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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Winkelmessgerät und ein Winkelmessverfahren zum Bestimmen eines Drehwinkels.
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HINTERGRUND
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Winkelcodierer, bzw. Winkelgeber, wie zum Beispiel Absolut- und Inkremental-Winkelcodierer, werden verwendet für Winkelmessungen in Werkzeugmaschinen, in der Antriebstechnologie, Automobilelektronik, etc. Ein Winkelcodierer besteht gewöhnlich aus einer Scheibe, die teilweise durchsichtig oder reflektierend ist, was eine Messung eines Winkelversatzes ermöglicht, wenn eine Art Lesekopf verwendet wird zum Detektieren einer Drehung der Scheibe.
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Beispielsweise wird in einem Winkelcodierer eine Beleuchtungseinheit verwendet zum Beleuchten einer teilweise lichtdurchlässigen Scheibe, während auf der anderen Seite der Scheibe ein Lesekopf, wie zum Beispiel eine Photodiode, angeordnet ist. Dadurch wird das durch die Beleuchtungseinheit emittierte Licht moduliert durch einen Winkelversatz der Teilscheibe, da Licht übertragen wird oder nicht abhängig von der relativen Position der Teilscheibe an den Lesekopf.
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Winkelcodierer können oft verwendet werden zum Messen einer Winkelgeschwindigkeit. Hier kann eine Scheibe mit einer Öffnung zum Durchlassen von Licht und eine darunter befindliche Photodiode unter der Scheibe verwendet werden, und es muss bestimmt werden, wie oft Licht die Photodiode in einem gewissen Zeitintervall trifft, beispielsweise in einer Sekunde, während sich die Scheibe dreht.
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Ferner kann der Winkel selbst gemessen werden mit einer Genauigkeit, die von der genauen Platzierung der durchlassenden und undurchlässigen Teile auf der Scheibe abhängt, sowie der Anzahl der Lesepositionen und der Interpolationsgenauigkeit des Lesens.
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Der Lesekopf, beispielsweise eine Photodiode, wandelt modulierte Lichtsignale in elektrische Messsignale um. Zum Erhöhen der Genauigkeit der Messung und zum Verringern des Einflusses von ungenauen Aufteilungen auf der Teilscheibe und Exzentrizität, das heißt, dass die Drehachse nicht durch das Zentrum der Schiebe geht, können zwei Leseköpfe verwendet werden, und das System kann kalibriert werden.
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Ein einfaches Design eines Winkelcodierers enthält eine Scheibe mit zwei Öffnungen für einen Lichtdurchlass, die drehbar angeordnet ist mit Bezug auf eine photosensitive Fläche, so dass bei jedem Rotationswinkel zwei Lichtstrahlen von den zwei Öffnungen detektiert werden auf der photosensitiven Fläche. Die Drehung der Teilscheibe mit Bezug auf die photosensitive Fläche kann berechnet werden durch die Bewegung der Verbindungslinie zwischen zwei Lichtstrahlpunkten, die gemessen werden auf der photosensitiven Fläche. Hierbei ist eine genaue Aufteilung der Scheibe in lichtundurchlässige und lichtdurchlässige Teile nicht notwendig und der Einfluss der Exzentrizität wird auch unterdrückt. Solch ein Winkelcodierer ist beispielsweise in der
US 2005 / 0 072 912 A1 beschrieben.
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Jedoch ist in diesem Beispiel die Winkelauflösung begrenzt, und daher ist dies nicht passend für geodätische Geräte, da nur wenige Photosensoren der photosensitiven Fläche verwendet werden für eine tatsächliche Messung und Ungenauigkeiten der Photosensoren, und ihres Ortes auf der photosensitiven Fläche führen zu Fehlern in der Winkelbestimmung. Ferner werden für jede unterschiedliche Winkelposition unterschiedliche Photosensoren verwendet, die unterschiedlich empfindlich sein können, und ihre Position mit Bezug aufeinander muss nicht unbedingt genau bekannt sein.
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Die Bestimmung der Richtungen und Winkel ist auch wichtig bei Vermessungsinstrumenten, wie zum Beispiel Tachymeter oder Totalstationen oder Videototalstationen, wo eine automatische Detektion eines Drehwinkels mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit erwünscht ist.
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EP 1 890 113 A1 betrifft einen optoelektronischen Winkelsensor und Verfahren zum Bestimmen eines Drehwinkels um eine Achse. Der optoelektronische Winkelsensor zum Bestimmen eines Drehwinkels um eine Achse weist eine um die Achse drehbare Kreisscheibe mit einer im Wesentlichen vollflächigen Codierung, einen flächigen photosensitiven Detektor, eine Einrichtung zum Erzeugen eines auswertbaren Bildes der Codierung auf dem Detektor und eine Speicher- und Auswertekomponente zum Bestimmen des Drehwinkels auf. Der Drehwinkel wird bestimmt unter Verwendung eines parametervariierenden Vergleichsverfahrens von einem Bild und einem elektronischen Referenzmuster, das von einem Speicher bereitgestellt wird. Das Referenzmuster kann modelliert werden als statistische Verteilung für eine unbekannte charakteristische Größe. Die unbekannte Größe wird durch statistische Verfahren bestimmt.
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CA 2,196,617 A1 betrifft einen optischen Codierer. Eine sinusförmige Ausgangswelle, deren Phasenverschiebung proportional zur Winkelposition der Achse ist, wird mit einer einzigen Lichtquelle erzeugt, um ein Kodierrad und darunter eine große Anzahl dicht beieinander liegender Detektoren zu beleuchten. Die Detektoren werden sequentiell mit hoher Geschwindigkeit abgetastet, um einen kontinuierlichen Strom analoger Ausgangsdaten zu erzeugen. Eine Änderung der Winkelposition des Kodierrads induziert eine Phasenverschiebung im Ausgangssignal.
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EP 1 452 636 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Drehwinkels unter Verwendung einer Scheibe mit einem Muster, dass beleuchtet wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist deshalb erwünscht, ein Winkelmessgerät und Winkelmessverfahren bereitzustellen zum Verbessern der Genauigkeit einer Winkelmessung und zum Realisieren eines kleinen, kompakten, hochgenauen und günstigen Winkelmessgeräts.
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Dies wird mit den unabhängigen Ansprüchen erreicht.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Winkelmessgerät eine Bildgebungseinheit, zusammengesetzt aus einer Vielzahl von photosensitiven Pixeln; sowie eine Beleuchtungseinheit zum Beleuchten von mindestens einem Teil der Bildgebungseinheit; ein Musterglied, das der Bildgebungseinheit gegenüber liegt und ein periodisches Muster mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften aufweist, wobei das Musterglied drehbar angeordnet ist um eine Drehachse, und positioniert ist, um durch die Beleuchtungseinheit beleuchtet zu werden, um ein Bild des Musterglieds auf die Bildgebungseinheit zu projizieren; sowie eine Winkelbestimmungseinheit zum Bestimmen eines Drehwinkels bzw. Rotationswinkels des Musterglieds mit Bezug auf eine Referenzposition auf der Bildgebungseinheit auf Grundlage einer Phasenverschiebung zwischen einer Phase einer Wellenform, die aus dem projizierten Bild resultiert, und einem Referenzphasenwert, der der Referenzposition entspricht, wobei die Wellenform dargestellt wird durch Messwerte der photosensitiven Pixel. Demgemäß kann ein genauer Drehwinkel erhalten werden mit einer einfachen optischen Anordnung durch Projizieren eines Bildes eines periodischen Musters eines Musterglieds auf der Bildgebungseinheit. Insbesondere wird das periodische Muster auf den photosensitiven Pixeln der Bildgebungseinheit wiedergegeben, und eine Wellenform auf Grundlage des periodischen Musters wird erhalten von mehreren Pixeln. Dabei führt die große Menge von Pixeln, die verwendet wird zum Erhalten der Wellenform und Berechnen einer Phasenverschiebung, zu einer Verringerung in Winkelbestimmungsfehlern aufgrund eines Mittelns von mehreren Messergebnissen. Ferner führt eine Verwendung eines großen Teils der bildgebenden Einheit mit immer den gleichen Pixeln nur zu einem konstanten Fehler, der unabhängig ist von einem Drehwinkel, und dieser Fehler kann leicht behoben werden durch Kalibrierung oder einer Nachbearbeitung. Zusätzlich kann, da ein periodisches Musterglied einer kleinen Größe verwendet werden kann zum Bereitstellen einer großen Anzahl von Messwerten auf der Bildgebungseinheit auf einer kleinen Fläche, ein kleines, kompaktes und günstiges Winkelmessgerät realisiert werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Beispiel wird der Referenzphasenwert abgeleitet von einer vorher erhaltenen Wellenform, dargestellt durch Messwerte der photosensitiven Pixel, beispielsweise bei einem vorherigen Zeitpunkt oder vorherigen Drehwinkel. Demgemäß kann der Referenzphasenwert einer vorhererhaltenen Wellenform berechnet werden auf die gleiche Art und Weise wie die Phase der momentanen Wellenform, so dass Messfehler die gleichen sind für beide Bestimmungen, und sich daher aufheben, so dass die relative Phasenverschiebung mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.
