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Die
Erfindung bezieht sich auf Bewegungssensoren. Insbesondere bezieht
sich die Erfindung auf einen optischen Codierer, der nichtstrukturierte
Zielobjekte verwendet und ein Photosensorarray umfasst.
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Ein
Tintenstrahldrucker umfasst in der Regel einen rotierenden optischen
Codierer und einen linearen optischen Codierer. Ein strukturiertes
Codierrad eines typischen rotierenden Codierers ist konzentrisch
an einer Welle oder Rolle angebracht, die einen Teil eines Antriebsmechanismus
bildet, der ein Druckmedium durch den Drucker bewegt. Das strukturierte
Rad ist in der Regel eine dünne
Scheibe, die eine Mehrzahl von Codiermarkierungen oder -schlitzen
aufweist. Die Markierungen oder Schlitze erzeugen eine sich wiederholende Struktur
sich radial erstreckender reflektierender und nichtreflektierender
Regionen oder undurchsichtiger und durchsichtiger Regionen um die
Scheibe herum. Wenn die Welle oder Rolle gedreht wird, um ein Blatt
Papier oder anderes Druckmedium durch den Drucker zu bewegen, wird
das Codierrad des rotierenden Codierers ebenfalls gedreht.
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Eine
Codieranordnung des typischen rotierenden Codierers umfasst ein
oder zwei Photosensorelemente, eine Beleuchtungsvorrichtung und
eventuell einige Filter und Linsen. Die Beleuchtungsvorrichtung
wird verwendet, um einen Bereich des strukturierten Rads während des
Betriebs des Druckers zu beleuchten. Wenn das strukturierte Rad
gedreht wird, durchlaufen die Markierungen oder Schlitze den beleuchteten
Bereich. Die Markierungen oder Schlitze modulieren durch die Photosensorelemente
erfasstes Licht in einer Rate, die proportional zu der Rate der
Winkelrotation des strukturierten Rads ist. Derartiges moduliertes
Licht bewirkt, dass jedes Photosensorelement eine Folge von Pulsen
mit einer Frequenz ausgibt, die proportional zu der Rate der Winkelrotation
ist. Diese Rückkopplungsinformation wird
an ein geschlossenes Regelsystem geliefert, das die Zuführrate des
Blatts steuert.
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Wenn
zwei Photosensorelemente verwendet werden, werden sie in der Regel
bezüglich
einander derart angeordnet, dass ihre Ausgangspulse eine Quadraturbeziehung
aufweisen. Eine derartige Beziehung erlaubt, dass Rotations-, Richtungs- und Winkelverschiebungen
eines Viertels der Dauer der Markierungen oder Schlitze erfasst
werden.
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Der
lineare optische Codierer wird zum Erfassen und Messen der Bewegung
eines Druckkopfs über das
Druckmedium verwendet. Ein typischer linearer Codierer umfasst einen
strukturierten Codierstreifen mit alternierenden Markierungen oder
Schlitzen. Die Markierungen oder Schlitze erzeugen eine sich wiederholende
Struktur reflektierender und nichtreflektierender Regionen oder
undurchsichtiger und durchsichtiger Regionen entlang des Streifens.
Der typische lineare optische Codierer umfasst ferner eine Codieranordnung,
die eine Beleuchtungsvorrichtung und mindestens zwei Photosensorelemente,
die in einer Quadraturbeziehung angeordnet sind, aufweist. Die Codieranordnung
ist an dem Druckkopf befestigt und dadurch relativ zu dem strukturierten
Streifen bewegbar. Wenn der Druckkopf relativ zu dem strukturierten
Streifen bewegt wird, modulieren die Markierungen oder Schlitze
durch jedes Photosensorelement erfasstes Licht mit einer Rate, die proportional
zu der Rate der linearen Bewegung des Druckkopfs ist. Die Photosensorelemente
wiederum geben eine Folge von Pulsen mit einer Frequenz aus, die
proportional zu der linearen Bewegung des Druckkopfs ist. Rückkopplungsinformationen
von der Codieranordnung werden an das geschlossene Regelsystem geliefert,
das die lineare Rate oder Position des Druckkopfs steuert.
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Strukturierte
Zielobjekte wie z. B. strukturierte Codierräder und strukturierte Codierstreifen
sind gemäß bestimmter
Spezifikationen entworfen. Diese Spezifikationen umfassen eine Distanz
der Markierungen oder Schlitze und ein Ver hältnis Markierung/Bereich. Codieranordnungsspezifikationen
umfassen eine Position des Photosensorelements, wie genau das strukturierte
Zielobjekt ausgerichtet (und bei rotierenden Codierern zentriert)
ist, ein H/L-Signalverhältnis,
Fehlerdichte usw. Wird eine dieser Spezifikationen verletzt, kann
es vorkommen, dass die Codiergenauigkeit unannehmbar ist und der
optische Codierer nicht korrekt in einem Drucker wirksam ist.
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Die
Verwendung strukturierter Zielobjekte erhöht die Kosten und Schwierigkeiten
der Herstellung und der Ausrichtung der Codierer. Andererseits würden die
Codierer robuster werden, wenn strukturierte Zielobjekte nicht erforderlich
wären.
Zudem würde
die Herstellung und Montage der optischen Codierer vereinfacht,
und ein sich änderndes
Zielobjekt könnte
toleriert werden. Auch die Arbeits- und Materialkosten würden verringert werden.
Demnach würde
das Ausschließen
der Notwendigkeit strukturierter Zielobjekte die Kosten der optischen
Codierer reduzieren.
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Ein
Reduzieren der Kosten der optischen Codierer würde wiederum die Kosten der
Drucker reduzieren. Massenmarktprodukte wie Drucker sind extrem
kostensensibel. Ein Reduzieren der Kosten um wenige Cent mag banal
erscheinen, kann jedoch eine beträchtliche Auswirkung auf die
Profitabilität
eines Druckerherstellers, im Besonderen eines Druckerherstellers,
der pro Jahr Millionen von Druckern verkauft, haben.
