DE3221336A1

DE3221336A1 - Optische messanordnung

Info

Publication number: DE3221336A1
Application number: DE19823221336
Authority: DE
Inventors: Torgny 72474 Västerås Brogårdh
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1981-06-16
Filing date: 1982-06-05
Publication date: 1982-12-30
Also published as: US4531230A; JPS582981A; SE8103773L

Description

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Patentanwalt und Rechtsanwalt ,_

Dr.-ing. Dipi.-ing. Joachim Boecker J₁ 5""— /3 6 Frankfurt/Main 1 , 1. Juni 1982

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Ra!henauplati2-9 21 127 P

Toteion: (OS11} "282355 ToIfBC 4189 089itffitd

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ASEA Aktiebolag, Västeras/Schweden

Optische Meßanordnung

Die Erfindung betrifft eine optische Meßanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. ^:

Zur Stabilisierung der Lichtintensität kann die Lichtquelle gesteuert werden, wodurch man eine hohe Meßgenauigkeit erhält und eine Zeit- und Frequenzmultiplexierung von zwei oder mehreren Lichtquellen vorgenommen werden kann,,

. ■

In der deutschen Patentanmeldung P 31 43 383»9 wird ein faseroptischer Schreibstift zur Eingabe einer Handschrift in einen Computer beschrieben. Die beschriebene Technik kann in gewissem Maße auch zur Eingabe von graphischer Information verwendet werden, wenn an die Genauigkeit keine hohen Ansprüche gestellt werden» Schwierig ist es jedoch,, sine solche Information mit hoher Genauigkeit zu erhaltene

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische I Meßanordnung der eingangs genannten Art zu entwickeln, r/3lche die Eingabe von graphischen Informationen mit sehr großer Genauigkeit ermöglicht,,

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine optische Meßanordnung '3.QV eingangs genannten Art vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat. ·

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Untor-imsprüehen. genannt.

Wenn der früher beschriebene faseroptische Schreibstift mit einem weiteren optischen Kanal versehen wird, kann man einen Schreibstift zur gleichzeitigen effektiven Eingabe von Handschrift und graphischer Information erhalten.

Gemäß der hier beschriebenen Technik wird ein amplitudencodiertes Karomuster auf dem Objekt abgetastet, auf dem die graphische Information aufgetragen vird oder bereits vorliegt. Um nicht mit den geschriebenen Linien zu interferieren, wird das Muster zweckmäßigerweise im IR-Bereich (Infrarot-Bereich)untergebracht, wodurch ein IR-Absorptionsband beispielsweise das Objekt in x-Richtung und ein anderes IR-Absorptipnsband das Objekt in y-Richtung eines rechtwinkligen Koordinatensystems liniert. Als Bezugsgröße kann eine konstante IR-Absorptian, die sich über, die gesamte abzutastende Oberfläche des Objektes erstreckt, in einem dritten Band vorhanden sein. Um die Richtung der geschriebenen Information bestimmen zu kön- nen_r werden die Absorptionswerte analog in drei Niveaus codiert, und um die absolute Lage des optischen Schreibstiftes auf dem Objekt (der Unterlage) erfassen zu können, wird entweder eine weitere Codierung der relativen Absorptionswerte des Absorptionsmusters vorgenommen oder es werden separate Absorptionsbänder benutzt, um eine digitale Präsentierung der Lage vorzunehmen.

Da der genannte optische Geber ein genaues Lagemeßgerät ist, kann er auch zur genauen Lagemessung, beispielsweise in der Werkstattsindustrie,verwendet werden.