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Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel wird die mindestens eine Wellenform dargestellt durch Messwerte einer Abfolge von photosensitiven Pixeln in einer Umfangsrichtung um die Rotationsachse bzw. Drehachse. Demgemäß kann durch Projizieren auf die Bildgebungseinheit eines periodischen Musters, gebildet in einer Ringform auf dem Musterglied, die gleiche Periodizität auch von Messwerten der photosensitiven Pixel mit allen den gleichen radialen Abständen zu der Drehachse erhalten werden durch Analysieren der Messwerte in einer Umfangsrichtung um die Drehachse.
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Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel ist die Winkelbestimmungseinheit ausgebildet, eine periodische Form an die Messwerte der mindestens einen Wellenform zu fitten bzw. anzupassen, um eine Näherung der mindestens einen Wellenform zu erhalten, um die Phasenverschiebung zu erhalten. Demgemäß kann die Phase leicht extrahiert werden von der Näherung der Wellenform durch das Fitten, da die Periodizität des periodischen Musters bekannt ist im Voraus, so dass ein Fit an die Wellenform ausgeführt werden kann mit gewissen Grenzen der Fitparameter, wodurch die Fitprozedur vereinfacht und beschleunigt wird.
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Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel ist die Winkelbestimmungseinheit ausgebildet, eine schnelle Fourier-Transformation für die Messwerte der mindestens einen Wellenform anzuwenden, um die Phasenverschiebung zu erhalten. Demgemäß kann ähnlich zu dem Obigen durch Kenntnis der Periodizität der Wellenform, das heißt der Frequenz, im Voraus die Phase leicht und schnell durch FFT extrahiert werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Beispiel entsprechen die Messwerte unterschiedlichen Graustufenwerten. Demgemäß wird eine erhöhte Menge an Information hinsichtlich des projizierten periodischen Musters erhalten, insbesondere hinsichtlich des Übergangs bzw. Schnittlinie von undurchlässigen und durchlässigen Teilen des Musterglieds, wobei die Messwerte der photosensitiven Pixel Zwischenwerte sein können zwischen maximalen und minimalen Graustufenwerten.
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Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel werden die Abstände zwischen der Beleuchtungseinheit, Musterglied und Bildgebungseinheit ausgewählt, so dass das Projektionsbild des Musterglieds verwischt und unterschiedliche Graustufenwerte erhalten werden durch die photosensitiven Pixel. Demgemäß kann noch verbesserte Information hinsichtlich des projizierten periodischen Musters erhalten werden von einem Wellenform-Erhaltungsprozess.
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Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel werden die Messwerte der photosensitiven Pixel entlang einer radialen Linie gemittelt, die ihren Ursprung in der Drehachse oder entlang einer Linie parallel zu der Drehachse hat. In dem ersten Fall führt, wenn die Bildgebungseinheit rechtwinklig ist zu der Drehachse, ein Mitteln entlang radialer Linien dazu, dass eine genauere gemittelte Wellenform durch mehrere Wellenformmessungen parallel zueinander erhalten wird. In dem alternativen Fall können die gleichen Mittlungsergebnisse erreicht werden, wenn die Bildgebungseinheit eine zylindrische Form aufweist mit der Drehachse als Zylinderzentrumsachse.
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Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel ist das Musterglied positionier zwischen der Bildgebungseinheit und der Beleuchtungseinheit. Demgemäß kann ein einfaches Winkelmessgerät realisiert werden unter Verwendung eines Musterglieds im Durchlassmodus.
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Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel ist das periodische Muster des Musterglieds ein Muster periodisch hinsichtlich der Drehachse und invariant im Maßstab. Demgemäß können, durch Verwenden eines im Maßstab invarianten periodischen Musters, die Freiheitsgrade des Bildes und daher die Berechnungsanforderungen verringert werden. Beispielsweise kann ein Siemens-Stern als Muster verwendet werden, wobei eine kleine Änderung in der Drehachse in einer großen Änderung in Intensität von mehreren photosensitiven Pixeln führt.
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Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel wird das periodische Muster dargestellt durch eine Wiederholung einer Grundform, die sich mindestens zweimal auf dem Musterglied bei einer Drehung um die Drehachse wiederholt. Demgemäß können selbst sehr einfache periodische Muster verwendet werden zum Erhalten der Drehachse.
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Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel wird das periodische Muster auf die Beleuchtungseinheit projiziert zum Bilden eines rotationssymmetrischen Projektionsbildes auf der Bildgebungseinheit. Demgemäß ist das auf der Bildgebungseinheit projizierte Bild immer das Gleiche, nur dass es gedreht wird um die Drehachse, so dass nur die Bewegung des Musters auf der Bildgebungseinheit berechnet werden muss.
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Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel umfasst das Musterglied ein zusätzliches zweites periodisches Muster für eine grobe Winkelbestimmung, und das zweite periodische Muster wird dargestellt durch eine Wiederholung einer zweiten Grundform, die sich wenigere Male auf dem Musterglied wiederholt als das erste periodische Muster. Demgemäß kann, wenn das erste periodische Muster mehrere drehsymmetrische Sektoren umfasst, eine Mehrdeutigkeit auftreten, so dass eine Verwendung eines zweiten periodischen Musters mit weniger Sektoren, beispielsweise zwei Sektoren, die Messergebnisse für die Phase und entsprechenden Drehwinkel von beiden Mustern unzweideutig macht.
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Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel ist die Drehachse im Wesentlichen rechtwinklig zu der Bildgebungseinheit. Demgemäß kann ein kleines Winkelmessgerät realisiert werden.
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Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel ist die Beleuchtungseinheit fest mit Bezug auf das Musterglied und ausgebildet zum Beleuchten des Musterglieds. Demgemäß treffen immer die gleichen Lichtstrahlen von dem Beleuchtungsmuster der Beleuchtungseinheit die gleichen Teile des periodischen Musterglieds, so dass, falls Variationen in dem Beleuchtungsglied oder dem periodischen Muster existieren, diese Variationen immer auf die gleiche Art und Weise addiert werden. Deshalb wird die Bildgebungseinheit immer auf die gleiche Art und Weise beleuchtet.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren ein Beleuchten von mindestens einem Teil einer Bildgebungseinheit, zusammengesetzt aus einer Vielzahl von photosensitiven Pixeln; Projizieren auf die Bildgebungseinheit, eines Bildes eines Musterglieds, das der Bildgebungseinheit gegenüber steht, und ein periodisches Muster von unterschiedlichen optischen Eigenschaften aufweist, wobei das Musterglied drehbar um eine Drehachse angeordnet ist; sowie Bestimmen eines Rotationswinkels bzw. Drehwinkels des Musterglieds mit Bezug auf eine Referenzposition auf der Bildgebungseinheit auf Grundlage einer Phasenverschiebung zwischen einer Phase einer Wellenform, die von dem projizierten Bild resultiert, und einem Referenzphasenwert, der der Referenzposition entspricht, wobei die Wellenform dargestellt wird durch Messwerte der photosensitiven Pixel. Demgemäß kann ein genauer Drehwinkel erhalten werden durch Projizieren eines Bildes eines periodischen Musters eines Musterglieds auf eine Bildgebungseinheit. Dabei kann eine große Menge an Pixeln verwendet werden zum Erhalten der Wellenform und Berechnen einer Phasenverschiebung, was zu einer Verringerung in Winkelbestimmungsfehlern aufgrund eines Mittelns von mehreren Messergebnissen führt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Programm bereitgestellt werden, das Instruktionen enthält, ausgebildet zum Hervorrufen in einem Datenverarbeitungsmittel, ein Verfahren mit den obigen Merkmalen auszuführen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein computerlesbares Medium bereitgestellt werden, in dem ein Programm verkörpert ist, wobei das Programm einen Computer dazu bringt, das Verfahren mit den obigen Merkmalen auszuführen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt werden, das das computerlesbare Medium umfasst.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Vermessungsinstrument bereitgestellt werden, das das Winkelmessgerät mit den obigen Merkmalen umfasst.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen offenbart.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 stellt Elemente eines Winkelmessgeräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar.
