DE3220024A1

DE3220024A1 - Optischer sensor

Info

Publication number: DE3220024A1
Application number: DE19823220024
Authority: DE
Inventors: Ellis I. New York Betensky; William J. Simsbury Conn. Hildebrandt
Original assignee: Stanley Works
Current assignee: Stanley Works
Priority date: 1981-05-27
Filing date: 1982-05-27
Publication date: 1982-12-23
Also published as: AU546590B2; GB2100422A; AU8313682A; US4427883A; FR2506928B1; GB2100422B; JPS57199905A; FR2506928A1; CA1175222A

Description

The Stanley Works
New Britain, Connecticut o6o5o V.St.A.

Optischer Sensor

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Weiterbildung einer Anordnung dar, so wie sie in der US-PS 4 161 781 beschrieben ist.

Zur genauen Messung der Relativbewegung zweier Gegenstände zueinander werden optische Sensoren in Verbindung mit verschiedenen Meßgeräten verwendet. Diese Sensoren werden dabei in Verbindung mit photoelektrischen Detektoren eingesetzt, wobei zwei oder mehr optische Graduierungen vorgesehen sind, um das von den photoelektrischen Detektoren abgetastete Hell-Dunkel-Muster zu beeinflussen. Die Hell-Dunkel-Muster liegen dabei in der Regel in Form von optischen Interferenzgebieten vor, welche im allgemeinen als Moire-Bereiche bezeichnet werden. Dabei treten graduelle Lichtveränderungen von einem

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voll beleuchteten Zustand bis zu einem voll abgedeckten Zustand auf. Ein Beispiel eines derartigen optischen Systems ist in der US-PS 3 796 498 beschrieben, gemäß welcher ein bewegliches Skalengitter parallel zu einem dazu sehr nah angeordneten stationären Indexgitter bewegt wird/ wobei dann das sich ergebende Moire-Fransenmuster auf einem photoelektrischen Detektor fokussiert wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß Schmutz, Staub sowie Abnutzungserscheinungen an den Skalen zu einem erheblichen Fehler führen kann, wobei der auftretende Fehler noch vergrößert wird, wenn zwischen den beiden Gittern nur ein schmaler Spalt vorhanden ist. Im Rahmen der US-PS 4 079 252 neueren Datums wurden einige der auftretenden Probleme in Verbindung mit dem vorhandenen schmalen Spalt erkannt, so daß nunmehr zur Fokussierung des Streifenmusters auf dem Detektor zwischen dem Gitter und der Fokussierlinse ein ziemlich großer Abstand vorgesehen ist. In diesem Zusammenhang sei jedoch hervorgehoben, daß ein fokussiertes Muster eine räumlich periodische Verteilung von Strahlung mit einer starken Veränderung der Lichtintensität darstellt. Diese räumliche Veränderung der Lichtintensität besitzt dabei in der Regel sinoidalen Charakter, wobei der Detektor nur auf einen schmalen Bereich des räumlichen Lichtintensitätszyklus ansprechen darf, um auf diese Weise einen starken Kontrast zwischen den hellsten und dunkelsten Bereichen feststellen zu können.

Eine andere Einrichtung unter Verwendung eines optischen Meßsystems mit einem Fransenmuster ist in der US-PS 3 578 979 beschrieben, wobei das Indexgitter in einem gewissen Abstand von dem Skalengitter angeordnet ist. Das Indexgitter wird dabei durch die eine Oberfläche des photoelektrischen Elementes gebildet. Bei die-

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ser Einrichtung ist zur Beleuchtung des Skalengitters anstelle einer diffusen oder indirekten Reflexion eine direkte Spiegelreflexion erforderlich, um auf diese Weise die richtige Definition des Skalenbildes auf das Indexgitter zu erreichen. Es zeigt sich jedoch, daß bei einer derartigen Anordnung der Photodetektor sehr groß !gemacht werden muß, während auf der anderen Seite die ^ Positionierung des Indexgitters gegenüber dem Detektor sehr schwierig genau durchgeführt werden kann. Selbst geringfügige Herstellungstoleranzen beeinflussen dabei die Funktionsweise des Gerätes. Dies ist insbesondere der Fall, wenn derartige optische Sensoren in Verbindung mit flexiblen Meßbändern verwendet werden, bei welchen die seitliche Position sich verschiebt, so daß Außenlicht in das System eindringen kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Sensor beispielsweise für aufwickelbare Meßbänder zu schaffen, welche: eine sehr genaue Abstandsbestimmung erlaubt, wobei jedoch die Empfindlichkeit gegenüber Schmutz, Staub und Abnutzungserscheinungen der vorgesehenen Markierungen sehr stark reduziert ist.

Erfindungsgemäß wird dies durch Vorsehen der im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufgeführten \

Merkmale erreicht. ΐ

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird somit ein optischer Sensor für aufwickelbare Meßbänder geschaffen, bei welchem zwei im Abstand voneinander angeordnete optische Gitter vorgesehen sind, wobei jedoch diese Gitter nicht sehr nahe aneinanderliegen müssen.

