verleihen. Andere Untertypen umfassen Detektoren, bei
denen die Detektorelemente neben einander entlang der Bewegungsrichtung
des optischen Gitters angeordnet sind, um so ein nicht-rechteckiges
Parallelogramm zu bilden.
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In
anderen Ausführungsformen
umfassen die offengelegten optischen Kodierer Detektoren, in denen
jedes Detektorelement selbst mehrere längliche rechteckige Segmente
umfasst. In einer Unterklasse sind die Segmente parallel zu einander
angeordnet, und zwar auf eine Weise, die grob einer Stange mit rot-weißer Spirale
(Ladenzeichen der Friseure) ähnelt.
In einer anderen Unterklasse sind die Segmente in zwei nicht-parallelen
Gruppen angeordnet. Die beiden Gruppen können weiterhin in einer alternativen
Weise angeordnet werden, um jedem Detektorelement eine Zickzack-
oder Fischgräten
(Chevron)-Form zu verleihen.
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Es
können
ebenfalls Detektoren verwendet werden, die sowohl das Neigungsmerkmal
(zur Reduktion einer Harmonischen) als auch ein Breitenmerkmal zur
Reduktion entweder der gleichen Harmonischen oder einer anderen
Harmonischen, in der Regel eine Harmonische höherer Frequenz, umfassen. Somit
könnte
zum Beispiel ein Detektorelement durch einen Betrag geneigt sein,
der T/3 entspricht, d.h. der Periode der dritten Harmonischen, und
zugleich eine Breite von T/5 zur Unterdrückung der fünften Harmonischen aufweisen.
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Zu
den anderen Vorteilen, die durch den offengelegten optischen Kodierer
realisiert werden, gehören
auch eine verbesserte Ausrichtungstoleranz und eine größere Toleranz
von Kontamination während
des Betriebs. Diese Vorteile ergeben sich zum Teil aus einer „Zickzack"- oder wiederholten „Fischgräten" (Chevron)-Form der
optischen Detektoren, die sich über
mehrere Zyklen erstreckt. Das Muster sorgt für eine effektive Filterung
von Harmonischen über
einen relativ großen
Bereich von Dreh-Fehlausrichtungen um die Detektorachse. Wegen der
natürlichen
Redundanz der wiederholten Form können die Detektoren selbst
in Gegenwart von geringen Mengen von Kontamination, die einige Elemente
blockieren können,
effektiv betrieben werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorstehenden und anderen Objekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung
werden aus der folgenden, spezifischeren Beschreibungen von bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung deutlich, die in den begleitenden Zeichnungen illustriert werden,
wobei gleiche Referenzzeichen sich auf die gleichen Teile in allen
verschiedenen Ansichten beziehen. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt
maßstabsgerecht;
die Betonung liegt stattdessen auf der Illustration der Ausführungsformen,
Grundsätze
und Konzepte der Erfindung.
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines optischen Kodierers gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
ein Wellenformdiagramm von optischen Signalen, die in optischen
Kodierern erscheinen, wie es im Stand der Technik bekannt ist; und
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3-10 sind
Diagramme, die alternative Ausführungsformen
eines optischen Detektors im optischen Kodierer von 1 darstellen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In 1 ist
eine Sensorvorrichtung 10 als Teil eines reflektierenden,
diffraktiven optischen Kodierers installiert. Eine Lichtquelle 12 beleuchtet
eine Skala 14, auf der ein periodisches, reflektierendes Diffraktionsgitter 16 erstellt
wurde. Licht von der Lichtquelle 12 wird reflektierend
von der Skala 14 zur Sensorvorrichtung 10, die
in der abgebildeten Ausführungsform
einen optischen Detektor 18 umfasst, hin gebeugt. Das Diffraktionsgitter 16 erzeugt
gebeugtes Licht von mehreren Ordnungen, die mit einander interferieren
und so auf dem Detektor 18 ein optisches Streifenmuster
bilden (nicht abgebildet). Die Samples vom Detektor 18 werden
an einen elektronischen Prozessor 20 geschickt, der für jedes Sample
eine Streifenphase berechnet.
