DE112009002101T5

DE112009002101T5 - Mit einem Index versehender optischer Encoder, Verfahren zum Indexieren eines optischen Encoders und Verfahren zum dynamischen Einstellen von Verstärkung und Offset in einem optischen Encoder

Info

Publication number: DE112009002101T5
Application number: DE112009002101T
Authority: DE
Inventors: Frederick York
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2012-01-12
Also published as: WO2010025365A2; US8513589B2; GB2496236A; JP2012501453A; US8476579B2; JP5318212B2; US20100057392A1; JP2013054040A; GB2468263B; GB2468263A; CN102007378A; US20130306850A1; GB2496230A; GB2496230B; GB201212858D0; GB2496236B; JP5237498B2; CN102007378B; US20130112861A1; WO2010025365A3

Abstract

Ein optischer Encoder kann eine Encoderscheibe, ein Beleuchtungssystem und einen Erkenner zum Erkennen von Licht, das von Encoderscheibe gebeugt wird, aufweisen. Die Encoderscheibe kann eine Signalspur aufweisen, welche ein Beugungsgitter, und eine Indexspur aufweist, die eine reflektierende Indexmarkierung aufweist, worin eine Weite der Indexmarkierung größer ist als ein Abstand des Beugungsgitters. Ein Indexierverfahren kann beinhalten Bereitstellen einer Encoderscheibe, Bereitstellen eines Beleuchtungssystems, um Licht auf die Encoderscheibe zu richten, Bereitstellen eines Erkenners, der strukturiert ist, von der Encoderscheibe gebeugtes Licht zu erkennen, Berechnen eines geschätzten Zählwerts von Quadraturzuständen aus einer steigenden Flanke eines Indexpulses bis zu einer Mitte des Indexintervalls, und Berechnen des Quadraturzustands bei einer ungefähren Mitte des Indexpulses. Ein dynamisches Parameterkorrekturverfahren kann beinhalten Berechnen von Zielverstärkung und Zieloffsets und Korrigieren von Werten basierend auf der Zielverstärkung und dem Ziel-Offset.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisionellen US-Anmeldung Nr. 61/092,478, eingereicht am 28. August 2008; und der professionellen US-Anmeldung Nr. 61/224,657, eingereicht am 10. Juli 2009, deren gesamter Inhalt jeweils hierin durch Bezugnahme inkorporiert wird.
Hintergrund
Es wurden viele Vorrichtungen zum Messen einer Winkelbewegung offenbart. Typische Vorrichtungen verwenden häufig eine Erkennung von Verschiebungen in Randmustern gebeugten Lichts.
Die US-Patentanmeldung Nr. 5,355,220 für Kobayashi et al. offenbart ein Licht von einer Quelle, das auf ein Beugungsgitter gestrahlt wird, um gebeugte Lichter mit unterschiedlichen Beugungsgrößenordnungen zu erzeugen, was die Erkennung von Licht und dunklen Streifen erlaubt. Eine Bewegung wird gemessen, indem eine direkte Erkennung der Bewegung der Streifen ausgeführt wird.
Die US-Patentanmeldung Nr. 5,486,923 für Mitchel et al. offenbart ein Gitter, welches Licht mit einer vorgewählten Wellenlänge in Plus und Minus erster Ordnungen konzentriert, während die nullte Ordnung minimiert wird. Die Beugungsordnungen von Licht beleuchten eine mehrphasige Erkennungsplatte.
Das US-Patent Nr. 5,559,600 für Mitchel et al. offenbart ein Gitter, das eine vorgewählte Wellenlänge in positive und negative erste Ordnungen konzentriert. Ein mehrphasiger periodischer Erkenner hat seine Erkennungsebene von der Skala beabstandet an einem Ort, wo jedes Erkennerelement auf die positiven und negativen ersten Ordnungen anspricht, ohne eine Umlenkung des gebbeugen Lichtes zu erfordern.
Das US-Patent Nr. 5,909,283 für Eselun verwendet eine punktförmige Lichtquelle, die einen Strahl in einem Winkel auf eine bewegliche Skala richtet. Beugungsstrahlen werden erzeugt, die von einer optischen Komponente, wie einem Ronchi-Gitter gekreuzt werden, um Moire-Randbänder zu bilden. Ein Feld von Sätzen von Fotodetektoren ist positioniert, die Bänder des Moire-Musters aufzufangen und Signale auszusenden, welche elektronisch verarbeitet werden, um eine Verschiebung in der Skala anzuzeigen.
Das US-Patent Nr. 7,002,137 für Thorburn offenbart einen optischen Encoder, der eine Skala beinhaltet, wobei die Skala ein optisches Gitter und ein optisches Element beinhaltet; einen Sensorkopf wobei der Sensorkopf eine Lichtquelle beinhaltet, und ein Erkennerfeld, welche jeweils auf einem Substrat angeordnet sind, wobei die Skala gegenüber den Sensorkopf angeordnet ist, relativ zum Sensorkopf bewegt zu werden. Eine Entfernung zwischen der Skala und einer Talbot-Bildebene am nächsten der Skala ist gleich d. Der Sensorkopf ist angeordnet innerhalb eines Bereichs, der durch eine erste Ebene und eine zweite Ebene begrenzt wird, wobei die erste Ebene von der Skala um eine Entfernung beabstandet ist, die im Wesentlichen gleich n mal d plus d mal x ist, wobei die zweite Ebene von der Skala um eine Entfernung beabstandet ist, die im Wesentlichen gleich n mal d minus d mal x ist, wobei n eine ganze Zahl ist und x. weniger als oder gleich ein halbes ist. Die Lichtquelle imitiert einen divergierenden Lichtstrahl, wobei der divergierende Lichtstrahl auf die Skala gerichtet ist, wobei Licht von dem divergierenden Lichtstrahl durch das Gitter in Richtung auf das Erkennerfeld gebeugt wird. Eine Maske ist zwischen der Skala und dem Sensorkopf angeordnet, wobei die Maske eine Öffnung definiert, wobei die Maske im Wesentlichen fest relativ zu dem Sensorkopf verbleibt, wobei die Öffnung derartig bemaßt und positioniert ist, das sie im Wesentlichen verhindert, dass Strahlen fünfter Ordnung, die von dem Gitter gebeugt werden, das Detektorfeld erreichen.
Jedoch ist eine hohe Genauigkeit oftmals eine Anforderung für diese Vorrichtungen, zum Beispiel wird oftmals eine Genauigkeit im Bereich von Mikrometern gefordert. Viele herkömmliche Vorrichtungen haben jedoch Probleme, welche ihre Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Kalibrierung und einfache Massenherstellung begrenzen und sie sind im Allgemeinen teuer, wenn eine derartig feine Auflösung benötigt wird. Die Kosten sind teilweise verursacht durch die Anforderung, diese Teile in präzisen Orten relativ zueinander zusammenzufügen. Daher besteht eine Notwendigkeit für hochgenaue zuverlässige optische Encoder, welche in großen Stückzahlen auf kostengünstige Weise hergestellt werden können.
Zusammenfassung
Eine Ausführungsform eines optischen Encoders kann eine Encoderscheibe, ein Beleuchtungssystem, das strukturiert ist, Licht auf die Encoderscheibe zu richten, und einen Erkenner aufweisen, der strukturiert ist, Licht zu erkennen, das von der Encoderscheibe gebeugt wird. Die Encoderscheibe kann eine Signalspur aufweisen, die ein Beugungsgitter aufweist, das als ein Ring auf der Encoderscheibe ausgebildet ist, und eine Indexspur, die eine reflektierende Indexmarkierung aufweist, worin eine Breite der Indexmarkierung größer ist als ein Abstand bzw. Pitch des Beugungsgitters.
Eine Ausführungsform einer Encoderscheibe zur Verwendung in einem optischen Encoder kann eine Signalspur aufweisen, die ein Beugungsgitter aufweist, das als ein Ring auf Encoderscheibe ausgebildet ist, und eine Indexspur, welche eine reflektierende Indexmarkierung aufweist, worin eine Breite der Indexmarkierung größer ist als ein Abstand bzw. Pitch des Beugungsgitters.
Eine Ausführungsform eines Indexierungsverfahrens zur Verwendung mit einem optischen Encoder kann beinhalten Bereitstellen einer Encoderscheibe, Bereistellen eines Beleuchtungssystems, das strukturiert ist, Licht auf die Encoderscheibe zu richten, Bereistellen eines Erkenners, der strukturiert ist, von der Encoderscheibe gebeugtes Licht zu erkennen, Berechnen eines geschätzten Zustandszählwerts k_est von Quadraturzuständen ausgehend von einer steigenden Kante des Indexpulses zu einer Mitte des Indexintervalls, Berechnen von Q_kest, wobei Q_kest der Quadraturzustand bei k_est ist und dem Quadraturzustand bei einer angefahren Mitte des Indexpulses entspricht, und Bestimmen einer Offsetkorrektur. Die Encoderscheibe kann eine Signalspur aufweisen, welche ein Beugungsgitter aufweist, das als ein Ring auf der Encoderscheibe ausgebildet ist, und eine Indexspur, die als ein Ring auf der Encoderscheibe ausgebildet ist, wobei die Indexspur eine Indexmarkierung aufweist, die bei einer Indexwinkelkoordinate bereitgestellt ist Der Erkenner kann zwei Offset-Erkennen aufweisen, die strukturiert sind, Licht, das von der Signalspur gebeugt wird, zu erkennen und ein Quadratursignal auszugeben, und einen Indexerkenner, der strukturiert ist, Licht zu erkennen, das von der Indexspur reflektiert wird und einen Indexpuls auszugeben.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum dynamischen Einstellen einer Verstärkung und eines Offsets in einem optischen Encoder kann beinhalten Bereitstellen einer Encoderscheibe, die ein Beugungsgitter aufweist, Beleuchten der Encoderscheibe mit Licht, Bereitstellen eines Erkenners der strukturiert ist, Licht, das von dem Beugungsgitter gebeugt wird, zu erkennen und einen ersten Feinzählkanal auszugeben, Berechnen einer ersten Zielverstärkung und eines ersten Ziel-Offsets für den ersten Feinzählkanal, und Anwenden einer Korrektur auf Daten, die von dem ersten Feinzählkanal abgetastet wurden, basierend auf der ersten Zielverstärkung und dem ersten Ziel-Offset.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen wurden mm beschrieben werden, allein Beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, die allein Beispielhaft sind und nicht beschränkend und worin gleiche Elemente einiger Figuren gleich nummeriert sind, wobei:
1 ein Diagramm einer Ausführungsform einer Encoderscheibe ist,
2 ein Diagramm ist, welches eine relative Position der dualen Quadratursignale und des Indexsignals gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt,
3 ein Diagramm ist, das die relative Position der dualen Quadratursignale und des Indexsignals gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt,
4 ein Diagramm ist, das die relative Position der dualen Quadratursignale und gegatterter und ungegatterter Indexsignale gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
5A ein Diagramm einer Encoderscheibe gemäß zumindest einer Ausführungsform ist.
5B eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts einer Encoderscheibe gemäß zumindest einer Ausführungsform ist.
6 ein Diagramm einer Encoderscheibe gemäß zumindest einer Ausführungsform ist.
7 ein Diagramm eines Abschnitts einer Encoderscheibe und verschiedener Erkenner gemäß zumindest einer Ausführungsform ist.
8a ein Diagramm, das die relative Position von Indexspuren und Erkenner gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt ist.
8b ein Graph ist, der Signale zeigt, die erzeugt werden durch die Indexspuren gemäß zumindest einer Ausführungsform.
9 ein Graph ist, der verschiedene Signale gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
10 ein Diagramm ist eines Vergleichers gemäß zumindest eines Ausführungsform.
11 ein Diagramm ist, das die verschiedenen Quadraturzustände gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
12A ein Diagramm ist, um den Indexierungsalgorithmus gemäß zumindest einer Ausführungsform zu erläutern.
12B ein Diagramm ist, um den Indexierungsalgorithmus gemäß zumindest einer Ausführungsform zu erläutern.
13A ein Diagramm ist, um den Indexierungsalgorithmus gemäß zumindest einer Ausführungsform zu erläutern.
13B ein Diagramm ist, um den Indexierungsalgorithmus gemäß zumindest einer Ausführungsform zu erläutern.
13C ein Diagramm ist, um den Indexierungsalgorithmus gemäß zumindest einer Ausführungsform zu erläutern.
14 ein Diagramm ist, um den Indexierungsalgorithmus gemäß zumindest einer Ausführungsform zu erläutern.
15 ein Diagramm ist, welches zeigt, wie Licht von der Encoderscheibe reflektiert wird gemäß zumindest einer Ausführungsform.
16 eine Darstellung ist, die den Effekt von Lichtreflektion auf die Indexsignale gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
17 ein Foto der Vorderseite einer Encoderscheibe ist, mit einer Seite schwarz bemalt gemäß zumindest einer Ausführungsform.
18 ein Foto der Vorderseite einer Encoderscheibe ist, mit einer Seite schwarz bemalt gemäß zumindest einer Ausführungsform.
19 ein Foto der Rückseite einer Encoderscheibe ist, mit einer Seite schwarz bemalt gemäß zumindest einer Ausführungsform.
20 ein Graph ist, der verschiedene Strahlprofile eines Multimodus VCSEL gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
21 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen Strom und Strahlprofil in einem Multimodus VCSEL zeigt.
22 ein Diagramm ist, das ein Beugungsmuster für einen Encoder gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
23 ist ein dreidimensionaler Graph, der ein Gauß'sches Strahlprofil zeigt.
24 eine Anzeige ist, die ein Gauß'sches Strahlprofil zeigt.
25 ein Graph ist, der ein Strahlprofil eines Multimodus VCSEL gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
26 ein Graph ist, der ein Strahlprofil eines Multimodus VCSEL gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
27 ein Graph ist, der ein Strahlprofil eines Multimodus VCSEL gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
28 ein Graph ist, der ein Strahlprofil eines Multimodus VCSEL gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
29 ein Diagramm ist, das verschiedene Strahlprofile eines Multimodus VCSEL gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
30 ein Graph ist, der verschiedene Strahlprofile eines Multimodus VCSEL gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
31 ein Graph ist, der verschiedene Strahlprofile eines Multimodus VCSEL gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
32 eine Anzeige ist, die ein Strahlprofil eines Multimodus VCSEL gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
33 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen Strom und Strahlprofil für einen Multimodus VCSEL gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