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Die
EP-A-0979759 offenbart ein Verfahren zum Messen von Längen und
Winkeln unter Verwendung eines beleuchteten Messabschnitts auf einem
Objekt, das durch eine optoelektronische Abtasteinheit abgetastet
wird, um Positionssignale zu erhalten. Die Messdistanz ist durch
eine streifenförmige
Region definiert. Eine Bildaufzeichnungsvorrichtung bedeckt einen
Abschnitt des Messabschnitts.
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Die
WO 84/01027 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der relativen
Position von zwei Elementen durch Lesen eines codierten Streifens,
der an einem der Elemente befestigt ist. Der Streifen trägt Codemarkierungen,
die durch ein Photodetektorarray gelesen werden können.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Anspruch
1 bereitgestellt.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Codierer gemäß Anspruch
7 bereitgestellt.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Drucker gemäß Anspruch
10 bereitgestellt.
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Es
wäre erwünscht, eine
relative Bewegung eines Zielobjekts in einem optischen Codierer
ohne die Verwendung eines strukturierten Zielobjekts zu erfassen.
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Systematisch
strukturierte Zielobjekte werden durch die vorliegende Erfindung
nicht benötigt,
die natürliche
Oberflächenmerkmale
auf einem Zielobjekt einer Maschine auswertet. Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung werden natürliche Oberflächenmerkmale
des Zielobjekts durch ein Photosensorarray abgebildet. Das Photosensorarray
erzeugt eine Sequenz von Datenrahmen der abgebildeten Bereiche;
und die Datenrahmen der abgebildeten Bereiche werden verarbeitet,
um eine relative Bewegung des Zielobjekts zu erfassen.
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Andere
Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden
ausführlichen Beschreibung
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die beispielhaft
die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, ersichtlich.
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Druckers, der rotierende und lineare optische
Codierer gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst;
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2 ist
eine Veranschaulichung des in 1 gezeigten
rotierenden optischen Codierers;
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3 ist
ein Blockdiagramm eines integrierten Photosensorarrays und eines
Prozessors eines optischen Codierers gemäß der vorliegenden Erfindung;
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4a und 4b sind
Veranschaulichungen eines Ausgangssignals und eines Korrelationssignals, erzeugt
durch den in 3 gezeigten Prozessor;
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5 ist
ein verallgemeinertes Verfahren zum Durchführen einer Erfassung relativer
Bewegung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 ist
eine Veranschaulichung eines linearen optischen Codierers gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 und 8 sind
alternative Ausführungsbeispiele
der opti schen Codierer gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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9 ist
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Durchführen einer Geschwindigkeitserfassung
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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10 ist
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Durchführen einer Absolutmessung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Wie
es in den Zeichnungen zum Zweck der Veranschaulichung gezeigt ist,
ist die vorliegende Erfindung in einem einem Drucker zugehörigen optischen
Codierer ausgeführt.
Der Codierer erzeugt ein Signal, das Informationen über eine
relative Bewegung (z. B. relative Fortbewegung, relative Verschiebung)
eines Zielobjekts in dem Drucker liefert, es liefert die Informationen
jedoch ohne die Verwendung eines strukturierten Zielobjekts (z.
B. eines strukturierten Codierrads, eines strukturierten Codierstreifens).
Das strukturierte Zielobjekt nicht zu verwenden, erhöht die Robustheit
des Codierers. Auch die Herstellung und Montage des Codierers werden
vereinfacht, die Arbeits- und Materialkosten werden reduziert, und
folglich werden auch die Kosten des Druckers reduziert.
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1 zeigt
einen Drucker 10, der eine Welle 12, einen Motor 14 (und
eine Getriebefolge) und eine Steuerung 16 für den Motor 14 umfasst.
Bei Betrieb des Druckers 10 dreht der Motor 14 die
Welle 12 gesteuert durch die Steuerung 16. Die
Welle 12 wiederum treibt eine Rolle (nicht gezeigt) an,
die Papierblätter
durch den Drucker 10 führt.
Die Steuerung 16 verwendet die Rückkopplungsinformationen, um
die Rollenrotationsposition und -winkelrate zu steuern und daher
das Blatt bei einer gewünschten
Position und Zuführrate.
Die Rückkopplungsinformationen
umfassen die Winkelposition und -rate der Welle 12 und
daher der Rolle und des Blatts.
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Während das
Blatt durch den Drucker 10 geführt wird, wird ein Druckkopf 18 durch
einen zweiten Motor 20 (und eine Getriebefolge) und eine
Verknüpfung 22 (z.
B. einen Riemenantrieb) über
das Blatt bewegt. Der zweite Motor 20 wird ebenso durch
die Steuerung 16 gesteuert. Die Steuerung 16 verwendet
Rückkopplungsinformationen
wie z. B. die lineare Rate des Druckkopfs 18, um den zweiten
Motor 20 zu steuern.
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Ein
optischer rotierender Codierer 24 und ein optischer linearer
Codierer 26 liefern die Rückkopplungsinformationen an
die Steuerung 16. Der Rotierender Codierer 24 umfasst
kein systematisch strukturiertes Codierrad, und der Linearcodierer 26 umfasst
keinen systematisch strukturierten Codierstreifen. Statt eines systematisch
strukturierten Codierrads verwendet der Rotierender Codierer 24 natürliche Oberflächenmerkmale auf
einer mit der Welle 12 gekoppelten Scheibe 28.
Statt eines systematisch strukturierten Codierstreifens verwendet
der Linearcodierer 26 natürliche Oberflächenmerkmale
auf einem festen Bauglied 30, das parallel zu der Bewegung
des Druckkopfs 18 ist. Das feste Bauglied 30 könnte z.
B. ein Streifen oder eine Wand des Druckers 10 sein.
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Die
natürlichen
Oberflächenmerkmale
der Scheibe 20 und des Streifens 30 können Merkmale
der Struktur und Oberflächengüte wie z.