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Das
Streifenmuster ist idealerweise eine Sinuskurve, die durch eine
Periode P gekennzeichnet ist. Dem Konzept nach gilt, dass, wenn
sich die Skala 14 seitlich relativ zum Detektor 18 entlang
der durch die Linie 22 angezeigten Richtung bewegt, verrückt das
Streifenmuster um eine proportionale Entfernung auf der Vorderseite
des Detektors 18. Eine genaue Messung der Änderungen
in der Phase des Streifenmusters ist eine proportionale Messung
der Bewegung der Skala 14. Wie oben besprochen, können sich
aus vielen Gründen
Messfehler ergeben, darunter auch das Vorliegen von unerwünschten
harmonischen Komponenten im Streifenmuster. Wie unten in näheren Einzelheiten
beschrieben, ist der Detektor 18 auf eine Weise konfiguriert,
die hilft, den Beitrag dieser unerwünschten harmonischen Komponenten in
den Detektorausgaben, die an den Prozessor 20 bereitgestellt
werden, zu unterdrücken.
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Zur
leichteren Referenz ist ein Satz von Koordinatenachsen 24 abgebildet,
um die Richtungen von Interesse anzuzeigen. Die Bewegungsrichtung 22 liegt
entlang der X-Achse. Die Skala 14 liegt in einer Ebene,
die sich in die X- und Y-Richtungen erstreckt, wobei sich die einzelnen
Elemente des Gitters 16 in die Y-Richtung erstrecken. Die
Skala 14 und die Sensorvorrichtung sind in der Z-Richtung
getrennt. Dabei ist darauf aufmerksam zu machen, dass das Interferenzstreifenmuster,
das auf den Detektor 18 einfällt, sich sowohl in die X-
als auch in die Y-Richtung erstreckt, wobei die vom Gitter erzeugten Intensitätsvariationen
in der X-Achse auftreten.
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2 illustriert
das Problem, das durch das vorliegend offengelegte Verfahren zur
Unterdrückung von
Harmonischen angesprochen wird, in einer etwas übertriebenen Form. 2(a) zeigt ein Beispiel einer Intensitätskurve
eines Teils eines Interferenzstreifenmusters. Das Muster hat eine
bestimmte Periode T, wie erwartet, aber es weist auch eine beträchtliche
harmonische Verzerrung auf. Die 2(b) und 2(c) zeigen jeweils die Grundharmonische
und die Harmonische dritter Ordnung dieser Wellenform, wobei die
Periode der Harmonischen dritter Ordnung als T/3 bezeichnet ist.
Für die
Zwecke der vorliegenden Beschreibung werden die anderen Harmonischen
außer
Acht gelassen. Es wird jedoch angemerkt, dass Harmonische von gerader
Ordnung inhärent
in einer Vierphasen-Abtastanordnung, wie nachstehend beschrieben,
sowie in anderen Abtastschemata unterdrückt werden. Daher ist es häufig der
Fall, dass die Unterdrückung
von Harmonischen ungerader Ordnung ein Problem ist, das im Design von
optischen Kodierern noch anzusprechen ist. Die hier offengelegten
Verfahren sind anwendbar auf andere Harmonische ungerader Ordnung
wie auch, falls notwendig, Harmonische gerader Ordnung. Die hier
offengelegten Verfahren können
auf Wunsch auch mit anderen Verfahren zur Unterdrückung von Harmonischen
kombiniert werden, um mehrere harmonische Komponenten zu unterdrücken.
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3 zeigt
einen ersten Detektor 18-1, der die Unterdrückung einer
harmonischen Komponente dritter Ordnung in einem einfallenden Interferenzstreifenmuster
erzielt. Der Detektor 18-1 umfasst eine Vielzahl von länglichen
rechteckigen fotosensitiven Detektorelementen 26 (zum Beispiel
Fotodioden), die neben einander angeordnet sind. Die gesamte Anordnung
hat eine rechteckige Form und wird so gedreht, dass die Detektorelemente 26 in
einem Winkel in Bezug auf eine Linie 28, die den mittleren
Teil des Interferenzstreifenmusters in der X-Richtung darstellt,
geneigt sind. Der Detektor 18-1 ist im Allgemeinen auf
der Linie 28 in der Y-Richtung zentriert. Das Ausmaß der Drehung
ist derart, dass jedes Element 26 in der X-Richtung um
die Periode der zu unterdrückenden
Harmonischen, in diesem Beispiel T/3, geneigt ist. Somit wird das
Ausmaß der Drehung
zum Teil durch die Länge
der Detektorelemente 26 bestimmt. Wenn die Detektorelemente 26 relativ
lang sind, wird relativ wenig Rotation benötigt, um die gewünschte Neigung
in X-Richtung von T/3 zu erhalten. Mehr Drehung ist erforderlich,
wenn die Detektorelemente 26 relativ kurz sind. Es ist
darauf aufmerksam zu machen, dass der Detektor 18-1 wie gezeigt
auf einer Sensorvorrichtung ausgerichtet ist, die eine normale,
nicht gedrehte Orientierung um die Z-Achse aufweist. Das heißt, in einer
solchen Ausführungsform
liegt eine imaginäre
Linie zwischen der Lichtquelle 12 (1) und dem
Mittelpunkt des Detektors 18-1 entlang der Richtung der
X-Achse, und die Anordnung der Detektorelemente 26 wird
in Bezug auf diese Linie gedreht. Alternativ können die Detektorelemente 26 parallel
zu einer solchen Linie sein, jedoch ist diese Linie selbst hinsichtlich
der Y-Achse geneigt, d. h. die gesamte Sensorvorrichtung 10 wird
leicht um die Z-Achse gedreht.