34 ein Graph ist, der ein Gauß'sches Strahlprofil zeigt.
35 ein Graph ist, der ein Gauß'sches Strahlprofil zeigt.
36 ein Graph ist, der ein Gauß'sches Strahlprofil eines Multimodus VCSEL gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
37 ein Graph ist, der ein nicht-Gauß'sches Strahlprofil eines Multimodus VCSEL gamäß zumindest einer Ausführungsform zeigt.
38 ein Diagramm ist einer VCSEL-Leistungssteuerungsschaltung gemäß zumindest einer Ausführungsform.
39 ein Diagramm ist einer VCSEL-Leistungssteuerungsschaltung gemäß zumindest einer Ausführungsform.
40 ein Diagramm eines VCSEL ist.
41 bis 42 Ansichten einer Encoderscheibe mit zwei Chromschichten sind.
43 ein Lissajousmuster von Ausgaben von Quadraturkanälen vor Verstärkungsmodifikation ist.
44 Graphen sind, welche Daten bezüglich Lesekopfkalibrierung zeigen.
45 ein Lissajousmuster von Ausgaben von Quadraturkanälen nach Verstärkungsmodifikation ist.
46 Graphen sind, welche Daten bezüglich Lesekopfkalibration zeigen.
47 bis 49 Graphen sind, welche Ausgaben von einer Encoderscheibe mit zwei Chromschichten zeigen.
50 bis 55 verschiedene Ansichten von Encoderscheiben mit zwei Chromschichten sind.
56 ein Diagramm ist, das ein dynamisches Parametereinstellungsverfahren zeigt.
57 ein Flussdiagramm ist, das ein Vorfilterverfahren zeigt.
58 ein Diagramm ist, das verschiedene Fenster für ein gleitendes Mittelwertfilter zeigt.
59 ein Diagramm ist, das den Fehler in einen Quadraturzustand für einen positiven Gleichspannungsoffset zeigt.
60 ein Diagramm ist, das in Fehler einen Quadraturzustand für einen negativen Gleichspannungsoffset zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Wie in 1 zu sehen, kann eine Encoderscheibe 10 gebildet werden, indem eine Spur von Linien, wie eine Signalspur 12, entlang des äußeren Teils eines kreisförmigen Glasstücks platziert werden Wenn beleuchtet, erzeugen die Linien der Signalspur 12 ein sich abwechselndes hell/dunkel Muster. Der Scheibenzählwert bezieht sich auf die Anzahl von Paaren hell/dunkel je Umdrehung der Scheibe. Abstand bzw. Pitch bezieht sich auf den Abstand zwischen jeder Markierung oder Linie der Signalspur 12.
Wie in 2 gezeigt, wenn die Linien durch versetzte Erkenner (Offset ¼ Pitch) verarbeitet werden, können zwei Ausgaben erzeugt werden, die im Allgemeinen als ein Quadratursignalpaar bezeichnet werden, d. h., ein erstes Quadratursignal (Kanal A) 20 und ein zweites Quadratursignal (Kanal B) 22. Es wird auch verstanden werden, dass das kombinierte Paar von Signal 20 und Signal 22 im Allgemeinen als ein Quadratursignal bezeichnet wird, wobei verstanden werden wird, das ein Quadratursignal ein Paar von in Phase verschobenen Signalen beinhaltet.
Wie ferner in 1 zu sehen, wird eine zweite Markierung typischerweise herkömmlichen Encoderscheiben 12 hinzugefügt, um eine spezifische (absolute) Örtlichkeit auf der Scheibe zu identifizieren Die Indexmarkierung 14 ist ein Beispiel solch einer Markierung.
Die Quadraturbeziehung zwischen Kanal A 20 und Kanal B 22 erlaubt es, die Richtung und das Ausmaß der Drehung mittels zum Beispiel eines Auf-/Abwärtszählers zu bestimmen, oder jeglichen anderen geeigneten Mitteln. Die Indexmarkierung 14 kann eine „Null” Referenzposition bereitstellen. Die 3 zeigt ein Indexsignal 24 verglichen mit dem ersten Quadratursignal 20 und dem zweiten Quadratursignal 22.
Quadraturencoder können in zwei Formen vorkommen, gegattert oder ungegattert. 4 zeigt Beispiele unterschiedliche Indexsignale basierend auf unterschiedlichen Typen des Gatterns. Zum Beispiel ist das gegatterte Indexsignal 26 gegattert mit dem Produkt des ersten Quadratursignals 20 und des zweiten Quadratursignals 22. Ein anderes Beispiel ist das gegatterte Indexsignal 27, das allein mit dem ersten Quadratursignal gegattert ist. Ein drittes mögliches Beispiel ist das ungegatterte Indexsignal 28.
Es gibt zwei Verfahren, um einen Indexpuls zu erzeugen. Das eine verwendet die Reflektion von einer sehr schmalen Indexmarkierung oder die Transmission durch einen Indexschlitz, gefolgt durch einen Fotodetektor. Ein Vergleicher folgt dem konditionierten Detektorsignal und schaltet um, wenn die Lichtintensität über einem Schwellenwert ist.
Ein zweites Verfahren verwendet Beugung. Die Indexmarkierung besteht aus einer Reihe feiner Linien mit variierendem Abstand. Zwei oder mehr Fotodetektoren sind an unterschiedlichen Orten platziert, abhängig von der Beugungsordnung. Die Signale werden addiert (oder subtrahiert) und auf einen Vergleicher angewandt Wenn die Signalpegel über einem Schwellenwert sind, wird ein Indexpuls erzeugt. Beide Verfahren erfordern eine kritische Ausrichtung wegen dem schmalen reflektiven oder beugenden Bereich.
Die 5A, 5B und 6 zeigen eine Ausführungsform einer Encoderscheibe. Zum Beispiel kann wie in den 5B und 6 gezeigt, die Encoderscheibe 30 eine Signalscheibe 32 aufweisen, die ein Beugungsgitter ist, das als ein Ring auf der Encoderscheibe 30 ausgebildet ist Die Signalspur kann gebildet sein durch abwechselnde reflektive und nichtreflektive Abschnitte. Zum Beispiel können die nichtreflektiven Abschnitte der Signalspur durch geschwärztes oder abgedunkeltes Glas gebildet sein, zum Beispiel durch Bemalung mit einer flachen schwarzen Farbe oder einem anderen geeigneten Verfahren. Es wird verstanden werden, dass die Bezeichnung nichtreflektiv nicht notwendigerweise erfordert, dass eine Oberfläche eine Reflexivität von 0% hat. In zumindest einigen Ausführungsformen zum Beispiel kann eine nicht reflektive Oberfläche eine niedrige Reflektivität aufweisen, wie etwa eine Reflektivität von 5% oder einem anderen geeigneten Wert.
Als eine mögliche Alternative können die reflektiven und nichtreflektiven Abschnitte implementiert werden unter Verwendung von zwei Schichten Chrom, wobei eine Schicht absorbierend und die andere reflektive ist. Die 41 und 42 zeigen eine Ausführungsform einer Encoderscheibe 400 unter Verwendung zweier Chromschichten Die 41 zeigt eine Encoderscheibe 400 mit einem Substrat 402, einer Chromschicht 404 mit niedriger Reflektivität und einer Chromschicht 406 mit hoher Reflektivität. Die Chromschicht 406 mit hoher Reflektivität ist auf der Chromschicht 404 mit niedriger Reflektivität aufgebracht. Die Chromschicht 406 mit hoher Reflektivität kann in einem Muster ausgebildet sein, sodass ein Teil eines Abschnitts niederer Reflektivität 404 sichtbar verbleibt, nachdem die Chromschicht 406 hoher Reflektivität angewandt wurde. Zum Beispiel kann die hochreflektive Chromschicht 406 in einem Muster gebildet sein, um eine Signalspur und Indexspuren auf die Encoderscheibe auszubilden.
Die Chromschicht 404 niedrer Reflektivität kann zum Beispiel aus Chromoxid oder einem anderen geeigneten Material gebildet sein und kann eine Reflektivität von 5% auf der Luftseite in zumindest einer Ausführungsform aufweisen. Zusätzlich kann in zumindest einer Ausführungsform die hochreflektive Chromschicht eine Reflektivität von 65% auf der Luftseite und 59% auf der Glasseite aufweisen. Die Leistungsfähigkeit von Encodern mit zwei Chromschichten wird hierin weiter diskutiert.
Die Encoderscheibe 30 kann auch eine äußere Indexspur 34 aufweisen, die außerhalb der Signalspur 34 in einer radialen Richtung, d. h., in Richtung auf die äußere Kante der Encoderscheibe 30 angeordnet ist. In der in den 5B und 6 gezeigten Ausführungsform ist die äußere Indexspur 34 nichtreflektierend, mit Ausnahme einer reflektierenden äußeren Indexmarkierung 35, die bei einer Indexwinkelkoordinate der Encoderscheibe positioniert ist. Die Indexwinkelkoordinate kann ein beliebiger „Null” Referenzpunkt in der Umfangsrichtung sein.
Die Encoderscheibe 30 kann auch eine innere Indexspur 36 aufweisen, ausgebildet als ein Ring auf der Encoderscheibe 30. Die innere Indexspur kann innerhalb der Signalspur in einer radialen Richtung, d. h., näher der Mitte der Encoderscheibe 30 ausgebildet sein. In der in den 5B und 6 gezeigten Ausführungsform ist die Indexspur reflektiv mit Ausnahme einer nichtreflektiven inneren Indexmarkierung 37, die an derselben Indexwinkelkoordinate wie die äußere Indexmarkierung 35 positioniert ist.
Wie in den 7 und 8a gesehen werden kann, ist in zumindest einer Ausführungsform eine Breite der Indexmarkierung größer als der Abstand des Beugungsgitters.
Während die Ausführungsformen in den 5B und 6 eine nichtreflektierende äußere Indexspur 34 mit einer reflektiven äußeren Indexmarkierung 35 und eine reflektive innere Indexspur 36 mit einer nichtreflektiven inneren Indexmarkierung 37 zeigen, wird es verstanden werden, dass die reflektiven und nichtreflektiven Abschnitte getauscht werden können, und dennoch die exakt selben Ergebnis erzielt werden können. Zum Beispiel ist es möglich eine reflektive äußere Indexspur mit einer nichtreflektiven äußeren Indexmarkierung und eine nichtreflektive innere Indexspur mit einer reflektiven äußeren Indexmarkierung zu haben.
Die reflektiven und nichtreflektiven Abschnitte der Indexspuren können auf verschiedene Weisen implementiert werden. Zum Beispiel kann, ähnlich der Signalspur, nichtreflektive Abschnitte der Indexspur durch Schwärzen des Glases der Encoderscheibe gebildet werden.
Alternativ dazu können, wie oben bemerkt, auch absorbierende und reflektive Chromschichten verwendet werden. 50 bis 55 zeigen spezifische mögliche Ausführungsformen von Encoderscheiben 400, 500 mit zwei Chromschichten. Wie in den 51 und 54 gesehen werden kann, sind die Encoderscheiben 400, 500 ähnlich strukturiert wie die oben beschriebene Encoderscheibe und können eine äußere Indexspur 434, 534; eine äußere Indexmarkierung 435, 535; eine innere Indexspur 436, 536; und eine innere Indexmarkierung 437, 537 aufweisen. Ähnlich zu der oben beschriebenen Encoderscheibe 30 können die reflektiven und nichtreflektiven Abschnitte der Encoderscheibe 400, 500 getauscht werden und sind nicht auf eine spezifische Anordnung beschränkt. Zusätzlich wird verstanden werden, dass die Abmaße, die in den spezifischen Zeichnungen angegeben sind, sich auf die spezifisch gezeigten Ausführungsformen beziehen und nicht auf irgendeine Weise den Bereich der Erfindung begrenzen.
Es können Fotodetektoren verwendet werden, um jede Indexspur und die Signalspur zu überwachen. In 7 gezeigt, können Detektoren 40, 41 verwendet werden, um die äußere und inneren Indexspuren zu erkennen, und ein Signalspurerkenner 42 kann verwendet werden, um das Licht, das von der Signalspur gebeugt wird, zu erkennen. Da die Indexmuster zueinander gegensätzlich sind (d. h. eine Indexspur ist reflektive bei der Indexwinkelkoordinate und die andere Indexspur nicht reflektive bei der Indexwinkelkoordinate), dann werden die Indexausgaben von den Erkennern 40, 41 invertiert sein um einen gemeinsamen Offsetpegel.
Zum Beispiel zeigt die 8A eine Ansicht, die auf den Bereich der Indexwinkelkoordinate fokussiert ist In 8A ist der dunkle Bereich (d. h. 34, 37) nichtreflektiv, und bewegt sich nach links. Der helle Bereich (d. h. 35, 36) ist reflektiv und bewegt sich von links nach rechts. Erkenner 40, 41 die Indexspuren überlagernd gezeigt. 8A verwendet dieselbe Konfiguration reflektiver und nichtreflektiver Abschnitte, die in den 5B und 6 sichtbar ist
8B zeigt die Ausgabe des inneren Indexsignals 46 und des äußeren Indexsignals 48 als eine Funktion über die Zeit. So stellt zum Beispiel der linke Teil des Graphen eine Zeitperiode dar, wo die Indexwinkelkoordinate fern von den Erkennern 40, 41 ist Zu diesem Zeitpunkt ist die innere Indexspur beim Erkenner 41 reflektiv und daher ist das innere Indexsignal 46 hoch auf dem linken Teil des Graphen in 8B. Auch ist zu dieser Zeit die äußere Indexspur beim Erkenner 40 nichtreflektiv und daher ist das äußere Indexsignal 48 niedrig an dem linken Teil des Graphen in 8B.
Mit dem Fortschreiten der Zeit und dem Rotieren der Encoderscheibe in 8A wechselt der von dem Erkenner 40 gesehene Bereich von nichtreflektiv auf reflektiv und der Bereich, der von dem Erkenner 41 gesehen wird, wechselt von reflektiv auf nichtreflektiv. Dieser Übergang ist in 8B reflektiert dadurch, dass das innere Indexsignal 46 von hoch nach niedrig wechselt und das äußere Indexsignal 47 von niedrig nach hoch wechselt. Eine Kreuzung des inneren Indexsignals 46 und des äußeren Indexsignals 47 kann den „Beginn” oder das „Ende” der Indexmarkierung auf der Encoderscheibe anzeigen.
9 zeigt ein Beispiel einer Anzeige, welche Indexpuls und Signalspuren zeigt. Zum Beispiel repräsentiert der Indexpuls 80 der 9 die Indexmarkierung. Die 9 zeigt ferner, dass das Ansteigen und das Abfallen des Indexpulses 80 mit Kreuzungen 44 des inneren Indexsignals 46 und des äußeren Indexsignals 48 korrespondiert. Die 10 zeigt ein Beispiel eines Vergleichers zum Wandeln eines inneren Indexsignals und eines äußeren Indexsignals in ein logisches Indexsignal. Zum Beispiel wird das logische Indexsignal nach hoch oder nach niedrig wechseln basierend auf den Kreuzungen des inneren Indexsignals und des äußeren Indexsignals. Wie oben beschrieben, kann eine Beugungsgittersignalspur duale Quadratursignale wie Kanal A 20 und Kanal B 22 erzeugen. Die Signale können erzeugt werden unter Verwendung eines Erkenners 42, der zum Beispiel versetzte Erkenner aufweist. Das Maß und die Richtung der Drehung kann bestimmt werden, indem die dualen Quadratursignale analysiert werden, zum Beispiel durch einen Aufwärts/Abwärtszähler. Sobald eine Indexierung stattgefunden hat, kann auch eine Absolutposition bestimmt werden von dem Aufwärts/Abwärtszahler.
Wie in 11 gezeigt, gibt es vier mögliche Quadraturzustände 60, 62, 64, 66. Die folgende Tabelle fasst die möglichen Quadraturzustände Kanal A 20 und Kanal B 22 zusammen:

