DE3737278A1 - Verfahren und vorrichtung zum optischen erfassen der stellung eines objekts - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum optischen Erfassen der Stellung eines Objekts sowie auf eine Vorrich­ tung, bei der das Verfahren angewandt wird. Im einzelnen betrifft die Erfindung einen Absolutwert-Codierer bzw. - Meßgeber, bei dem ein geradliniges Lichtstrahlenband auf ein als Gray-Codemuster bekanntes Lageinformations-Codemuster gerichtet wird und die in dem Muster enthaltene Lageinforma­ tion ausgelesen wird, um dadurch die Lage oder Verstellung des Objekts zu ermitteln.

Fotoelektrische Codierer bzw. Meßgeber werden in breitem Ausmaß als Lagemeßvorrichtungen eingesetzt, mit denen die Verstellung, die Bewegungsgeschwindigkeit und die Lage ver­ schiedenartiger Objekte gemessen und ermittelt wird, wie beispielsweise die Verstellung eines bewegbaren Teils einer industriellen Maschine, das Ausmaß der Drehung und die Dreh­ stellung eines Roboterarms, das Ausmaß der Drehung und die Drehgeschwindigkeit von Drehteilen oder dergleichen.

Fig. 1A zeigt als Beispiel für die fotoelektrischen Meßgeber einen Drehcodierer bzw. Drehmeßgeber zum fotoelektrischen Erfassen des Ausmaßes und/oder der Geschwindigkeit der Dre­ hung eines drehbaren Objekts. Der Drehmeßgeber gemäß Fig. 1A hat eine aus einer an einer Drehwelle 80 befestigten Scheibe 85 bestehende Hauptskala mit lichtdurchlässigen und undurch­ lässigen Bereichen, die abwechselnd in gleichmäßigen Tei­ lungsabständen angeordnet sind. Ferner hat der Drehmeßgeber auch eine feststehende Indexskala 82 mit lichtdurchlässigen und undurchlässigen Bereichen, die in den gleichen regelmäßi­ gen Abständen wie an der Hauptskala 81 angeordnet sind. Die Hauptskala 81 und die Indexskala 82 sind zwischen einer Lichtprojektionsvorrichtung 83 und einer Lichtempfangsvor­ richtung 84 angeordnet, die einander gegenübergesetzt sind. Diese bekannte Anordnung wird allgemein als "Indexskalensys­ tem" bezeichnet. Bei der Drehung der Hauptskala 81 wird ein Ausgangssignal erzielt, das mit den Intervallen zwischen den lichtdurchlässigen und den undurchlässigen Bereichen der beiden Skalen synchron ist. Irgendeine Änderung der Drehzahl der Hauptskala wird durch eine Frequenzmessung an dem auf diese Weise erzielten Signal erfaßt. Es ist offensichtlich, daß ein höheres Auflösungsvermögen bei der Erfassung durch das Verkleinern der Teilungsabstände der lichtdurchlässigen und undurchlässigen Bereiche erzielt werden kann.

Diese Art von Drehmeßgeber wird allgemein als "Inkremental- Codierer" bezeichnet. Bei diesem Drehmeßgeber entspricht die Periode des Signals jeweils einer Drehwinkeleinheit der Hauptskala, so daß das Ausmaß der Drehung durch das Messen der Frequenz bzw. Häufigkeit des Signals ermittelt werden kann. Es ist ferner möglich, die momentane Drehstellung der Hauptskala durch das Berechnen des Ausmaßes einer Drehung von einer bestimmten Bezugsdrehstellung weg zu ermitteln.

Der Inkremental-Codierer hat jedoch den Nachteil, daß die momentane Drehstellung des Objekts verloren geht, sobald das Objekt gedreht wird, während der Codierer beispielsweise infolge eines Ausfalls der Stromversorgung außer Betrieb ist, und zwar auch dann, wenn nach dem Beginn der Drehung des Objekts die Stromversorgung wieder aufgenommen wird.