- 2 stellt Schritte eines Winkelmessverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar.
- 3 stellt Elemente des Winkelmessgeräts der 1 und die Verwendung desselben dar.
- 4 stellt ein periodisches Muster dar, das auf einer Bildgebungseinheit des Winkelmessgeräts von 1 und 3 projiziert wird.
- 5 stellt die Intensität von photosensitiven Pixeln der Bildgebungseinheit dar, was aus einer Analyse eines äußeren Bereichs des periodischen Musters, gezeigt in 4, resultiert.
- 6 stellt die Intensität von photosensitiven Pixeln der Bildgebungseinheit dar, was aus einer Analyse des inneren Bereichs des periodischen Musters, gezeigt in 4, resultiert.
- 7 stellt ein Blockdiagramm der Elemente des Winkelmessgeräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar.
- 8 stellt zwei Beispiele der periodischen Muster, die zu verwenden sind mit einem Winkelmessgerät, dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Es wird bemerkt, dass die folgende Beschreibung nur Beispiele enthält, und nicht als die Erfindung begrenzend ausgelegt werden sollte.
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Ausführungsformen der Erfindung betreffen im Allgemeinen ein Messen eines Drehwinkels, und insbesondere ein Verbessern der Genauigkeit und der Geschwindigkeit der Messung, sowie ein Ermöglichen einer Bereitstellung eines kleinen, kompakten und günstigen Winkelmessgeräts.
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Kurz gesagt, werden in einem Beispiel eine Bildgebungseinheit, eine Beleuchtungseinheit, ein Musterglied und eine Winkelbestimmungseinheit bereitgestellt, und ein Bild eines periodischen Musters von durchlässigen und undurchlässigen Segmenten des Musterglieds wird projiziert auf die Bildgebungseinheit mit einer Vielzahl von photosensitiven Pixeln. Ein Drehwinkel des periodischen Musterglieds mit Bezug auf eine Referenzposition auf der Beleuchtungseinheit wird bestimmt auf Grundlage des Rotationsgrads des Bildes auf der Bildgebungseinheit. Um dies zu erreichen, wird eine Wellenform, die aus dem projizierten periodischen Bild auf der Bildgebungseinheit resultiert, bestimmt, beispielsweise auf Grundlage eines Fittens einer Wellenform an die Graustufenwerte, die bereitgestellt werden durch die photosensitiven Pixel der Bildgebungseinheit bei einer gewissen radialen Position oder einem radialen Bereich in einer Umfangsrichtung. Der Drehwinkel ist dann erhaltbar aus dem Unterschied zwischen einer Phasenverschiebung der Wellenform zu einem Referenzphasenwert, der einer Referenzposition entspricht. Für den Bestimmungsprozess kann Information über welche der Vielzahl der Pixel auf der Bildgebungseinheit beleuchtet sind, und möglicherweise auch zu welchem Grad, daher verwendet werden. Und mit einer großen Anzahl von photosensitiven Pixeln wird die Genauigkeit des Bestimmungsergebnisses verbessert.
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1 stellt Elemente eines Winkelmessgeräts 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar, umfassend eine Bildgebungseinheit 110, eine Beleuchtungseinheit 120, ein Musterglied 130 und eine Winkelbestimmungseinheit 150.
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Die Bildgebungseinheit 110 ist aus einer Vielzahl von photosensitiven Pixeln zusammengesetzt. Beispielsweise kann die Bildgebungseinheit 110 dargestellt werden durch irgendein passendes Bildgebungsgerät, beispielsweise eine zweidimensionale Anordnung von Sensorelementen, die in der Lage sind, Bildinformation mit einer Anzahl von Pixeln zu erzeugen, die im Allgemeinen der Anzahl von Elementen der Anordnung entsprechen, wie zum Beispiel einem CCD (Charge-Coupled Device), Kamera oder CMOS-Kamera (Complementary Metal-Oxide Semi Conductor). Beispielsweise kann solch eine Anordnung zusammengesetzt sein aus 640 x 480 Sensorelementen, von welchen eine quadratische Fläche verwenden werden kann zum Erzeugen digitaler Bilder mit 4802 Pixeln.
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Wie in 1 gezeigt, ist die Bildgebungseinheit 110 verbunden mit der Winkelbestimmungseinheit 150 zum Austauschen von Daten; beispielsweise Daten, die erfasst werden durch die Bildgebungseinheit 110. Beispielsweise können Messwerte der photosensitiven Pixel an die Winkelbestimmungseinheit 150 übertragen werden. Irgendeine Art von Datenübertragung ist denkbar, wie zum Beispiel über eine feste Leitung oder eine drahtlose Datenübertragung, wobei eine feste Leitung jedoch bevorzugt wird.
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Die Beleuchtungseinheit 120 beleuchtet mindestens einen Teil der Bildgebungseinheit. Beispielsweise ist die Beleuchtungseinheit bevorzugt eine kleine Lichtquelle mit einem gleichförmigen Beleuchtungsmuster. Eine lichtemittierende Diode (LED) mit einer kleinen Beleuchtungsquelle (Punkt-LED) kann verwendet werden, wobei der Durchmesser der Beleuchtungsquelle in der Größenordnung der Struktur eines periodischen Musters des periodischen Glieds 130 sein kann, was detaillierter unten beschrieben wird.
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Das Musterglied 130 liegt der Bildgebungseinheit 110 gegenüber und weist ein erstes periodisches Muster mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften auf. Das Musterglied 130 kann aus einem Glasträger bestehen, der das periodische Muster trägt, oder kann aus unterschiedlichen optischen Materialien bestehen, wobei das Muster durch Lithographie hergestellt werden kann. Das periodische Muster auf dem Musterglied kann durchlässige und undurchlässige Teile aufweisen, die bevorzugt periodisch mit Bezug auf das Zentrum des Musterglieds angeordnet sind, wenn betrachtet in Umfangsrichtung.
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Zusätzlich zu dem ersten Musterglied kann das Musterglied 130 ein zweites Musterglied aufweisen, das unterschiedlich ist von dem ersten Musterglied.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Bildgebungseinheit 110 und das Musterglied 130 im Wesentlichen parallel zueinander.
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Das Musterglied 130 ist drehbar angeordnet um eine Drehachse 140 und derart positioniert, dass es beleuchtet wird durch die Beleuchtungseinheit 120 zum Projizieren eines Bildes des Musterglieds 130 auf die Bildgebungseinheit 110. Bevorzugt fällt die Drehachse 140 mit dem Zentrum des Musterglieds 130 zusammen, und die Beleuchtungseinheit 120 ist entlang der Drehachse 140 positioniert.
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Jedoch ist es alternativ möglich, da solch eine Anordnung nicht immer leicht zu realisieren ist mit hoher Genauigkeit, die Beleuchtungseinheit exzentrisch mit Bezug auf die Rotationsachse zu positionieren, so dass die Projektion des Zentrums des Musters übereinstimmt mit dem Schnittpunkt der Rotationsachse und der Bildgebungseinheit 110. Einzelheiten dieser alternativen Anordnung und ihre Vorteile werden mit Bezug auf 3 erklärt.
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Es gibt mehrere Beispiele von periodischen Mustern, zwei von diesen werden im Einzelnen mit Bezug auf 4 diskutiert, nämlich ein Siemens-Stern und zwei Halbkreise. Jedoch wird sofort erkannt werden, dass auch nur Abschnitte dieser Strukturen oder andere Strukturen als periodische Muster betrachtet werden können. Beispielsweise können zwei Segmente eines Kreises, die nicht einen Halbkreis bilden müssen, auch verwendet werden, und können sogar unterschiedlich in der Größe sein. Anstatt von zwei Halbkreisen können auch zwei Dreiecke verwendet werden als periodische Muster. Im Grunde nach können irgendwelche Muster als periodische Muster verwendet werden, die zu einer Wellenform führen, wenn sie gedreht und abgebildet werden, wie unten diskutiert, wobei die Wellenform eine durch das Muster definierte Periodizität aufweist.
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Die Winkelbestimmungseinheit 150 bestimmt einen Drehwinkel des Musterglieds 130 mit Bezug auf eine Referenzposition auf der Bildgebungseinheit 110, basierend auf der Phasenverschiebung zwischen einer Phase einer Wellenform, die aus dem projizierten Bild resultiert, und einem Referenzphasenwert, der einer Referenzposition entspricht.
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Die Winkelbestimmungseinheit 150 kann realisiert werden durch eine Hardware-Anordnung, wie zum Beispiel festverdrahtete Schaltungen oder ASICs (Application Specific Integrated Circuits oder anwendungsspezifische integrierte Schaltungen) oder Software oder irgendeine passende Kombination der Obigen.