Kanal A (20) Kanal B (22)

Q1 (60) Hoch Niedrig

Q2 (62) Hoch Hoch

Q3 (64) Niedrig Hoch

Q4 (66) Niedrig Niedrig
Mit anderen Worten repräsentieren die Quadraturzustände eine Gray-Code Sequenz. Das Wechseln in einen anderen Quadraturzustand ausgehend von einem vorherigen (unterschiedlichen) Zustand wird den Positionszäher basierend auf der Richtung entweder erhöhen oder vermindern.
In einer Indexierungsoperation werden mehrere Quadraturzustände während der Indexierungsperiode vorhanden sein. Mit anderen Worten können die Indexmarkierungen auf den Indexspuren groß genug sein, sodass das Durchlaufen durch die Indexspur über mehrere Quadraturzustände hindurch verläuft.
So sei zum Beispiel K die Anzahl an Quadraturzuständen. Der optimale Zielindexzustand ist der Quadraturzustand, der am nächsten der Mitte des Indexpulses 72 oder des Indexintervalls ist. In einer gegebenen Richtung (+/–, CCW/CW) ist der optimale Zielzustand K/2 (für ein gerades K) oder (K + 1)/2 (für ein ungerades K). In 12A, zum Beispiel, K = 10 und der optimale Zielzustand 70 ist positioniert beim Quadraturzustand 5. Es sei bemerkt, dass der „optimale” Zustand identisch ist für Drehungen CW bzw. im Uhrzeigersinn und CCW bzw. gegen den Uhrzeigersinn, wenn K ungerade ist und unterschiedlich ist, um einen Quadraturzustand, wenn K gerade ist (siehe zum Beispiel 12B). Diese Situation wird in größerem Detail unten beschrieben.
Indem ein Zielzustand so nahe wie möglich der Mitte des Indexierungsintervalls 72 gewählt wird (und mit Kompensation für einen geraden Zählwert), kann gezeigt werden, dass der gewählte Zustand konsistent und ohne Fehler gefunden werden kann, unabhängig davon, welche Drehrichtung verwendet wird Weiterhin wird er nicht durch eine Änderung in der Breite des Indexierungsintervalls 72 beeinflusst.
Das Indexierungsintervall 72 kann entweder asymmetrisch (d. h. in einer Richtung) oder symmetrisch (d. h. Verbreiterung oder Verschmälerung um den Indexierungsmittelpunkt) wandern. Durch Überlagerung kann man eine Kombination dieser Beiden haben, aber Fehler können berücksichtigt werden, indem die asymmetrischen und symmetrischen Eigenschaften einzeln untersucht werden. Ferner wird die Anwendung einer Hysterese auf die nachfolgende Kante des Indexpulses 72 die Mehrdeutigkeit auf einen Quadraturzustand vermindern.
Asymmetrischfehler:
Es gibt zwei Quellen für einen asymmetrischen Fehler. Die erste ist wegen einer Verschiebung der Lesekopfposition, und die zweite Quelle ist aufgrund der Mehrdeutigkeit (verursacht durch Rauschen und Verzögerung), welche eine gleichzeitige Änderung von Quadraturzustand und einee ndexpulstransition bereitstellt.
Die erste braucht nicht berücksichtigt zu werden. Ein sich bewegender Lesekopf macht einen Präzisionsencoder unmöglich zu verwirklichen. Dies muss durch Design eliminiert werden.
Die zweite asymmetrische Fehlerquelle hat zwei Komponenten. Wenn eine einzelne Kante auftritt, wird ein Zählfehler ½ (1/2 Quadraturzustand) verwirklicht. Die zweite Komponente, die in einem Zustand des schlimmsten Falles resultiert, existiert, wenn eine Übergangsmehrdeutigkeit auftritt an beiden Enden und in derselben Richtung (unterschiedliche Richtung würde eine symmetrische Verschiebung darstellen). Wenn jedoch eine Bewegung in sowohl CCW also auch CW Richtung betrachtet wird, kann dies in einer Differenz von zwei Zählwerten (oder Quadraturzuständen) zwischen beiden geschätzten Werten resultieren. Dies ist verständlich, da es eine Mehrdeutigkeit, welcher Zustand korrekt ist. Eine Hysterese stellt eine Lösung für diese Fehlerquelle dar.
Die Hinzufügung eines ½ Quadraturzustands von Hysterese, angewandt auf das Ende des Indexes (wahr für beide Richtungen) entfernt eine Doppelkantenmehrdeutigkeit und vermindert die Differenz zwischen CCW und CW Schätzwerten auf einen Zählwert (Quadratur) Zustand. Siehe die 13A, 13B und 13C. Essentiell werden die Schätzwerte einander näher gebracht.
Daher kann es höchstens einen Unterschied von einem Zählwert oder einem Quadraturzustand zwischen dem „Ziel” und einem neu berechneten Zielschätzwert geben. Ein Test des Quadraturzustands wird den Ort des wahren Ziels enthüllen.
Symmetrischer Fehler:
Wenn sich das Indexintervall weitet oder zusammenzieht, wird kein zusätzlicher Fehler eingeführt. Während der Bewegung kann nur ein asymmetrischer Fehler von einem einzelnen Zählwert auftreten, wie oben bemerkt. Es wird eine Zielauswahlstrategie des Auswählen eines Zustandes für beide, CCW/CW-Bewegung verwendet werden, wenn eine Korrektur für GERADE Zählintervalle stattfindet.
Fehlerkorrektur:
Wie oben bemerkt, wird ein Fehler von höchstens nur einem Zählwert/Zustand gefunden werden, zwischen dem Zustand, der etabliert ist von K/2 oder (K + 1)/2 und einer nachfolgenden Bewertung. Das Kennen der Zieloffsetrichtung (ausgewählter Zustand), der während der Kalibration erreicht wird, erlaubt es uns, einen Korrekturfaktor dem Zielzählwert hinzuzuaddieren, um den Offset zu erzeugen (Unterschied zwischen dem tatsächlichen Zählwert und dem des erwünschten Zählwerts (0) beim Indexziel). Der Offset wird von dem aktuellen Zählwert subtrahiert, um die absolute Indexposition zu stellen.
Die Folgenden Definitionen werden verwendet beim Erläutern des Fehlerkorrekturalgorithmuses und beziehen sich auf die 14.

P_Count_i: = Wert des Positionszählers beim Ort i.
P_Count_^index: = der Positionszählwert bei der steigenden Kante des Indexpulses.
K: = Quadraturzählwert vom Anfang bis zum Ende des Indeximpulses. Dieser Wert ist immer positiv (das heißt, ist unabhängig von der Richtung)
Dir: = 0 (P_Count erhöht sich in diese Richtung) oder 1 (P_Count vermindert sich in diese Richtung). Es ist ein Flag, das die Richtung der Drehbewegung durch eine Indexierungssequenz anzeigt. Zum Beispiel ist Dir = 0 für CCW und 1 für CW.
k_est: = Schätzwert der Anzahl an Quadraturzuständen von der steigenden Kante des Index zum Zielzustand.

Es ist der Zustandszählwert von der steigenden Kante des Indexpulses bis zur Mitte des Indexintervalls.

k_target: = der gegenwärtige Zustandszählwert von der steigenden Kante des Indexpulses bis zum Zielzustand.
Q_i: = Quadraturzustand (Gray Code) beim Ort i.
Q_target: = Gray Code beim Zielzustand für die Indexreferenz.

Es sei angenommen im nachstehenden, dass eine Hysterese von ½ Zustand verwendet wird. Gegeben einen Zielstand (Q_target) kann der Referenzpunkt etabliert werden aus vier Variablen. Die Art und Weise, in der diese Variablen verwendet werden, um den Referenzpunkt anzupassen, wird als Indexierungsalgerhythmus bezeichnet.
Wenn kein Zielzustand definiert wurde, dann muss der Indexierungsalgerhythmus in beide Richtungen ausgeführt werden. Die Ausgaben von jedem Durchlauf wenden evaluiert und ein Q_target ausgewählt. Dies wird später beschrieben.
Dies impliziert, dass ein Flag Ziel gültig (TV) existiert Es sei vorläufig angenommen, dass TV = 0, wenn kein Q_target definiert ist, und TV = 1, wenn es definiert ist.
Die Folgenden Variablen werden im dem Indexierungsalgerhythmus verwendet:

1. Positionszählerwert beim Beginn des Indexierens (steigende Kante des Indexpulses).
2. Drehrichtung. (Zählt der Positionszähler aufwärts oder abwärts durch das Indexierungsintervall).
3. Gray Code des Quadraturzustands beim Beginn des Indexieren.
4. Gesamtzahl an Quadraturzuständen in dem Indexierungsintervall.

Für TV = 0
Q_traget wird etabliert, indem der Indexierungsalgerhythmus in beide Richtungen ausgeführt wird Es werden die Algorhythmusausgaben (Q_kest+ und Q_kest-) für jede Richtung verglichen. Wenn sie gleich sind, dann wird dies der Zielzustand. Wenn sie sich um einen Zustand unterscheiden, dann lassen wir immer Q_kest = Q_kest-. (umgekehrt ist auch möglich). Ein konsistenter Ansatz ist am besten. Wenn Q_kest+ und Q_kest- sich um mehr als einen Zustand unterscheiden, dann liegt ein Hardwarefehler vor.
Für TV = 1
Der Algorhythmus berechnet k_target (Anzahl an Zuständen von dem Indexierungsbeginn zum Zielzustand (Q_target). Es sei bemerkt, dass Q_target der beste Zustand ist (am nächsten der Mitte des Indexierungsintervalls). Sobald Q_target bestimmt ist, wird die Referenzberechnung (Nullposition) wie folgt berechnet (Man beziehe sich auf den Definitionsabschnitt, der folgt): Für eine positive Richtung – P_Count_neu = P_Count_aktuell – [P_Count_^index + (k_target – 1)]. Gl. 1.
Es sei bemerkt, dass die Anpassung für k_target (–1 Term) deshalb ist, weil der k Zähler bei 1 startet nach dem Indexierungsstartereignis.
Für eine negative Richtung –

P_Count_neu = P_Count_aktuell – [P_Count_^index – (k_target – 1)]. Gl. 2.