B. Körner,
raue Strukturierung, Gräben,
Kratzer, Risse und andere Schäden
auf der Oberfläche
sein. Andere Arten natürlicher
Oberflächenmerkmale
können
(ohne Begrenzung) Bearbeitungsmarkierungen, Fehler in der Oberflächengüte, Merkmale
der Oberflächengüte und Formgebungsvorrichtungs-
und Extrudiermarkierungen sein. Diese natürlichen Oberflächenmerkmale
können
sich auf jeder Oberfläche,
die sichtbare Merkmale, die relativ zueinander etwas zufällig in
Bezug auf Größe, Form
und/oder Position sind, aufweist, befinden. Idealerweise variieren
die natürlichen
Oberflächenmerkmale
relativ zueinander in Bezug auf Größe, Form und Position. Die
natürlichen
Oberflächenmerkmale
können
sich z. B. auf einer blanken Substratoberfläche der Scheibe 28 oder
des Streifens 30, auf einer äußeren Oberfläche eines
das Substrat der Scheibe 28 oder des Streifens 30 bedeckenden
Films, auf einer durch einen Film bedeckten Substratoberfläche, usw.
befinden. Natürliche
Oberflächenmerkmale
können
sogar Merkmale unterhalb der Substratoberfläche umfassen. Derartige natürliche Merkmale
können
verwendet werden, wenn z. B. Licht durch die Scheibe 28 oder
den Streifen 30 übertragen
wird.
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Der
rotierende Codierer 24 beleuchtet einen Bereich der Scheibe 28 derart,
dass die natürlichen
Oberflächenmerkmale
Licht in viele verschiedene Richtungen streuen. Daraus folgt eine
hohe Anzahl von Helligkeits- und Dunkelheitsbereichen, die abgebildet
werden können.
Der rotierende Codierer 24 erzeugt eine Sequenz von Datenrahmen
des beleuchteten Oberflächenbereichs.
Anschließend
werden aufeinander folgende Datenrahmen verarbeitet, um eine relative
Rotationsbewegung der Scheibe 28 und der Welle 12 zu
bestimmen.
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Der
Linearcodierer 26 beleuchtet einen Bereich des Bauglieds 30.
Die sich daraus ergebenden Helligkeits- und Dunkelheitsbereiche
werden dann durch den Linearcodierer 26 abgebildet. Anschließend werden aufeinander
folgende Datenrahmen verarbeitet, um eine relative lineare Bewegung
des Druckkopfs 18 zu bestimmen.
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2 ist
eine ausführlichere
Darstellung des rotierenden Codierers 24. Der rotierende
Codierer 24 umfasst eine Beleuchtungsvorrichtung 32 zum
Erzeugen eines Lichtstrahls, der die Scheibe 28 in einem Glanzwinkel
(bzw. streifenden Winkel) β streift
und einen Bereich A der Scheibe 28 beleuchtet. Der Glanzwinkel β ist der
Winkel von der Oberfläche
der Scheibe 28, oder der Komplementwinkel des Einfallswinkels.
Das die Scheibe 28 streifende Licht wird durch die zufällig angeordneten
natürlichen
Oberflächenmerkmale
der Oberfläche
gestreut und erzeugt die große
Anzahl von Helligkeits- und Dunkelheitsbereichen.
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Der
rotierende Codierer 24 umfasst ferner ein Photosensorarray 36,
wie z. B. eine CCD- oder CMOS-Vorrichtung, die Bilder der Helligkeits-
und Dunkelheitsbereiche erfasst. Die Bilder können den gesamten Bereich A
oder lediglich einen Abschnitt desselben zeigen. Das Photosensorarray 36 umfasst
eine Mehrzahl von Pixeln, die in ein- oder zweidimensionalem Array
angeordnet sind. Es kann eine Linse 34 verwendet werden,
um das Licht von der Gesamtheit oder von einem Teil des beleuchteten
Bereichs A auf das Photosensorarray 36 abzubilden.
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Es
ist eine einheitliche Beleuchtung des Oberflächenbereichs A erwünscht. Die
Beleuchtungsvorrichtung 32 kann ein oder mehrere LEDs und
integrierte oder separate Projektionsoptiken umfassen. Derartige Optiken
können
beugende optische Elemente umfassen, die das durch die LEDs emittierte
Licht homogenisieren. Eine Mehrzahl von LEDs kann eine einheitlichere
Beleuchtung als eine einzelne LED gewährleisten.
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Die
Beleuchtungsvorrichtung 32 kann stattdessen einen oder
mehrere Laser oder Hohlraumresonanz-LEDs anstelle von regulären LEDs
umfassen. Die Laser würden
kohärentes
Licht erzeugen. Die LEDs würden
im Gegensatz dazu nichtkohärentes
oder lediglich teilweise kohärentes
Licht erzeugen.
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Die
Wahl der Charakteristika, wie z. B. die Wellenlänge des Lichts, sind abhängig von
der beleuchteten Oberfläche,
der abgebildeten Merkmale und dem Ansprechverhalten des Photosensorarrays 36.
Das Licht kann sichtbar, infrarot, ultraviolett, schmalbandig oder
breitbandig sein. Es kann eine kürzere
Wellenlänge
zum Anregen einer phosphoreszierenden oder fluoreszierenden Emission
von einer Oberfläche
verwendet werden. Die Wellenlänge
kann selektiv gewählt
werden, wenn die Oberfläche
eine beträchtliche
spektrale Abhängigkeit,
die durch einen hohen Kontrast ausgezeichnete Bilder liefern kann,
aufweist.
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Das
Licht kann kollimiert oder nicht-kollimiert sein. Es hat sich gezeigt,
dass kollimiertes Licht gut für die
streifende Beleuchtung geeignet ist, da es guten Kontrast bei Oberflächenmerkmalen,
die von der Oberflächenprofilgeometrie
(z. B. Höcker,
Rillen) und von Oberflächenstrukturelementen
(z. B. Fasern, die die Oberflächen
von Papieren, Stoffen, Hölzern
aufweisen) herrühren,
liefert.
