DE4034013A1

DE4034013A1 - Optisches codierverfahren und zugehoerige vorrichtung

Info

Publication number: DE4034013A1
Application number: DE4034013A
Authority: DE
Inventors: Kwang-Wan Liou
Original assignee: LIOU KWANG WAN
Current assignee: LIOU KWANG WAN
Priority date: 1990-09-17
Filing date: 1990-10-25
Publication date: 1992-04-30
Anticipated expiration: 2010-10-26
Also published as: US5086197A; DE4034013C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die einfarbige und zusammengesetzte X-Achsen und Y-Achsen einer Koordinatenplatte auf einer identischen Ebene zu jeder jeweiligen Koordinaten-Skala mittels einer Bildvergrößerung bzw. -abbildung und einer axialen Konzentration reduzieren und umwandeln können. Wenn die Erfindung auf eine zweidimensionale Verschiebungs- Erfassung angewandt wird, kann sie die Probleme lösen, die herkömmliche Vorrichtungen aufweisen, wie eine komplizierte Struktur, leichte Störanfälligkeit, geringe Genauigkeit und niedrige Auflösung usw.

Die Technik einer zweidimensionalen Verschiebungserfassung ist bei einer industriellen Steuerung und einer Eingabe-/Ausgabevorrichtung am Computer viele Jahre lang angewandt worden und scheint heute eine wesentliche Einrichtung zu werden. Auf diesem Gebiet ist die Genauigkeit für solche Vorrichtungen immer weiterentwickelt und betont worden. Wie der populäre PC ist heutzutage der herkömmliche Tasteneingabe-Betrieb für die Mensch-Maschine-Schnittstelle des Systems schrittweise aufgegeben worden, die Cursor-Steuerung und Befehle, die gegeben werden, sind durch Bewegen der Hand auf der Platte gemeinsam mit der Fenster-Software vervollständigt. Außer daß sie bemerkenswerte Wirkungen bei CAD und grafischer Software zeigen, werden solche Vorrichtungen und Programme populär im Handel, bei der Erziehung, im Haushalt und sogar bei TV-Spielen, und zwar als das Ergebnis, daß sie ziemlich wirtschaftlich, vorteilhaft und angenehm sind. Weiterhin sind die meisten der oben angesprochenen herkömmlichen Vorrichtungen vom mechanischen Reibungsübertragungstyp, bei dem ein sich bewegender Körper einen Codierer in X-Achsenrichtung und Y-Achsenrichtung enthält, d. h. einen Rotationscodierer, und seine Übertragungswelle direkt oder durch eine Kugel übersetzt; mit der Plattenoberseite in Reibberührung steht, und eine Verschiebungsinformation wird durch einen Codierer in X-Achsenrichtung und Y-Achsenrichtung codiert. Eine derartige Technik enthält jedoch eine Vielzahl von ursprünglichen und nachfolgenden Defekten wie ein komplizierte Struktur, die sich aus einer Vielzahl von Übertragungsmechanismen ergibt, die erforderlich ist, und es ist eine äußerst verfeinerte Anordnung in einem Mechanismus nötig.

Wir wissen genau, daß eine Umdrehung in einer Reibung resultieren wird, und die Reibung wird ein Intervall bzw. einen Aussetzer zur Folge haben, was unvermeid bar einen gewissen Fehler verursachen kann. Daher wird die Vorrichtung vom Reibungsübertragungstyp die Genauigkeit naturlich verringern. Weiterhin ist kein Material auf Verschleiß geprüft, was den Fehlerwert mit der Zeitdauer einer Anwendung vergrößern wird. Obwohl das Problem bezuglich des Mechanismus lösbar ist, kann die Übertragungswelle oder -kugel den Staub und Dreck an der Plattenoberseite in den inneren Mechanismus tragen, so daß routinemäßiges Säubern und Wartenß notwendig ist, oder sogar ein vollständiger Betriebsausfall auftreten könnte, wenn eine ernsthafte Schwierigkeit daraus entstehen würde.

Um die Nachteile zu lösen, die bei den oben genannten herkömmlichen Vorrichtungen gefunden wurden, ist der Erfinder somit durch sorgfältiges Entwickeln in Verbindung mit einer Erfahrung auf diesem Gebiet nach vielen Experimenten und Verbesserungen zu der Erfindung gelangt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Codier-Verfahren und eine zugehörige Einrichtung zu schaffen, und zwar mit den Vorteilen eines einfachen Aufbaus ohne Reibübertragung, hoher Genauigkeit und hoher Auflösung.