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Im Einzelnen kann der Drehwinkel abgeleitet werden, wenn Licht die photosensitiven Pixel der Bildgebungseinheit 110 trifft, und Messwerte, die der Intensität entsprechen, die empfangen wird durch die photosensitiven Pixel, werden übertragen für eine Evaluierung, an die Winkelbestimmungseinheit 150. Die Messwerte können dann verwendet werden, um die Wellenform zu erhalten.
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Beispielsweise kann die Wellenform dargestellt werden durch Messwerte eine Abfolge von photosensitiven Pixeln in einer Umfangsrichtung um die Drehachse 140. Da das Bild ein Bild eines periodischen Musters ist, ist die Wellenform auch periodisch mit einer Frequenz, die optimalerweise der Periodizität und einer Phase entspricht. Diese Phase kann dann verglichen werden mit einem Referenzphasenwert zum Erhalten eines Phasenunterschieds zu der Referenz. Der Drehwinkel ist proportional zu dieser Phasenverschiebung, so dass die Genauigkeit des Drehwinkels sich erhöht, wenn die Genauigkeit der Phasenverschiebung zwischen der Phase der Wellenform und dem Referenzphasenwert sich erhöht.
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Solch eine Wellenform kann eine Sinuswelle mit einer Phase und einer gewissen Frequenz sein, beispielsweise in diesem Fall Perioden pro Gesamtumfang, beispielsweise 2n. Da die Frequenz dem Grunde nach bekannt ist von der Periodizität des periodischen Musters, kann die Phase leicht durch unterschiedliche Verfahren extrahiert werden. Eine detaillierte Erklärung der Bestimmung des Drehwinkels unter Verwendung der Wellenform wird im Einzelnen mit Bezug auf 5 und 6 unten gegeben.
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Im Folgenden werden Schritte des Winkelmessverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 2 beschrieben.
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2 stellt ein Flussdiagramm von Schritten des Winkelmessverfahrens dar, wie zum Beispiel während eines Betriebs des in 3 und 1 gezeigten Winkelmessgeräts.
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In dem ersten Schritt 210 des Winkelmessverfahrens, beim Anfang des Betriebs, wird mindestens ein Teil einer Bildgebungseinheit, wie zum Beispiel der Bildgebungseinheit 110, zusammengesetzt aus einer Vielzahl von photosensitiven Pixeln, beleuchtet. Für eine Beleuchtung kann die Bildgebungseinheit 120, wie oben beschrieben, verwendet werden. Wenn Teile der Bildgebungseinheit 110 beleuchtet werden, empfangen die photosensitiven Pixel, die zu den beleuchteten Teilen gehören, Licht, das in unterschiedliche Messwerte übersetzt wird, abhängig von den Intensitätsvariationen des empfangenen Lichts.
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In dem nachfolgenden Schritt 220 wird ein Bild eines Musterglieds 130, das der Bildgebungseinheit 110 gegenüber steht und ein periodisches Muster mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften aufweist, projiziert auf die Bildgebungseinheit 110. Das Musterglied ist drehbar angeordnet, um die Drehachse 140, wie oben beschrieben.
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Beispielsweise zeigt 3, die im Einzelnen unten beschrieben wird, die Projektion des periodischen Musters des Musterglieds 130, was zu einer Verteilung der Lichtintensitäten auf der Bildgebungseinheit 110 führt. Die Projektion kann realisiert werden in einem Durchlassmodus, wie in 3 gezeigt, das heißt, das Musterglied ist positioniert zwischen der Bildgebungseinheit und der Beleuchtungseinheit. Ferner kann eine Optik, wie zum Beispiel ein Kollimator, angeordnet werden zwischen der Beleuchtungseinheit und dem Musterglied oder zwischen dem Musterglied und der Bildgebungseinheit.
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Jedoch können beispielsweise, wenn die optischen Eigenschaften des periodischen Glieds derart ausgewählt werden, dass sie reflektierend sind und nicht-reflektierend sind, ähnliche Vorteile erreicht werden durch Positionieren der Beleuchtungseinheit zwischen der Bildgebungseinheit und dem Musterglied, so dass reflektiertes Licht von reflektierenden Teilen des Musterglieds auf der Bildgebungseinheit detektiert werden kann.
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In einem Schritt 230 wird der Drehwinkel des Musterglieds 130 mit Bezug auf eine Referenzposition auf der Bildgebungseinheit 110 bestimmt auf Grundlage einer Phasenverschiebung zwischen einer Phase einer Wellenform, die von dem projizierten Bild resultiert, und einem Referenzphasenwert, der der Referenzposition entspricht, wobei die Wellenform dargestellt wird durch Messwerte der photosensitiven Pixel. Beispielsweise kann, wenn ein Einheitskreis angenommen wird, der Winkel berechnet werden durch Aufteilen der Phasenverschiebung, was beispielsweise einen Teil von 2π darstellt, durch den Umfang des periodischen Musters, beispielsweise 2π, und mit 360° multipliziert. Diese Berechnung entspricht einem Teilen der Phasenverschiebung, was beispielsweise die Länge eines Segments eines Kreises darstellt, der den Auslesebereich zentriert zu der Drehachse definiert, durch den Gesamtumfang des Kreises, und mit 360° multipliziert.
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Einzelheiten hinsichtlich der Bestimmung des Drehwinkels werden unten mit Bezug auf 5 und 6 gegeben, die Daten zeigen, die aus dem Bild eines in 4 gezeigten periodischen Musters resultieren.
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Im Folgenden wird mit Hinsicht auf 3 ein Beispiel eines Winkelmessgeräts beschrieben, das die vorher beschriebenen Schritte ausführt.
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3 zeigt ein Winkelmessgerät 300, ähnlich zu dem Winkelmessgerät 100 von 1. Das Winkelmessgerät 300 von 3 umfasst eine Bildgebungseinheit 110, eine Beleuchtungseinheit 120, ein Musterglied 130 und eine Winkelbestimmungseinheit 150, die im Grunde nach die gleichen sind wie die oben diskutierten.
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Das Winkelmessgerät 300 umfasst ferner eine zylindrische Welle bzw. Achse 310, in der die Beleuchtungseinheit 120 platziert werden kann, und auf der das Musterglied 130 derart festgemacht werden kann, dass das Musterglied positioniert ist zwischen der Bildgebungseinheit 110 und der Beleuchtungseinheit 120. Das Zentrum der zylindrischen Welle 310 stimmt bevorzugt überein mit der Drehachse 140.
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In dieser Ausführungsform kann das periodische Muster des Musterglieds 130 ein periodisches Muster mit Bezug auf das Zentrum des Musterglieds sein, das bevorzugt mit der Drehachse 140 übereinstimmt, und im Maßstab invariant ist, das heißt, dass die Periode unabhängig ist von dem Wiedergabemaßstab.
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Wie in 3 gezeigt, beleuchtet die Beleuchtungseinheit 120, die im Wesentlichen positioniert ist auf der Drehachse 140, das Musterglied 130, so dass das periodische Muster des Musterglieds 130 projiziert wird als vergrößertes Bild 330 auf der Bildgebungseinheit 110. Projektionsstrahlen werden gezeigt durch Bezugszeichen 320, was darstellt, dass das Bild des periodischen Musters die Bildgebungseinheit 110 komplett ausfüllt.
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Im Einzelnen kann das periodische Muster projiziert werden auf der Bildgebungseinheit 110 zum Bilden eines rotationssymmetrischen Projektionsbildes auf der Bildgebungseinheit 110. Dabei sieht das Bild des periodischen Musters immer gleich aus auf der Bildgebungseinheit 110, nur dass es mit Bezug auf die Drehachse 140 gedreht wird. Deshalb ist es bevorzugt, dass der Schnittpunkt der Drehachse und Bildgebungseinheit, und das Symmetriezentrum des Bildes des periodischen Musters auf der Bildgebungseinheit im Wesentlichen übereinstimmen.
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In dieser Ausführungsform ist die Drehachse 140 im Wesentlichen rechtwinklig zu der Bildgebungseinheit 110. Dies bedeutet, dass die Drehachse die Bildgebungseinheit 110 ungefähr rechtwinklig schneidet, bevorzugt im Zentrum der Bildgebungseinheit 110.
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Jedoch können ähnliche Vorteile erreicht werden durch Bereitstellen eines periodischen Musterglieds in zylindrischer Form, das um die Beleuchtungseinheit rotiert und durch Bereitstellen einer Bildgebungseinheit auch in zylindrischer Form um das periodische Musterglied, so dass ein Bild des sich drehenden zylindrischen periodischen Musterglieds gebildet wird auf der Innenseite der größeren zylindrischen Bildgebungseinheit. In diesem Fall sollten die Zylinderachsen im Wesentlichen parallel sein, und bevorzugt mit der Drehachse übereinstimmen.