Fernerhin wird die Verwendung von Moire-Interferenzmustern in Verbindung mit räumlichen Lichtintensitätsveränderungen vermieden und gleichzeitig ebenfalls die Verwendung von direkten Spiegelreflexionen des Skalengitters. Der erfindungsgemäße optische Sensor verwendet hingegen mehrere optische Kanäle, vorzugsweise vier, wobei jeder Kanal ein optisches Signal erzeugt, das - über die gesamte Bildfläche hinweg im wesentlichen keine räumlichen Lichtveränderungen besitzt. Das Signal selbst verändert sich jedoch innerhalb jedes Kanals, während das Meßband damit das darauf angeordnete Muster mitbewegt. Jeder Kanal ist jedoch vorzugsweise mit einem großen Sichtfeld versehen, wobei in einer beliebigen Position des Meßbands die vorhandene Lichtflußidentität über das gesamte Feld hinweg gleichförmig ist.

Die einzelnen Kanäle sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet, so daß jeder um 90° gegenüber dem daneben liegenden Kanal im Hinblick auf die relative Anordnung der öffnung innerhalb der optischen Maske versetzt ist. Durch geeignete Elektronik in Verbindung mit dem Photodetektor jedes Kanals kann die Richtung der Meßbandbewegung festgelegt werden, wobei ein Zählvorgang durchgeführt wird und vorhandene Fehler überwacht werden. Dies wird dadurch erreicht, indem das Meßbandmuster mit diffusem "Lxdcfc belichtet wird, wobei ein scharfes Bild dieses Musters auf einer Maske hergestellt wird, welche genau dasselbe Strichmuster wie das Bild besitzt. Der durch die Maske hindurchgelangende Lichtfluß variiert somit von einem Maximalwert, wenn die hellen Bereiche des Bildes genau mit den öffnungen der Maske übereinstimmen bis zu einem Minimalwert, wenn die dunklen Teile des Bildes mit den öffnungen genau überein-

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stimmen.

' Die Veränderung des Lichtflusses bei einem gleichförmig bewegten Streifenmuster sollte theoretisch aine dreieckförmige Signalform ergeben. Aufgrund von Randerscheinungen/nicht vollständiger Absorption, ungewünsch-" ter Reflexionen sowie aufgrund des Eindringens von Licht 1' sind die tatsächlich beobachteten Variationen mehr sinoidal, ,ι Da die mit öffnungen versehene Maske genau entsprechend

dem Bildmuster ausgelegt ist, ist der durch eine öffnung

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hindurchgelangende Lichtfluß derselbe wie durch irgend-' eine andere öffnung desselben Kanals, so daß über das

gesamte Feld hinweg eine Gleichförmigkeit zustande kommt. Unmittelbar im Anschluß an die optische Maske sammelt ei-

^s- · ' "' ne Feldlinse das gesamte durch die Maske hindurchgelangende Licht und richtet es auf eine Photodetektorzelle. ' Da die mit öffnungen versehene Maske praktisch in der-' selben Ebene liegt wie die Feldlinsen, sehen diese Linsen weder die öffnungen der Masken selbst noch das darauf

projizierte Bildmuster. Die Feldlinsen sehen somit im wesentlichen das Bild der Objektivlinsen, so wie sie durch ^!< die Maske begrenzt sind und fokussieren dieses begrenzte Bild auf einen Photodetektor. Dieses den gesamten Lichtfluß durch die Maske enthaltende Bild ändert sich von einem minimalen bis zu einem maximalen Helligkeitswert, und zwar im wesentlichen entlang einer Sinusfunktion, während das Meßband entlang seiner Achse relativ zu dem

Linsensystem bewegt wird. Der optische Sensor gemäß der Erfindung ist zusätzlich in der Lage, das Lichtsignal auf einen schmalen Bereich der Detektoroberfläche zu fokussieren, so daß eine genaue Plazierung der Detektoren in Bezug auf das Meßband nicht unbedingt notwendig ist, was wiederum zur Folge hat, daß größere Herstellungstoleranzen zulässig sind. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen

optischen Sensors kann somit ein gleichförmiges, jedoch zusammengesetztes Lichtsignal erzeugt werden, indem ein relativ weites Ausgangsbildfeld verwendet wird. Dadurch reduziert sich das Risiko eines Fehlers aufgrund Veränderungen der Reflexionseigenschaften des Meßbandes, so wie sie durch Äbnutzungserscheinungen, Schmutz oder andere Unregelmäßigkeiten auf der Meßbandoberfläche hervorgerufen werden können.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird zusätz-' lieh diffuses bzw. zerstreutes Licht verwendet, was dazu führt, daß größere relative Differenzen des Reflexions^ wertes von verschiedenen Gitterbereichen des Meßbandes ' erzielbar sind. Bei direkt reflektiertem Licht besteht hingegen die Tendenz, daß eine ungewünschte Interferenz mit dem modulierten Lichtsignal auftritt. Durch die Verwendung von diffusem Licht kann jedoch im Rahmen ' der vorliegenden Erfindung eine leichtere Einstellung bei größeren Herstellungstoleranzen erreicht werden. Dabei ergibt sich ein sehr viel größeres Kontrastverhältnis, und zwar unabhängig, welcher Breitenbereich der Maske von jedem Detektor gesehen wird, weil - wie erwähnt - das System eine gleichförmige Lichtintensität über das gesamte Gesichtsfeld jedes Kanals besitzt, was im Gegensatz zu den graduellen Lichtintensitätsveränderungen in Verbindung mit Moire-Interferenzen steht. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird fernerhin eine Feldlinse verwendet, welche die durch Fehleinstellung und Herstellungsfluktuationen des Meßbandes bedingten Probleme reduziert, wobei mehrere Kanäle und Detektoren parallel zueinander vorgesehen sind, wodurch mögliche Fehler innerhalb des optischen Sensors vermieden werden, während gleichzeitig mögliche Veränderungen der Reflexions-

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eigenschaften aufgrund von Abnutzungserscheinungen, Schmutz u. dgl. reduziert Sind.