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Bei
Betrieb des rotierenden Codierers 24 beleuchtet streifendes
Licht den Bereich A der Scheibe 28, und das Photosensorarray 36 erzeugt
eine Sequenz von Datenrahmen, die mindestens einen Abschnitt der beleuchteten
Fläche
A darstellen. Während
die Welle 12 und die Scheibe 28 gedreht werden,
treten unterschiedliche natürliche
Oberflächenmerkmale
in den Bereich A ein und streuen das Licht unterschiedlich. Somit verändern sich
die Helligkeits- und Dunkelheitsbereiche, die abgebildet werden,
während
die Welle 12 gedreht wird. Der beleuchtete Bereich A befindet
sich an einer Distanz r vom Rotationsmittelpunkt. Somit ist die über das
Photosensorarray 36 überquerte
Distanz rθ,
wobei θ die
Inkrementalrotation der Welle 12 ist.
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Ein
Prozessor 38 verarbeitet die durch das Photosensorarray 36 erzeugten
Datenrahmen. Der Prozessor 38 des rotierenden Codierers 24 bestimmt,
ob die Welle 12 um ein Winkelinkrement gedreht worden ist.
Dies kann auf verschiedene Arten bestimmt werden. Auf eine Art misst
der Prozessor 38 Verschiebungen der Welle 12 durch
ein Vergleichen aufeinander folgender Bilder unter Verwendung eines
Korrelationsverfahrens. Der Prozessor 38 gibt einen elektrischen
Puls aus, so oft die Welle 12 um das Winkelinkrement gedreht wurde.
Die Pulse werden an die Steuerung 16 geliefert.
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Das
Photosensorarray 36 und die Beleuchtungsvorrichtung 32 sind
an einer Leiterplatte (nicht gezeigt) angebracht. Die Leiterplatte
und die Linse 34 sind an dem Drucker 10 in einer
Art und Weise angebracht, die die Beleuchtungsvorrichtung 32,
die Linse 34 und das Photosensorarray 36 in optischer
Ausrichtung hält.
Die Befestigung ist starr und stabil, um sicherzustellen, dass die
optische Ausrichtung in einer festen Beziehung aufrechterhalten
wird. Wenn der Prozessor 38 auf einem separaten Chip implementiert
ist, kann dieses ebenfalls an der Leiterplatte angebracht werden.
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Das
Photosensorarray 36 und der Prozessor 38 können auf
separaten Chips hergestellt sein. Alternativ kann der Prozessor 38 mit
dem Photosensorarray 36 auf einem einzigen Chip 40 integriert
sein.
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3 zeigt
einen Chip 40, der einen Prozessor 38, der mit
einem Photosensorarray 36 integriert ist, umfasst. Das
Photosensorarray 36 umfasst eine Mehrzahl von Pixeln 36A bis 36G,
die in regelmäßigen Intervallen
beabstandet sind.
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Die
Pixel 36A bis 36G haben alle dieselbe Größe. Der
Pixelabstand ist durch den Buchstaben L bezeichnet. Beispielhaft
sind sieben Pixel 36A bis 36G in einem Lineararray
gezeigt.
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Die
Pixel 36A bis 36G erkennen keine individuellen
Merkmale des Zielobjekts 28 oder 30. Die individuellen
Merkmale sind in der Regel größer als
jedes Pixel 36A bis 36G. Somit misst jedes Pixel 36A bis 36G effektiv
einen Intensitätspegel
eines Abschnitts eines Bilds oder einer Projektion eines Oberflächenmerkmals innerhalb
seines Gesichtfeldes. Ausgangssignale, die durch den Satz von Pixeln 36A bis 36G erzeugt
werden, zeigen die Kontrastschwankungen der abgebildeten Oberflächenmerkmale
an. Somit umfasst ein Datenrahmen für das in 3 gezeigte
Photosensorarray 36 die durch die sieben Pixel 36A bis 36G gemessenen
sieben Intensitätspegel.
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Die
Pixel 36A bis 36G erfassen in der Regel unterschiedliche
Intensitätspegel
aufgrund von zufälliger Größe, Form
und Verteilung der Oberflächenmerkmale
und einer Zufälligkeit
des Streuens durch die Oberflächenmerkmale.
Während
die Welle 12 gedreht oder der Druckkopf 18 bewegt
wird, kommen unterschiedliche Merkmale in die Sicht der Pixel 36A bis 36G,
und Intensitätspegel
der Pixel 36A bis 36G ändern sich.
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Tabelle
I zeigt ein Beispiel sich verändernder
Intensitätspegel
in Bildern, die bei einer Ausgangsposition x, einer zweiten Position
x+L und einer dritten Position x+2L aufgenommen wurden, wobei x
die Ausgangsposition eines Punkts innerhalb des Bildes oder der
Projektion des Bereichs A, x+L die Position des Punkts, nachdem
er um eine Distanz des Pixelabstands L von der Ausgangsposition
x bewegt wurde, und x+2L die Position des Punkts, nachdem er um
eine Distanz des zweifachen Pixelabstands von der Ausgangsposition
x bewegt wurde, ist. Während
die Welle 12 gedreht oder der Druckkopf 18 bewegt
wird, bewegt sich der Punkt x über
die Pixel 36A bis 36G in eine Richtung D, die
eine Parallele oder Tangente zu der Richtung der relativen Bewegung
zwischen dem Bereich A und dem Photosensorarray 36 ist.
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Aus
Tabelle 1 ist ersichtlich, dass die Intensitätsstruktur (100, 125, 166, 123, 111)
sich zwischen der Ausgangsposition und der zweiten Position um einen
Pixelabstand L verschiebt, und dass sie sich zwischen der Ausgangsposition
und der dritten Position um den zweifachen Pixelabstand 2L verschiebt.
Somit erfassen das erste bis fünfte
Pixel 36A bis 36E die gleichen Intensitätspegel
bei der Ausgangsposition x, das das zweite bis sechste Pixel 36B bis 36F bei
der zweiten Position x+L, und das dritte bis siebte Pixel 36C bis 36G bei
der dritten Position x+2L, erfassen. Diese Eigenschaft wird verwendet,
um zu bestimmen, wann sich die Welle 12 oder der Druckkopf 18 um
einen Inkrementalbetrag bewegt haben.
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Die
Intensitätswerte
in Tabelle 1 sind exemplarisch. Überdies
zeigt Tabelle 1 eine genaue Verschiebung einer exakten Länge L der
Intensitätsstruktur
an. Tatsächlich
kann es jedoch sein, dass die Intensitätsstruktur nicht in präzisen Inkrementen
der Länge
L verschoben wird. Überdies
stimmen die Intensitätswerte nicht
genau überein.