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Im beiden Fällen ist es bevorzugt, dass die Beleuchtungseinheit 120, die fest ist mit Bezug auf das Musterglied, das Musterglied immer auf die gleiche Art und Weise beleuchtet. Deshalb sind die gleichen Lichtstrahlen des Beleuchtungsmusters der Beleuchtungseinheit 120 auf die gleichen Teile des Musterglieds einfallend, so dass Variationen des Beleuchtungsmusters, ausgesandt von der Beleuchtungseinheit 120, immer hinzugefügt werden zu den gleichen Variationen in dem periodischen Muster des Musterglieds, und daher die gleichen Teile des periodischen Glieds immer mit den gleichen Problemen beleuchtet werden, was möglicherweise zu einem konstanten Fehler auf der Bildgebungseinheit führt, der leicht durch Kalibrierung bewältigt werden kann, falls notwendig.
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Sobald Messwerte für die photosensitiven Pixel der Bildgebungseinheit 110 erhalten werden, die den Variationen der auf die Bildgebungseinheit einfallenden Intensität entsprechen, kann diese Information der Winkelbestimmungseinheit 150 mitgeteilt werden. Die Winkelbestimmungseinheit 150 bestimmt dann den Drehwinkel.
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In der Winkelbestimmungseinheit 150 kann der Drehwinkel des Musterglieds mit Bezug auf eine Referenzposition auf der Bildgebungseinheit 110 abgeleitet werden von dem ausgelesenen Bild des periodischen Musters, sowie einen Referenzphasenwert, beispielsweise erhalten von einer bekannten mathematischen Funktion des periodischen Musters in einer Referenzposition hinsichtlich des Koordinatensystems der Bildgebungseinheit.
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Es wird bemerkt, dass es nicht notwendig ist, dass das gesamte Musterglied bedeckt wird durch das periodische Muster, aber mindestens ein Teil der Struktur des Musterglieds sollte ein periodisches Muster umfassen, beispielsweise das Muster eines Siemens-Sterns, wie in 4 gezeigt, um einen feinen Wert des Drehwinkels zu schätzen. Hier ist der ausgelesene Bereich bevorzugt ein Kreis oder Ring mit der Drehachse im Zentrum. Mehrdeutigkeiten eines feinen Winkelwerts bzw. kleinen Winkelwerts aufgrund einer hohen Periodizität, falls diese existiert, können eliminiert werden durch einen zweiten Bereich, wie später mit Bezug auf 4 gezeigt wird.
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Es wurde oben beschrieben, dass die Beleuchtungseinheit 120 und das Zentrum des Musterglieds 130 ungefähr auf der Drehachse 140 sind, und durch Zentralprojektion, gezeigt durch Strahlen 320, wird das Muster auf die Bildgebungseinheit 110 projiziert, wobei die Drehachse ungefähr das Zentrum des optisch empfindlichen Bereichs der Bildgebungseinheit 110 schneidet.
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Jedoch ist es alternativ auch möglich, da es nicht immer leicht ist, solch eine Anordnung mit hoher Genauigkeit zu realisieren, die Beleuchtungseinheit exzentrisch (d.h. nicht zentriert) mit Bezug auf die Drehachse zu positionieren, wie oben bemerkt wurde.
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Im Einzelnen kann die Beleuchtungseinheit 120 zur Seite bewegt werden, so dass die Projektion des Zentrums des periodischen Musters übereinstimmt mit dem Schnittpunkt der Drehachse 140 und der Bildgebungseinheit 110. Hierbei ist eine Achse rechtwinklig zu dem Musterglied und das periodische Muster schneidend in ihrem Symmetriezentrum parallel zu der Drehachse.
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Dabei kann, selbst wenn das periodische Muster exzentrisch mit Bezug auf die Drehachse angeordnet ist, erreicht werden, dass das Bild des periodischen Musters auf der Bildgebungseinheit zentriert ist mit Bezug auf den Schnittpunkt, und in dem vorbestimmten Messkreis oder Ring wird das gleiche Bild, außer für eine Drehung, detektiert. Da die Beleuchtungseinheit 120 und das Musterglied fest sind zueinander, weisen sie die gleiche Drehachse mit Bezug auf die Bildgebungseinheit 110 auf.
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In diesem Fall muss der Schnittpunkt der Drehachse und der Bildgebungseinheit nicht notwendigerweise in eine Anordnung gebracht werden, kann aber durch passende Verfahren bestimmt werden.
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Das Zentrum des periodischen Musters des Bildes, das heißt, eine Position auf der Bildgebungseinheit in X-Y-Koordinaten, kann beispielweise durch einen besten Fit bestimmt werden. Durch Wiederholen dieses Verfahrens mit unterschiedlichen Drehwinkeln wird ein Kreis in erster Näherung erhalten, welcher gegeben wird durch die Position des Zentrums des periodischen Musters in dem Bild abhängig von dem Drehwinkel. Das Zentrum des Kreises entspricht dem Schnittpunkt der Drehachse und der Bildgebungseinheit, und kann berechnet werden. Dieser Punkt entspricht dem Zentrum des Kreises oder Rings, der verwendet wird zum Erhalten der Messwerte. Zum Zentrieren des Bildes kann die Beleuchtungseinheit dann bewegt werden, so dass das Zentrum des periodischen Musters des Bildes mit dem Schnittpunkt übereinstimmt.
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Als Nächstes wird das Bild des periodischen Musters auf einer Bildgebungseinheit, wie zum Beispiel der Bildgebungseinheit 110, im Detail mit Bezug auf 4 beschrieben.
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Wie oben beschrieben, wird eine optische Struktur, wie zum Beispiel ein Muster oder eine Musterkombination, vorher einfach als periodisches Muster beschrieben, beleuchtet und projiziert auf eine Bildgebungseinheit unter Verwendung gewisser Kollimations- oder Fokussier-Optiken, falls notwendig. Das Muster und die Bildgebungseinheit werden drehbar zueinander angeordnet, und die Drehachse schneidet die Bildgebungseinheit ungefähr im Zentrum.
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Das in 4 gezeigte Muster ist ein Muster, das aus zwei periodischen Mustern in einem äußeren Bereich und einem inneren Bereich besteht. In 4 wird ein Bild des Musters gezeigt, das projiziert wird auf der Bildgebungseinheit 400. Die Bildgebungseinheit 400 weist photosensitive Pixel auf, wie oben beschrieben, die nur teilweise in der linken oberen Ecke 410 gezeigt sind. Die Position der photosensitiven Pixel mit Bezug zueinander ist bekannt.
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Das Bild 420 des Musters umfasst den äußeren Bereich, dargestellt durch einen kreisförmigen Abschnitt eines Siemens-Sterns mit zwanzig Sektoren und den inneren Bereich, dargestellt durch schwarze und weiße Halbkreise. Das Zentrum von beiden Bereichen ist ungefähr positioniert in der gleichen Position, die ungefähr übereinstimmt mit dem Zentrumspunkt 450 der Bildgebungseinheit 400 und auch bevorzugt mit der Drehachse.
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Das Bild des Musters in 4 ist aus Gründen der Einfachheit mit exakt definierten Kanten gezeigt. Jedoch ist es vorteilhaft, verschwommene bzw. verwischte Kanten zu haben durch passende Auswahl der Abstände zwischen der Beleuchtungseinheit, Musterglied und Bildgebungseinheit, so dass das Projektionsbild des Musterglieds verschwommen ist, und unterschiedliche Graustufenwerte erhalten werden durch die photosensitiven Pixel und nicht schwarze und weiße Pixel, was auch möglich ist, wie in 4 gezeigt. Ferner können die Kanten auch verschwommen sein durch passende Auswahl des Durchmessers der Beleuchtungseinheit, so dass Messwerte, die verschiedenen Graustufenwerten entsprechen, erreicht werden können.
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Die Messwerte der Bildgebungseinheit 400 werden an die Winkelbestimmungseinheit 150 transferiert zum Bestimmen der Drehung des Musters 420 mit Bezug auf die Bildgebungseinheit 400. Dabei ist es vorteilhaft, von dem kartesischen Koordinatensystem zu dem Polarkoordinatensystem zu wechseln, wobei der Ursprung des neuen Koordinatensystems bevorzugt der vorher definierte Schnittpunkt ist, beispielsweise der Zentrumspunkt 450. Eine Referenzposition oder Richtung 480 kann willkürlich gewählt werden, so dass die Position der photosensitiven Pixel definiert werden kann durch einen Radius und einen Winkel und berechnet werden kann mit Bezug auf die Referenzrichtung. Deshalb kann das beispielhafte photosensitive Pixel 460 in Zusammenhang stehen mit dem Winkel β 470.