Der erfindungsgemäße optische Sensor vermeidet die Ausrichtungs- und Herstellungsschwierigkeiten, welche bei der Vergrößerung und Einstellung von Gittern mit geringem Steigungswinkel, so wie sie zur Erzielung des Moire-Effekts notwendig sind, auftreten. Durch Verwendung entsprechender Gitter mit größerer Steigung, d. h. breiteren Feldern, können derartige Gitter sehr viel leichter mechanisch behandelt und zur Erzielung eines modulierten Bildes im Bereich des Detektors herangezogen werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche.

Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen:

Fig. 1 die Draufsicht auf ein teilweise aufgeschnittenes Meßband, welches mit einem optischen Sensor gemäß der Erfindung versehen ist,

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 Von Fig. 1, und

Fig. 3 Schnittansichten entlang der Linien und 4 3-3 bzw. 4-4 von Fig. 2.

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Fig. 1 zeigt ein Meßgerät in Form eines ausziehbaren Meßbandes, welches in ein dünnes, längliches Gehäuse 10 eingeschoben werden kann, wobei letzteres eine im wesentlichen rechteckige Konfiguration besitzt, Die Abmessungen des Gehäuses 10 sind dabei derart gewählt, daß es sehr leicht in der Hand eines Benutzers gehalten werden kann. Innerhalb des Gehäuses 10 kann ein Meßband 12 eingeschoben werden, welches bei 14 spiralförmig aufgewickelt wird, wobei eine nicht dargestellte Rückholfeder vorgesehen ist. Das Meßband 10 besteht dabei aus Metall, beispielsweise Federstahl, und besitzt einen sehr dünnen Querschnitt, so daß sich - wie in Fig. 2 gezeigt - eine geringfügig gekrümmte Querkonfiguration ergibt. Das eine Ende des Meßbandes 12 ist fest innerhalb des Gehäuses 10 befestigt, wobei dasselbe mit einer Rückholfeder in Eingriff gelangt, während das andere Ende des Meßbandes 12 sich durch einen entsprechenden Kanal in der Stirnwandung des Gehäuses 10 nach außen erstreckt und entlang der Endkante einen Haken 16 aufweist, welcher die Benutzung des Meßbandes 12 erleichtert. Das Meßband 12 kann in bekannter Weise gegen die Kraft der Rückholfeder aus dem Gehäuse 10 herausgezogen werden. Falls ein Verriegelungselement an dem Gehäuse 10 vorgesehen ist, kann das Meßband 12 solange in der ausgezogenen Position gehalten werden, bis das Verriegelungselement gelöst wird, so daß das Meßband 12 in das Gehäuse 10 hineingezogen und an der betreffenden Speicherstelle aufgewickelt wird. Das Gehäuse 10 kann dabei weitere Elemente enthalten, beispielsweise einen Anzeigebereich 18 entlang der oberen Fläche, innerhalb des Gehäuses 10 einen Raum für die Aufnahme von Speicherbatterien, ferner eine äußere Tastatur sowie dazugehörige Stromkreise.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßt das

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Meßbandgerät einen optischen Sensor, bei welchem ein stationärer optischer Lesekopf 20 mit einem Gitter 22 von optischen Markierungen auf dem Meßband 12 zusammenarbeitet, um auf diese Weise die Position des Meßbandes 12 in Bezug auf einen festen Punkt des Gehäuses 10 festzulegen, wobei das Meßband eine beliebige Position zwischen der voll ausgezogenen Position und der voll aufgewickelten Position einnehmen kann.

Gemäß Fig. 3 befinden sich die optischen Markierungen auf der Oberfläche 24 des Meßbandes 12, auf welcher ebenfalls konventionelle Abstandsmarkierungen 26 vorgesehen sind. Die Oberfläche 24 stellt dabei die konkave Oberfläche dar, welche beim Verschieben des Meßbandes zwischen seinen Extrempositionen in das Innere des Gehäuses 12 gerichtet ist. Die optischen Markierungen 22 befinden sich dabei entlang der Längsmittellinie des Meßbandes 12 zwischen den parallelen Kanten und besitzen die Form von rechteckigen Markierungen, die sich quer über das Meßband 12, d. h. quer zur Längsachse des Meßbandes und somit zur Bewegungsrichtung desselben, erstrecken. Die Markierungen 22 bestehen dabei aus lichtabsorbierenden dunklen Streifen 28 und lichtreflektierenden hellen Streifen 30 mit jeweils identischer Konfiguration. Diese optischen Markierungen 22 können dabei auf das Meßband 12 in ähnlicher Weise wie die Standardmarkierungen 26 aufgedruckt sein, während auf der anderen Seite auch die Möglichkeit besteht, daß es sich bei den hellen Streifen 30 um ungedruckte helle Oberflächenbereiche, beispielsweise Gelbbereiche, handelt, wobei allerdings auch dann die Möglichkeit besteht, daß diese hellen Farbbereiche sich von den nicht gedruckten Restbereichen des Meßbandes 12 farblich unterscheiden. Jeder Streifen 28 der Streifenmarkierung 22 erstreckt sich vorzugsweise in