Andere Gründe
für eine
nicht vorhandene genaue Übereinstimmung
können
Rau schen, nichtlineare Bewegung des Bereichs A und ungleichmäßige Beleuchtung
sein.
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Der
Prozessor 38 verwendet ein Korrelationsverfahren, um zu
bestimmen, wann sich die Intensitätsstruktur um eine Pixellänge L verschoben
hat. Der Prozessor 38 umfasst eine erste Speichervorrichtung 42, die
eine Mehrzahl von Registern 42B bis 42G zum Speichern
einer aktuellen Intensitätsstruktur
umfasst. Die Register 42B bis 42G der ersten Speichervorrichtung 42 empfangen
Intensitätswerte
von den letzten sechs Pixeln 36B bis 36G des Photosensorarrays 36 durch
eine erste Übertragungsvorrichtung 44 (die
die Elemente 44B bis 44G aufweist). Der Prozessor 38 umfasst
ferner eine zweite Speichervorrichtung 46, die eine Mehrzahl von
Registern 46A bis 46F zum Speichern einer Referenzintensitätsstruktur
durch eine zweite Übertragungsvorrichtung 45 (die
die Elemente 45A bis 45F aufweist) umfasst. Die
in der zweiten Speichervorrichtung 46 gespeicherten Intensitätsdaten
stellen ein aktuelles Referenzbild entsprechend einer gegebenen
Position der Welle 12 oder des Druckkopfs 18 dar.
Dieses Referenzbild oder diese Intensitätsstruktur stellt auch eine
vorausgesagte Intensitätsstruktur
des Bilds, nachdem ein Punkt innerhalb des Bilds der Projektion
des Bereichs A sich um eine Distanz einer Pixellänge L entlang des Photosensorarrays 36 bewegt
hat, dar.
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Zu
Beginn einer Abtastperiode wird die Intensitätsstruktur der letzten sechs
Pixel 36B bis 36G in der ersten Speichervorrichtung 42 gespeichert,
und die Intensitätsstruktur
der ersten sechsten Pixel 36A bis 36F wird in
einer zweiten Speichervorrichtung 46 gespeichert. Während die
Welle 12 gedreht oder der Druckkopf 18 bewegt
wird, wird die erste Speichervorrichtung 42 ständig mit
neuen Intensitätsstrukturen
von den letzten sechs Pixeln 36B bis 36G aktualisiert.
Die zweite Speichervorrichtung 46 wird nicht so oft aktualisiert.
Wenn eine relative Distanz einer Pixellänge überquert worden ist, wird die
in der ersten Speichervorrichtung 42 gespeicherte Intensitätsstruktur
etwa gleich der in der zweiten Speichervorrichtung 46 gespeicherten
Intensitätsstruktur
sein. Somit werden die Intensitätsstrukturen
in der ersten und der zweiten Speichervorrichtung 42 und 46 grob übereinstimmen,
wenn sich das Bild oder die Projektion des Bereichs A um ein Winkelinkrement θ (derart,
dass die Bogenlänge
rθ etwa
einer Pixelabstandslänge
L entspricht) oder um eine lineare Distanz gleich der Pixelabstandslänge L bewegt
hat.
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Der
Prozessor 38 umfasst ferner einen Korrelator 48 zum
Bestimmen, ob die in der ersten Speichervorrichtung 42 gespeicherte
und aus derselben (über
Weg 50) gelesene aktuelle Intensitätsstruktur mit der in der zweiten
Speichervorrichtung 46 gespeicherten und aus derselben
(über Weg 52)
gelesenen Referenzintensitätsstruktur übereinstimmt.
Systemtaktgeber 54 senden Taktsignale an die erste Übertragungsvorrichtung 44 und
den Korrelator 48 (erst zum einen, dann zum anderen) mit
einer Rate, die hoch genug ist, um sicherzustellen, dass sich Bilder
oder Projektionen des Bereichs A zwischen Taktinstanzen lediglich
um einen kleinen Bruchteil der Pixelabstandslänge L bewegt haben. Der Korrelator 48 kann
ein Korrelationsverfahren wie z. B. eine Quadratsummendifferenzanalyse
an den Intensitätswerten
in den zwei Speichervorrichtungen durchführen: C
= (I42B – I46A)2 + (I42C – I46B)2 + (I42D – I46C)2 + (I42E – I46D)2 + (I42F – I46E)2 + (I42G – I46F)2,wobei
I42n den in dem n-ten Register der ersten
Speichervorrichtung 42 gespeicherten Intensitätswert,
I46m den in dem m-ten Register der zweiten
Speichervorrichtung 46 gespeicherten Intensitätswert und
C die Quadratsummendifferenz darstellt. Ein Ausgang des Korrelators 48 liefert
ein Signal CORR, das die Quadratsummendifferenz C anzeigt.
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Es
wird nun zusätzlich
Bezug genommen auf die 4a und 4b. Wird
die Welle 12 nicht gedreht, stimmen die in der ersten und
zweiten Speichervorrichtung 42 und 46 gespei cherten
Intensitätsstrukturen
nicht überein,
und das Korrelatorsignal CORR wird auf einem hohen Pegel sein. Während die
Welle 12 gedreht oder der Druckkopf 18 bewegt
wird, verändern
sich die Intensitätspegel
der Pixel 36A bis 36G. Wenn die in der ersten
und zweiten Speichervorrichtung 42 und 46 gespeicherten
Intensitätsstrukturen
gut übereinstimmen,
befindet sich das Korrelatorsignal CORR auf einem niedrigen Pegel.
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Der
Prozessor 38 umfasst ferner einen Komparator 56,
der das Korrelatorsignal CORR mit einem Referenzsignal CORR_REF
vergleicht. Der Komparator 56 stellt einen niedrigen Spannungspegel
an seinem Ausgang 58 fest, wenn das Korrelatorsignal CORR
das Referenzsignal CORR_REF übersteigt,
und der Komparator 56 stellt einen hohen Spannungspegel
an seinem Ausgang 58 fest, wenn das Korrelatorsignal CORR unter
das Referenzsignal CORR_REF fällt.