Anhand der Figuren soll ü.\e Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Meßanordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 2a das abzutastende Objekt, Fig. 2b die Variationen der Lichtabsqrption in x-Richtung für Licht mit der Wellenlänge X₁, Fig. 2c die Variationen der Lichtabsorption in y-Richtung für Licht der Wellenlänge λ>2> Fig. 2d und 2e die Lichtabsorptions-Variationen in

x-Richtung und y-Richtung für Licht mit einer Wellenlänge X*,
Fig. 2f Absorptionsspektren,

Fig. 3a Variationen der Lichtabsorption, die zur Bestimmung der Bewegungsrichtung des Gebers relativ zum Objekt geeignet sind, Fig. 3b bis 3g die bei einer Abtastung eines Objekts mit einem Muster gemäß Fig. 3a gemessenen Absorptionsvariationen für verschiedene Bewegungsverläufe ,
Fig. 4a die Möglichkeit, ein handgeschriebenes Zeichen,

nämlich die Zahl 38, zu identifizieren, Fig. 4b die bei der Abtastung der Ziffer 3 in Fig. 4a un c registrierten Absorptionsvariationen, Fig. 4d die entsprechenden Absorptionsvariationen bei ^xmd ^^e Abtastung der Ziffer 8, Fig. 5a bis 5c verschiedene Codierungsmethoden, Fig. 6 eine Codierung gemäß Fig. 5b, Fig. 7 ein optisches Raster zur Lagemessung, Fig. 8 die Herstellung des Musters auf dem Objekt

mit einer Tintenspritze,

Fig. 9 einen Drucker bzw. ein Zeichengerät in Kleinstformat.
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Figur 1 zeigt einen optischen Geber mit dem faseroptischen System einschließlich der Elektronik. Drei Leuchte oder Laserdioden 1a -" 1c senden Licht in verschiedenen Zeitintervallen durch die Faseroptik auf das Papier 3» und die Aufgabe besteht darin, die Lage des Faserendes in x- oder y-Richtung relativ zum Papier zu bestimmen»

Das Lichtsignal wird mittels der optischen (lichtleitenden)Pasern 15, 16* und 17 und mittels .Verzweigungen in eine gemeinsame optische Faser 18 und von dieser auf das Papier 3 geleitet. Das vom Papier 3 in die Faser 18 reflektierte Licht wird über die Faser 19 zu einer Fotodiode 2 geleitet, die mit einem Verstärker 20 und drei Folge- und Halteglieder (S & H-Gliedern) 21, 22_S 23 verbunden ist. Ein Folge- und Halteglied ist ein Glied_s welches den einmal an seinem Eingang vorhanden gewesenen Wert speichert und als Ausgangsgröße abgibt. Sobald eine neue Eingangsgröße erscheint, wird diese statt der bischerigen gespeichert und am Ausgang abgegeben« Das Licht jeder Lichtquelle 1a bis 1c hat eine andere Wellenlänge X₁, λ ρ bzw. λ-ζ, die mit Rücksicht auf das auf dem Papier befindliche Muster gewählt werden, so daß Variationen in der Lichtabsorption des Papiers in x-Richtung bei A^ und in y-Richtung bei λ ρ erfaßt werden, während das Licht mit der Wellenlänge λ ■* gleichzeitig als Bezugsgr£5ße dient Die Signale y* und yv,» die ein Maß für die Absorptions-Variationen in x- bzw. y-Richtung sind, werden durch das Signal y^ dividiert, welches das Bezugssignal ist_s dessen Große im Prinzip unabhängig von der Lage der Messung auf dem Papier ist. Zur Stabilisierung der Lichtquellen dient ein Lichtdetektor 24, dessen Ausgangssignal über einen Regler rückgekoppelt wird, der aus einem Verstärker 25 und einem Summierungsglied 26 besteht, dem auch ein Be= zugssignal (V _f) zugeführt wird. Auf der Ausgangsseite des Summierungsgliedes ist ein Regler 27 zur Speisung der Lichtquellen angeschlossen. Der Lichtdetektor 24 wird als zentrales Glied zur Stabilisierung der Lichtquellen verwendet und ist nur bei hohen Ansprüchen an die Genauigkeit erforderlich. Der Fotodetektor 2 ist ein zentrales Glied der Erfindung, da er Variationen in den optischen Eigenschaften des Papiers (oder sonstigen Objekts) 3 abtastet.