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Alternativ kann der Referenzphasenwert, anstatt eines Messens eines Winkels oder einer entsprechenden Phase mit Bezug auf eine Referenzposition entsprechend einem Referenzphasenwert, auch abgeleitet werden von einer vorher erhaltenen Wellenform, die dargestellt wird durch Messwerte der photosensitiven Pixel, wie weiter unten beschrieben wird.
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Für die Bestimmung des Drehwinkels werden in diesem Beispiel nur photosensitive Pixel verwendet, die sich zwischen den zwei gestrichelten Ringen 430 zentriert um den Zentrumspunkt 450 befinden, für eine feine bzw. genaue Winkelbestimmung, und die zwei gestrichelten Ringe 440 zentriert mit dem Zentrumspunkt 450 für eine grobe Winkelbestimmung. Die Maßstabsbeziehung und die mechanischen Bedingungen sollten so gewählt werden, dass die Ringe immer innerhalb des zu evaluierenden Musters sind.
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In einem einfachen Fall ist es auch möglich, anstatt eines Verwendens von allen Pixeln zwischen zwei Ringen, die Wellenform für eine Drehwinkelbestimmung zu erhalten unter Verwendung von Messwerten einer Abfolge von photosensitiven Pixeln in einer Umfangsrichtung um den Zentrumspunkt 450, beispielsweise die Drehachse, das heißt, in dem einfachsten Fall ein Kreis mit dem Zentrum des periodischen Musters als das Zentrum. Es wird bemerkt, dass das Zentrum der zwei periodischen Muster, gezeigt in 4, das gleiche ist.
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Jedoch können, je höher die gewünschte Messgenauigkeit, desto mehr Messwerte von photosensitiven Pixeln verwendet werden, die sofort verfügbar sind, wie in 4 gezeigt.
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Im Einzelnen können die Messwerte der photosensitiven Pixel gemittelt werden entlang einer radialen Linie, die beursprungt ist von der Drehachse zum Verbessern der Messgenauigkeit.
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In dem oben beschriebenen Fall eines zylindrischen Musterglieds und einer zylindrischen bildgebenden Einheit, kann ein Mitteln auch möglich sein entlang einer Linie parallel zu der Drehachse.
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Eine verbesserte Messgenauigkeit in der vorliegenden Erfindung wird daher erreicht durch Verwenden eines Mittelns von gewissen photosensitiven Pixeln mit der gleichen Gewichtung über die gesamte bildgebende Einheit bevorzugt symmetrisch, so dass vorherige Nachteile hinsichtlich einer Verzerrung aufgrund der Bildgebungseinheit, beispielsweise eines CCD, überwunden werden können, da X- und Y-Richtungen auf einem CCD nicht notwendigerweise rechtwinklig sein müssen, und der CCD nicht optimal quadratisch sein muss.
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Aus der obigen Erklärung wird klar, dass das periodische Muster nicht begrenzt auf zwanzig Sektoren und einen Siemens-Stern, wie in 4 gezeigt ist, aber irgendein periodisches Muster verwendet werden kann, das repräsentiert wird durch eine Wiederholung einer Grundform, die sich mindestens zweimal auf dem Musterglied für eine Drehung um die Drehachse oder Musterglied-Zentrumsachse wiederholt.
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Ferner kann das Musterglied 130 ein zusätzliches zweites periodisches Muster umfassen, beispielsweise das in 4 gezeigte, für eine grobe Winkelbestimmung, das im Folgenden beschrieben wird.
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Hier wird das zweite periodische Muster dargestellt durch eine Wiederholung einer zweiten Grundform, die sich wenigere Male auf dem Musterglied wiederholt als das erste periodische Muster, das oben diskutiert wurde, und detaillierter unten beschrieben wird.
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Deshalb sollte klar sein, dass ein grundlegendes periodisches Muster, das verwendet werden kann, ein Muster mit einer Grundform bzw. Basisform sein kann, das sich mindestens einmal auf dem Musterglied für eine Drehung wiederholt, beispielsweise zwei Halbkreise, wie zum Beispiel ein schwarzer Halbkreis und ein weißer Halbkreis, oder selbst ein schwarzer und weißer Halbkreis, wobei die kontaktierende Kante zwischen den zwei Halbkreisen vollständig verschwommen ist, wie später in 8 gezeigt. Deshalb kann das Verständnis des periodischen Musters ein Muster sein, das mindestens einmal auf dem Musterglied gefunden werden kann, und zu einer periodischen Wellenform führt, wenn es um 360 Grad rotiert wird.
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Als Nächstes werden die Messwerte der photosensitiven Pixel der Bildgebungseinheit 400 ausgelesen und mindestens ein Teil von diesen werden korreliert mit einem mathematischen Modell oder einem gespeicherten Bild des Musters zum Bestimmen des Drehwinkels. Die photosensitiven Pixel, die verwendet werden für eine Bestimmung des Drehwinkels, weisen unterschiedliche Messwerte auf, beispielsweise Messwerte der photosensitiven Pixel entlang eines Kreises in der bildgebenden Einheit, bevorzugt resultierend in einer periodischen Wellenform, wenn evaluiert entlang der Umfangrichtung des Kreises.
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Zum Erhalten eines hohen Grads an Invarianz hinsichtlich Abweichungen zwischen dem Originalmuster und dem mathematischen Modell, sowie hinsichtlich Verzerrungen der Bildgebungseinheit, beispielsweise, wenn die X- und Y-Richtungen nicht immer exakt rechtwinklig in einem CCD sind, und hinsichtlich der Unterschiede in der Empfindlichkeit der photosensitiven Pixel, wird die hier beschriebene Anordnung derart gewählt, dass für unterschiedliche Drehwinkel des Bildes ungefähr die gleichen Abschnitte des Originalmuster evaluiert werden.
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Wie oben beschrieben, kann dies durchgeführt werden unter Verwendung eines Kreises oder Rings auf der bildgebenden Einheit, wobei das Zentrum die Drehachse darstellt, um Messwerte zu erhalten für ein Bestimmen des Drehwinkels. Zum Erreichen eines hohen Grands von Invarianz hinsichtlich der Freiheitsgrade einer Seitenbewegung, einer Längenverhältnisänderung oder eines Verwaschens des Bildes des Musters, wird ein ringförmiger Abschnitt eines Siemens-Sterns bevorzugt, wie in 4 gezeigt, verwendet.
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Aus der obigen Beschreibung wird klar, dass auch mehr als zwei periodische Muster verwendet werden können auf dem Musterglied 130, und dass ihre Reihenfolge mit Bezug auf das Zentrum des Musterglieds willkürlich gewählt werden kann. In 4 wurde die Feinwinkelbestimmung in dem äußeren Bereich gezeigt, da dort mehr Pixel verwendet werden können, was die Bestimmung der Wellenform verbessert, was unten genauer beschrieben wird.
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Im Folgenden wird beschrieben, wie der Drehwinkel abgeleitet werden kann aus den in 4 erhaltenen Messwerten.
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5 zeigt gemessene Intensitäten A, die als Punkte dargestellt sind, von photosensitiven bzw. photoempfindlichen Pixeln, beispielsweise entlang einer Kreisrichtung, das heißt, einem Kreis, von dem äußeren Bereich, der definiert wird durch die gestrichelten Ringe 430 der 4, abhängig von dem Winkel Φ. Ein beispielhaftes photosensitives Pixel 500 ist mit einem Winkel β und der Intensität A[β] gezeigt.
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Messwerte der Intensität, einfallend auf photosensitive Pixel, werden in 5 für den Winkelbereich von 0 bis 2π entsprechend zu 0 bis 360° gezeigt. Abhängig von den exakten Bildgebungsbedingungen können die Messwerte in dem Diagramm auf einer Kurve mit n Perioden mit einer Periodenlänge von 2π/n verteilt werden.
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In der mit Bezug auf 4 diskutierten Ausführungsform, die den Siemens-Stern darstellt, ist die Anzahl der Sektoren des Siemens-Sterns n = 20.
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Die Winkelbestimmungseinheit 150 kann dann eine periodische Form an die Messwerte der Wellenform fitten, die durch diese Messwerte, gezeigt in 5, dargestellt wird, um eine Näherung dieser Wellenform und eine Phase zu erhalten. Da gewöhnlich die Periode und Periodenlänge von dem periodischen Muster bekannt sind, ist die Frequenz der Wellenform bekannt, so dass die Phase leicht erhalten werden kann. In 5 ist der Wert für die Phase α. Deshalb kann beispielsweise die Phase abgeleitet werden von einem Fit oder besser einem besten Fit einer n-Perioden-Sinuswelle an die Messwerte der photosensitiven Pixel des äußeren Bereichs für eine Feinwinkelbestimmung.