Das Referenzsignal CORR_REF ist so entworfen, dass es geringfügig oberhalb
dem kleinsten Wert des Korrelatorsignals CORR liegt.
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So
oft das Korrelatorsignal CORR von dem hohen Pegel (keine Übereinstimmung
anzeigend) zu dem niedrigen Pegel (eine Übereinstimmung anzeigend) übergeht,
werden die Elemente 45A bis 45F der zweiten Übertragungsvorrichtung 45 durch
das Komparatorausgangssignal OUT und durch eine Referenzabtasttaktsteuerung 60 ausgelöst. Wenn
die zweite Übertragungsvorrichtung 45 derart
ausgelöst
oder aktiviert wird, werden die aktuellen Pixelwerte in der zweiten
Speichervorrichtung 46 gespeichert. Da die Intensitätsstrukturen
in den zwei Speichervorrichtungen 42 und 46 nicht
länger übereinstimmen,
geht das Korrelatorsignal CORR unverzüglich wieder auf einen hohen
Pegel und ändert
dadurch das Ausgangssignal OUT des Komparators 56 zurück auf den
niedrigen Pegel. Somit wird mit einer einzigen Aktion die ansteigende
Flanke eines Komparatorausgangspulses OUT erzeugt, und eine neue
Referenzintensitätsstruktur
wird in der zweiten Speichervorrichtung 46 gespeichert.
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Somit
wird jedes Mal, wenn der beleuchtete Bereich A eine relative Bewegung
entsprechend einer Pixellänge
L in dem Bildraum des Photosensorarrays 36 durchläuft, ein
Puls OUT an dem Ausgang 58 des Prozessors 38 geliefert.
Jeder Puls OUT entspricht einer inkrementalen Bewegung θ=L/(mr)
der Welle 12 oder L/m des Druckkopfs 18, wobei
m die in Abbildungsoptiken verwendete Vergrößerung darstellt.
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Die
tatsächlich
zurückgelegte
Bilddistanz vor der Erzeugung eines Pulses kann durch die Art, in
der die Pixel 36A bis 36F an die zweite Speichervorrichtung 46 übertragen
werden, bestimmt werden. Wenn nur die ersten drei Pixel übertragen
wurden und die letzten drei Pixel mit der Referenzstruktur korreliert
wurden, stellt ein Puls N-3 Pixellängen von Bewegung dar (wobei
N die Anzahl von Zeilen in dem Photosensorarray 36 ist).
Somit kann der Betrag der inkrementalen Bewegung entsprechend einer
Mehrzahl einer oder mehrerer Pixelabstandslängen in dem Bildraum des Photosensorarrays 36 gemacht
werden.
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Der
Prozessor 38 kann entworfen sein, um auch Bewegung in eine
entgegengesetzte Richtung durch Durchführen einer zweiten Korrelationsoperation,
die zusätzliche Übertragungs-
und Speicherelemente mit sich bringt, zu erfassen.
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Ein
Vergrößern der
Bildkontraste vergrößert das
Signal/Rausch-Verhältnis
und somit die Messgenauigkeit. Ein Vergrößern der Anzahl von Helligkeits-
und Dunkelheitsbereichen in den erfassten Bildern ohne gleichzeitiges
Verletzen der Nyquist-Kriterien (d. h. ohne Verursachung eines Aliaseffekts
zu bewirken) erhöht ebenfalls
die Messgenauigkeit.
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Die
Erfassbarkeit einiger zufälliger
Oberflächenmerkmale
kann durch die Verwendung einer Beleuchtung in einem Glanzwinkel
(d. h. einem hohen Einfallswinkel relativ zu der Oberflächennormalen)
verbessert werden. Der Glanzwinkel kann bei einer glatten, fein
texturierten Oberfläche
oder einer geringfügig
rauen Oberfläche,
die aus Fasern oder Partikeln hergestellt ist, weniger als 15 Grad
betragen. Diese Oberflächen zeigen
im Gegensatz zu polierten Oberflächen
unter einer streifenden Beleuchtung dunklere dunkle Elemente. Im
Allgemeinen führen
höhere
Glanzwinkel zu einem niedrigeren Signal/Rausch (SNR = signal to
noise ratio)-Verhältnis von
diesen Oberflächen,
und niedrigere Glanzwinkel führen
zu einem höheren
SNR-Verhältnis trotz
eines niedrigeren Signals. Das höhere
SNR macht es einfacher, zufällige
Merkmale wahrzunehmen und zu erfassen, und ist weniger anfällig für durch
Rauschen verursachte Fehler. Bei einer bedruckten Oberfläche oder
einer, die viele unterschiedliche Zonen optischer Absorption aufweist,
können
niedrigere Einfallswinkel (z. B. 30 bis 60 Grad) verwendet werden.
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Die
Erfassbarkeit der natürlichen
Oberflächenmerkmale
des Zielobjekts 28 oder 30 kann durch zufallsartige
Texturierung verbessert werden. So können die Zielobjekte 28 oder 30 beispielsweise
abgeschliffen, abgeschmirgelt, geätzt oder spanend bearbeitet
sein.
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6 ist
eine genauere Darstellung des Linearcodierers 26. Der Linearcodierer 26 umfasst
ebenfalls eine Beleuchtungsvorrichtung 32, eine Linse 34 und
einen Chip 40 mit einem integrierten Detektorarray 36 und Prozessor 38.
Jedoch sind die Beleuchtungsvorrichtung 32, die Linse 34,
das Detektorarray 36 und der Prozessor 38 des
Linearcodierers 26 angepasst, um die natürlichen
Oberflächenmerkmale
auf das feste Bauglied 30 abzubilden. Der Prozessor 38 des
Linearcodierers 26 gibt einen elektrischen Puls aus, wenn
sich der Druckkopf 18 um ein bekanntes Inkrement bewegt
hat. Die Pulse werden an die Steuerung 16 (siehe 1)
geliefert.