Ein Drehmeßgeber anderer Art ist als "Absolutwert-Codierer" bekannt, mit dem der Absolutwert des Ausmaßes der Drehung erfaßt werden kann. Dieser Drehmeßgeber hat gemäß Fig. 1B eine an eine Drehwelle 80 angeschlossene Skalenscheibe 85. Diese Skalenscheibe hat lichtdurchlässige und undurchlässige Bereiche, die auf konzentrischen Kreisen mit voneinander verschiedenen Radien derart angeordnet sind, daß für vonein­ ander verschiedene Winkeleinheiten verschiedene Gray-Codemus­ ter, nämlich verschiedene Muster von Kombinationen aus licht­ durchlässigen und undurchlässigen Bereichen erhalten werden. Über die Skalenscheibe 85 weg sind eine Lichtprojektionsvor­ richtung 83 und eine Lichtempfangsvorrichtung 84 einander gegenübergesetzt. Die Lichtprojektionsvorrichtung hat eine Reihe von Leuchtelementen, die entsprechend den jeweiligen konzentrischen Kreisen mit den lichtdurchlässigen und un­ durchlässigen Bereichen angeordnet sind. Gleichermaßen hat die Lichtempfangsvorrichtung eine Reihe von Lichtempfangsele­ menten, die entsprechend den jeweiligen konzentrischen Krei­ sen mit den lichtdurchlässigen und undurchlässigen Bereichen angeordnet sind. Daher kann die absolute Winkel- oder Dreh­ stellung der Skalenscheibe 85 mittels der Lichtempfangsvor­ richtung abgelesen werden, die ein Lichtmuster empfängt, welches dem der Winkelstellung zugeordneten Gray-Code ent­ spricht. Daher kann selbst dann, wenn während des Ausfallens der Stromversorgung die Skalenscheibe 85 gedreht worden ist, mit dem Absolutwert-Drehmeßgeber immer die momentane Dreh­ stellung der Skalenscheibe 85 ermittelt werden, sobald zum Zeitpunkt der Ermittlung Strom zugeführt wird.

Dies bedeutet, daß der Absolutwert-Drehmeßgeber immer rich­ tige Informationen über das Ausmaß der Bewegung bzw. Drehung liefert, selbst wenn aus irgendeinem unerwarteten Grund wie durch Stromausfall die Stromversorgung unterbrochen war. Daher wird der Absolutwert-Drehmeßgeber zweckdienlich in industriellen Automaten oder anderen industriellen Maschinen eingesetzt.

Bei diesem Absolutwert-Drehmeßgeber besteht jedoch das Prob­ lem, daß die Anzahl der Bits des Codes, nämlich der licht­ durchlässigen und undurchlässigen Bereiche in einem jeden Code gesteigert werden muß, wenn eine Lageerfassung mit hohem Auflösungsvermögen erforderlich ist. Hierdurch wird es wie­ derum notwendig, die Anzahl der konzentrischen Kreise mit den verschiedenen Radien, nämlich die Anzahl von Spuren zu erhö­ hen, so daß auf unerwünschte Weise die Drehskala vergrößert werden muß.

Zur Lösung dieses Problems ist in der JP-OS 1 76 817/1986 ein Absolutwert-Drehmeßgeber beschrieben, bei dem codierte Lage­ informationen in der Form von Kombinationen einer Vielzahl von in einer jeden Spur ausgebildeten Grübchen aufgezeichnet werden und ein Laser ein Laserstrahlenbündel abgibt, das in eine Vielzahl feiner Laserstrahlen aufgeteilt wird. Die fei­ nen Laserstrahlen werden auf die jeweiligen Grübchen gerich­ tet und es wird die Reflexion an den Grübchen oder der Durch­ laß durch die Grübchen in der Weise erfaßt, daß die Codein­ formation wiedergegeben wird.