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Werden beim Messen der Absorptionsvariationen in χ- und y~Richtung geringere Ansprüche an die Genauigkeit gestellt, so kann'auf das Licht mit der Wellenlange Λ ■* verzichtet werden, wobei, um y* und y₂ zu erhalten,keine Quotientenbildungen erforderlich sind. Die Speiseglieder für die verschiedenen Lichtquellen umfassen Schalter (S1 - S3) und Verstärker (28, 29, 30),

Wie die Absorptionsvariationen ausgeführt werden können₉ zeigt Figur 2. Figur 2a zeigt das Papier, das mit der, optischen Faser 18 in Figur 1 abgetastet wird. Figur 2b zeigt die Variationen der Lichtabsorption in x-Richtung für Licht mit der Wellerifönge X₁, Figur 2c zeigt die Variationen der Lichtabsorption in y~Richtung für Licht mit der Wellenlänge A₂, und die Figuren 2d und 2e zeigen die entsprechenden Variationen in x-Richtung und y-Richtung für Licht mit der Wellenlänge Λ 3· Dieses Lichtabsorptions muster kann man mit Hilfe der Absorptionsspektren gemäß Figur 2f erhalten (siehe die gestrichelten Kurven)» I^, X und I^ sind die Emissionsspektren der drei Lichtquellen 1a - 1c. "

Das Muster kann (iirch Lithographie, fotografische Technik oder Offsetdruck hergestellt werden, wobei Farbe mit dem Absorptionsspektrum^^, gleichmäßig über das gaaze Papier^ Farbe mit dem Absorptionsspektrum C^w in vertikalen Strichen und Farbe mit dem Absorptionsspektrum (X^₂ '^ⁿ hori« zontalen Strichen gemäß Figur 2a auf dem Papier aufgetragen wird.

Dadurch, daß man die Striche in drei verschiedene Starkes in bestimmter Reihenfolge ausführt, kann man, wenn die Faser über das Papier geführt wird, die Bewegungsrichtung bestimmen ρ was aus Figur 3 hervorgeht., Figur 3a aeigt di» Variationen der Lichtabsorption längs des Weges des Fassrsnäes, und A, B und C zeigen drei Faserbewegungen._P "■."obfäi die Bewegungsrichtung durch das Muster sich in

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unterschiedlichen Lagen ändert. Die gemessenen Absorptionsvariationen für diese Fälle zeigen die Figuren 3b 3g, wobei jeder Fall in zwei Unterfälle aufgeteilt ist, je nachdem, ob die Faser ihre Bewegungsrichtung vor oder nach dem Passieren einer Absorptionsspitze ändert„ Wie man sieht, kann man in sämtlichen Fällen die Bewegungsrichtungen bestimmen und auch die Lage, in welcher die Änderung der Bewegungsrichtung stattfindet.

Aufgrund dieser Möglichkeit kann man beispielsweise handgeschriebene Zeichen identifizieren, indem man die Absorptionsvariationen in x- und y-Richtung gleichzeitig mit dem Schreiben der Zeichen mißt, was in Figur 4 gezeigt ist, wo die Zahl 38 auf ein Papier geschrieben wurde, wobei sich die längs der x- und y-Achsen aufgetragenen Absorptionsvariationen die Absorptionsvariationen des Papiers in x- und y-Richtung beschreiben. Die Figuren 4b und 4c zeigen die gemessenen Absorptionsvariat^onen für die Ziffer 3, und die Figuren 4d und 4e zeigen die gemessenen Absorptionsvariationen für die Ziffer 8. Einige einander entsprechende Punkte in der Zahl 38 und den gemessenen Absorptionsvariationeh sind durch die Zahlen 1_y 2, 3 usw«, kenntlich gemacht.