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In 3 sind
die Detektorelemente 26 in einer undifferenzierten Weise
abgebildet. Es ist jedoch im Stand der Technik bekannt, dass die
Detektorelemente 26 in einer Reihe von Gruppen organisiert
sein können,
die das Streifenmuster in verschiedenen Phasen innerhalb von einem
oder mehreren Zyklen abtasten. Zum Beispiel wird häufig eine
Vier-Phasen-Abtastung verwendet, die ein Detektorelement an jeweils
0, 90, 180 und 270 Grad in einem oder mehreren Zyklen des Streifenmusters
erfordert. Entsprechende Detektoren aus aufeinander folgenden Gruppen
werden zur räumlichen
Mittelung elektrisch gekoppelt und um ein Ausgabesignal von höherer Stärke zu erhalten.
Diese Details wurden in 3 (ebenso wie in den restlichen
Abbildungen) im Interesse der Klarheit nicht berücksichtigt.
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Die
Detektorelemente 26 werden so betrieben, dass sie eine
im wesentlichen lineare Reaktionscharakteristik haben, d. h. ihre
jeweiligen elektrischen Ausgaben sind linear auf die einfallende
optische Intensität
bezogen. Man wird daher verstehen können, dass die Reaktionscharaktistik
der Elemente 26 selbst nicht wesentlich zum Vorhandensein
von unerwünschten
harmonischen Komponenten in den Detektorausgabesignalen beiträgt.
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4 zeigt
einen alternativen Detektor 18-2. Die Detektorelemente 30 sind
wie im Detektor 18-1 in 3 geneigt,
aber sie sind neben einander entlang der Linie 28 angeordnet,
um eine nicht rechteckige Parallelogramm-Form zu bilden. Im Detektor 18-2 ist
die Neigung oder Drehung auf die einzelnen Detektorelemente 30 anstatt
die gesamte Anordnung wie in Detektor 18-1 angewandt. Dementsprechend befinden
sich die Elemente 30 alle im mittleren Teil des Interferenzstreifenmusters,
was eine insgesamt höhere
Signalstärke
produziert. Der Detektor 18-2 kann in einer herkömmlichen
Konfiguration verwendet werden, in der sich die Linie, die die Lichtquelle 12 mit
dem Mittelpunkt des Detektors 18-2 verbindet, parallel
zur Y-Achse erstreckt. Eine Variante kann eine Hybridform haben,
bei der die Neigung der Elemente 30 zum Teil durch die
Rotation der gesamten Anordnung (d. h. Rotation des Sensors 10)
und zum Teil durch Neigung der einzelnen Detektorelemente auf dem
Sensor 10 erzielt wird.
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5 zeigt
einen dritten alternativen Detektor 18-3, in dem jedes
Detektorelement 32 mehrere disjunkte Segmente 34 (34-1 und 34-2,
wie gezeigt) umfasst, die über
und unter der Mittellinie 28 angeordnet sind. Für eine gegebene
Harmonische von Interesse können
die kürzeren
Segmente 34 mit einer größeren Schrägstellung oder Neigung als
die aus einem Segment bestehenden Elemente 26 und 30 in 3 und 4 versehen
werden. Damit kann die Toleranz des Detektors 18-3 gegenüber Fehlausrichtung
verbessert werden. Man wird verstehen können, dass die Segmente 34-1 und 34-2 jedes
Detektorelements 32 elektrisch gekoppelt werden oder dass
ihre Ausgaben anderweitig summiert werden, um eine Ausgabe für das jeweilige
Element 32 zu bilden.