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Somit
sind Codierer 24 und 26 offenbart, die zum Erfassen
relativer Bewegung keine Verwendung systematisch strukturierter
Zielobjekte erforderlich machen. Ein Ausschließen der Verwendung systematisch strukturierter
Zielobjekte vereinfacht Herstellung und Montage, reduziert Arbeits-
und Materialkosten und reduziert demzufolge die Kosten eines Druckers.
Besonders wirksam für
die Kostenreduzierung ist die Fähigkeit, eine
natürlich
texturierte Oberfläche
eines Struktur- oder Rotationsbauglieds zu verwenden, das bereits
Teil des Druckers ist.
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Zusätzlich zur
Kostenreduzierung sind die Zielobjekte 28 und 30 der
Codierer 24 und 26 widerstandsfähiger gegen
Verunreinigung und Oberflächenbeschädigung.
Ein Ausschließen
der Verwendung systematisch strukturierter Zielobjekte reduziert
auch die Anzahl von Codiererspezifikationen. Das Ausschließen der Rotationsausrichtungsspezifikationen
kann z. B. zu größerer Genauigkeit
und Präzision
von Winkelmessungen führen.
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Ebenso
ist ein Prozessor 38 offenbart, der eine Korrelationstechnik
verwendet, um gepulste, inkrementale Ausgaben von der Verwendung
der im Vorhergehenden genannten Zielobjekte (Bauglied, Scheibe) zu
erzeugen. Der Prozessor 38 könnte verdrahtet sein, um Pixelbewegungen
eines oder mehrerer Pixel zu korrelieren. Jedoch können durch
das Einbringen von Inkrementalverschiebungsmessungen vom Korrelationstyp in
Rotationsanwendungen und durch die Verwendung von interpolativen
Teilabtastungskorrelationsschätzwerten
sowie größeren Linsenverzögerungen
tote Zonen zwischen Korrelationen wesentlich reduziert werden.
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Die
optischen Codierer 24 und 26 sind nicht auf die
Verwendung in Druckern beschränkt.
Die Erfindung könnte
z. B. auch auf Scanner, Computer, Computerperipheriegeräte, Computergeräte, Informationsgeräte und andere
Geräte
angewendet werden. Das generalisierte Verfahren der 5 würde auf
diese Maschinen wie folgt angewendet werden: Beleuchten eines Bereichs
der Zielobjektoberfläche
derart, dass zufällige, natürliche Oberflächenmerkmale
innerhalb des Bereichs durch das Photosensorarray 36 (Block 200) abgebildet
werden können;
und Verarbeiten durch das Photosensorarray 36 erzeugter
aufeinanderfolgender Datenrahmen, um eine relative Bewegung des
beleuchteten Oberflächenbereichs
(Block 202) zu bestimmen.
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Überdies
sind die optischen Codierer 24 und 26 nicht auf
die im Vorhergehenden beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Es könnten
z. B. auch andere Korrelationsalgorithmen verwendet werden. Andere
Algorithmen können
Produktsummen, normierte Produktsummen, Effektivquadratdifferenzsummen,
normierte Quadratdifferenzsummen, Absolutdifferenzsummen, normierte
Absolutdifferenzsummen usw. umfassen.
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Analoge
oder digitale Ansätze
zum Erfassen, Übertragen
und Speichern der Bilder und zum Berechnen von Korrelationen der
Bilder können
verwendet werden. Die Photosensorelemente können als zeitunabhängige Daten
oder als integrierte und abgetastete Daten gelesen werden. Die Übertragungsvorrichtungen können Abtasten-und-Halten-Schaltungen
parallel verwenden oder Multiplex- und Demultiplexschaltungen für den seriellen
Betrieb verwenden.
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Die
Linse 34 kann eine telezentrische Linse sein. Eine telezentrische
Linse vermittelt Tiefenschärfe, während sie
die Vergrößerung konstant
hält. Folglich
lockert die telezentrische Linse Positionierungsanforderung und
Herstellungstoleranz und Fokus des Codierers. Auf die Linse 34 kann
verzichtet werden, wenn das Photosensorarray 36 sehr nah
an das Zielobjekt 28 oder 30 bewegt werden kann,
oder wenn transmissive Beleuchtung gut kollimiert werden kann.
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Bei
dem rotierenden Codierer ist die Scheibe 28 optional. Wenn
ein Abschnitt eines Umfangs oder einer Endfläche der Welle 12 groß genug
ist, um abgebildet zu werden, wird die Scheibe nicht benötigt. Jedoch erhöht die Verwendung
der Scheibe zur Vergrößerung der
abbildbaren Oberfläche
die Genauigkeit der Messung der relativen Bewegung.
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Das
Zielobjekt 28 oder 30 kann durch Spiegelbeleuchtung
beleuchtet sein. Direkte Spiegelbeleuchtung kann durch mit Hilfe
eines Strahlteilers 33 normalerweise auf den Bereich A
(siehe 7) gerichtete Beleuchtung bereitgestellt sein,
oder es könnten
in einer komplementären
Anordnung die Positionen der Beleuchtungsvorrichtung 32 und
des Photosensorarrays 36 vertauscht sein. Eine alternative
LED 35 könnte
Randausleuchtung bereitstellen, um die Dicke des Zielobjekts 30 mit
Licht zu füllen.
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Anstatt
aus reflektierendem Material kann ein Zielobjekt 28' aus einem durchlässigen Material
hergestellt sein. Das Zielobjekt 28' kann z. B. aus durchsichtigem
oder durchscheinendem Plastik hergestellt sein. Eine Beleuchtungsvorrichtung 31 würde sich
auf der einen Seite des Plastikzielobjekts 28', und das Photosensorarray 36 auf
einer gegenüberliegenden
Seite des Plastikzielobjekts 28' (siehe 8) befinden.
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Durch
die Verwendung eines leuchtenden Zielobjekts, wie z. B. eines Selbstbeleuchtungszielobjekts, eines
phosphoreszierenden Zielobjekts oder eines fluoreszierenden Zielobjekts
kann vollständig
auf die Beleuchtungsvorrichtung verzichtet werden. Ein phosphoreszierendes
Zielobjekt weist eine gewisse Körnigkeit auf,
die erfasst werden kann, und ein fluoreszierendes Zielobjekt weist
einen Fehler auf, die erfasst werden können.