Die vorliegende Erfindung ist gekennzeichnet durch eine reflektierende oder permeable Gitter-Lage mit Koordinaten gleichen Abstands, linearer Breite und Intervall, und einen Einbaumechanismus, der eine Linsenanordnung und eine Photosensoranordnung enthält, die beim Sammeln von vergrößertem und axialem Licht tätig sein können; wenn die Linsenanordnung und die Photosensoranordnung in einem gegenseitigen Versatz sind, kann, nach dem optischen Vergrößerungs- und axialen Sammelprozeß die X-axiale und Y-axiale Photosensoranordnung Ausgangs signale von dem standardmäßigen Codierer direkt erfassen, ohne einen kom plizierten Vorgang oder eine Reibübertragung zu benötigen.

Da es weitverbreitet bekannt ist, daß Licht mit einer Linse brechend oder mit einer Linse reflektierend ist zum Führen, Sammeln oder Streuen, werden diese zusammen mit wesentlichem aber vertrautem Zubehör wie einer Leistungs anschlußleitung, einem Draht zur Datenübertragung zu irgendeiner elektrischen Anwendung hier weggelassen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbei spielen in Verbindung mit der Zeichnung.

Fig. 1 ist eine Ansicht, die eine Kondensorlinsenanordnung zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wird;

Fig. 2 ist eine seitliche Schnittansicht einer optischen Linsenanordnung, die gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wird;

Fig. 3 ist eine vergrößerte Teildraufsicht eines Gitters gemäß der vor liegenden Erfindung;

Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Kondensorbildbereich gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Variation monoaxialer Verschiebungssignale gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Variation biaxialer Verschiebungssignale gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 7 ist eine Ansicht, die eine kondensierende bzw. sammelnde reflektieren de Spiegelanordnung zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wird;

Fig. 8 ist eine seitliche Schnittansicht, die eine kondensierende reflektierende Spiegelanordnung zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wird;

Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung ist das Codierprinzip gemäß der vor liegenden Erfindung auf einige Ausführungsbeispiele anwendbar, was der Auswahl des Anwenders obliegt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 enthält, wenn die vorliegende Erfindung die Kondensorlinsen verwendet, ein Hauptelement eine Lichtquelle 10 oder 10′, die zum Projizieren auf eine Gitter-Lage 11 vorgesehen ist, und die Lichtquelle hat keine besondere Anforderung bezüglich einer Farbe, einer Wellenlänge und einer Form, usw. Hier wird eine herkömmliche LED als Beispiel verwendet. Die Gitter- Lage 11 bei der vorliegenden Erfindung kann eine reflektierende Platte oder permeable Materialien, wie eine Plastik- oder Glasplatte sein, die mit einem Gitter darauf bedruckt ist. Wenn die Gitter-Lage 11 reflektierendes Material verwendet, ist die Lichtquelle 10 in einer Linsenanordnung befestigt, um das Licht in die Bildzone einer Linse 12 zu projizieren. Die Linse 12 ist ein Spiegel zum Herstellen eines Bildes und hat eine bessere kondensierende Fähigkeit, um das Licht in das Vordere der Linse 12 bei dem Zentrum zu kondensieren, und um das Bild auf der Rückseite der Linse 12 zu bilden.