Im Prinzip kann die beschriebene Methode, ein Muster auf einem Papier o. dgl. anzubringen und dieses Muster optisch durch Licht mit mindestens zwei Wellenlängen abzutasten, als Digitizer verwendet werden. Um neben der Erfassung der Bewegung des Faserendes, wie es in Figur 4 gezeigt ist, auch die absolute Lage des Faserendes zu erfassen, kann die Qröße der Absorptionsvariationen codiert werden, was in Figur 5 gezeigt ist. Wenn die Amplitude b größer als ein bestimmter Wert ist, so kann dies als eine logische Eins definiert werden, und wenn die Amplitude b kleiner als. dieser bestimmte Wert ist, so wird dies als eine logische Null definiert. Wenn die Faser beispielsweise über

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eine Strecke geführt wird, die zwölf Absorptionsvariationsperioden in x-Richtung entspricht, so werden auf diese Weise vier Bits Information betreffend die absolute Lage der Faser in x-Richtung eingelesen. Um mehr Bits pro Längeneinheit zur Verfügung zu haben, können zwei Absorptionsspitzen Information tragen und die Amplitude b kann beispielsweise als Bezugswert gemäß Figur 5b dienen» Die Möglichkeit, daß Kombinationen aus den Größen von Absorp~ tionsspitzen relativ zu der Höhe einer Referenzabsorptionsspitze als Codierung dienen, zeigt Figur 5c

Das Potential bei dieser Art von Codierung geht aus Figur 6 hervor, welche die Codierungsart gemäß Figur 5b verwen~ det, jedoch mit dem Zusatz, daß das größte Maximum auch als Lagemarkierer dient, wenn sein Wert ein bestimmtes Niveau übersteigt, das höher ist als der Wert für eine logische Eins. Mit fünfzehn Absorptionsvariationsperioden können neun Bits zur Beschreibung absoluter Positionen gewonnen werden, was zusammen mit einer Zählung der vierzehn Teilungen zwischen den Markierern eine absolute Auflösung von 7665 Teilungen ergibt.

In der Figur wird auch ein Beispiel für Absorptionsniveaus gezeigt _r die den Grenzen zwischen Markierer und einer Eins sowie einer Eins und einer Null entsprechen.

Außer für Digitizer kann die beschriebene Methode auch zur Lage- und Winkelmessung entsprechend Figur 7 verwendet werden. Dabei kann die relative Bewegung zwischen zwei Rastern durch Transmissions- oder Reflexionsmessung optisch gemessen werden. Um beim Messen der Teilung der Absorptionsspitzen ("Steuerimpulse") eine große Genauigkeit 2u erzielen, kann diese Messung mit Hilfe von zwei Rastern 40, 41 vorgenommen werden, wobei man eine Mittelwerten» dung erhält. Zur Bestimmung der absoluten Lage v/ird nur ein Spalt ("Codelesen") 41 verwendet,

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Wenn die optischen Raster nach Figur 7 nicht auf dem Meßobjekt montiert werden können, kann man die Absorptionsvariationen beispielsweise dadurch erhalten, daß Farbe gemäß Figur 8 durch Tintenspritztechnik direkt auf das Meßobjekt gespritzt wird.

Der größte Anwendungsbereich für die hier beschriebene Technik liegt wahrscheinlich in dem Bereich der Kommunikation vom Menschen zur Maschine. Außer zur Eingabe von handgeschriebenen Symbolen, Skizzen, Figuren und Kurven kann die Technik bei der Verwendung von Schreibern (plottern) Bedeutung erlangen, bei denen für die Ausschrift das Messen der Position erforderlich ist. Figur zeigt einen Drucker (plotter) im Taschenformat, der einfach auf das Papier gestellt wird, auf dem die Ausschrift erfolgen soll. Dadurch, daß das Papier ein Muster der oben beschriebenen Art hat und der Drucker zwei optische Fasersysteme zum Abtasten der absoluten Lage des Druckers und seiner Winkelstellung hat, kann durch die Steuerung die Ausschrift in der gewünschten Lage auf dem Papier gebracht werden. Damit die Ausschrift nicht durch das Muster gestört wird, wird dieses im infraroten Wellenlängenbereich angebracht.