Es sei bemerkt, dass die Anpassung für k_target (–1 Term) deshalb ist, weil der k Zähler mit 1 startet bei dem Indexierungsstartereignis. Dies ist gleich wie im Fall der positiven Drehung.

Phasen: Cal_Phase – Sowohl CCW als auch CW Richtung werden verwendet, um den Zielindexzustand zu bestimmen. WERKeinstellung.

Indexierungsalgerhythmus verwendet.

Index_Phase_dir – finde Referenzpunkt Indexierungsalgerhythmus verwendet.
Zero_Phase – Berechnung und Anwendung von Korrektur, so dass P_Count_traget = 0 (Zielort)

Wechsel in Absolutencodermodus.
Indexierungsalgerhythmus:
Die Aufgabe ist es, den Indexreferenzpunkt für entweder eine positive (CCW) oder negative (CW) Encoderdrehung zu finden.

Eingabe: k_traget und TV
Ausgabe: k_target
Variablen: P_Count_^index, Q_^index, K, und Dir.

Schritt 1
Bestimme k_ext

k_est = K/2 (für ein gerades K) oder (K + 1)/2 (für ungerade K). GL. 3.

Wir werden die Quadraturzustände identifizieren, beginnend mit der steigenden Kante des Indexpulses wie folgt (dies bildet ein Modulo 4 Muster):
Q₁, Q₂, Q₃, Q₄, Q₅, Q₆, Q₇, Q₈, Q₉, Q₁₀, Q₁₁, Q₁₂
Q₁, Q₂, Q₃, Q₀, Q₁, Q₂, Q₃, Q₀, Q₁, Q₂, Q₃, Q₀, ... (congruence)
Wo Q_^index = Q1
Schritt 2
Bestimme Q_kest
Der Quadraturzustand bei k_est (Q_kest) kann gefunden werden aus Qkest = Q{kest mod 4} Gl. 4.

Bemerke: Moduloarithmetik 0 mod 4 = 0 1 mod 4 = 1 2 mod 4 = 2 3 mod 4 = 3 4 mod 4 = 0 5 mod 4 = 1 6 mod 4 = 2

Bestimme Q_kest (fortgesetzt)
Wenn k_est mod 4 = 1 (z. B. k_est = 5 oder 9 oder 13 ...), dann ist Q_kest = Q₁. (Siehe auch 12A, 12B, 13A, 13B und 13C).
Die Q's werden zugewiesen durch Richtung und das zweite Element (siehe die klarstellende Bemerkung) wird adressiert durch die steigende Kante des Index. Die erzeugte Tabelle wird Offsettabelle genannt. Eine Bewegung nach unten in der Tabelle ist positiv (zunehmende Zellwerte), nach oben ist negativ. Dies ist unabhängig von der Drehrichtung.
Beispiel 1: Verwende Fig. 13A.
Für negative Lichtung Q1 = LH Tabelle 1 (Beispiel Offsettabelle)

Q₃ = HL [das HL, das Q₀ am nächsten liegt]
Q₀ = LL
Q₁ = LH (Indexbeginn) immer im Zustand ”Rest = 1”.
Q₂ = HH
Q₃ = HL
Q₀ = LL [LL, das Q₃ am nächsten liegt]

K = 10 oder 11, abhängig davon, ob man in dem roten oder dem blauen Intervall endet. Wir werden beide untersuchen.
Wenn K = 10, dann ist k_est = 10/2 = 5. 5 mod 4 = 1
Daher Q₅ = LH = Q₁.
Wenn K = 11, dann ist k_est = (11 + 1)/2 = 6. 6 mod 4 = 2
Daher Q₆ = HH = Q₂, oder der nächste Zustand von Q₁ in der Vorwärtsrichtung.
Dir wählt die Tabelle aus (tatsächliche Sequenz). Wir bewegen uns immer vorwäts oder rückwärts innerhalb einer ausgewählten Tabelle auf dieselbe Art und Weise, abhängig davon, ob die Bewegung positiv oder negativ ist.
Bemerkung: Da wir P_Count nicht referenziert haben, kann er nicht direkt verwendet werden, um den Gray Code abzuleiten.
Klarstellende Bemerkung für Offsettabellen
Ein fettgesetzter Text zeigt ein Ergebnis x mod 4 an. Wenn das Ergebnis an der Grenze (Q₀ oder Q₃) ist, muss die Tabelle um einen Zustand (kursiv gesetzt, Rückwärts (wenn @ Q₀/Vorwärts wenn @ Q₃) – hier sind beide Möglichkeiten gezeigt) erweitert werden. Die Suche wird immer bis zum nächsten Nachbarn ausgeführt.
Es sei angenommen, der Index tritt bei einem beliebigen Zustand (Q₁ = Q_C) auf. Wenn k_est mod 4 -> Q₀ (Q_B), und der Zielzustand ist Q_A, dann
Tabelle 2 (Offsettabelle mit Erweiterung)

Q₃ = Q_A [Q_A, das Q₀ am nächsten ist] [Falls benötigt]
Q₀ = Q_B ---------^
Q₁ = Q_C (Indexbeginn) immer im Zustand ”Rest = 1”.
Q₂ = Q_D
Q₃ = Q_A
Q₀ = Q_B [Q_B, das Q₃ am nächsten liegt] [Falls benötigt]
Offset = –1.

Schritt 3
Bestimme Offsetkorrektur
Wenn TV = 0, wird Q_kest von beiden Richtungen benötigt. Es liegt keine Äquivalenz zu Q_target vor, die zu testen wäre.
Rohdaten werden verwendet, um eine Zielentscheidung zu treffen. Es sollten die K's vor jedem Durchlauf überprüft werden. |K₊ – K_-| <= 2
Wenn TV = 1, wurde Q_target definiert.
Wenn Q_target = Qkest., k_target = k_est.
Andernfalls müssen wir eine Korrektur um einen Zustandszählwert (nach oben oder nach unten) ausführen. Wenn es einen Unterschied um mehr als einen Zustand gibt, ist ein Fehler aufgetreten. k_target = k_est + Offset. Wobei Offset = +1 oder –1. Gl. 5.
Bestimme Offsetkorrektur (fortgesetzt)
Beispiel 2: Verwende Fig. 13A
Q_target = LH = Q1 in der Offsettablle (Tabelle 1)
Table 1 (wiederholt)

Q₀ = LL
Q₁ = LH (Indexbeginn) immer im Zustand ”Rest = 1”.
Q₂ = HH -----------------^
Q₃ = HL
Mit K = 11, k_est = 6 und Q_kest = HH = Q₂ Verwende Gleichung 5.
Offset = k_target – k_est = –1 (Bewegung nach oben in der Offsettabelle von dem Schätzwert zum Ziel)

Daher ist k_target = 6 – 1 = 5
Die oben beschriebenen Strukturen und Verfahren haben eine Anzahl an signifikanten Vorteilen. Zum Beispiel wird eine optische Ausrichtung sehr einfach. Es werden keine Präzisionsgitter auf der Encoderskala oder Platzierung der Leseköpfe benötigt. Darüber hinaus ist die Spaltbreite (das heißt, die Breite der Indexmarkierung) groß im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen. Daher kann die Toleranz in der Spaltposition großer sein als in herkömmlichen Encodern. Daher können die oben beschriebenen Strukturen und Verfahren in einem Encoder resultieren, der günstiger und einfacher herzustellen ist und zu implementieren ist, wenn verglichen mit herkömmlichen Encodern.
Zusätzlich gibt es einen verbesserten Entwurfsbereich für mehrere Leseköpfe. Für Encoder mit sehr hoher Präzision sind zwei und vier Leseköpfe häufig. Konventionelle Indizierungsverfahren, gegattert oder ungegattert, müssen auf alle Leseköpfe simultan angewandt werden. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Leseköpfe niemals genau bei 180 Grad (bei 2 Leseköpfen) oder 90 Grad (bei vier Leseköpfen) von einander sein können, wird es Unterschiede zwischen Lesekopfpositionen innerhalb des Indexierungspulses geben. Das Auswählen eines besten Zustands ist schwieriger, da die Mitte für jeden Lesekopf versetzt ist. Im Gegensatz dazu verwendet in einer Ausführungsform der oben beschriebenen Struktur der Encoder einen breiten Index (320 Mikrometer Bogenlänge, 64 Quadraturzustände), daher ist dies von geringer Bedeutung. Unterschiede werden auch mit Bezug auf Temperaturdrift und Alterung minimiert.
Auch kann in einem herkömmlichen Encoder, wenn der Indexpuls 5 oder mehr Quadraturzustände enthält, ein redundanter Zustand ausgewählt werden. Dies muss überprüft und korrigiert werden (üblicherweise durch Hardware, z. B. durch einen Kabeltausch). Die oben beschriebene Struktur und Technik ist durch ihr Design nicht von dieser Art von redundanten Zuständen der Einflusspunkt.
Zusätzlich können die oben beschriebenen Techniken und Strukturen verwendet werden mit Multimodus (das heißt, nicht-Gauß'schen) sowie auch Einzelmodus (das heißt, Gauß'schen) Laserdioden. Die Vorrichtung ist hinsichtlich Strahlprofilen unempfindlich. Es kann auch eine LED als eine mögliche Lichtquelle anstatt des VCSEL verwendet werden Die Flexibilität in Lichtquellen hilft dabei, Kosten zu minimieren. Multimodus VCSEL und LED's können günstiger und zuverlässiger sein als Einzelmodusdioden, sowie es auch einfache Gittermuster sein können.
Es sei auch bemerkt, dass unerwünschte Reflekionen von der Encoderscheibe vermindert werden können, indem ein optisches Schwarz (das heißt, ein Licht absorbierender Bestandteil) auf die hintere Oberfläche der Encoderskala angewandt wird. Der optisch schwarze Bestandteil kann auch auf die Vorderseite der Encoderskala in einer alternativen Ausführungsform angewandt werden. Darüber hinaus können die oben beschriebenen Schichten von geringer Reflektivität und hoher Reflektivität auch unerwünschte Reflexionen vermindern.
Zum Beispiel verwendet das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebene Struktur zwei komplementäre (das heißt, boolsche Interpretation) reflektive Spuren, die an gegenüberliegenden Seiten des Quadratursignalgitters sind. Da das Indexierungsverfahren zwei reflektive Pfade auf jeder Seite des Laserstrahls verwendet, müssen sie ausgerichtet sein mit ihren jeweiligen Fotoerkennern (2) und jeder ausreichend Energie zum Signalwechsel empfangen.
Wenn der dunkle Pegel jedes Indexsignals derselbe ist, dann ist ein Wechselt bei dem Indexintervall garantiert, solange die einzelnen Signalen größer sind als der Rauschpegel Spitze zu Spitze plus Hysterese.
Es ist in einzelnen Fällen möglich, dass das Markierungskanalsignal 48 (das heißt, das Signal, das durch die reflektive äußere Indexmarkierung verursacht wird) des Indexsignalpaars einen Gleichspannungsoffset hat. Mit anderen Worten stimmte das Markierungssignal 48 nicht mit mit dem niedrigsten Pegel des Raumsignals 46 (das heißt, die nicht reflektive innere Indexsmarkierung) überein. Da in diesem Gleichspannungsoffset ein Abfall 110 erkannt wurde gerade bevor der Reflektion 112 (siehe 15 und 16), wurde vermutet, dass eine Reflektion von der hinteren Oberfläche der Encoderskala der Schuldige war. Der Abfall 110 resultiert aus einer Reflektion von der Hinterseite der Encoderskala, die vermindert wird, wenn der Markierungsreflektor in Sicht kommt.
Wenn die Rückseite der Skala mit einem optischen schwarz oder einer flachen schwarzen Farbe (siehe 17, 18 für die Vorderseite einer Encoderseite, und 19 für die Rückseite, die mit schwarz bemalt ist) bemalt ist, verschwindet der Offset. Wegen der breiten Beleuchtung und des breiten Verarbeitungsbereichs, der durch die oben beschriebene Struktur verwendet wird, ist die Vorrichtung empfänglicher für unerwünschte Reflektionen als herkömmliche Vorrichtungen.
Das Schwärzen aller Oberflächen innerhalb der Baugruppe, in der die Encoderscheibe verwendet wird, verbesserte weiter die Qualität der Lissajoussignale (wobei die Eingänge des Lissajous die zwei Kanäle des Quadratursignals sind). Es sei bemerkt, dass diese Technik auch an herkömmlichen Vorrichtungen ausprobiert wurde und sich die Lissajousverzerrungen auch verbessert hatten (verbesserte Kreisqualität). Dies deutet auf die Tatsache hin, dass Reflektionen die Hauptquelle von Lissajousverzerrungen wie einer elliptischen Form, Rauschkreisen und irregulären Kreisen (z. B. kartoffelförmig) sind.
Es scheint daher, dass alle Entwürfe von verminderten Reflektionen profitieren. Ein optisches Absorptionsmaterial, das auf die Rückseite (oder Vorderseite, außerhalb des Gitters oder den Indexreflektoren) angewandt wird, oder Schichten mit niedriger Reflektivität oder hoher Reflektivität, können die Lesekopfleistungen verbessern. Zum Beispiel kann das Signalrauschverhältnis für das Indexsignal verbessert werden und bessere Quadratursignale können erhalten werden wegen verminderter Spiegelungen.
Es wird auch verstanden werden, dass die absorbierende Beschichtung oder Schichten mit niedriger Reflektivität und hoher Reflektivität optimiert werden können für die bestimmte Wellenlänge des Lichts, das durch das Beleuchtungssystem emittiert wird.
Es sei auch bemerkt, dass die Ausführungsform der 17 bis 19 einen klaren Bereich in der Mitte der Encoderscheibe 30 aufweist. Dieser klage Bereich erlaubt es, dass ein UV-Kleber angewandt wird, um den Encoder dieser Ausführungsform in ein Gehäuse zu befestigen.