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Dann ist es möglich, die Schnelle-Fourier-Transformation auf die Messwerte anzuwenden, die die Wellenform darstellen, um die Phase und daher eine Phasenverschiebung zu erhalten. Deshalb kann ein bester Fit erhalten werden mit einer Fourier-Analyse der Messwerte mit einer n-Perode-Sinuswelle, ähnlich zu dem oben Diskutierten.
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Ein Fitten einer periodischen Form an die Messwerte oder Anwenden einer Schnelle-Fourier-Transformation an die Messwerte, ist dem Fachmann bekannt, und daher wird eine detaillierte Beschreibung desselben weggelassen.
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Es wird bemerkt, dass der erhaltene Phasenwert α des besten Fits, dem Drehwinkel entspricht mit einer Mehrdeutigkeit von k*2n/n, da in dem vorliegenden Fall alle zwanzig Sektoren des Siemens-Sterns im Wesentlichen identisch sind. Genauer gesagt, entspricht der Drehwinkel einer Phasenverschiebung, das heißt, einer Phasenverschiebung oder einem Phasenunterschied zwischen einer gemessenen Phase oder einem Referenzphasenwert, wobei der Referenzphasenwert abgeleitet werden kann von einer vorher erhaltenen Wellenform. In diesem Beispiel kann der Referenzphasenwert definiert werden als der Wert 0, so dass die Phase gleich der Phasenverschiebung ist.
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Zum Auflösen der Mehrdeutigkeit kann das zweite periodische Muster, das mit Bezug auf 4 für eine Grobwinkelbestimmung diskutiert wurde, verwendet werden, welches dargestellt wird durch eine Wiederholung einer zweiten Grundform, die sich wenigere Male auf dem Musterglied wiederholt als das erste periodische Muster. Beispielsweise kann die zweite Grundform ein Halbkreis sein, wie in der Ausführungsform von 4 gezeigt, darstellend zwei Halbkreise, die schwarz und weiß sind, das heißt, undurchlässig und durchlässig.
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Jedoch sollte bemerkt werden, dass die Mehrdeutigkeit auch aufgelöst werden könnte durch Zählen, wie viele Sektoren ein gewisses Pixel in der Bildgebungseinheit passieren, wenn das Musterglied sich mit Bezug auf die Bildgebungseinheit dreht, so dass k erhalten werden kann durch Evaluieren des Drehprozesses.
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Das zweite in 4 gezeigte periodische Muster, das in einer zweiten Wellenform resultiert, wird detaillierter mit Bezug auf 6 beschrieben.
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6 zeigt gemessene Intensitäten A, dargestellt als Punkte, von photosensitiven Pixeln, beispielsweise entlang einer Kreisrichtung, das heißt, einem Kreis, des inneren Bereichs, der definiert wird durch die gestrichelten Ringe 440 in 4, abhängig von dem Winkel Φ. Hier werden weniger Messwerte, abhängig von dem Winkel Φ als 5 dargestellt, aber das Grundkonzept ist das gleiche, wie in 5 erklärt.
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Es wird bemerkt, dass die Sinuswellenform, die erhalten wird von den Intensitätswerten, die in 6 gezeigt sind, nur eine Idealisierung darstellt, die erhalten werden kann von einem ideal verwaschenen Bild. In der Praxis wird das Bild des inneren Bereichs, das heißt, die zwei Halbkreise, in 4 eine Struktur näher einer quadratischen Welle, beispielsweise Sägezahnwelle, ergeben, was jedoch ähnlich zu der Sinuswellen verarbeitet werden kann.
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Es ist leicht aus 6 ableitbar, dass die Wellenform von 6, die zweite Wellenform, sich auf eine unterschiedliche Periodizität bezieht, nämlich auf die durch das zweite periodische Muster gebende Periodizität, wobei das Bild derselben in 4 gezeigt ist. Dieses zweite periodische Muster wird verwendet für eine Grobwinkelbestimmung des Drehwinkels und dient zum Auflösen von Mehrdeutigkeiten, die aus der Analyse des ersten periodischen Musters mit einer höheren Periodizität resultieren, wie oben beschrieben.
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Ein beispielhaftes photosensitives Pixel 600 ist in 6 gezeigt. Ferner bezeichnet Bezugszeichen 610 einen besten Fit, der zu einem Phasenwert γ führt, welcher in dem Fall von 6 eindeutig ist, da die Periodenlänge 2π ist.
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Der beste Fit kann erhalten werden durch Fitten einer periodischen Form, beispielsweise einer Sinuswelle mit einer Periode 2π, an unterschiedliche Messwerte der photosensitiven Pixel. Dann wird der Phasenwert γ repräsentiert mit Bezug auf eine Referenzposition, das heißt, einen Wert, der gegeben wird durch das Schneiden eines Kreises von photosensitiven Pixeln, verwendet für die Analyse, und einer vorbestimmten Referenzrichtung, beispielsweise gegeben durch das Bezugszeichen 480 in 4.
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Die Periode des einen Sektors des Siemens-Sterns mit n Sektoren, was mit Bezug auf 5 diskutiert wurde, wird auch in 6 gezeigt durch den Wert 2π/n. Deshalb kann, da der Phasenwert γ zwischen 2π/n und 4π/n liegt, gesehen werden, dass die Phase des besten Fits in der zweiten Periode des Siemens-Sterns liegt. Deshalb ist es möglich, die Phase der zweiten Wellenform abzuleiten, was aus dem projizierten Bild des zweiten periodischen Musters eindeutig folgt.
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Ferner sollte bemerkt werden, dass der Ursprung auf der X-Achse die in 4 gezeigte Referenzrichtung definieren kann, so dass die Phasenverschiebung, die dem Drehwinkel entspricht, in dem gezeigten Fall γ ist. Jedoch sollte auch bemerkt werden, dass die Phasenverschiebung gemessen werden kann mit Bezug auf eine vorher erhaltene Wellenform, dargestellt durch Messwerte der photosensitiven Pixel, die erhalten werden zu einem früheren Zeitpunkt.
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Es braucht nicht gesagt zu werden, dass für die Analyse der in 6 gezeigten zweiten Wellenform auch eine Schnelle-Fourier-Transformation verwendet werden, wie mit Bezug auf 5 erklärt. Dabei können die gleichen Ergebnisse, nämlich die Phasenverschiebung, erhalten werden mit einer hohen Genauigkeit, und die Phasenverschiebung kann verwendet werden zum Ableiten des Drehwinkels zwischen dem Musterglied und der bildgebenden Einheit.
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In der obigen Diskussion wurden mehrere Möglichkeiten gegeben zum Bestimmen des Drehwinkels, wobei die Winkelbestimmungseinheit eine oder eine Kombination dieser Verfahren annehmen kann zum Bestimmen des Drehwinkels. Es sollte unterstrichen werden, dass individuelle Messwerte der photosensitiven Pixel in 5 und 6 gezeigt wurden, aber es klar ist aus der obigen Diskussion, dass auch Werte, die entlang einer radialen Linie, die beursprungt ist von der Drehachse, gemittelt werden, verwendet werden können.
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Zusammenfassend ist einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung, dass man in der Lage ist, mehrere Messwerte einer großen Anzahl von photosensitiven Pixeln über der gesamten bildgebenden Einheit zu erhalten, so dass eine erste und/oder zweite Wellenform, wie in den 5 und 6 gezeigt, erhalten werden können mit höherer Genauigkeit, und daher eine Phasenverschiebung erhalten werden kann mit höherer Genauigkeit, was einem Drehwinkel entspricht.
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Als Nächstes wird das Winkelmessgerät einer anderen Ausführungsform mit Bezug auf 7 erklärt.
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In 7 wird ein Blockdiagramm eines Winkelmessgeräts, wie zum Beispiel das Winkelmessgerät 100, erklärt.
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In 7 umfasst das Winkelmessgerät 700 eine Steuereinheit 710 mit einem Prozessor 712 und einem Speicher 714, eine Bildgebungseinheit 720 und eine Beleuchtungseinheit 730.
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Die Bildgebungseinheit 720 kann irgendeine Art von Bildgebungseinheit sein, wie zum Beispiel der oben beschriebene CCD. Die Beleuchtungseinheit 730 kann irgendeine Beleuchtungseinheit sein, wie zum Beispiel eine LED, ähnlich zu der oben beschriebenen.