Bei dem Meßgeber dieser Art entsteht das Problem, daß bei der Justierung eines optischen Elements wie eines Beugungsgitters für das Aufteilen des Laserstrahlenbündels in die feinen Strahlen ein in der Praxis nicht annehmbar hoher Grad an Genauigkeit erforderlich ist sowie für das zuverlässige ge­ naue Ausrichten der feinen Laserstrahlen auf die Grübchen in den Spuren ein komplizierter Nachführmechanismus benötigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum optischen Erfassen der Stellung eines Objekts sowie eine Vorrichtung hierfür zu schaffen, die mit einem einfachen Vorgang die Wiedergabe von Codeinformationen ermöglichen, welche die Stellung des Objekts darstellen. Ferner soll die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen der Stellung kom­ pakt aufgebaut sein und das Erfassen der Stellung des Objekts mit hohem Auflösungsvermögen ermöglichen.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß zum optischen Erfassen der Stellung eines Objekts ein Verfahren geschaffen, bei dem an dem Objekt in dessen Bewegungsrichtung eine Viel­ zahl von Reihen aus Datenelementen angeordnet wird, wobei jede Reihe eine Vielzahl von Teil-Datenelementen enthält, die eine Lageinformation hinsichtlich der Stellung des Objekts darstellen, die Reihe der Datenelemente mit einem Strahlen­ band beleuchtet wird, das sich in der gleichen Richtung wie die Reihe der Datenelemente erstreckt, und die Lageinforma­ tion durch das Erfassen des von der beleuchteten Reihe der Datenelemente kommenden Lichts ausgelesen wird.

Ferner wird zur Lösung der Aufgabe mit der Erfindung zur Stellungserfassung eine Vorrichtung geschaffen, die eine Vorrichtung für die Abgabe von Lichtstrahlen, eine Beleuch­ tungsvorrichtung für das Beleuchten einer von Datenelemente­ reihen, die an dem Objekt in dessen Bewegungsrichtung ange­ ordnet sind und die jeweils eine Vielzahl von Datenelementen einer Lageinformation hinsichtlich der Stellung des Objekts enthalten, mit einem Lichtstrahlenband und eine Auslesevor­ richtung zum Auslesen der Lageinformation durch das Erfassen des von der bestrahlten Datenelementereihe kommenden Lichts aufweist.

Der Ausdruck "Bewegungsrichtung" umfaßt allgemein die Rich­ tung einer Parallelverschiebungsbewegung oder einer Drehbewe­ gung des Objekts. Daher kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als linearer Codierer bzw. Wegmeßgeber oder als Drehcodierer bzw. Drehmeßgeber gestaltet werden.

Die Datenelemente bilden ein Gray-Codemuster ähnlich dem bei dem vorangehend beschriebenen Absolutwert-Codierer.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1A ist eine schematische Darstellung eines bekannten Inkrement-Codierers.

Fig. 1B ist eine schematische Darstellung eines bekannten Codierers.

Fig. 2A und 2B sind schematische Darstellungen von Meßgebern, die als ein Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung gestaltet sind.

Fig. 3A bis 3C sind schematische Darstellungen von Abwandlungen der in den Fig. 2A und 2B gezeigten Meßgeber.

Fig. 4, 5A und 5B sind schematische Darstellungen weiterer Abwandlungen des in den Fig. 2A und 2B gezeigten Ausführungsbeispiels.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines Meßgebers, der als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfas­ sungsvorrichtung gestaltet ist.

Fig. 7 zeigt den Zusammenhang zwischen einem Schrittesignal, einem Bezugsstellungssignal und einem Abso­ lutwertsignal aus dem in Fig. 6 gezeigten Meßgeber.

Fig. 8A bis 8C zeigen wesentliche Teile von Abwand­ lungen des in Fig. 6 gezeigten Meßgebers.

Fig. 9A bis 9G zeigen Bezugsstellungssignale aus den in den Fig. 8A bis 8C gezeigten Meßgebern.

Fig. 10A und 10B zeigen wesentliche Teile von wei­ teren Abwandlungen des in Fig. 6 gezeigten Meßgebers.

Fig. 11A und 11B zeigen den Zusammenhang zwischen einem Schrittesignal, einem Bezugsstellungssignal und einem Absolutwertsignal aus den jeweils in den Fig. 10A bzw. 10B gezeigten Meßgebern.

Fig. 12A und 12B sind jeweils ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsschaltung für das Verarbeiten von Signalen aus dem in Fig. 6 gezeigten Meßgeber.

Fig. 13 ist eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Form eines bei der Erfassungsvorrichtung ver­ wendeten Gray-Codemusters.

Fig. 14A und 14B veranschaulichen ein Verfahren zum Ausfluchten eines Strahlenbands mit dem Gray-Codemuster einer in Fig. 13 gezeigten Skala.

Die Fig. 2A und 2B sind schematische Darstellungen einer Absolutstellungs-Erfassungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem das Erfassungsverfahren ange­ wandt wird, und zeigen jeweils das optische System eines Absolutwert-Drehmeßgebers, bei dem als Lichtquelle ein Halb­ leiterlaser verwendet wird.