In Figur 8 wird bei 31 eine Tintenspritze gezeigt, die auf dem Objekt 32 ein Muster aufbringen soll. 33 sind drei Faserdetektoren. Die Anordnung betrifft somit eine Mustererzeugung mittels Tintenspritze. Man kann beispielsweise lumineszierendes Material verwenden.

Figur 9 zeigt einen batteriegetriebenen Wagen 34 mit einem Drucker (printer), drehbaren Rädern und Faserdetektoren. 35 ist eine Antenne und 36 sind die Räder mit Dreh- und Antriebsmöglichkeit. 37 ist ein Papier mit Farbkoordinaten und 39 sind die optischen Fasern zur Lageerfassung (vgl.

18 in Figur 1). Die Figuren 8 und 9 sind somit Ausführungs-

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beispiele gemäß der Erfindung.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung können im Rahmen des offenbarten allgemei nen Erfindungsgedankens in vielfacher Weise variiert
werden.

Claims

Patentanwalt und Rechtsanwalt --··-- Dr.-Ing. Dipl.-Ing. Joachim Boecker 6 Frankfurt/Main 1 , 1. Juni 1982 RathenauplaU2-8 B/th 21 127 P Telefon: (0611) '282355 NACHQEREIOHT ΤβΙβ»: 4189 06e ilax d Patentansprüche

1. Optische Meßanordnung, bestehend aus einem Geber (18) und einem Objekt (3) zur Messung der Lage und des Winkels zwischen dem Geber und dem Objekt sowie des zeitlichen Verlaufes dieser Größen bei einer Relativbewegung zwischen dem Geber und dem Objekt in. einer, zwei oder drei Koordinatenrichtungen, wobei zur Meßanordnung mindestens eine Lichtquelle (1a, 1b, 1c), die über den Geber Licht auf das Objekt (3) sendet, mindestens ein Fotodetektor (2), der das von der Lichtquelle herrührende Licht erfaßt, soweit dieses von dem Objekt (3) reflektiert und/oder durch das Objekt transmittiert wird, und mindestens eine Elektronikeinheit zum Ein- und Ausschalten (S1 - S3) der Lichtquelle und zur Regelung (24 - 27) der Lichtstärke dieser Lichtquelle (1a - 1c) sowie zur Auswertung (S1, S2, S3, 21-23) der Signalvariationen des Fotodetektors (2) gehören, und wobei .das Objekt (3) mit einem optisch er- faßbaren Muster (Fig. 2a - c) versehen ist, das auf Variationen (Fig. 2b) der Lichttransmission, der Licht~ absorption, der Lichtreflexion und/oder der Fotolumineszenz des Objektes beruht, dadurch gekennzeichnet, daß die Variationen einer oder mehrerer der genannten optischen Eigenschaften des Objektes (3) in mindestens einer Richtung des Objektes mindestens drei verschiedene Amplituden haben, die von dem Unterschied zwischen einem örtlichen Maximum und einem in der genannten Richtung relativ zum genannten Maximum davorliegenden oder dahinterliegenden örtlichen Minimum der Lichttransmission, der Lichtabsorption, der Lichtreflexion oder der Fotolumineszenz des Objektes bestimmt werden^ daß diese verschiedenen Amplituden immer in einer vorbestimmten Reihenfolge (z.B. große, mittlere _s kleine

nachqereiohtI /: - : : ^:-,,-^ 1'.^"ψ·- ¹⁹⁸²

Amplitude oder große, kleine,mittlere Amplitude) in der genannten Richtung aufeinanderfolgen und daß die genannten Amplituden, die von dem Geber (18) bei einer Verschiebung relativ zum Objekt (3) erfaßt werden, von dem Fotodetektor (2) in elektrische Signalamplituden umgewandelt werden, die von der Elektronik (20-23) zur Bestimmung der Lage, des Winkels und/oder der Bewegungsrichtung des Gebers (18) relativ zu dem Objekt (3) ausgewertet werden.
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2. Optische Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Amplitudenwerte der optischen Eigenschaft des Objektes moduliert werden, um binare Zahlen zu repräsentieren, ohne daß die Erfaßbarkeit der Reihenfolge der Amplituden und damit der Bewegungsrichtung verloren geht.