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Querrichtung wenigstens beidseitig jeweils 2 mm von der Längsachse des Meßbandes 12, wobei vorzugsweise ο ie Breite 0,4 mm für die hellen und dunklen Streifen 3u, 28 beträgt. Ein Paar von hellen und dunklen Streifen 28, 30 besitzt somit eine Breite von nur 0,3 mm in Bewegungsrichtung des Meßbandes 12, so daß etwa 12 derartige Paare pro cm Meßband vorgesehen sind. Es sei jedoch verstanden, daß die Größe und Abstände des Gitters je nach den Anforderungen des jeweiligen optischen Sensors für ein bestimmtes Meßband verändert werden können.

Gemäß Fig. 1 ist der Lesekopf 20 des optischen Sensors der Erfindung beispielsweise mit Hilfe von Schrauben 34 im Inneren des Gehäuses 10, und zwar an einer Stelle zwischen dem Meßbandwickel 14 und dem Austritt des Meßbandes 12 aus dem Gehäuse 10, befestigt. Gemäß Fig. 2 und 3 besteht dieser Lesekopf 20 im wesentlichen aus einem Gehäuse 36, welches unmittelbar oberhalb der konkaven Fläche 24 des Meßbandes 12 angeordnet ist. Die Bodenfläche des Gehäuses 36 berührt dabei praktisch die konkave Fläche 24 des Meßbandes 12, jedoch besitzt dazu einen minimalen Abstand, so daß das Meßband 12 unterhalb des Gehäuses 36 frei zwischen den extremen Positionen hin- und herbewegt werden kann. Das Gehäuse 36 ist dabei vorzugsweise wie eine rechteckige schachtelähnliche Einheit ausgebildet, wobei die im Abstand voneinander angeordneten Seitenwände 38 nach unten hin schräge Bodenflächenbereiche 40 aufweisen, welche beinahe die konkave Oberfläche 24 des Meßbandes 12 berühren. Diese abgeschrägten Bodenbereiche 40 dienen zur Führung des Meßbandes 12 während seiner Bewegung zwischen den Extrempositionen, wobei gleichzeitig

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eine Verschiebung in Querrichtung begrenzt wird, so daß auf diese Weise das Meßband selbst und damit die Streifenmarkierung 22 bezüglich der Mitte positioniert werden.

Gemäß Fig. 3 ist das Gehäuse 36 in vier optische

BLesekanäle 42, 44, 46 und 48 aufgeteilt, welche parallel »i _},

zueinander nebeneinander innerhalb des Gehäuses und da- I ' mit in Bewegungsrichtung des Meßbandes 12 angeordnet sind. Auf diese Weise wird die Verwendung einer mehrphasigen optischen Maske 50 erleichtert, aufgrund welcher in Quadratur befindliches Licht die gewünschte gleichförmige Modulation des von dem Gitter jedes Kanals empfangenen Lichtsignals erzeugt. Dies ergibt genau festgelegte Signale für jeden der einzelnen Lesekanäle, wobei innerhalb der Maske die Phasenverschiebung jeweils 90° beträgt, so wie dies in dem Folgenden noch beschrieben sein wird.

Jeder Lesekanal 42 bis 48 des Gehäuses 36 ist im wesentlichen identisch ausgebildet, mit Ausnahme der Phasenverschiebung der durch die mehrphasige Maske 50 gebildeten Öffnungen. Aus Einfachheitsgründen sei somit nur ein einziger Kanal, beispielsweise der Lesekanal 42, beschrieben. Gemäß Fig. 2 und 3 ist jeder Lesekanal mit \ einer Lichtquelle 52 versehen, um auf diese Weise die % Streifenmarkierung 22 der optischen Markierungen auf i

dem Meßband 12 zu beleuchten. Fernerhin ist eine Objek- k tivlinse 54 vorgesehen, mit welcher das von der Strei- | fenmarkierung 22 abgegebene Bild auf die optische Maske I geworfen und fokussiert wird. Die optische Maske 50 mo- f duliert dann den darauf geworfenen Lichtfluß. Fernerhin ist eine Feldlinse 56 vorgesehen, welche das modulierte Lichtsignal empfängt und zusammendrängt, so daß es mit

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Hilfe eines photoelektrischen Detektors 58 aufgefangen werden kann.

Bei der beschriebenen Ausführungsform handelt es sich bei der Lichtquelle 52 um eine Leuchtdiode (LED), welche innerhalb einer öffnung 60 der Seitenwandung 62 des Gehäuses 36 angeordnet ist. Die öffnung 60 und die Leuchtdiode 52 sind dabei seitlich von der Längsachse des Meßbandes 12 unter einem spitzen Winkel, beispielsweise 50°, gegenüber der Oberfläche des Meßbandes 12 in seinem mittleren Bereich angeordnet. Die Leuchtdiode beleuchtet die Streifenmarkierung 22 des Meßbandes 12, ist jedoch in Bezug auf diese Streifenmarkierung 22 unter einem derartigen Winkel angeordnet, daß direkte oder Spiegelreflexionen des von der Leuchtdiode 52 abgegebenen Lichtes außerhalb des optischen Pfades zwischen der beleuchteten Streifenmarkierung 22 des Meßbandes 12 und dem ungefähr entlang der Längsmittellinie des Gehäuses 10 angeordneten photoelektrischen Detektor 58 verlaufen. Die Streifenmarkierung 22 des Meßbandes 12 wird mit Hilfe der Leuchtdiode 52 derart beleuchtet, daß mit Hilfe des optischen Systems des darüber liegenden Lesekanals diffuse Lichtreflexionen von demselben empfangen werden. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß innerhalb jeder Station zur Beleuchtung eine oder mehrere Dioden vorgesehen sein können, und daß auch mehrere Stationen gleichzeitig mit Hilfe einer einzigen Lichtquelle beleuchtet werden können.