Die in den Fig. 2A und 2B gezeigten Drehcodierer bzw. Dreh­ meßgeber unterscheiden sich zum Teil hinsichtlich der Form von verwendeten Bauteilen, jedoch sind die optischen Anord­ nungen der einzelnen Bauteile in den beiden Meßgebern im wesentlichen einander gleich.

Die in den Fig. 2A und 2B dargestellten Drehmeßgeber enthal­ ten beide jeweils einen Halbleiterlaser 6, eine Kollimator­ linse 7, eine Zylinderlinse 20 bzw. 21 als anamorphotisches optisches System, eine Fokussierlinse 9 und eine eindimensio­ nale Sensoranordnung bzw. einen Zeilensensor 10 wie eine Ladungskopplungsvorrichtung (CCD).

Ferner enthalten diese Drehmeßgeber eine durch eine drehbare Scheibe gebildete Drehskala 1, die an einem (nicht gezeigten) drehbaren Meßobjekt wie beispielsweise der Welle eines Motors angebracht ist. Die Drehskala trägt ein nachstehend als In­ formationsmuster bezeichnetes Lageinformations-Codemuster 2, das von der Mitte zu dem Außenumfang der Drehskala 1 hin auf einer Linie parallel zur radialen Richtung der Skala gebildet ist. Auf der Oberfläche der Drehskala 1 ist eine Vielzahl von Informationsmustern 2 ausgebildet, die eine Folge von Infor­ mationsmustern ergeben, welche in der Umfangsrichtung der Drehskala 1 angeordnet sind.

In dem in Fig. 2A gezeigten Drehmeßgeber ist der Halbleiter­ laser 6 in der Nähe eines vorderen Brennpunktes der Kollima­ torlinse 7 angeordnet. Das von dem Halbleiterlaser 6 mit hoher Bündelung abgegebene divergierende Licht wird auf diese Weise von der Kollimatorlinse 7 parallel gerichtet.

Die Zylinderlinse 20, die eine plankonvexe Zylinderlinse mit einer konvexen Fläche und einer planen Fläche ist, hat eine Brechkraft, die nur in den durch Pfeile x dargestellten Richtungen wirkt. Die Zylinderlinse 20 ist auf der optischen Achse an einer Stelle angeordnet, die von der Kollimatorlinse 7 um einen vorgegebenen Abstand entfernt ist.

Die Zylinderlinse 20 hat hinsichtlich der in den Richtungen der Pfeile x wirkenden Brechkraft eine Brennweite f 1, so daß die aus der Kollimatorlinse 7 austretenden parallelen Laser­ strahlen durch die Zylinderlinse 20 an einem hinteren Brenn­ punkt in Form einer Linie mit einer Längsachse fokussiert werden, welche parallel zu den durch Pfeile y in Fig. 2A dargestellten Richtungen liegt.

Die Fokussierlinse 9, die eine gewöhnliche sphärische Linse ist, hat eine Brennweite f 2. Die Fokussierlinse 9 hat einen vorderen und einen hinteren Brennpunkt. Der vordere Brenn­ punkt fällt mit der Stelle zusammen, an der die parallelen Laserstrahlen von der Zylinderlinse 20 fokussiert sind, näm­ lich die parallelen Laserstrahlen zu einer Linie geformt sind. Der hintere Brennpunkt fällt mit der Stelle zusammen, die ein jeweiliges Informationsmuster 2 an der Drehskala 1 einnimmt.

Ein jedes der Informationsmuster 2 bildet einen Lageinforma­ tionscode, der einem bestimmten Drehwinkel der Drehskala 1 entspricht.

Der Lageinformationscode ist ein binär codiertes Muster für eine Information, die die jeweilige Drehstellung der Drehska­ la 1 anzeigt. Ein jedes Informationsmuster ist aus einer Kombination von zweierlei Mustern, nämlich aus lichtdurchläs­ sigen und undurchlässigen Bereichen entsprechend der binär codierten information gebildet. Beispielsweise kann der Wert "1" der binär codierten Information dem lichtdurchlässigen Bereich und der Wert "0" dem undurchlässigen Bereich entspre­ chen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Informationsmu­ ster durch eine Reihe von Schlitzen gebildet.