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Die Steuereinheit 710 kann durch einen Mikroprozessor, Computer, FPGA (Field Programmable Gate Array) oder integrierte Schaltung, wie zum Beispiel einem ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) oder Software oder eine passende Kombination der obigen, realisiert werden, aber ist nicht begrenzt darauf.
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In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Steuereinheit 710 den Prozessor 712 und den Speicher 714, wobei der Speicher 714 ein Programm speichern kann, das Instruktionen bereitstellt, die ausgebildet sind, um einen Datenprozessor, wie zum Beispiel Prozessor 712, zu veranlassen, Kombinationen der oben bemerkten Schritte auszuführen. Deshalb kann das Programm oder nur Elemente desselben, gespeichert in dem Speicher 714, leicht durch den Prozessor 712 für eine Ausführung erlangt werden.
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Über dies hinaus kann ein computerlesbares Medium bereitgestellt werden, in dem das Programm verkörpert ist. Das computerlesbare Medium kann gegenständlich sein, wie zum Beispiel eine Disk, Diskette oder anderer Datenträger, oder kann durch Signale dargestellt werden, die für eine elektronische, optische oder andere Art von Übertragung passend sind. Ein Computerprogrammprodukt kann das computerlesbare Medium umfassen.
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Beispielsweise kann das Computerprogramm Instruktionen umfassen, die die Bildgebungseinheit 720 und Beleuchtungseinheit 730 steuern. Beispielsweise kann die Steuereinheit 710 die Beleuchtungseinheit 730 instruieren, das Licht anzuschalten oder Messwerte der photosensitiven Pixel der Bildgebungseinheit 720 auszulesen. Ferner können, sobald die Steuereinheit 710 ein Auslesen von Messwerten der photosensitiven Pixel instruiert, diese Messwerte transferiert werden und verarbeitet werden in dem Prozessor 712 zum Bestimmen des Drehwinkels, wie oben beschrieben.
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Deshalb ist es für den Fachmann offensichtlich, dass die Steuereinheit 710 die Funktionen enthalten kann, die durch die Winkelbestimmungseinheit 150 ausgeführt werden, was oben erklärt wurde. Jedoch kann die Winkelbestimmungseinheit auch eine getrennte Einheit sein, die mit der Steuereinheit 710 verbunden ist.
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Nach der detaillierten Erklärung des Blockdiagramms von 7, dass die Funktionen der Bildgebungseinheit, der Beleuchtungseinheit und Winkelbestimmungseinheit beschreibt, wird das Musterglied und insbesondere sein Muster wieder detaillierter beschrieben mit Bezug auf 8A und 8B.
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8A und 8B stellen weitere Möglichkeiten von Mustern, eine Erzeugung von Bildern dieser Muster auf einer Bildgebungseinheit und die Analyse derselben bereit.
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Im Einzelnen umfasst das Winkelmessgerät 800 von 8A die Beleuchtungseinheit 120, das Musterglied 130, eine Linse 810 und ein Bild 820 auf der Bildgebungseinheit 110.
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Ferner wird das Muster des Musterglieds in einer Draufsicht durch Bezugszeichen 850 gezeigt, und eine Analyse dieses Bildes wird unten gezeigt, wobei das Bezugszeichen 810 den gemessenen Winkel bezeichnet, das Bezugszeichen 880 eine Fläche von verwendeten photosensitiven Pixeln bezeichnet, und das Bezugszeichen 890 ein berechnetes Zentrum der Gewichtung der empfangenen Intensitäten bezeichnet.
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Das Winkelmessgerät 805 von 8B ist ähnlich zu dem Winkelmessgerät 800, aber umfasst nicht die Linse 810, und das Musterglied 130 umfasst ein unterschiedliches Muster, das in einer Draufsicht mit Bezugszeichen 860 gezeigt ist. Unter dem Muster 860 wird eine Analyse des Bildes des Musterglieds 130 gezeigt.
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Es sei bemerkt, dass auch das Muster 850 ein periodisches Muster im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellt, da es im Grunde zwei Halbkreise umfasst, wobei die kontaktierende Kante zwischen zwei Halbkreisen vollständig verschwommen bzw. verwischt ist.
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Aufzeichnen der Messwerte einer Abfolge von photosensitiven Pixeln in einer Umfangsrichtung um das Zentrum der Bildgebungseinheit 110 in 8A oder 8B würde zu einer Wellenform führen, die ähnlich zu der zweiten Wellenform ist, die mit Bezug auf 6 beschrieben wurde. Deshalb werden die Muster 850 und 860 periodische Muster und führen zu einer periodischen Funktion, wie zum Beispiel einer in 6 gezeigten Sinusfunktion.
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Im Einzelnen beleuchtet die Beleuchtungseinheit 120 in 8A das Musterglied 130, das einen grauen Keil darstellt, der projiziert wird durch die Linse 810 auf die Bildgebungseinheit 110. Die photosensitiven Pixel, die verwendet werden zum Bestimmen des Drehwinkels, können alle Pixel auf der Fläche sein innerhalb des Kreises, bezeichnet mit Bezugszeichen 880. Hier kann das Zentrum der Gewichtung der empfangenen Intensität berechnet werden, was durch Bezugszeichen 890 gezeigt wird. Die Linie zwischen dem Zentrum der Gewichtung 890 und dem Ursprung des Kreises definiert die Richtung der Drehung und daher den Drehwinkel 870.
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Die gleiche Analyse kann auf 8B angewandt werden, die unterschiedlich ist zu 8A darin, dass die Grauverteilung auf der Bildgebungseinheit unterschiedlich erzeugt wird. Das Muster 860 mit einer exakt definierten Kante kann auf die Bildgebungseinheit 110 projiziert werden, um ein verwaschenes Bild der Kante zu bilden durch Verwenden einer größeren Beleuchtungseinheit.
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Deshalb können ähnliche Grauverteilungen in 8A und 8B erhalten werden durch unterschiedliche Muster 850 und 860 abhängig von den Optiken und Beleuchtungseinheit und ihren Abständen mit Bezug zueinander.
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Deshalb können die oben diskutierten Vorteile auch mit den Winkelmessgeräten, die in 8A und 8B gezeigt sind, erreicht werden, die auch eine größere Menge von Abtastpunkten von der Bildgebungseinheit verwenden, um eine exakte Darstellung einer Wellenform nützlich für eine genaue Phasenverschiebungsbestimmung zu unterstützen.
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Letztendlich kann in einer Ausführungsform ein Winkelmessgerät in einem Vermessungsinstrument enthalten sein, wie zum Beispiel einem Tachymeter oder Videototalstation, um Information über den exakten Positionierungswinkel der Optiken zu geben, beispielsweise dem Teleskop, von solch einem Vermessungsinstrument. Hierbei kann irgendeines der vorher diskutierten Winkelmessgeräte in das Vermessungsinstrument eingebaut werden, das verwendet werden kann in mehreren Anwendungen, wobei das Instrument auf einer festen Position im Freien ist, angebracht an einem Fahrzeug auf einer Baustelle oder ähnlichem.
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Es sollte verstanden werden, dass die hierin beschriebenen Schritte nicht inhärent sich auf ein besonderes Gerät oder Instrument beziehen, und implementiert werden können durch irgendeine passende Kombination von Komponenten. Die in 1, 3 und 7 dargestellten Winkelmessgeräte und die in 8A und 8B dargestellten Winkelmessgeräte, die im Detail oben beschrieben wurden, stellen bevorzugte Ausführungsformen zum Ausführen der Schritte der obigen Verfahren dar. Jedoch muss dies nicht auf das Obige begrenzt sein.
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Für den Fachmann ist es ersichtlich, dass verschiedene Modifizierungen und Variierungen in den Geräten und Verfahren der Erfindung vorgenommen werden können, sowie in dem Aufbau dieser Erfindung, ohne den Umfang oder Geist der Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wurde mit Bezug auf bestimmte Beispiele beschrieben, die hinsichtlich aller Aspekte als darstellend und nicht beschränkend angesehen werden. Der Fachmann erkennt, dass viele verschiedene Kombinationen von Hardware, Software und Firmware passend sind zum Ausüben der vorliegenden Erfindung.
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Über dies hinaus werden andere Implementierungen der Erfindung dem Fachmann ersichtlich aus der Betrachtung der Beschreibung und Ausübung der Erfindung, die hierin offenbart ist. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele als beispielhaft betrachtet werden. Zu diesem Zweck sollte verstanden werden, dass erfinderische Aspekte ein weniger als allen Merkmalen einer einzelnen vorhergehend offenbarten Implementierung oder Konfigurierung liegen.