Das optische Gehäuse 36 ist mit einer unteren Querwandung 66 versehen, welche unmittelbar oberhalb der Leuchtdiode 52 angeordnet ist. Diese untere Querwandung 66 erstreckt sich über die gesamte Länge des Gehäuses 36 zwischen den Endwandungen 38. Die untere Querwandung

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66 ist dabei mit vier nebeneinander liegenden kreisförmigen öffnungen 68 versehen, wobei jede öffnung 68 in der Mitte eines Kanals zu liegen gelangt. Auf dieser unteren Querwandung 66 ist ein Linsenstreifen 70 aufgelegt, welcher mit Hilfe an den Seitenwandungen des Gehäuses 36 vorgesehener Halteansätze 72 mechanisch gehalten wird. Der Linsenstreifen 70 umfaßt im Bereich jedes Kanals eine bikonvexe Objektivlinse 54, deren kugelförmige Oberfläche an und teilweise innerhalb der jeweiligen öffnung 68 zu liegen gelangt, während die asphärische Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite dazu dient, die von der Größe der jeweiligen Sinheit bedingten optischen Fehler zu korrigieren. Die betreffende Objektivlinse 54 ergibt dabei nicht nur ein Bild der diffus beleuchteten Streifenmarkierung 22 auf der optischen Maske 50, sondern vergrößert auch das Bild auf ungefähr 1,5-mal der ursprünglichen Größe. Vorzugsweise besitzt, dabei die Linse 54 ein Verhältnis der effektiven Brennv/eite zur Gesamtlänge vom Meßband 12 bis zum photoelektrischen Detektor 58 von 1:5.

Oberhalb des Linsenstreifens 70 sind zwischen demselben und der mit öffnungen versehenen Maske 50 eine Mehrzahl von Zwischenwänden 78 vorgesehen, welche die einzelnen Lesekanäle begrenzen und dabei verhindern, daß Streulichtsignale von einem Kanal in den nächsten gelangen können. Diese Zwischenwände 78 sind dabei einstückig mit dem Gehäuse 36 ausgebildet, wobei dieselben in etwa der Mitte zwischen der Objektivlinse 54 und der Maske 50 halsförmige Verengungen 80 aufweisen.

Die mit Öffnungen versehene Maske 50, auf welcher das Bild der Streifenmarkierung 22 mit Hilfe der Objektivlinsen 54 fokussiert wird, ist gemäß Fig. 2 und 3 in

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einem gewissen Abstand, beispielsweise 22 mm, von dem Meßband 12 angeordnet und erstreckt sich über die gesamte Länge des Gehäuses 36. Diese Maske 50 ist mit schmalen Schlitzen 86 versehen, welche sich in seitlicher Richtung des Gehäuses 36 erstrecken, während die Breite dieser Schlitze 86 im wesentlichen der Breite des durch , die Objektivlinse 54 fokussierten Bildes der Streifen-

markierung 22 entspricht. Die Länge der einzelnen Schlitze - 86 beträgt jedoch nur etwa 60 % der Länge des Bildes der

Streifen, so daß eine unbeabsichtigte Querbewegung des [ ' Meßbandes relativ zur stationären optischen Abtaststation möglich ist. Der innerhalb jedes Lesebereichs liegende ' Teil der Maske 50 enthält eine bestimmte Anzahl von _f ,Schlitzen 86, beispielsweise fünf Schlitzen, welche iden- \ tisch zueinander ausgebildet sind. Die Schlitze benach- ;\, barter Abschnitte der Maske 50 sind jedoch progressiv jeweils um 90° phasenverschoben. Das Bild der Streifenmarkierung 22, welches auf der Maske 50 fokussiert wird, ist somit entweder gegenüber den optischen Schlitzen 86 der Maske 50 in voller Übereinstimmung, in teilweiser Überbeins timmung oder voll außerhalb jeglicher Übereinstimmung, Die in Fig. 4 durch die Zahlen I bis IV bezeichneten vier Phasen der Maske 50 sind nebeneinander so angeordnet, daß die optischen Schlitze 86 der einen Station gegenüber der übernächsten Station, beispielsweise die Stationen I und III, um 180° phasenverschoben sind. Gemäß Fig. 4 hat dies zur Folge, daß diese Stationen I und III in Bezug auf die Abdeckung des Bildes der Streifenmarkierung 22 entgegengesetzte Resultate zeigen.