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6 illustriert
das allgemeine Prinzip, nach dem die hier offengelegten Detektoren
(wie zum Beispiel die oben beschriebenen Detektoren 18-1, 18-2 und 18-3)
fungieren, um den Beitrag einer harmonischen Komponente, die im
Interferenzstreifenmuster erscheint, zu unterdrücken. In 6 sind
ein Detektorelement 26 und Kurven abgebildet, die eine dritte
harmonische Komponente eines Interferenzstreifenmusters in zwei
beliebigen Phasen darstellen. Wie aus der Abbildung hervorgeht,
ist das Muster der Lichtintensität
in der X-Richtung im Wesentlichen sinusförmig. In der Y-Richtung ist
die Lichtintensität
im Wesentlichen gleichmäßig. Ein
Detektorelement wie zum Beispiel ein Element 26 kann so
betrachtet werden, als dass es das Muster der einfallenden Lichtintensität über seinen
Oberflächenbereich
hinweg räumlich
integriert. In Bezug auf die Grund- und anderen Komponenten des
einfallenden Lichtmusters produziert diese räumliche Integration einen Wert, der
variiert, während
die relative Bewegung zwischen der Skala 12 und der Sensorvorrichtung 10 während des
Betriebs erfolgt. In Bezug auf die harmonische Komponente dritter
Ordnung bleibt die Ausgabe des Detektorelements jedoch konstant,
ungeachtet der Phasenänderung
dieser Komponente, während
sich die Skala 12 bewegt. Zwei beliebige Phasen dieser Komponente
sind in 6 gezeigt. Unabhängig von der
Phase ist das Integral eines Zyklus der dritten Harmonischen eine
Konstante, die gleich dem durchschnittlichen Wert ist. Weil das
Detektorelement sich genau auf einen Zyklus der dritten Harmonischen
in der X-Richtung erstreckt, ist seine Ausgabe für die dritte harmonische Komponente
des Lichtintensitätsmusters
im Wesentlichen konstant, unabhängig
von der Phase des Lichtmusters, und kann daher durch die entsprechende
Verarbeitung im Prozessor 20 herausgefiltert werden.
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7 zeigt
einen Teil einer alternativen Ausführungsform, in der ein Detektorelement 36 aus mehreren
disjunkten geneigten Segmenten, wie zum Beispiel Segment 38-1 und 38-2,
besteht, die innerhalb eines gegebenen Zyklus der Harmonischen von Interesse
angeordnet ist. In der abgebildeten Ausführungsform erstreckt sich das
Segment 38-2 über
ca. 2/3 des Zyklus der Harmonischen, und das Segment 38-1 erstreckt
sich über
das restliche 1/3 des Zyklus. Man wird verstehen können, dass
die Segmente 38 elektrisch gekoppelt sind oder anderweitig
summiert werden, und dass ihre summierten Ausgaben das räumliche
Integral der Harmonischen in einer Weise reflektiert, die mit dem
des einzigen geneigten Elements 26 äquivalent ist.
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8 zeigt
eine weitere alternative Ausführungsform,
in der ein Detektorelement 40 aus geneigten Segmenten 42-1 und 42-2 besteht,
die den Segmenten 38-1 und 38-2 in 7 ähnlich sind,
außer dass
die Segmente 42-1 und 42-2 sich in verschiedenen
Zyklen der Harmonischen von Interesse befinden. Wenn die beiden
Segmente 42-1 und 42-2 sich in einem Bereich befinden,
der durch das Licht aus der Lichtquelle 12 (1)
gleichmäßig beleuchtet wird,
dann funktioniert das Detektorelement 40 ebenfalls auf
eine Weise, die im Wesentlichen der des Elements 26 in 6 entspricht.
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9 zeigt
einen vierten alternativen Detektor 18-4. Jedes Element 44 des
Detektors 18-4 umfasst alternierende Segmente 46-1 und 46-2,
die in entgegengesetzte Richtungen geneigt sind, wodurch eine mehrfache „Zickzack"- oder „Fischgräte" (Chevron)-Form geschaffen
wird. Jedes Segment 46/1 ist in der X-Richtung zu einer
Seite um die Periode der Harmonischen von Interesse, zum Beispiel T/3,
wie gezeigt, geneigt, während
jedes Segment 46-2 um den gleichen Betrag in die entgegengesetzte X-Richtung
geneigt ist. Man wird verstehen können, dass jedes Segment 46 die
räumliche
Integration und daher Unterdrückung
der dritten Harmonischen erzielt wie die oben beschriebenen Elemente 26, 30, 32, 36 und 42.