Bezüglich Encodern mit zwei Chromschichten (wie der Encoder 400, der in den 41 und 42 zu sehen ist), wurde Kalibration und Test ausgeführt, um die Leistungsfähigkeit der Encoder zu evaluieren. Die Ergebnisse sind unten in der Tabelle 1 zusammengefasst. Die linke Spalte der Tabelle 1 zeigt die Seriennummer des getesteten Encoders an und die rechte Spalte der Tabelle 1 ist das Sigma des Encoders, gemessen in Grad. Tabelle 1

RH SN	Sigma (Grad)
18	0.00012
36	0.00009
45	0.00011
58	0.00009
60	0.00011
62	0.00009
68	0.00009
69	0.00011
71	0.00009
75	0.00009
76	0.00011
80	0.00010
87	0.00011
92	0.00009

Mittelwert	0.000099
Standartabweichung	1.07161E-05

Es sei bemerkt, dass diese Ergebnisse eine Verbesserung von mindestens 25% über herkömmliche Encoderköpfe anzeigen.
Die 43 bis 46 zeigen Kalibrierungsdaten für Leseköpfe. Die 43 bis 44 zeigen Daten vor Verstärkugsmodifikation und 45 bis 46 zeigen Daten nach Verstärkungsmodifikation. Die 43 zeigt Lissajouskurven 900, 902, basierend auf Lesekopfsignalen. In 44 zeigen die Linien 904, 906 Fehler in den Lesekopfpositionen (der Klarheit wegen versetzt). Die obere Linie 908 ist ein Plot der mittleren Position von zwei Leseköpfen in Richtung im Uhrzeiger. Die untere Linie 910 ist ein Plot der mittleren Position der zwei Leseköpfe in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn. Die mittlere Linie 912 ist eine mittlere Position der Leseköpfe aus beiden Richtungen. Die 45 zeigt Lissajouskurven 920, 922 basierend auf Lesekopfsignalen. In 46 zeigen Linien 924, 926 Fehler in den Lesekopfpositionen (versetzt der Klarheit wegen). Die obere Linie 928 ist ein Plot der mittleren Position von zwei Leseköpfen in Richtung im Uhrzeigersinn. Die untere Linie 930 ist ein Plot der mittleren Position der zwei Leseköpfe in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn. Die mittlere Linie 932 ist eine mittlere Position der Leseköpfe aus beiden Richtungen.
Die 47 bis 49 zeigen Ausgaben von einem Encoder mit zwei Chromschichten, der zum Testen der Leistungsfähigkeit verwendet wurde. In den 47 bis 49 zeigt die Linie 600 einen Ring mit einer reflektiven Indexmarkierung, die Linie 602 repräsentiert einen Ring mit einer nicht reflektiven Indexmarkierung und die Linie 604 repräsentiert ein Quadratursignal.
Unter Verwendung der Struktur mit zwei Chromschichten zeigen die 47 bis 49, dass die Schwarzpegel von einem nichtreflektiven Ring mit einer reflektiven Markierung und einem reflektiven Ring mit einer nichtreflektiven Markierung unter 0,35 VDC waren, und innerhalb von 0,16 VDC aneinander angepasst waren. Im Mittel wurde die Schwarzpegelspannung für den nichtreflektiven Ring und mit reflektiver Markierung als 0,16 VDC gemessen und die Schwarzpegelspannung für den reflektiven Ring mit nicht reflektiver Markierung wurde als 0,26 VDC gemessen.
Bezüglich des Quadratursignalpegels sind in einer Chromschichtstruktur die Spezifikationen wie folgt:
Sinusoidaler (Phasen) DC beziehungsweise Gleichspannungsoffset = 1,4 +/– 0,8 VDC
Sinusoidaler (Phasen) Wechselstrom beziehungsweise AC Signal = 0,4 Vp-p bis 2,2 Vp-p
Die Spezifikation der Elektronik außerhalb des Gehäuses ist wie folgt:
Sinusoidaler (Phasen) Gleichspannungs- beziehungsweise DC Offset (beim DSP) = 1,67 +/– 0,3 VDC
Sinusoidaler (Phasen) AC beziehungsweise Wechselspannungssignal (beim DSP) = 0,45 bis 2,70 p-p (1,1 Vp-p typisch)
In einer Struktur mit zwei Chromschichten ist die Transferfunktion des Lesekopfs gedämpft um einen Faktur von 0,8. Eine Verstärkungsanpassung kann gemacht werden auf den Karten des Gehäuses falls notwendig. Zum Beispiel können Eingangsdämpfungswiderstandswerte geändert werden von 20 k auf 13 k. Alternativ kann die Messverstärkerverstärkung geändert werden von 2,42 auf 3,0, indem Verstärkungswiderstände von 34,8 k auf 24,9 k geändert werden.
Insgesamt verbessert die Struktur der zwei Chromschichten auf dem Encoderglas die des Gehäusesystems auf zwei Weisen. Zuerst werden die unerwünschten Reflektionen gedämpft, was die Indexsignale durch vermindern von Gleichspannungsoffset verbessert. Zweitens werden die Quadratursignale konsistenter und haben weniger räumliches Rauschen.
Es wurde auch gefunden, dass die Quadratursignalqualität sich nicht signifikant ändert, wenn sich das Strahlprofil eines VCSEL von einer Gauß'schen Form zu einer nicht-Gauß'schen Form ändert. Die oben beschriebene Vorrichtung kann ein Multimoduslaserprofil mit einem optischen Leistungsüberwachungsschema steuern.
Multimoduslaser weisen Gauß'sche Strahlprofile bei geringen Treiberströmen auf und wechseln in ein Laguerre-Gauß'sches {1,0} Profil (3-D-Erscheinung ist ähnlich derjenigen eines Vulkans – mit einer Verminderung in optischer Leistung in Richtung zur Mitte hin – dem „Krater”) bei höheren VCSEL-Strömen (siehe 20, die verschiedene Profile 300, 302, 304, 306, 308 eines Multimodus-VSCEL zeigen). Es sei bemerkt, dass die Strahlbreite mit dem VCSEL-Strom zunimmmt, wenn im Multimodus, wie in 21 gezeigt. Zum Beispiel ist in 21 das Strahlprofi1 310 das Strahlprofil bei 4 mA Strom und das Strahlprofil 412 ist das Strahlprofil bei 6 mA Strom.
Die oben beschriebenen Quadratursignale sind relativ verzerrungsfrei sowohl im Gauß'schen als auch im nicht-Gauß'schen-Modus wegen der weiten räumlichen Sammlung von Energie wegen der Beugung.
Während Experimenten wurde der VCSEL-Strom vermindert bei Verwendung von VCSEL's mit schmalem Strahl (Laserstrahltaille in der Größenordnung von 12 Grad. Bei nominaler Vorspannung (4,75 mA) wurden Lissajouskreise guter Qualität angezeigt. Dies war im Wesentlichen ein LG {1,0} Profil. Mit Verminderung des VCSEL-Stroms unter 4,3 mA wurde beobachtet, dass der Kreis zunahm (erhöhte Signalstärke). Jedoch verblieb die Kreisqualität dieselbe. Dies setze sich fort bis zu etwa 3 mA, und dann begann der Kreis, kleiner zu werden.
Dieses Phänomen beruhte auf der Zunahme in optischer Energie, die auf das Gitter der Encoderskala angewandt wurde, wenn die Strahlform von LG nach Gauß'sch wechselte. Es sei bemerkt, dass während dieses Übergangs eine Verminderung im VCSEL-Strom in einer ZUNAHME in Quadratursignalstärke resultiert.
Für VCSEL's, die hauptsächlich Gauß'sch sind (weite Strahlen mit einer Taille von 20 Grad oder mehr verbleibt die Kreisqualität gut, aber die Quadratursignale variieren linear und monoton mit den VCSEL-Strom.
Für zumindest eine Ausführungsform der oben beschriebenen Vorrichtung wird der VCSEL-Strom so eingestellt, dass die engstrahligen VCSEL's weit innerhalb des nicht-Gauß'schen Bereichs sind. Dies vermeidet einen nicht monotonen Modus, der dazu führen würde, dass der Kreis der optischen Leistung der Laserleistungssteuerung instabil wird.
Ein Verfahren des Steuerns einer Laserdiode oder LED (emittierendes Element) ist über eine Konstantstromquelle. Diese Technik minimiert, dass die Empfindlichkeit zu der Vorwärtsdiode abfallt wegen der Temperatur. In einigen Fällen wird eine Erfassung der Temperatur verwendet, um den Strom anzupassen und die Drift der optischen Ausgabe wegen der Temperatur zu kompensieren.
Ein zweites Verfahren verwendet ein optisches Feedback zum kompensieren. Die optische Leistung wird durch einen separaten Fotoerkenner gemessen, entweder innerhalb derselben Packung oder einem separaten Fotosensor.
Der vorliegende Encoder verwendet vorzugsweise das zweite Verfahren, aber mit einem zusätzlichen Zweck Die Leistungseinstellung eines Multimodus VCSEL kann zu deutlichen Änderungen in der Strahlungsbreite und -form führen. Diese Charakteristik wird verwendet, um das Signalrauschverhältnis aufgrund räumlicher Verzerrung zu optimieren.
Daher gibt es Vorteile über das Kompensieren des Sinus/Kosinus Indexkanals für Temperaturdrift und Alterung hinaus.
Optische Encoder verwenden Präzisionslineaturen auf linearen oder rotativen Glasskalen. Diese Lineaturen stellen eine Positionsreferenz bereit, die verwendet werden kann, um eine relative Bewegung zwischen einem optischen Lesekopf und der Skala zu messen. Oftmals werden zwei Sinussignale in Quadratur ausgegeben. Messelektroniken zählen Nulldurchgänge und können auch zwischen Nulldurchgängen interpolieren.
Der vorliegende Encoder basiert auf der nicht direkten Bildgebungstechnik, die Talbot Bildgebung genannt wird. Dieser Encodertyp verwendet Interferenz zwischen Gitterbeugungsordnungen. Für Talbot Bildgebung erzeugt Interferenz zwischen überlappenden Beugungsordnungen ein Pseudobild, das den Skalenlineaturen ähnelt.
Die 22 stellt das Beugungsmuster des vorliegenden Encoders dar. Die gewünschte Information kommt von dem +1 Beugungsband 320 und –1 Beugungsband 322. Jedoch wird keine Maske verwendet, um eine räumliche Filterung auszuführen wie im US Patent Nummer 7,002,137 im Namen von Thorburn. Stattdessen werden alle der Beugungsordnungen dem Sensorkopf bereitgestellt und dann filtert ein Algorithmus diese elektronisch
Laserdioden Einzelmodus und Multimoduslaserdioden
Einzelmodus (bezeichnet TEM 00) Laser erzeugen einen einzelnen runden Punkt mit einem Gauß'schen profil 200, wie in den 22 und 24 gezeigt.
Multimoduslaser auf der anderen Hand weisen Resonanzgebiete auf. Verschiedene Spitzen und Täler können auftreten. Zum Beispiel zeigen die 25 bis 28 dreidimensionale Ansichten verschiedener möglicher Strahlprofile 340, 342, 344 und 346 von Multimoduslasern. Die 29 zeigt Querschnitte 350 bis 357 verschiedener möglicher Strahlprofile.
VCSEL Strahlprofile:
Multimodus VCSEL's erzeugen normaler Weise Muster basierend auf Laguerre-Gauß'schen (LG) Profilen. Bei niederer Leistung stellen sie ein Gauß'sches Profil bereit, bei höheren Leistungspegeln sind LG [1,0] üblich, wie in den 30 bis 32 zu sehen. Zum Beispiel zeigt die 32 verschiedene Ansichten eines Strahlprofils 360 eines Multimoduslasers.
Der vorliegende Encoder verwendet vorzugsweise einen LG [1,0] VCSEL, der eine allgemeine Profil/Stromübertragungsfunktion (wenn im Multimodus) hat, die in 33 gezeigt ist. Tatsächliche Testdaten können in den 34 bis 37 gesehen werden. So zeigen die 34 und 35 ein Strahlprofil 380 bei 2,75 mA. Die zwei Linien in 34 entsprechen dem Profil in der X-Richtung und der Y-Richtung. Ähnlich zeigen die 36 und 37 ein Strahlprofil bei 4,75 mA.
Die 38 zeigt eine mögliche, Ausführungsform einer Schaltung 400 zur Steuerung der optischen Leistung eines VCSEL. Man bemerke, dass in der in 38 gezeigten Ausführungsform der Widerstand R14 programmierbar ist (das heißt, Steuerung des Sollwerts).