Das auf der Maske 50 fokussierte Bild der Streifenmarkierung 22 ist - wie erwähnt - größer als die auf dem Meßband 12 befindliche Streifenmarkierung 22, und zwar vorzugsweise um einen Faktor 1,5. Der optische Abstand zwischen der Objektivlinse 54 und der Maske 50 sowie die

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Umrißformen der Objektivlinse 54 sind so gewählt, daß ein scharfes klares Bild der Streifenmarkierung 22 auf der Ebene der Maske 50 innerhalb des optischen Gehäuses gebildet wird. Entsprechend Fig. 4 erstreckt sich das Bild 28' jedes Streifens in seitlicher Richtung über die Enden der optischen Schlitze 86 der Maske 50 hinaus, welche den benutzbaren Bereich des Bildes festlegen und gleichzeitig ein Nebeneinanderanordnen von verschiedenen Markierungen auf dem Meßband 12 gestatten. Wenn demzufolge jede Objektivlinse 54 der Beobachtung von fünf dunklen Streifen 28 sowie der dazwischen liegenden hellen Streifen 30 dient, ergibt sich entlang des Meßbandes 12 jeweils eine Länge von 3,6 mm, während das auf der Maske 50 fokussierte Bild auf dieser Maske 50 jeweils eine Länge von 5,4 mm besitzt. Dabei hat jeder optische Schlitz 86 der Maske 50 eine Breite, welche 1,5-mal größer ist als die jedes dunklen Streifens 28, um auf diese Weise eine genaue Übereinstimmung in Bewegungsrichtung des Meßbandes 12 zu erreichen.

So wie sich dies anhand von Fig. 4 ergibt, befinden sich innerhalb des Abschnittes I die Streifenbilder 28" in vollkommener Ausrichtung mit den fünf optischen Schlitzen 86, während sie im Abschnitt III vollkommen von den entsprechenden Schlitzen 86 abweichen. Dabei bewirkt eine Verschiebung des Meßbandes 12 von nur 0,2 mm, daß eine Übereinstimmung bzw. Ausrichtung entweder im Abschnitt II oder IV zustande kommt, was den Lesekanälen 44 bzw. 48 entspricht. Das durch die Maske 50 gebildete optische Signal mit fünf Streifen wird dabei - wie erwähnt über die Feldlinse 56 dem photoelektrischen Detektor 58 zugeführt.

Die zu den photoelektrischen. Detektoren 58 geleite-

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ten optischen Signale sind dabei im Hinblick auf die
Kanäle 42 und 46 um 180° versetzt, so daß elektrische
Signale entstehen, die in Bezug auf die entsprechenden
Signale der Kanäle 44 und 48 in Quadratur sich befinden. Auf diese Weise kann dann die gewünschte Zähl-
und Richtungsinformation abgeleitet werden. Die Anordnung der Kanäle für die Phasenverschiebung kann in verschiedener Weise ausgeführt sein. Es erscheint jedoch
zweckmäßig, Phasenwerte von 0°, 90°, 180° und 270° vorzusehen, weil dadurch eine geringere Wahrscheinlichkeit von Fehlzählungen auftritt, indem die Fehlerüberwachung und Feststellung verbessert wird.

Die Feldlinsen 56 der einzelnen Kanäle werden durch die bikonvexen Linsenteile eines Linsenstreifens 88 gebildet, welcher ähnlich wie der Linsenstreifen 70 innerhalb des Gehäuses 36 angeordnet ist, um auf diese Weise die gewünschte Funktion der einzelnen Lesekanäle der
optischen Meßeinrichtung zu bilden. Die Feldlinsen 56
sind dabei unmittelbar nach der Maske 50 angeordnet.
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist der Linsenstreifen 88 auf der unteren Seite entlang seiner Kanten mit vier Vorsprüngen 90 versehen, welche der Befestigung der Maske 50 dienen. Die Vorsprünge 90 befinden sich dabei außerhalb des optischen Pfades der einzelnen Lesekanäle und sind auch durch Wärmebehandlung so verformt, daß die Maske 50 auf der unteren Oberfläche des Linsenstreifens 88 starr gehalten ist. Aufgrund der nahen Anordnung der Maske 50 sehen die einzelnen Feldlinsen 56
mit ihrer sphärischen oberen Oberfläche und ihrer asphärischen unteren Oberfläche durch die das Signal des Meßbandes 12 modulierende Maske 50 hindurch, ohne dieselbe unmittelbar wahrzunehmen. Dasselbe gilt für das vergrößerte Bild, das in der Ebene der Maske 50 durch die Objektiv-

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linse 54 fokussiert wird. Die Feldlinsen 56 sehen somit im wesentlichen ein Bild der Objektivlinsen 54, welches durch die Maske 50 moduliert ist. Aufgrund der Gleichheit des gegenseitigen Abstands und Muster der Schlitze der Maske 50 und des fokussierten Bildes besitzt das von den Feldlinsen 56 empfangene Lichtsignal über die gesamte Bildbreite mit fünf Streifen, so wie sie durch die Feldlinse 56 gesehen wird, eine gleichförmige Lichtintensität. Das Gesichtsfeld der einzelnen Linsen 56 beträgt dabei ungefähr 5 mm, wobei jede Feldlinse das durch die Maske 50 modulierte, fünf Streifen breite Lichtsignal abdeckt. Jede Feldlinse 56 erlaubt die kollektive Zusammenziehung des modulierten mehrschlitzigen Signals in ein zusammengesetztes Signal und die Fokussierung dieses zusammengesetzten Signals auf dem jeweiligen photoelektrischen Detektor 58. Das Verhältnis der effektiven Brennpunktlänge zur Gesamtlänge für die Feldlinse beträgt dabei 1:6.