Durch die bildgebende Linse 12 wird ein optisches Bild auf den Abschnitten 13, 13′, 15 und 15′ gebildet. Gemäß der Abbildungsformel M (Abbildung) = P (Bildentfernung)/ S (Gegenstandsentfernung) kann die Skala auf der Gitter-Lage 11 vergrößert werden, wenn man P (d. h. den Abstand zwischen den Bereichen 13, 13′, 15, 15′ zur Bildherstellung und das Zentrum der Linse 12) größer macht als die Gegenstandsentfernung (d. h. die Entfernung von dem Zentrum der Linse 12 zu der Oberfläche der Gitter-Lage 11). Nimmt man Bezug auf die Fig. 3 und 4 ist ein Markierungs- bzw. Ausblendbereich 17 der Schatten von Skalenmar kierungen auf der Gitter-Lage 11, und freie Bereiche 18 sind der Abstand der Skalierungsmarkierungen auf der Gitter-Lage 11, auf die die Lichtquellen 10 und 10′ projizieren. Die Breite ,und der Abstand jeder Skalierungsmarkierung können gleich bestimmt sein und als ein Bereich zur Bildherstellung entworfen sein, der durch die rechtwinkligen Kondensorlinsen 13, 13′, 15, 15′ überdeckt wird, wie es in der Fig. 4 gezeigt ist. Jene identischen axialen Kondensorlinsen können Seite an Seite aufgereiht sein oder Überkreuz in einem Block angeordnet sein. Nun wird der Bereich, der von jedem Teil einer Kondensorlinse bedeckt wird, als "konvergente Ebene" bestimmt, und der Brennpunkt jeder Kondensorlinse sollte mindestens einem Photosensor entsprechen. Nimmt man Bezug auf Fig. 1, fokussieren die Kondesorlinsen 13, 13′ das Licht völlig auf der konvergenten Ebene, die sie überdecken, zu der Photosensoranordnung 14, 14′, und die Kondensorlinsen 15, 15′ fokussieren das Licht zu der Photosensoranordnung 16, 16′. Unter Bezugnahme auf Fig. 4 ist die Fokussierbedingung ersichtlich, daß, weil ein heller Block auf der konvergenten Ebene der Kondensorlinsen 13, 13′, 15, 15′ entsprechend der Photosensoranordnung 14, 14′, 16, 16′ existiert, oder nur kleinere Teile der konvergenten Ebenen einen hellen Block (helle Blöcke) haben, die Oberfläche der Photosensoranordnung zu schwaches Licht oder kein Licht empfangen kann, und der Ausgang wird als Signal "0" bestimmt. Der halbe Teil der konvergenten Ebene, die der Senoranordnung 16′ entspricht, wird durch das Licht projiziert, so daß der Zustand des Sensors 16′ davon geändert wird und ein derartiger Zustand als Signal "1" bestimmt wird.

Nimmt man Bezug auf Fig. 2, sind bei dem Ausführungsbeispiel, das die Kondensorlinse gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt, alle Linsen 12 zur Bildherstellung, die Kondensorlinsenanordnungen 13, 13′, 15, 15′, die Photosensor anordnung 14, 14′, 16, 16′, und nötige elektrische Komponenten 19 und Anschlußleitungen 21 für elektronische Schaltungen in einem Gerät 20 montiert, um von der Gitter-Lage 11 getrennt zu sein. Wenn irgendeine relative Ver schiebung zwischen dem Gerät 20 und der Gitter-Lage 11 auftritt, soll das Bild vor den Linsen 12 zur Bildherstellung geändert werden, und folglich soll die Beziehung zwischen dem hellen Bild auf der konvergenten Ebene und dem Schatten auf der Gitter-Lage, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, entsprechend geändert werden. Eine Verschiebung in X-Achsenrichtung wird im nachfolgenden als Beispiel beschrieben.

Nimmt man Bezug auf Fig. 5, ist es ein Codierprinzip einer Verschiebung in nur einer Achsenrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, daß nur eine horizontale (X-Achsenrichtung) Verschiebung zwischen dem Gerät 20 und der Gitter-Lage 11 gemacht ist, und aufeinanderfolgende Signale A, B, C, D usw. werden in einer Folge erzeugt, und entweder wird das Gerät 20 nach rechts bewegt oder die Gitter-Lage 11 nach links.

Gemäß den Signalen "1", "0", die für die Licht-/Schattenbilder von der Photosen soranordnung empfangen sind, wenn sich die konvergenten Ebenen 15, 15′ verschieben, kann eine Untersignalkombination bzw. Signalunterkombination von der Photosensoranordnung 16, 16′ erhalten werden. Wenn die Änderung bei der Verschiebung von dem Zustand A in den Zustand B umgewandelt wird, wird die Kombination von [0,0] zu [0,1] geändert. Wenn die Verschiebung von dem Zustand D nach rechts fortgesetzt wird, wird sie zu dem Zustand A zurückkehren. Die Änderung erscheint als eine zyklische Beziehung, und die vorliegende Formel der Beziehung wird nach der Anordnung des Kombinationszustandes erhalten:

Eine derartige Kombinationsbeziehung besteht zwischen Ausgangssignalen aus dem herkömmlichen und standardmäßigen Codierer. Was jedoch angemerkt werden sollte ist, daß, wenn das Gerät 20 oder die Gitter-Lage 11 nur eine Verschiebung in eine Achsenrichtung durchführt, der andere axiale Zustand durch eine derartige Bewegung überhaupt nicht beeinflußt werden wird.