Außerdem
bietet die mehrzyklische Fischgräte
(Chevron)-Form des Elements 44 mindestens einen Vorteil
gegenüber
der Form dieser anderen Detektoren. Wenn zum Beispiel ein Detektor wie
z. B. 18-1, 18-2 oder 18-3 verwendet
wird, ist die Signalstärke
der Grundkomponente aufgrund einer Reduktion der Signalmodulation,
die durch die Neigung der Elemente weg von der Richtung der Y-Achse
verursacht wird, verringert. Diese Signalstärke kann verbessert werden,
wenn der Detektor um die Z-Achse gedreht wird, so dass die Elemente
mehr mit der Y-Achse ausgerichtet sind. Diese Drehung würde dazu
neigen, die Funktion der Unterdrückung
der Harmonischen dieser Detektoren zu annullieren, und wäre daher
aus dieser Sicht nicht wünschenswert. Nichtsdestoweniger
ist es während
der Montage und Einstellung eines Kodierers, der sich solcher Detektoren
bedient, möglich,
dass ein unerfahrener Monteur eine solche Drehung bewirkt, weil
er glaubt, dass eine größere Signalstärke vorteilhaft
ist, und er sich aber nicht bewusst ist, dass die Präsenz der
dritten Harmonischen, zum Beispiel, eine Verschlechterung der Signalqualität verursacht.
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Dieses
Problem wird mit dem Detektor 18-4 vermieden, weil er eine
maximale Signalstärke
und eine maximale Unterdrückung
der Harmonischen in der gleichen Ausrichtung aufgrund der alternierenden
Richtungen der Segmente 46-1 und 46-2 erzielt. Eine
Steigerung der Signalstärke
von den Segmenten 46-1, die sich aus einer Drehung in eine
Richtung ergeben würde,
würde durch
eine entsprechende Verringerung von den Segmenten 46-2 und
umgekehrt aufgehoben werden. Diese Empfindlichkeit gegenüber einer
Z-Achsendrehung weg von dieser optimalen Orientierung kann tatsächlich als
Hilfsmittel bei der Ausrichtung der Sensorvorrichtung 10 während der
Montage und Einstellung des Kodierers verwendet werden.
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10 zeigt
einen alternativen Detektor 18-5, der ebenfalls die Fischgräte (Chevron)-förmigen Elemente 48 verwendet.
Die Y-Achsen-Steigung (pitch) der alternierenden Segmente 50-1 und 50-2 ist
größer als
für die
Segmente 46-1 und 46-2 des Detektors 18-4.
Im Allgemeinen hat ein Detektor mit größerer Steigung, wie zum Beispiel
Detektor 18-5, den Vorteil der Mittelung vieler kleinerer
Segmente und ist daher weniger empfindlich gegenüber Unregelmäßigkeiten
in der Strahlbeleuchtung. Ein Detektor mit größerer Steigung kann auch Vorteile
im Hinblick auf die Ausrichtung des Kodierers haben. Jedoch können auch
Probleme auftreten, die praktische Einschränkungen auferlegen. Diese umfassen die
relativ scharfen „Ecken", an denen zwei Segmente 50-1 und 50-2 zusammentreffen,
deren präzise
Erstellung sich im Herstellungsprozess des Detektors als schwierig
gestalten kann. Außerdem
kann ein Detektor mit größerer Steigung
eine größere oder
geringere Empfindlichkeit gegenüber
Variationen in der Y-Achsen-Komponente des einfallenden Lichtmusters
aufweisen. Diese Aspekte der Fischgräte (Chevron)-Form kann die
Auswahl eines Wertes für
die Steigung in einer bestimmten Ausführungsform beeinflussen.
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Bei
den oben beschriebenen Detektoren weist die Breite der Detektorelemente
keine notwendige Beziehung zur Periode der harmonischen Komponente,
die unterdrückt
wird, oder der einer anderen harmonischen Komponente auf. In der
Tat kann diese Unabhängigkeit
von der Elementbreite sehr vorteilhaft sein, indem sie das Design
von relativ kleinen Detektoren mit dicht aneinanderliegenden Elementen,
die ein wünschenswertes
Ausmaß der
Unterdrückung
der Harmonischen erzielen, ermöglichen.