Diese Bereiche der jeweiligen Informationsmuster 2 liegen auf Spuren, die hinsichtlich der Drehrichtung der Drehskala 1 konzentrisch auf der Drehskala 1 ausgebildet sind. Infolge­ dessen werden auf einer Anzahl N von Spuren, nämlich mit N Bereichen bzw. Bits für ein einzelnes Informationsmuster an der Drehskala 1 2^N einzelne Lageinformationen gespeichert.

Nach Fig. 2A fallen die von der Zylinderlinse 20 zu einer Linie fokussierten Laserstrahlen auf die Fokussierlinse 9 als parallele Lichtstrahlen hinsichtlich der durch die Pfeile y dargestellten Richtungen und als divergierende Lichtstrahlen hinsichtlich der durch die Pfeile x dargestellten Richtungen. Die Fokussierlinse 9 setzt die einfallenden Strahlen in ein hinsichtlich der y-Richtungen konvergierendes Lichtstrahlen­ bündel und ein hinsichtlich der x-Richtungen paralleles Lichtstrahlenbündel um. Die sich ergebenden Lichtstrahlen beleuchten ein vorbestimmtes der Informationsmuster 2 an der Drehskala 1 in Form einer Linie gemäß Fig. 2A.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist jedes der Informa­ tionsmuster 2 an der Drehskala 1 durch eine Reihe von Schlit­ zen gebildet, die auf einer Vielzahl von Spuren liegen, welche konzentrisch über die Drehskala 1 ausgebildet sind. Diese Schlitzreihe enthält Schlitze, die in der Radialrich­ tung der Drehskala 1 angeordnet sind, wobei das Vorhandensein bzw. Fehlen der Schlitze jeweils den Werten "1" bzw. "0" der binär codierten Information entspricht.

In der Drehrichtung der Drehskala 1 aufeinanderfolgend ist eine Vielzahl dieser Informationsmuster 2 ausgebildet, wobei sich die Anordnungen der Schlitzmuster der einzelnen Informa­ tionsmuster 2 voneinander unterscheiden. Daher stellt jede der Schlitzreihen eine Information über eine andere Stellung bzw. einen anderen Drehwinkel der Drehskala 1 dar.

Mittels der Fokussierlinse 9 wird das Informationsmuster 2 mit einer Lichtstrahlenlinie bzw. einem Lichtstrahlenband beleuchtet, wobei durch das Informationsmuster 2 entsprechend der Anordnung der Schlitze in der beleuchteten Schlitzereihe die Lichtstrahlen nur an einem bestimmten Bereich oder an bestimmten Bereichen durchgelassen werden. Die durch die Schlitze des Informationsmusters 2 durchgelassenen Licht­ strahlen werden von dem eindimensionalen Zeilensensor 10 auf­ genommen, die hinter der Drehskala 1 angeordnet ist. Der eindimensionale Zeilensensor 10 gibt eine der Anordnung der Schlitze in der beleuchteten Schlitzereihe entsprechende Signalfolge ab, nämlich eine Signalfolge, die der Information über die absolute Stellung der Drehskala 1 entspricht.

Auf diese Weise können bei der Drehung der Drehskala 1 aus der eindimensionalen Sensoranordnung bzw. dem Zeilensensor 10 Signale erhalten werden, die die aufeinanderfolgenden Dreh­ stellungen der Drehskala 1 anzeigen. Die auf diese Weise erzielten Signale können zum Ermitteln der absoluten Dreh­ stellung, des Ausmaßes der Drehung und der Drehgeschwindig­ keit des Objekts herangezogen werden. Bei diesem Ausführungs­ beispiel hat die Strahlenlinie wie beispielsweise ein Laser­ strahlenband mit guter Bündelung, die bzw. das zum Beleuchten der Informationsmuster 2 an der Drehskala 1 dient, in den y- Richtungen eine Breite, die kleiner als die Breite des Infor­ mationsmusters 2, nämlich der Schlitze in den y-Richtungen ist. Bei der Beleuchtung des Informationsmusters 2 mit dem auf die beschriebene Weise fokussierten Strahlenband kann jedes Informationsmuster 2 deutlich von den in der Drehrich­ tung der Drehskala 1 benachbarten Informationsmustern abge­ sondert werden und jedes der durch die Schlitze gebildeten Datenelemente unterscheidbar herausgegriffen werden. Es ist daher möglich, auf einer kleinen Drehskala 1 sehr feine Informationsmuster 2 auszubilden. Infolgedessen kann auch dann, wenn auf der Drehskala 1 eine Vielzahl von Spuren ausgebildet ist, um den Teilungsabstand der durch die Schlit­ ze gebildeten einzelnen Datenelemente in der Drehrichtung der Drehskala 1 zu verkleinern, die durch das Informationsmuster gegebene Lageinformation auf genaue Weise reproduziert wer­ den.