Wenn sowohl das Gerät 20 als auch die Gitter-Lage 11 Verschiebungen in X- Achsenrichtung und Y-Achsenrichtung durchführen, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, führt das Gerät offensichtlich jede Einheits-Verschiebung gegen den rechten unteren Teil von dem Zustand E zu dem Zustand F durch, und die Kombination wird von [1, 1] zu [1, 0] geändert. Zu diesem Zeitpunkt kann die Photosensoranordnung den Zustand einer Erfassung aus Ausgangssignalen in X-Achsenrichtung und Y- Achsenrichtung auslösen.

Das andere Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung benutzt einen reflektierenden Spiegel zum Kondensieren. Nimmt man Bezug auf die Fig. 7 und 8 ist das Handlungsprinzip völlig identisch zu dem oben angegebenen Ausführungs beispiel, einschließlich einer Lichtquelle 30 oder 30′, einer Gitter-Lage 31, einer Linse 32, einer Photosensoranordnung 34, 34′, 36, 36′ und Schaltungskomponenten 39 und einem Gerät 40, außer daß die kondensierenden Linsen oben angeordnete reflektierende Linsen 33, 33′, 35, 35′ geändert sind.

Wenn der Lichtstrahl in irgendeiner Richtung brechbar ist, geführt durch die Linsen oder reflektierende Linsen, zeigt die vorliegende Erfindung keine Grenze bezüglich der Kombinationsform für eine Anwendung, und nur die eine Achse benutzt eine permeable Kondensorlinse und die andere Achse benutzt eine reflektierende Kondensorlinse oder die anderen gleichen Anordnungen. Die Zahl von Anwendungsmöglichkeiten kann 16 (42) erreichen. Wenn das durch Linsen kon densierende Verfahren benutzt wird, wird der Bereich zur Bildherstellung oben angeordnet, und für einen vertikalen oder rechtwinkligen Entwurf geeigneter, wie das Ausführungsbeispiel in Fig. 9 zeigt. Wenn die reflektierende Kondensorlinse benutzt wird, ist eine größere Breite erforderlich, und es ist geeigneter für eine horizontale Ausführung, wie das Ausführungsbeispiel in Fig. 10 zeigt.

Wenn das Bild der Gitter-Lage 11 vergrößert wird und dann auf die Photosensor anordnung mittels der Kondesorlinsen oder des reflektierenden Spiegels fokussiert wird, kann die Photosensoranordnung angesichts eines Sparens der Produktions kosten ein Phototransistor oder eine Photodiode sein, und der wesentliche Bereich, auf den das Licht fällt, ist im allgemeinen ungefähr 20 mm². Wenn das Bild zweimal vergrößert wird, soll die Markierungsbreite (die breit genug ist, um die Breite zweier Teile der Kondensorlinsen oder der reflektierenden Linsen abzudecken) nur nachdem es vergrößert ist, 20 mm sein, d. h. die Breite der Koordinatenskalierungsmarkierung auf der Gitter-Lage ist 10 mm und der Abstand ist auch 10 mm, so daß es 1000/20 = 50 Skalierungsmarkierungen in jedem Inch gibt. Da vier Zählstände von der Skalierungsmarkierung bis zu der anderen erfaßt werden können, kann die Genauigkeit des Aufbaus 200 D.P.I. erreichen. Wenn die Vergrößerung zwölf erreicht, kann die Genauigkeit 1200 D.P.I. erreichen, was für den herkömmlichen Codierer fast unmöglich zu erreichen ist. Insbesondere ist weder die Gitter-Lage bezüglich der Güte besonders hergestellt, noch ist irgendeine besondere andere Herstellungstechnik erforderlich. Wenn die Gitter-Lage in einer besonderen Güte hergestellt sein muß, kann es durch ein Photobelichtungs- oder Aufdampfplatierungsverfahren bei bestehendem industriellem Level erreicht werden.

Die vorliegende Erfindung schafft die Einrichtungen und eine Vorrichtung, die nie im Stand der Technik offenbart waren, und hat die Merkmale, die einen einfachen Aufbau aufweisen, eine Erhöhung der Genauigkeit und der Auflösung. Und was wichtiger ist, ist, daß der Ausgang, der durch die vorliegende Erfindung geschaffen wird, der Ausgang des herkömmlichen und standardmäßigen Codierers ohne irgendeine komplizierte und zeitaufwendige Arbeit ist, und er wird die Reaktions geschwindigkeit des Codierers nicht verringern.