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Obwohl
ein Photosensorarray 36 mit einem geradlinigen Array im
Vorhergehenden gezeigt und beschrieben wurde, kann das Photosensorarray 36 stattdessen
eine andere Geometrie, wie z. B. eine kreissymmetrische Geometrie
für eine
Rotationsbewegung, aufweisen. Zur Messung der zurückgelegten
Distanz würden
Polarkoordinaten verwendet.
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Statt
einen Prozessor 38 zu umfassen, der inkrementale Bewegung
anzeigt, können
die Codierer 24 und 26 einen Prozessor 38' umfassen, der
eine Bewegungsrate anzeigt. Die durch einen derartigen Prozessor 38' durchgeführten Schritte
sind in 9 gezeigt. Der Prozessor 38' misst die Zielobjektbewegungsrate
durch Berechnen eines räumlichen
Gradienten von Pixeldaten (Block 300); Berechnen eines
zeitlichen Gradienten von Pixeldaten (Block 302); und Berechnen
eines Verhältnisses
des zeitlichen Gradienten zu dem räumlichen Gradienten (Block 304).
Das Verhältnis
zeigt die relative Verschiebungsrate des Zielobjektbereichs A auf
dem Zielobjekt 28 oder 30 an.
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Der
räumliche
Gradient kann als der durchschnittliche Intensitätsunterschied zwischen benachbarten Pixeln
in einem Bild berechnet sein, wobei die Unterschiede in einer Richtung
entlang der Spalte oder Spalten von Pixeln genommen werden. Die
Unterschiedsdistanz ist die Pixelabstandslänge L. Der Prozessor
38' berechnet für jedes
Paar benachbarter Pixel einen Unterschied in der Pixelintensität. Dann
addiert der Prozessor
38' diese
Unterschiede über
die sechs Paare und teilt das Ergebnis durch 6 und anschließend durch
L. Somit berechnet der Prozessor
38' den durchschnittlichen räumlichen
Gradienten SG in einer Richtung genommen wie folgt:
wobei
I
36A bis I
36G die
Intensitätspegel
der Pixel
36A bis
36G sind. Wenn die Pixellänge
25 Mikrometer
beträgt und
der durchschnittliche räumliche
Intensitätsunterschied
50 Einheiten
beträgt,
ist der durchschnittliche räumliche
Gradient 2,0 Mirometer/Einheit.
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Der
zeitliche Gradient könnte
als der Durchschnittswert bei den Änderungen der Pixelintensitäten zwischen
Bildern bei einem aufeinander folgenden Paar erfasster Bilder berechnet sein.
Für jedes
Pixel bestimmt der Prozessor 38' einen Intensitätsunterschiedwert über zwei
aufeinanderfolgende Bilder oder Datenrahmen, addiert diese Unterschiede über alle
Pixelpositionen und teilt den Intensitätsunterschied durch die Anzahl
von Pixeln in einem Bild und die Zeit zwischen Rahmen. Ist z. B.
die durchschnittliche Veränderung
im Pixelintensitätswert über zwei
aufeinander folgende Datenrahmen zwei Einheiten, und ist die Zeit
zwischen zwei Rahmen 10 Mikrosekunden, ist der Durchschnittswert
des zeitlichen Gradienten oder der zeitlichen Intensitätsveränderungsrate
0,2 Einheiten/Mikrosekunde. Teilen des durchschnittlichen zeitlichen
Gradienten von 0,2 Einheiten/Mikrosekunde durch den durchschnittlichen
räumlichen
Gradienten von 2,0 Einheiten/ergibt eine Bildverschiebungsrate von
0,1 Mikrometer pro Mikrosekunde.
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Auch
wenn die Erfindung die Notwendigkeit von strukturierten Zielobjekten
ausschließt,
können
nichts desto trotz strukturierte Zielobjekte verwendet werden. Ein
Hinzufügen
einer eindeutigen und identifizierbaren Struktur zu dem Zielobjekt
(z. B. ein Hinzufügen
einer systematisch hergestellten Struktur, die sich über einen maximalen
Weg oder über
eine volle Umdrehung nicht wiederholt) erlaubt es, dass Absolutmessungen
vorgenommen werden können.
Ein Prozessor 38'' würde nach
einer zusätzlichen
Korrelation der festen Struktur auf dem Zielobjekt mit einer dauerhaften
Referenzzielobjektstruktur suchen. Somit würde der Prozessor 38'' nach einer ersten Korrelation
zwischen aktuellen und vorher erfassten Strukturen (Block 400)
suchen, einen Puls ausgeben, wenn eine erste Korrelation gefunden
ist (Block 402), nach einer zweiten Korrelation zwischen
der aktuellen Struktur in dem Datenrahmen und einer im Speicher
(Block 404) gespeicherten dauerhaften Referenzzielobjektstruktur
suchen und ein Signal ausgeben, wenn die zweite Korrelation gefunden
ist (Block 406) (siehe 10). Dabei
wird eine Absolutmessung durchgeführt, wenn die zweite Korrelation
gefunden ist. Ein Beispiel einer sich nicht wiederholenden Absolutreferenzstruktur
ist eine gedruckte Dichte, die als eine Sinuskurve mit einer sich
kontinuierlich erhöhenden
räumlichen
Frequenz variiert. Dies könnte
auf eine Zufallstextur gedruckt werden. Ein anderes Beispiel wäre ein Paar
divergierender Leitungen über
ein Zufallsfeld. In Verwendung in Kombination mit einem Prozessor,
der inkrementale Ausgaben erzeugt, kann ein Hinzufügen von
sich mit der Position ständig
verändernden
Strukturen verwendet werden, um Positionierfehler (bzw. runout errors) in
anderen Inkrementalpositionsmessungen auszuschließen.
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Folglich
ist die Erfindung nicht auf die im Vorhergehenden beschriebenen
spezifischen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Stattdessen ist die Erfindung gemäß den nachfolgenden Ansprüchen ausgelegt.