Die Möglichkeit, die Form des Laserstrahls zu steuern, ermöglicht eine Optimierung der Leistungsfähigkeit.
Ein Encoder kann bei einer bestimmten Frequenz (durch einen Motor) gedreht werden und eine DFT (diskrete Fouriertransformation) ausgeführt werden. Daher kann der optische Leistungssollwert eingestellt werden, um das beste Signalrauschverhältnis (SNR) zu erhalten, und räumliche harmonische Verzerrung wird minimiert.
Zusätzlich hilft die oben beschriebene Leistungssteuerung dabei, Quadratur und Indexsignaldrift aufgrund von Temperatur und VCSEL-Alterung zu kompensieren.
Die oben beschriebene VCSEL-Profilsteuerung hat eine Anzahl an Vorteilen im Vergleich zu herkömmlichen Profilsteuerangen.
Wenn zum Beispiel die Spitzen des Laserstrahlprofils in die Nähe der Orte der +/–1 Beugung gebracht werden, sind räumliche harmonische höhere Ordnung vermindert im Vergleich zur räumlichen harmonischen der ersten Ordnung (bestehend aus der +/–1 Beugungsordnung. Es ist jedoch auch wichtig zu bemerken, dass es hierin nicht notwendig in diesem Verfahren ist, eine physische Maske zu verwenden, um unerwünschte harmonische zu blockieren. Dies zumindest aus dem Grund, dass eine digitale Signalverarbeitung (DSP) verwendet werden kann anstelle räumlicher Filterung und/oder Masken zum Beispiel zu verwenden. Mit anderen Worten können alle der harmonischen, wie Strahlen fünfter Ordnung oder höher, nutzbar oder nicht, den Detektor erreichen, falls gewünscht. Dies vereinfacht die Konstruktion signifikant im Vergleich zum Stand der Technik.
Darüber hinaus sind Multimodus (das heißt nicht-Gauß'sche) Laserdioden verlässlicher als Singlemoduslaserdioden. Die Konstruktion ist robuster, da das Leistungshandling für Multimodus VCSEL's höher ist. Im Gegensatz dazu sind Einzelmoduskanäle schmal, um Resonanzen zu Vermindern, und sie tendieren dazu, sehr sensitiv auf Spannungsstress und elektrostatische Entladungen zu sein. Auch können Kosten minimiert werden durch die Verwendung von Multimodus VCSEL's, da feinere Techniken verwendet werden müssen, um das rein Gauß'sche Strahlprofil eines Einzelmodus zu erzeugen.
Die 39 zeigt eine andere mögliche Ausführungsform der VCSEL-Steuerung. Zum Beispiel kann die VCSEL-Komponente D10 eine Metallpackung, ein Fenster (zum Schutz vor Staub), den VCSEL 300 und einen Fotodetektor 302 aufweisen. Ein kleiner Anteil des Laserlichts wird von dem Fenster zurückreflektiert und erregt den Fotodetektor 302. Daher kann der Anteil der optischen Energie, die übertragen wird, erhalten werden, indem der Strom des internen Fotodetektors überwacht wird.
Die 40 zeigt zumindest eine mögliche Ausführungsform eines VCSEL 300. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen bestimmten VCSEL beschränkt und jeglicher andere geeignete VCSEL, LED oder andere geeignete Lichtquelle kann verwendet werden. Die 40 zeigt auch ein Fenster 301 als Teil des VCSEL.
Wie in 39 zu sehen wird der von dem Fotodetektor 302 zurückgeführte Strom mittels des Widerstandes R7 oder des Widerstandes R7 parallel mit dem Widerstand R8 in eine Spannung (V_MON) gewandelt. Die Parallelkombination wird verwendet, wenn der dynamische Steuerbereich erhöht werden soll. Es sei bemerkt, dass der Widerstand R17 normalerweise nicht bestückt ist, wenn ein Widerstand von 0 Ohm in diese Position bestückt wird, kann die Parallelkombination gebildet werden.
Der Operationsverstärker U1 und der Transistor Q1 bilden einen Spannungs/Stromwandler. V_Bias ist die Einstellspannung beziehungsweise Betriebspunktspannung. Die Rückführschleife, gebildet durch den Operationsverstärker U1, Transistor Q1, Kondensator C4, VCSEL-Komponente D10 und dem Widerstand R7 (oder dem Widerstand R7 parallel mit dem Widerstand R8) ändert den Strom in der Laserdiode (LD) bis V_MON = V_BIAS. Das heißt, die optische Leistung wird eingestellt, indem der VCSEL-Strom verändert wird, bis der Rückführungsstrom·R7 (oder Widerstand R7 parallel mit Widerstand R7 und R8) gleich V5 ist.
Der Operationsverstärker U1 verstärkt den Fehler zwischen V_MON und V_BIAS. Der Kondensator C4 gibt die Bandbreite vor. Die Ausgangsspannung (Vout – U1 pin 1) des Operationsverstärkers U1 wird durch den Widerstand R9 an die Basis des Transistors Q1 angewandt.
Der Emitterstrom des Transistors Q1 ist ungefähr [Vout – Vbe]/R13, wobei Vbe die Basis-Emitterspannung des Transistors Q1 (ungefähr 0,7 Volt) und R13 der Widerstandswert des Widerstands R13 ist. Es sei bemerkt, dass der Effekt des Widerstand R9 vernachlässigt werden kann, aufgrund der Tatsache, dass der Basisstrom viel kleiner ist als der Emitter- oder Kollektorstrom, um einen Faktur Beta (ungefähr 180). Der Kollektorstrom des Transistors Q1 ist gleich dem VCSEL-Strom und ist ungefähr gleich dem Emitterstrom, der durch die obige Emitterstromgleichung gegeben ist.
V_BIAS wird bestimmt durch die Referenzdiode (2,5 V) und den Spannungsteiler, der durch den Widerstand R14 und den Widerstand R12 gebildet ist.
V_BIAS ist normalerweise so gewählt, einen nominelle optische Leistung oder VCSEL-Strom bereitzustellen. In jedem Fall wird aufgrund der Rückführung die optische Leistung konstant verbleiben über Temperatur und Komponentenveränderung (zum Beispiel Alterung) hinweg.
Es wird auch verstanden werden, dass Multimodus VCSEL's eine nicht vorhersehbare Strahlform über Variationen in Temperatur haben können. Dies kein zu nicht linearen Drifts der Amplitude und Offset für die Quadratursignale führen, die zur Interpolation der Position verwendet werden. Daher werden herkömmliche Vorrichtung wesentliche Schwierigkeiten haben, einen VCSEL zu implementieren, und es ist notwendig, eine dynamische Anpassung von Verstärkung und Offset zu implementieren, damit VCSEL für Encoder brauchbar werden.
Ein Beispiel einer dynamischen Anpassung von Verstärkung und Offset ist unten beschrieben. Während die untenstehende Diskussion sich auf einen einzelnen Encoderlesekopf bezieht, wird verstanden werden, dass das dynamische Anpassungsverfahren auch in Systemen mit mehreren Leseköpfen inkorporiert werden kann.
Die 56 ist ein Schaltungsdiagramm, um zumindest eine Ausführungsform einer dynamischen Anpassung von Verstärkung und Offset darzustellen. Wie in 56 zusehen, werden Rohdaten durch einen Lesekopf 1000 erfasst. Bei 1002 können diese Rohdaten geparst werden in einen Grobzählwert 1010, ersten Feinzählwert 1012 und zweiten Feinzählwert 1014. Es wird verstanden werden, dass die Feinzählwerte 1012, 1014 die zwei Kanäle des Feinzählwerts darstellen.
Zusammengefasst hat die dynamische Anpassung drei unterschiedliche Prozessschritte: Daten Qualifikationsvorfilterung 1020, max./min. Filterung mit gleitendem Durchschnitt 1030 und Wertkorrektur 1040, 1050. Nachdem die Daten geparst wurden in 1002 wird der Feinzählwert bei 1020 vorgefiltert. Die Vorfilterung wird verwendet, um die drei größten und die drei kleinsten Sample bzw. Abtastwerte in der Datenmenge zu erfassen. In zumindest einer Ausführungsform werden Schwellwertpegel für die max. und die min Daten verwendet. Zum Beispiel kann ein Schwellenwert von 50% oder ein geeigneter anderer Wert verwendet werden.
Die 57 zeigt zumindest eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Erfassen der drei größten und der drei kleinsten Abtastung der Datenmenge.
Bei 1003 wird zuerst evaluiert, ob der Feinzählwert positiv ist. Wenn der Feinzählwert positiv ist, ist er ein Kandidat für einen Maximalwert. Wenn er negativ ist, ist er ein Kandidat für den niedrigsten Wert. Es gibt ein Datenfeld sowohl für die positiven als auch für negative Werte. MaxWert (0), MaxWert (1), MaxWert (2) sind die Maximalwerte, wobei MaxWert (0) der höchste ist. Auf ähnliche Weise sind MinWert (0), MinWert (1), MinWert (2) die Minimalwerte, wobei MinWert (0) der niedrigste ist.
Im Schritt 1302 wird der Feinzählwert mit MaxWert (0) verglichen. Wenn der Feinzählwert größer ist als MaxWert (0), dann wird der Feinzählwert der neue MaxWert (0) und die anderen Mitglieder des Datenfeldes werden umgeordnet (siehe hier Schritt 1304). Andernfalls wird der Feinzählwert mit MaxWert (1) im Schritt 1306 verglichen. Wenn der Feinzählwert größer ist als MaxWert (1), dann wird der Feinzählwert der neue MaxWert (1) und MaxWert (2) wird entsprechend angepasst (siehe Schritt 1308). Andernfalls wird der Feinzählwert mit MaxWert (2) verglichen in Schritt 1310. Wenn der Feinzählwert größer ist als MaxWert (2), dann wird der Feinzählwert der neue MaxWert (2) (siehe Schritt 1312). Wenn der Feinzählwert kleiner ist als jeder Wert des Datenfeldes max. Wert, dann wird der Feinzählwert verworfen (siehe Schritt 1313).
Es wird verstanden werden, dass einem ähnlichen Vorgehen gefolgt werden kann für jeden Wert des Datenfeldes min. Wert, falls der Feinzählwert negativ ist (siehe Schritt 1314 bis 1326 in der 57). Nachdem der Feinzählwert entweder in einem der Felder gespeichert wurde, oder verworfen wurde, wird evaluiert, ob die Vorfilterung vollendet ist (siehe Schritt 1328).
Sobald die drei größten und die drei kleinsten Abtastungen erfasst wurden, können Screeningverfahren auf die Daten angewandt werden. Wenn die Daten die Screeningchecks bestehen, werden der höchste (maximale) Wert und der niedrigste (minimale) Wert akzeptiert zur Verwendung in weiteren Berechnungen. Es wird verstanden werden, dass ein maximaler und ein minimaler Wert für jeden Feinzählwert 1012, 1014 gefunden werden. Wenn das Screening erfolgreich durchlaufen wurde, wird die Vorfilterung 1020 zum Beispiel ein erstes Feinzählwertmaximum max_A, ein erstes Feinzählwertminimum min_A, ein zweites Feinzählwertmaximum max_B und ein zweites Feinzählwertminimum min_B) zurückliefern.
Das erste Screeningverfahren ist es, zu bestimmen, ob jeder der drei höchsten Werte innerhalb eines vorbestimmten Bereichs ihres Medians sind, und ob jeder der drei niedrigsten Werte innerhalb eines vorbestimmten Bereichs ihres Medians sind.
Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform der vorbestimmte Betrag 1% sein. Daher sollte für die drei höchsten Werte der geringste von diesen dreien größer als oder gleich 0,99* dem Medianwert sein, und der höchste der drei sollte weniger als oder gleich 0,99* dem Medianwert sein. Ähnlich sollte für die drei geringsten Werte der höchste Wert kleiner als oder gleich 0,99* dem Medianwert und der geringste Wert sollte größer als oder gleich 1,01* dem Medianwert sein (es sei bemerkt, dass die drei geringsten Werte negativ sein sollten).