Es kann jedoch möglich
sein, eine spezifische Breite für die
Detektorelemente 26 zu verwenden, um zusätzliche
Unterdrückung
der Harmonischen zu erzielen. Insbesondere könnte es vorteilhaft sein, Detektorelemente
zu verwenden, deren Betrag der X-Achsen-Neigung auf die Periode
einer Harmonischen bezogen ist, und deren X-Achsenbreite auf die
Periode einer Harmonischen höherer
Ordnung bezogen ist. Zum Beispiel kann bei den Detektoren 18-1 bis 18-5, die
eine Neigung von T/3 haben, deren jeweilige Breite auf T/5 oder
T/7 eingestellt werden, um die Harmonische fünfter Ordnung bzw. siebten
Ordnung zu unterdrücken.
In einer derartigen Konfiguration kann es trotzdem noch möglich sein,
vier Detektorelemente in einer einzigen Periode der Grundkomponente
unterzubringen, was zu einer wünschenswerten
Kompaktheit des Detektorlayouts führt. In einer alternativen Ausführungsform
kann es wünschenswert
sein, die Breite jedes Elements gleich oder größer als das Ausmaß der Neigung
zu machen, zum Beispiel die Breite jedes Elements in Detektor 18-1 gleich
eines Vielfachen von T/3 zu machen.
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Obwohl
die vorstehende Beschreibung die eines diffraktiven, reflektierenden
Kodierers ist, wird es für
Fachleute offensichtlich sein, dass die offengelegten Verfahren
bei vielen anderen optischen Kodierertypen angewandt werden können. Die
offengelegten Verfahren können
im Allgemeinen in allen Arten von optischen Kodierern, einschließlich den
folgenden, angewandt werden: diffraktive und geometrische Kodierer
sowie moiré-basierte
Kodierer, Kodierer mit zusätzlicher
Optik (z. B. Kollimatoren, Blenden, diffraktive Strahlregler, Prismen,
Linsen, polarisierende Optik, etc.) sowie Kodierer ohne solche zusätzliche
Optik (z. B. Talbot-Kodierer), Dreh- und lineare Kodierer; Kodierer,
die sekundäre
oder Zwischenmasken verwenden; und Kodierer, die LED-Lichtquellen
anstatt Laserquellen verwenden. Außerdem ist es nicht notwendig,
dass die verschiedenen Segmente eines jeden Elements des Detektors
von der gleichen Länge
oder parallel zueinander sind. Das wichtige Merkmal ist, dass die
Neigung der Detektorelemente gleich einem ganzzahligen Vielfachen
der Periode der Harmonischen von Interesse ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
optischer Kodierer umfasst eine Quelle eines Lichtstrahls, ein optisches
Gitter, das ein räumliches
Muster von Interferenzstreifen erzeugt, und einen optischen Detektor,
der im allgemeinen längliche Detektorelemente
umfasst, die das Interferenzstreifenmuster an räumlich getrennten Orten entlang
der Bewegungsrichtung des Gitters abtasten. Jeder Detektor hat ein
oder mehrere Segmente, die in der Bewegungsrichtung des Gitters
um ein ganzzahliges Vielfaches der Periode einer unerwünschten
harmonischen Komponente des Streifenmusters geneigt sind, um auf
diese Weise die harmonische Komponente räumlich zu integrieren und ihren
Beitrag zu einer Ausgabe eines Detektors zu unterdrücken. Ein spezifischer
Detektortyp umfasst parallele längliche rechteckige
Elemente in einer rechteckigen Anordnung, die leicht um eine Z-Achse
gedreht ist; ein weiterer Typ umfasst Detektorelemente, die so angeordnet
sind, dass sie ein nicht rechteckiges Parallelogramm bilden. Ein
anderer Detektortyp umfasst Detektorelemente, die jeweils mehrere
längliche
rechteckige Segmente aufweisen, die in zwei nicht parallelen Gruppen
angeordnet sein können.
Die beiden Gruppen können
weiterhin in einer alternativen Weise angeordnet werden, um jedem
Detektorelement eine Zickzack- oder Fischgräten (Chevron)-Form zu verleihen.