3. Optische Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die binären Zahlen aufeinanderfolgender Amplitudenwerte zur Beßtimmung der absoluten Lage des Gebers im Verhältnis zum Objekt (3) benutzt werden.

4. Optische Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Amplitudenwerte zur Markierung der absoluten Lage benutzt wird, die durch die genannten binären Zahlen repräsentiert ist.

5. Optische Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten optischen Eigenschaften für mindestens ein Wellenlängen intervall in einer Richtung und für ein anderes, nicht identisches Wellenlängenintervall in einer anderen, nicht parallelen Richtung variieren, daß die Lichtquelle (n) (1a - Ic) Licht in beiden Wellenlängenintervallen senden, daß der Detektor (2) Licht in beiden Wellenlängenintervallen empfängt und daß die Variationen des Detek-torsignals in den beiden Wellenlängen-

NACHQJiREICHT

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intervallen der Elektronikeinheit zur Bestimmung der Lage des Gebers relativ zu dem Objekt in einem Zweikoordinatensystem dienen.

6. Optische Meßanordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres, mit den genannten Wellenlängenintervallen nicht identisches Wellenlängenintervall zur Bildung eines Referenzsignals verwendet wird und daß die gesamte abzutastende Oberfläche des Objektes mit einem optischen Medium versehen ist, durch welches auf dieser gesamten Oberfläche beim Abtasten ein konstantes optisches Signal erzeugt wird, welches zur Kompensation von Instabilitäten im optischen System und Abstandsvariationen zwischen Geber und Objekt dient,

7. Optische Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Amplituden durch eine variierende Farbstärke und/oder durch ein variierendes Farbspektrum beim Druck auf Zellulose- oder Kunststoffmaterial gebildet werden.

8. Optische Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (1a - 1c) Leucht- oder Laserdioden sind, daß die Fotodetektoren Fotodioden (2) sind und daß mindestens eine optische Faser (18) zu dem Geber gehört, um das Licht zum Objekt (3) zu leiten und das vom Meßobjekt beeinflußte Licht zum Detektor (2) zu leiten.

9. Optische Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der genannten Geber (18) auf einem auf dem Objekt beweglichen Drucker angeordnet sind zur Positionierung des Druckers bei der Ausschrift auf beispielsweise einem Papier.

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NACHQEREICHT

10, Optische Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber in einem Schreibstift zur Digitalisierung von graphischer Information und Symbolen angeordnet ist_o

11, Optische Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten mindestens drei verschiedenen Amplituden durch variierende Lichttransmission, Lichtabsorption und/oder Lichtreflexion für drei verschiedene Spektralbänder erzeugt werden und daß diese variierenden optischen Eigenschaften der drei Spektralbänder durch mindestens drei frequenz- und/oder zeitmultiplexierte Lichtquellen mit verschiedenen Emissionsspektren erfaßt werden, wobei jedes dieser Emissionsspektren ganz oder teilweise mit mindestens einem der genannten Spektralbänder zusammenfällt,

12, Optische Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß binäre Zahlen dadurch erzeugt werden, daß die genannten Variationen in mindestens einer der genannten optischen Eigenschaften für ein Spektralband binärcodiert sind, das sich von dem Spektralband oder den Spektralbändern unterscheidet, bei dem (den) die Bewegungsrichtung bestimmt wird, und daß mindestens eine Lichtquelle mit einem Emissionsspektrum vorhanden ist, das ganz-oder teil= weise mit dem genannten Spektralband zusammenfällt„

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