Wenn die obigen Bedingungen erfüllt sind wird ein zweites Screening ausgeführt. Das zweite Screening evaluiert, ob der Maximalwert und der Minimalwert innerhalb von 10% des entsprechenden Filters mit gleitendem Durchschnitt 1030 sind. Dieses Screening nimmt an, dass der Filter mit gleitendem Durchschnitt 1030 zuerst vollständig gefüllt wird. Zum Beispiel beinhalten in zumindest einer Ausführungsform der Filter mit gleitendem Durchschnitt 1030 fünf Abtastwerte. Das Filter mit gleitendem Durchschnitt 1030 wird in größerem Detail unten beschrieben werden. Wenn die Maximal- und Minimalwerte das Screening erfüllen, dann werden die Maximal- und Minimalwerte in die entsprechenden Filter mit gleitendem Durchschnitt inkorporiert und die ältesten Werte werden von dem Abgriffsregister entfernt.
Es sei bemerkt, dass in zumindest einer Ausführungsform eine Datenerfassungsperiode ungefähr 4 ms. (eine Rate von 250 Hz) ist und die lokale Abtastrate ist. Daher werden 1000 Abtastwerte in ungefähr 4 Sekunden gesammelt und T = 4 s ist die Aktualisierungsrate für das Filtern mit gleitendem Durchschnitt.
Sobald die Vorfilterung 1020 vollendet ist wird das Filter mit gleitendem Durchschnitt 1030 aktualisiert mit den neu gefundenen Minimal- und Maximalwerten. Es wird verstanden werden, dass es ein Filter mit gleitendem Durchschnitt für die Minimal- und Maximalwerte des ersten Feinzählwerts 1012 und des zweiten Feinzählwerts 1014 geben wird, wie in 56 als ave_maxA, ave_min_A, ave_max_B und ave_min_B gezeigt. Das Filter mit gleitendem Durchschnitt 1030 ist unten diskutiert.
Für ein kausales (M + 1 Punkt) Filter mit gleitendem Durchschnitt (MAVF)-
Die Verzögerung (τ) ist MT/2 (T ist die Abtastrate) und mit M = 4 für ein Filter mit 5 Punkten, τ = 2T. Mit T = 4 Sekunden (siehe oben) ist dann die Filterverzögerung 8 Sekunden in einer Ausführungsform. Temperaturvariationen sind viel langsamer im Vergleich dazu.
Es sei angenommen, dass das MAF initialisiert wird mit Maximal- und Minimalwerten, die während einer Kalibrierung erhalten wurden.
Eine kleine Verbesserung in Effizienz der Berechnung kann erhalten werden, wenn das Mittel auf rekursive Art berechnet wird. Eine rekursive Lösung ist eine Lösung, die von einem zuvor berechneten Wert abhängt Um dies zu veranschaulichen, sei die folgende Entwicklung betrachtet:
Es sei angenommen, dass zu jedem Zeitpunkt k das Mittel der letzen n Abtastwerte einer Datensequenz x_i gegeben ist durch:
Auf ähnliche Weise ist das Mittel der letzen n Abtastungen zum vorhergehenden Zeitpunkt k – 1:
Daher,
Nach Umordnung ergibt dies: x _k = x _k-1 + 1 / n[x_k – x_k-n]
Dies ist als gleitender Durchschnitt bekannt, da der Durchschnitt zu jedem Zeitpunkt k auf der aktuellsten Menge von n Werten beruht. Mit anderen Worten wird zu jedem Zeitpunkt ein gleitendes Fenster von n Werten verwendet, um den Mittelwert der Datensequenz zu berechnen. In 58 zum Beispiel gibt es drei Fenster 1100, 1102 und 1103, welche jeweils aus n Werten bestehen.
Wenn als ein Filter verwendet, wird der Wert von x _k als der gefilterte Wert von x _k genommen. Der Ausdruck ist rekursiv, da der Wert von x _k berechnet wird unter Verwendung des vorhergehenden Werts x _k-1 als Referenz.
Es kann gesehen werden, dass mit der rekursiven Berechnung es nur notwendig ist, eine Division, eine Addition und eine Subtraktionsoperation auszufahren. Dies ist immer der Fall, unabhängig von der Anzahl der betrachteten Datenpunkte (n). Jedoch erfordert die Berechnung des gegenwärtigen gefilterten Werts die Verwendung von x _k-n, das heißt, den Messwert um n Zeitschritte in der Vergangenheit.
Sobald die Vorfilterung 1020 und das Filter mit gleitendem Durchschnitt 1030 vollendet wurden, können die Zielwerte und Korrekturfaktoren berechnet werden bei 1040 und dann können die Datenwerte korrigiert werden bei 1050.
Es ist zuerst notwendig, eine Anzahl von Werten zu definieren und zu berechnen, die zur Wertkorrektur verwendet werden (das heißt, die Berechnungen durchführen bei 1040).
Die Zielverstärkung G_cal wird berechnet gemäß der Berechnung G_cal = (ave_max_A – ave_min_A)/2.
Der Zieloffset OFFSFT_cal wird berechnet gemäß der Berechnung OFFSET_cal = (ave_max_A + ave_min_A)/2.
Die Verstärkung des Datenabtastwerts G_A wird berechnet gemäß der Gelichung G_A = (max_A – min_A)/2.
Der Offset des Datenabtastwerts OFFSET_A wird berechnet gemäß der Gleichung OFFSET_A = (max_A + min_A)/2.
Der Verstärkungskorrekturfaktor GF_A wird berechnet gemäß der Gleichung GF_A = G_cal/G_A.
Der Offset Korrekturfaktor ΔOFF_A wird berechnet gemäß der Gleichung ΔOFF_A = OFFSET_cal – OFFSET_A.
Unter Verwendung dieser berechneten Werte von 1040 können die Werte des ersten Feinzählwerts 1012 korrigiert werden bei der Wertkorrektur 1050 gemäß der Gleichung: CFC_A = (GF_A·FC_A) + ΔOFF_A, worin FC_A der Feinzählwert 1012 und CFC_A der korrigierte Feinzählwert für den Feinzählwert 1012 ist In einer möglichen alternativen Ausführungsform kann der Offset zuerst hinzugefügt werden, bevor die Multiplikation mit dem Verstärkungskorrekturfaktor erfolgt, das heißt, CFC_A = GF_A·(FC_A + ΔOFF_A).
Die obigen Gleichungen beziehen sich auf den ersten Feinzählwert 1012, aber es wird sofort verstanden werden, dass dieselben Berechnungen für den zweiten Feinzählwert 1014 ausgeführt werden können. Zusätzlich wird verstanden werden, dass dieselben Berechnungen für erste und zweite Feinzählwerte auf einer Vielzahl von Leseköpfen gebildet werden können.
Sobald der korrigierte Feinzählwert berechnet wurde, ist es möglich, den Großzählwert zu korrigieren. Eine Korrektur des Grobzählwerts ist notwendig, da ein Offset in dem Feinzählwert in Fehlern in dem quantisierten Quadratursignal führen kann.
Zum Beispiel zeigen die 59 bis 60 Signale 1200, 1202, die ein Quadratursignal bilden. Die 59 zeigt, dass, wenn ein positives Gleichspannungsoffset vorhanden ist, dein Hochpulse fehlerhaft verbreitet werden und Niedrigpulse fehlerhaft verkürzt werden. Mit anderen Worten, wenn eine Messung einen Wert zurückliefert, der in den Bereichen 1204 liegt, wird dies fehlerhafter Weise registriert werden als ein Aufwärtszählen habend anstatt einem Abwärtszählen. Entsprechend wird der Grobzählwert des Lesekopfs den inkorrekten Zustand aufzeigen.
60 zeigt den gegenteiligen Fall, d. h., wenn es einen negativen Gleichspannungsoffset gibt, dass Hoch Pulse fehlerhaft geschmälert werden und Niedrigpulse fehlerhaft verbreitet werden. Mit anderen Worten, wenn eine Messung einen Wert zurückliefert, der in dem Bereichen 1206 liegt, wird dies inkorrekt registriert werden als eine Niedrigzählung anstelle einer Hochzählung. Dementsprechend wird der Grobzählwert des Lesekopfes den inkorrekten Zustand aufzeigen.
Um diesen Fehler in dem Grobzählwert zu korrigieren, ist es zuerst notwendig, einen Quantisierungsoperator Q(x) zu definieren, sodass:
Q(x) = 0 für x < 0; und
Q(x) = 1 für x ≥ 1.
Die kompensierten Feinzählwerte CFC_A, die berechnet wurden, sollten symmetrisch um ΔOFF_A sein, und die kompensierten Feinzählwerte ΔOFF_B sollten symmetrisch sein um ΔOFF_B. Daher treffen die folgenden Gleichungen zu: Q(CFC_A – ΔOFF_A) = 0 für CFC_A < ΔOFF_A und Q(CFC_A – ΔOFF_A) = 1 für CFC_A ≥ ΔOFF_A.
Ein korrigiertes Zustandspaar {A', B'} (d. h., ein Gray-Code Wert) kann berechnet werden aus den korrigierten Feinzählwerten wie folgt: {A', B'} = {Q(CFC_A) – ΔOFF_A); Q(CFC_B) – ΔOFF_B)}.
Das korrigierte Zustandspaar kann mit dem unkompensierten Zustandspaar {A, B} verglichen werden, das angezeigt wird durch den Grobzählwert und den Referenzzustand – (1, 1) (logisch (H, H)). Der Grobzählwert kann um –1, 0, 1 angepasst werden gemäß dem Ergebnis dieses Vergleichs. Die korrigierten Grob- und Feinzählwerte können wieder zusammengesetzt werden und einem Winkelberechnungsmodul bereitgestellt werden.
Daher können die Verstärkung und der Offset dynamisch angepasst werden, was die Verwendung von Multimodus VSCEL Lasern und einfachere Beugungsmuster erlaubt. Zusätzlich ist es mit dieser Struktur und diesen dynamischen Anpassungsverfahren nicht notwendig, eine räumliche Filterung durchzuführen, um Beugungsordnungen höherer Ordnungen (jenseits +/–1) zu eliminieren, welche in herkömmlichen Vorrichtungen notwendig sind. Stattdessen tragen die dynamisch angepassten Parameter Gleichspannungsoffsets über Temperaturvariationen Rechnung. Dies ist ein wesentlicher Vorteil über herkömmliche Vorrichtungen, da es in einfacherer Herstellung und reduzierten Herstellkosten resultiert.
Während die obige Beschreibung sich auf Winkelencoder bezieht, sei auch bemerkt, dass ähnliche Konzepte auch einfach auch auf Linearencoder angewandt werden können. So kann zum Beispiel anstelle einer Encoderscheibe eine Encoderskala mit einem Beugungsgitter verwendet werden und komplementäre Indexspuren (d. h. eine mit einer reflektiven Indexmarkierung und eine mit einer nichtreflektiven Indexmarkierung) können auf der Encoderskala bereitgestellt werden, wobei diese entweder auf einer Seite des Beugungsgitters bereitgestellt werden, oder auf beiden Seiten des Beugungsgitters, so dass sie das Beugungsgitter dazwischen einschließen. Die Indexmarkierungen können bei einer linearen Indexkoordinate positioniert sein, anstelle einer Winkelindexkoordinate.
Während sich die obige Beschreibung auf bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezieht, wird verstanden werden, das viele Veränderungen gemacht werden können, ohne von deren Geist abzuweichen. Die beigefügten Ansprüche sind gedacht, solche Veränderungen abzudecken, welche innerhalb des wahren Bereichs und Geistes der vorliegenden Erfindung fallen.
Die vorliegend offenbarten Ausführungsformen sind daher in allen Aspekten als beispielhaft und nicht beschränkend gedacht, wobei der Bereich der Erfindung angezeigt wird durch die beigefügten Ansprüche, anstelle durch die vorgehenden Beschreibung, und alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung des Bereichs der Äquivalenz der Ansprüche fallen, sind daher gedacht, darin umfasst zu sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5559600 [0005]
US 5909283 [0006]
US 7002137 [0007, 0168]