Die einzelnen photoelektrischen Detektoren 58 sind innerhalb der oberen Fläche des optischen Gehäuses 36 angeordnet und mit einer nicht dargestellten gedruckten Schaltung der Längenmeßeinrichtung verbunden. Die einzelnen photoelektrischen Detektoren sind dabei innerhalb der einzelnen Kanäle in der Mitte angeordnet und befinden sich geringfügig oberhalb der jeweiligen Feldlinsen 56, um auf diese Weise das zusammengesetzte gesammelte Lichtsignal einzufangen, welches mit Hilfe der betreffenden Feldlinse 56 fokussiert worden ist. Die einzelnen photoelektrischen Detektoren 58 können beispielsweise Phototransistoren sein, ,so wie sie beispielsweise von Texas Instruments vertrieben werden. Es erscheint in diesem Zusammenhang einleuchtend, daß die Verwendung von Feldlinsen 56 eine genaue Justierung der photoelektrischen Detektoren 58 unnötig

macht.

Die Funktionsweise der beschriebenen Anordnung ist wie folgt: Die auf dem Meßband 12 befindliche Streifenmarkierung 22 wird durch die seitlich zur Längsachse des Meßbandes 12 versetzte Leuchtdiode 52 beii.ont.eL. Di« innerhalb jedes Kanals befindliche stationäre Objektivlinse 54 sammelt das an der Streifenmarkierung 22 diffus reflektierte Licht, wobei in der Regel etwa fünf Streifsp 28 der Streifenmarkierung 22 erfaßt werden. Die Objektivlinse 54 ist bezüglich der Lichtquelle 52 und der reflektierenden Oberfläche 24 des Meßbandes 12 derart angeordnet, daß das von der Linse 54 erfaßte Licht keine direkten oder Spiegelreflexionsanteile besitzen. Die Verwendung des diffusen Lichtanteils erscheint dabei wichtig, da die an der glatten Oberfläche des Meßbandes 12 sich ergebenden Reflexionen durch Spiegelreflexion so groß wären, daß die relativen Reflexionseigenschaften der verschiedenen Markierungsbereiche 28 und 30 geringere relative Reflexionsunterschiede ergeben, was zu Schwierigkeiten führen würde, um eine wirksame Modulation mit Hilfe der Maske 50 zu erreichen. Die Objektivlinse fokussiert das Bild der Streifenmarkierung 22 auf der mehrphasigen optischen Maske 50, wobei dieses Bild eine Vergrößerung von etwa 1,5 gegenüber der Originalgröße der auf dem Meßband 12 befindlichen Streifenmarkierung 22 besitzt. Die Position der Maske 50 in Bezug auf die Objektivlinse 54 ist dabei derart gewählt, daß in der Ebene der Maske 50 ein scharfes klares Bild der Streifenmarkierung 22 gebildet ist. Die auf der Maske 50 befindlichen optischen Schlitze 86 sind dabei größenmäßig derart ausgelegt und im Abstand zueinander angeordnet, daß sie dem Bild der Streifenmarkierung 22 entsprechen. Dieses Bild des Streifenmusters 22 bewegt sich dabei in Bezug auf die Objektivlinse 54, was zur FoI-

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ge hat, daß die Maske 50 das hindurchgeworfene Licht moduliert, indem dasselbe wahlweise entweder vollkommen hindurchgelassen oder vollkommen unterdrückt wird, wobei sich ein hohes Kontrastverhältnis ergibt. Die in den einzelnen Kanälen vorhandenen Schlitze der Maske 50 besitzen eine 9O°-Phasenverschiebung im Vergleich zu dem daneben liegenden Kanal,sind jedoch innerhalb jedes einzelnen Kanals gleichförmig. Während das Meßband 12 bewegt wird, wird der durch die Maske 50 hindurchgelassene gesamte Lichtfluß kontinuierlich und zyklisch verändert, so daß sich die gewünschten Signale ergeben. Die Feldlinse 54 fokussiert dann das durch die Maske 50 hindurchgelangende gleichförmige Lichtintensitätssignal auf einem kleinen photoelektrischen Detektor 58. Die Verwendung mehrerer optischer Schlitze innerhalb jedes Leseabschnittes erlaubt die Verwendung von mehreren dunklen und hellen Streifen 28 und 30 der Strexfenmarkxerung 22, wodurch die Gefahr eines Fehlers aufgrund sich verändernder Reflexionseigenschaften der Oberfläche des Meßbandes 12 reduziert wird. Das von der Maske hindurchgelangende zusammengesetzte Signal eliminiert fernerhin die Notwendigkeit, daß der jeweilige photoelektrische Detektor 58 genau positionsmäßig justiert werden muß, während zusätzlich die Möglichkeit besteht, daß der photoelektrische Detektor 58 sehr klein gemacht werden kann.