Offensichtlich können viele Veränderungen ausgeführt werden, ohne von dem grundsätzlichen Sinn der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Demgemäß wird sie durch jene Fachleute so eingeschätzt werden, daß innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche die Erfindung anders ausgeführt werden kann als sie im besonderen hier beschrieben worden ist.

Claims

1. Verfahren zum optischen Codieren, das durch relative Verschiebungen zwischen einem Gerät und einer bestimmten Gitter-Lage erreicht wird, und wobei das ein Bild erzeugt wird, wenn die Lichtquellen auf die Gitter-Lage projiziert werden, das Bild durch Linsen zur Bildherstellung vergrößert und durch unterschiedliche axiale Kondensorlinsen oder reflektierende Linsen kondensiert wird, so daß das Signal und die Verschiebungsinformation, die sich auf den Zustand von jedem relativen axialen Schattenbild bezieht, erfaßt werden, und zwar direkt als Ersatz für den standardmäßigen Codierer.

2. Verfahren zum optischen Codieren nach Anspruch 1, wobei das Kondensieren darin besteht, eine Linse oder einen reflektierenden Spiegel zu benutzen, oder beides alternativ zu benutzen.

3. Verfahren zum optischen Codieren nach Anspruch 1, wobei die Lichtquellen in dem Gerät oder an der Seite der Gitter-Lage vorgesehen sind, und die Charakteristiken des Spektrums nicht begrenzt sind.

4. Verfahren zum optischen Codieren nach Anspruch 1, wobei die Entfernung von der Gitter-Lage zu dem Zentrum der Linse zur Bildherstellung kürzer ist als die Entfernung von dem Zentrum der Linse zur Bildherstellung zu der Ebene zur Bildherstellung, um vorteilhaft zu sein zum Vergrößern des Schattens und zum Fördern der Auflösung.

5. Verfahren zum optischen Codieren nach Anspruch 1, wobei die Gitter- Lage vom reflektierenden oder permeablen Typ sein kann.

6. Verfahren zum optischen Codieren nach Anspruch 1, wobei die Breite vertikaler und horizontaler Skalierungsmarkierungen auf der Oberfläche der Gitter-Lage gleich ist, und die Breite der Markierung auch gleich zu dem Abstand ist.

7. Optische Codiereinrichtung, die aufweist:
eine Gitter-Lage, die aus reflektierendem oder permeablem Material gemacht ist, und wobei die Breite vertikaler und horizontaler Markierungen darauf gleich ist, und die Breite der Markierungen auch gleich zu dem Abstand ist;
ein Gerät, das in Anlage an der Gitter-Lage relativ verschiebbar ist;
eine Lichtquelle, die in dem Gerät oder an der Seite der Gitter-Lage montier bar ist, je nach dem, aus welchem Material die Gitter-Lage gemacht ist;
eine Linse zur Bildherstellung, die in dem Gerät montierbar ist und
vorgesehen ist, um den Schatten der Skalierungsmarkierungen auf der Gitter- Lage zu vergrößern; und
eine Kondensorlinsenanordnung oder eine reflektierende Linsenanordnung, die in dem Gerät montiert ist und in der Ebene zur Bildherstellung der Linse zur Bildherstellung angeordnet ist und vorgesehen ist, um den Schatten von der Linse zur Bildherstellung zu fokussieren; und
eine bestimmte Anzahl einer Photosensoranordnung die in dem Gerät montiert ist, und wobei mindestens eine Photosensoranordnung jeder Kondensorlinse oder jedem reflektierendem Spiegel entsprechend ist;
wobei, wenn das Gerät in Anlage an der Gitter-Lage relativ verschoben wird, das Bild mittels einer Lichtquelle ausgebildet ist, die auf die Gitter-Lage projiziert wird, und der Schatten, der durch das Bild gebildet wird, das durch die Linse zur Bildherstellung vergrößert wird und durch verschiedene axiale Kondensorlinsen oder reflektierende Linsen kondensiert wird, und wobei sich das Signal und die Verschiebungsinformation, die sich auf den Zustand von jedem entsprechenden axialen Schatten beziehen, durch die Photosensor anordnung erfaßt werden, und zwar als Ersatz für den standardmäßigen Codierer.

8. Verfahren zum optischen Codieren nach Anspruch 7, wobei die Kondensorlinsen oder reflektierenden Linsen rechtwinklig ähnlich sind, und identische axiale Linsen oder reflektierende Linsen zugelassen sind, um Seite an Seite in einer Zeile zu sein oder einen Abstand der Skalierungsmarkierung zu kreuzen.