Claims

Optischer Encoder, aufweisend: eine Encoderscheibe, aufweisend: eine Signalspur, welche ein Beugungsgitter aufweist, ausgebildet als ein Ring auf der Encoderscheibe; und eine Indexspur, welche eine reflektive Indexmarkierung aufweist, worin eine Weite der Indexmarkierung größer ist als ein Pitch bzw. Abstand des Beugungsgitters; ein Beleuchtungssystem, das strukturiert ist, Licht auf die Encoderscheibe zu richten; und einen Erkenner, der strukturiert ist, von der Encoderscheibe gebeugtes Licht zu erkennen.
Optischer Encoder nach Anspruch 2, worin die Indexspur aufweist: eine erste Indexspur, ausgebildet als ein Ring auf der Encoderscheibe; und eine zweite Indexspur, ausgebildet als ein Ring auf der Encoderscheibe.
Optischer Encoder nach Anspruch 2, worin die erste Indexspur eine erste Indexmarkierung aufweist, bereitgestellt bei einer Indexwinkelkoordinate; und die zweite Indexspur eine zweite Indexmarkierung aufweist, bereitgestellt bei der Indexwinkelkoordinate; worin entweder: die erste Indexspur nicht reflektiv ist, mit Ausnahme der ersten Indexmarkierung, die reflektiv ist, und die zweite Indexspur reflektiv ist, mit Ausnahme der zweiten Indexmarkierung, die nicht reflektiv ist; oder die zweite Indexspur ist nicht reflektiv mit Ausnahme der zweiten Indexmarkierung, die reflektiv ist, und die erste Indexspur ist reflektiv mit Ausnahme der ersten Indexmarkierung, die nicht reflektiv ist.
Optische Encoder nach Anspruch 1, worin die Encoderscheibe ferner aufweist: ein Glassubstrat; eine schwach reflektive Schicht, bereitgestellt auf dem Substrat; und eine hoch reflektive Schicht, bereitgestellt auf der schwach reflektiven Chromschicht; worin das hoch reflektive Chrom gebildet ist in einem Muster, sodass ein Teil der schwach reflektiven Schicht sichtbar ist.
Optischer Encoder nach Anspruch 4, worin die schwach reflektive Schicht eine schwach reflektiven Chromschicht aufweist.
Optischer Encoder nach Anspruch 4, worin die hoch reflektive Schicht eine hoch reflektive Chromschicht aufweist.
Optischer Encoder nach Anspruch 4, worin die schwach reflektive Schicht eine Reflektivität von ungefähr 5% auf einer Seite entgegengesetzt des Glassubstrats aufweist.
Optischer Encoder nach Anspruch 4, worin die hoch reflektive Schicht eine Reflektivität von ungefähr 59% aufweist auf einer Seite, die dem Glassubstrat zugewandt ist, und eine Reflektivität von ungefähr 65% auf einer Seite, die von dem Glassubstrat weg gewandt ist.
Optischer Encoder nach Anspruch 4, worin das Glassubstrat ein optisches Absorptionsmaterial aufweist, das auf eine Seite des Glassubstrats angewandt ist.
Optischer Encoder nach Anspruch 1, worin das Beleuchtungssystem eine lichtemittierende Diode aufweist.
Optischer Encoder nach Anspruch 1, worin das Beleuchtungssystem einen Multimodus VCSEL Laser aufweist, der strukturiert ist, Laserlicht zu emittieren.
Optischer Encoder nach Anspruch 1, worin der Erkenner ferner aufweist versetzte Erkenneren, die strukturiert sind, Licht zu erkennen, das von der Signalspur gebeugt ist, und ein Quadratursignal auszugeben.
Optischer Encoder nach Anspruch 2, worin der Erkenner ferner aufweist: einen ersten Indexdetektor, strukturiert, Licht zu erkennen, das von der äußeren Indexspur reflektiert wurde, und ein äußeres Indexsignal auszugeben; einen zweiten Indexdetektor, der strukturiert ist, Licht zu erkennen, das reflektiert wurde von der inneren Indexspur, und ein inneres Indexsignal auszugeben; und einen Vergleicher, der strukturiert ist, einen Indexpuls auszugeben, basierend auf dem äußeren Indexsignal und dem inneren Indexsignal.
Encoderscheibe zur Verwendung in einem optischen Encoder, wobei die Encoderscheibe aufweist: eine Signalspur, die ein Beugungsgitter aufweist, ausgebildet als ein Ring auf der und eine Indexspur, die eine reflektive Indexmarkierung aufweist, worin eine Weite der Indexmarkierung größer ist als ein Pitch bzw. Abstand des Beugungsgitters.
Encoderscheibe nach Anspruch 14, worin der Indexbereich aufweist: eine erste Indexspur, ausgebildet als ein Ring auf der Encoderscheibe; und eine zweite Indexspur, ausgebildet als ein Ring auf der Encoderscheibe.
Encoderscheibe nach Anspruch 15, worin die erste Indexspur eine erste Indexmarkierung aufweist, die bei einer Indexwinkelkoordinate bereitgestellt ist; und die zweite Indexspur weist eine zweite Indexmarkierung auf die bereitgestellt ist bei der Indexwinkelkoordinate; worin entweder: die erste Indexspur nicht reflektiv ist mit Ausnahme der ersten Indexmarierung, die reflektiv ist, und die zweite Indexspur ist reflektiv mit Ausnahme der zweiten Indexmarkierung, die nicht reflektiv ist; oder die zweite Indexspur ist nicht reflektiv mit Ausnahme der zweiten Indexmarkierung, die reflektiv ist, und die erste Indexspur ist reflektiv, mit Ausnahme der ersten Indexmarkierung, die nicht reflektiv ist.
Encoderscheibe nach Anspruch 14, ferner aufweisend: en Glassubstrat; eine schwach reflektive Schicht, die bereitgestellt ist auf dem Substrat, und eine hoch reflektive Schicht, die bereitgestellt ist auf der schwach reflektiven Schicht; worin die hoch reflektive Schicht ausgebildet ist in einem Muster, sodass ein Teil der schwach reflektiven Schicht sichtbar ist.
Encoderscheibe nach Anspruch 17, worin die schwach reflektive Schicht eine schwach reflektive Chromschicht aufweist.
Encoderscheibe nach Anspruch 17, worin die hoch reflektive Schicht eine hoch reflektive Chromschicht aufweist.
Encoderscheibe nach Anspruch 17, worin die schwach reflektive Schicht eine Reflektivität von ungefähr 5% aufweist auf einer Seite, die von dem Glassubstrat abgewandt ist.
Encoderscheibe nach Anspruch 17, worin die hochrefelktive Schicht eine Reflektivität von ungefähr 59% aufweist auf einer Seite, die dem Glassubstrat zugewandt ist, und eine Reflektivität von ungefähr 65% auf einer Seite, die von dem Glassubstrat abgewandt ist.
Encoderscheibe nach Anspruch 17, worin das Glassubstrat ein optisches Absorptionsmaterial aufweist, das auf eine Seite des Glassubstrats angewandt ist.
Indexierungsverfahren zur Verwendung mit einem optischen Encoder, wobei das Indexierungsverfahren aufweist: Bereitstellen einer Encoderscheibe, aufweisend: eine Signalspur, welche ein Beugungsgitter aufweist, das als ein Ring auf der Encoderscheibe ausgebildet ist; und eine Indexspur, die als ein Ring auf der Encoderscheibe ausgebildet ist, wobei die Indexspur eine Indexmarkierung aufweist, die bei einer Indexwinkelkoordinate bereitgestellt ist; Bereitstellen eines Beleuchtungssystems, das strukturiert ist, Licht auf die Encoderscheibe zu richten; Bereitstellen eines Erkenners, der strukturiert ist, Licht zu erkennen, das von der Encoderscheibe gebeugt wurde, wobei der Erkenner aufweist: zwei versetzte Erkenneren, die strukturiert sind, Licht zu erkennen, das von der Signalspur gebeugt wurde, und ein Quadratursignal auszugeben; und einen Indexdetektor, der strukturiert ist, Licht zu erkennen, das von der Indexspur reflektiert wurde, und einen Indexpuls auszugeben; Berechnen eines geschätzten Zustandszählwerts k_est von Quadraturzuständen von einer steigenden. Flanke des Indexpulses zu einer Mitte des Indexintervalls; Berechnen von Q_kest, worin Q_kest der Quadraturzustand bei k_est ist und dem Quadraturzustand bei einer ungefähren Mitte des Indexpulses entspricht; und Bestimmen einer Offset-Korrektur.
Indexierverfahren nach Anspruch 23, worin das Berechnen eines geschätzten Zustandszählwerts k_est aufweist: Berechnen von k_est K/2 in einem Fall, dass K gerade ist; oder Berechnen von k_est als ((K + 1)/2) in einem Fall, dass K ungerade ist; worin K der Quadraturzählwert von dem Beginn bis zum Ende des Indexpulses ist.
Indexierverfahren nach Anspruch 24, worin Qk_est gleich Q_{(kest mod 4)} ist, worin Q_kest der Quadraturzustand bei k_est und Q_{(kest mod 4)} der Quadraturzustand bei (k_est mod 4) ist.
Verfahren zum dynamischen Anpassen von Verstärkung und Offset in einem optischen Encoder, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer Encoderscheibe, die ein Beugungsgitter aufweist; Beleuchten der Encoderscheibe mit Licht; Bereitstellen eines Erkenners, der strukturiert ist, Licht zu erkennen, das von dem Beugungsgitter gebeugt wurde, und einen ersten Feinzählkanal auszugeben; Berechnen einer ersten Zielverstärkung und eines ersten Ziel-Offsets für den ersten Feinzählkanal; und Anwenden einer Korrektur auf Daten, die abgetastet wurden von dem ersten Feinzählkanal basierend auf der ersten Zielverstärkung und dem ersten Ziel-Offset.
Verfahren nach Anspruch 26, worin Berechnen einer Zielverstärkung und eines Ziel-Offsets aufweist: Bestimmen eines Minimalwerts und eines Maximalwerts in einer Datenmenge von dem ersten Feinzählkanal; Berechnen eines gleitenden Mittelwertminimums basierend auf dem Minimalwert und Minimalwetten aus einer Vielzahl von früheren Datensätzen von dem ersten Feinzählkanal; Berechnen eines gleitenden Mittelwertmaximums basierend auf dem Maximalwert und Maximalwerten von der Vielzahl von früheren Datensätzen von dem ersten Feinzählkanal; Berechnen der ersten Zielverstärkung gemäß der Gleichung G_cal = (ave_max_A – ave_min_A)/2, worin G_cal die erste Zielverstärkung, ave_max_A das gleitende Mittelwertmaximum und ave_min_A das gleitende Mittelwertminimum ist; und Berechnen des ersten Ziel-Offsets gemäß der Gleichung OFFSET_cal = (ave_max_A – ave_min_A)/2, worin OFFSET_cel der erste Ziel-Offset ist.
Verfahren nach Anspruch 26, worin Anwenden einer Korrektur auf Daten, die von dem ersten Feinzählkanal abgetastet wurden, aufweist: Berechnen einer Verstärkung G_A eines Datenabtastwerts gemäß der Gleichung G_A = (ave_max_A – ave_min_A)/2, worin max_A das Maximum der Datenabtastung und min, das Minimum der Datenabtastung ist; Berechnen eines Offsets OFFSET_A der Datenabtastung gemäß der Gleichung OFFSET_A = (max_A + min_A)/2; Berechnen eines Verstärkungskorrekturfaktors GF_A gemäß der Gleichung GFA = G/G_A, worin G_cal die erste Zielverstärkung ist; Berechnen eines Offset-Korrekturfaktors ΔOFF_A gemäß der Gleichung ΔOFF_A = OFFSET_cal – OFFSET_A, worin OFFSET_cal der erste Ziel-Offset ist; und Korrigieren von Feinzählwerten gemäß der Gleichung CFC_A = (GF_A·FC_A) + ΔOFF_A, worin FC_A ein Feinzählwertrohdatum von dem ersten Feinzählkanal ist und CFC_A das korrigierte Feinzählwertdatum ist.
Verfahren nach Anspruch 26, worin der Erkennen strukturiert ist, einen zweiten Feinzählkanal auszugeben und das Verfahren ferner aufweist: Berechnen einer zweiten Zielverstärkung und eines zweiten Ziel-Offsets für den zweiten Feinzählkanal; und Anwenden einer Korrektur auf Daten, die von dem zweiten Feinzählkanal abgetastet wurden, basierend auf der zweiten Zielverstärkung und dem zweiten Ziel-Offset.
Verfahren nach Anspruch 29, worin der Erkenner strukturiert ist, einen Grobzählwert auszugeben und das Verfahren ferner aufweist, Anwenden einer Korrektur auf den Grobzählwert basierend auf der Korrektur auf Daten, die von dem ersten Feinzählkanal abgetastet wurden, und Daten, die von dem zweiten Feinzählkanal abgetastet wurden.
Verfahren nach Anspruch 30, worin Anwenden einer Korrektur auf den Grobzählwert aufweist: Definieren eines Quantisierungsoperators Q(x) als: Q(x) = 0 für x < 0, und Q(x) = 1 für x ≥_ 0; Berechnen eines kompensierten Zustandspaars {A', B'} gemäß der Gleichung: {A', B'} = {Q(CFC_A – ΔOFF_A), Q(CFC_B – ΔOFF_B)}; worin CFC_A ein korrigiertes Datum ist, abgetastet von dem ersten Feinzählkanal, CFC_B ein korrigiertes Datum ist, abgetastet von dem zweiten Feinzählkanal, ΔOFF_A ein Offsetkorrekturwert für den ersten Feinzählkanal und ΔOFF_B ein Offsetkorrekturwert für den zweiten Feinzählkanal ist; Vergleichen des Grobzählwerts mit dem kompensierten Zustandspaar; Anpassen des Grobzählwerts, um in Übereinstimmung mit dem kompensierten Zustandspaar zu sein.
Verfahren nach Anspruch 26, worin eine Mehrzahl von Erkenneren bereitgestellt sind, wobei jeder der Mehrzahl von Erkenneren strukturiert ist, Licht zu erkennen das von dem Beugungsgitter gebeugt wurde, und einen ersten Feinzählkanal auszugeben.
Verfahren nach Anspruch 27, worin das Bestimmen eines Minimal- und eines Maximalwerts in einem Datensatz von dem ersten Feinzählkanal aufweist: Bestimmen der drei höchsten Werte und der drei niedrigsten Werte in dem Datensatz; Verwerfen des Minimal- und Maximalwerts, wenn irgendeiner der drei höchsten Werte sich von einem Median der drei höchsten Werte um mehr als einen vorbestimmten Betrag unterscheidet oder wenn irgendeiner der drei niedrigsten Werte sich von einem Median der drei niedrigsten Werte um mehr als einen vorbestimmten Betrag unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 27, worin das Bestimmen eines Minimal- und eines Maximalwerts in einem Datensatz von dem ersten Feinzählkanal aufweist: Verwerfen des Minimums und des Maximums, wenn sich das Minimum von dem gleitenden Mittelwertsminimum um mehr als einen bestimmten Betrag unterscheidet, oder wenn sich das Maximum von dem gleitenden Mittelwertsmaximum um mehr als einen vorbestimmten Betrag unterscheidet.
Optischer Encoder nach Anspruch 2, worin die erste Indexspur außerhalb der Signalspur in einer radialen Richtung bereitgestellt ist, und die zweite Indexspur innerhalb der Signalspur in einer radialen Richtung bereitgestellt ist.
Encoderscheibe nach Anspruch 15, worin die erste Indexspur außerhalb der Signalspur in einer radialen Richtung bereitgestellt ist und die zweite Indexspur innerhalb der Signalspur in einer radialen Richtung bereitgestellt ist.