Claims

Ansprüche

Optischer Sensor für aufwickelbare Meßbänder u. dgl., welche ein längliches Meßband mit optischen Markierungen besitzen, wobei entlang dieses Meßbandes eine Streifenmarkierung vorgesehen ist,

dadurch

gekennzeichnet

daß in einem gewissen Abstand von der Streifenmarkierung (22) wenigstens ein photoelektrischer Detektor (58) vorgesehen ist, ferner daß ein Teil dieser Streifenmarkierung (22) bei ihrer Relativbewegung in Bezug auf den photoelektrischen Detektor (58) von einer Lichtquelle (52) belichtet ist, ferner daß zwischen der Streifenmarkierung (22) und dem photoelektrischen Detektor (58) eine optische Maske (50) vorgesehen ist, wobei zwischen dieser Maske (50) und dem Meßband (12) zusätzlich eine Objektivlinse (54) vorhanden ist, welche ein scharfes, klares Bild des belichteten Streifenmusterbereiches auf der optischen Maske (50) fokussiert, die eine gleichförmige Modulation des durch die Maske (50) hindurch gelangenden Lichtsignals bewirkt, und daß unmittelbar im Anschluß an die Maske (50) eine Feldlinse (56) vorgesehen ist, welche das durch die Maske (50) hindurch gelangende und durch dieselbe modulierte Lichtsignal konzentriert und das konzentrierte zusammengesetzte Lichtsignal auf den photoelektrischen Detektor (58) richtet.

0121-(ST 147)-vB-E

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2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß oberhalb der Streifenmarkierung (52) ein optischer Lesekopf vorgesehen ist, dessen Gehäuse (36) eine Mehrzahl von in Richtung der Streifenmarkierung (22) nebeneinander angeordneten Lesekanälen aufweist, und daß die optische Maske (50) sich über diese Lesekanäle hin erstreckt und eine Mehrzahl von optischen Schlitzen besitzt, die zur Erzielung des modulierten Signals jeweils eine ^s unterschiedliche Phasenverschiebung im Vergleich zu dem nächstliegenden Lesekanal aufweist.
3. Optischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Phasenverschiebung der optischen Schlitze der Maske (50) nicht benachbarter Lesekanäle 180° beträgt.
4. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Modulation des fokussierten Bildes die optische Maske (50) eine Mehrzahl von optischen Schlitzen aufweist, und daß das projizierte Bild eine Mehrzahl von optischen Markierungen aufweist, welche zur Erzielung des modulierten Signals mit den optischen Schlitzen der Maske (50) übereinstimmen.
5. Optischer Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Lichtquelle (52) seitlich von der Streifenmarkierung (22) angeordnet ist, und daß die Maske (50) eine Mehrzahl von optischen Schlitzen besitzt, wobei das Bild der auf der Maske (50) foknssierten Streifenmarkierung (22) dieselbe Form und denselben Abstand wie die opti-

sehen Schlitze besitzt.
6. Optischer Sensor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß die optischen Markierungen gleiche Größe und gleichen Abstand zueinander besitzen, und daß die auf der Maske (50) fokussierten Streifenmarkierungen (22) eine größere Länge als die optischen Schlitze der Maske (50) besitzen-
7. Optischer Sensor nach Anspruch 1,2 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

daß oberhalb der Streifenmarkierung (22) ein optischer Lesekopf vorgesehen ist, dessen Gehäuse (36) eine Mehrzahl von Lesekanälen aufweist, wobei der innerhalb jedes Kanals vorhandene optische Pfad eine Objektivlinse (54), eine optische Maske (50), eine Feldlinse (56) sowie einen Detektor (58) aufweist, und daß die optische Maske (50) benachbarter Kanäle eine Phasenverschiebung von 90° besitzt, wobei die Lichtquelle (52) seitlich in Bezug auf die längliche Streifenmarkierung (22) und unter einem spitzen Winkel in Bezug auf den optischen Pfad jedes Lesekanals angeordnet ist, um auf diese Weise eine diffuse,nichtspiegelnde Reflexion der Streifenmarkierung (22) entlang des optischen Pfades zu gewährleisten.
8. Optischer Sensor nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß derselbe innerhalb des Gehäuses (10) für das Meßband (12) angeordnet ist, und daß die Streifenmarkierung (22) auf der einen Oberfläche des Meßbandes (12) entlang der Längsmittellinie vorgesehen ist und somit beim Verschieben des Meßbandes (12) zwischen seiner

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ausgezogenen und zurückgezogenen Position innerhalb des Gehäuses (10) gleichzeitig mitbewegt wird.
9. Optischer Sensor nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Kanal eine eigene Lichtquelle (52) aufweist, um den innerhalb jedes Kanals vorhandenen Markierungsbereich zu belichten.
10. Optischer Sensor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Objektivlinsen (54) und/oder die Feldlinsen (56) in Form eines Linsenstreifens (70, 88) ausgebildet sind,

des optischen Pfads
welche innerhalb/jedes Lesekanals (42 bis 48) jeweils ein Linsenelement aufweisen.
11. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet,

daß die Linsen (54, 56) jeweils eine asphärische Linsenoberfläche besitzen, welche die innerhalb des optischen Pfades der einzelnen Lesekanäle (42 bis 48) auftretenden optischen Fehler korrigieren.
12. Optischer Sensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Objektivlinse (54) ein Verhältnis der effektiven Brennweitenlänge zur Gesamtlänge zwischen Meßband (12) und Detektor (58) von ungefähr 1 : 5 aufweist.

13„ Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Feldlinse (56) ein Verhältnis von effektiver Brennweitenlänge zum Gesamtabstand zwischen Meßband (12) und photoelektrischem Detektor (58) von ungefähr 1 : 6 aufweist.