Beispielsweise kann eine Drehskala 1 mit einem Radius von nur ungefähr 10 mm und mit 10 Spuren leicht 2¹⁰ Elemente der Lageinformationen aufnehmen, wenn der ein Datenelement bil­ dende Schlitz in den y-Richtungen eine Breite von 20 µm und in den x-Richtungen eine Länge von 500 µm hat. Mit einer derartigen Skala kann daher ein hohes Winkelauflösungsvermö­ gen bis zu 360°/2¹⁰≈0,35° erreicht werden. Es ist somit möglich, gleichzeitig sowohl eine Verringerung der Abmessun­ gen als auch eine Verbesserung hinsichtlich des Auflösungs­ vermögens ohne die Schwierigkeiten zu erreichen, die bei den bekannten Absolutwert-Drehcodierern aufgetreten sind.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Teilungsabstand der Sensorelemente des Zeilensensors 10 ungefähr gleich dem Tei­ lungsabstand der Spuren an der Drehskala 1, so daß daher die Sensorelemente den Spuren in 1:1-Beziehung entsprechen. Falls durch das Steigern der Anzahl der Spuren an der Drehskala 1 der Teilungsabstand der Spuren verkleinert wird, wird es schwierig, den Zeilensensor 10 entsprechend herzustellen oder die von den Datenelementen auf den jeweiligen Spuren durchge­ lassenen Laserstrahlen voneinander zu trennen. In diesem Fall kann wie bei einem nachfolgend beschriebenen anderen Ausfüh­ rungsbeispiel ein vergrößertes Bild des Informationsmusters 2 auf einen bestimmten Zeilensensor 10 projiziert werden.

Zum Verschmälern der Breite (in den y-Richtungen) der Strah­ lenlinie auf ungefähr einige zehn µm bis zu einigen µm ist es vorteilhaft, auf das Informationsmuster 2 von einer Punkt­ quelle abgegebene Lichtstrahlen (mit guter Richtwirkung bzw. Bündelung) zu richten Um diese Forderung zu erfüllen wird bei den in den Fig. 2A und 2B gezeigten Anordnungen als Lichtquelle beispielsweise der Halbleiterlaser 6 verwendet.

Es ist auch möglich, anstelle eines Halbleiterlasers oder eines ähnlichen Lasers mit Abstrahlung an einem sehr kleinen Punkt oder einer Lichtquelle für die Abgabe von Licht mit guter Bündelung eine Lichtquelle mit Flächenabstrahlung wie eine Leuchtdiode zu verwenden. In diesem Fall ist jedoch die Konvergenz des durch die Fokussierlinse 9 hindurchtretenden Lichts gering. Daher besteht dann, wenn durch die Steigerung der Anzahl der Spuren an der Drehskala 1 das Auflösungsvermö­ gen gesteigert werden soll, hinsichtlich der Verbesserung des Auflösungsvermögens eine Einschränkung. In diesem Fall kann mit dem von der Lichtquelle wie der Leuchtdiode abgegebenen Licht ein kleines Loch beleuchtet werden und das dermaßen beleuchtete Loch als Punktlichtquelle benutzt werden, um die gleiche Funktion wie mit einem Halbleiterlaser zu erreichen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden Schlitze als Datenele­ mente verwendet, die die Informationsmuster 2 an der Drehska­ la 1 bilden.

Es besteht jedoch hinsichtlich der Form der Datenelemente keine Einschränkung auf feine Öffnungen wie Schlitze. Bei­ spielsweise können als Datenelemente Reflexionsfilmmuster einer vorbestimmten Form oder undurchlässige Filmmuster einer vorbestimmten Form verwendet werden, um die Lageinformationen entweder durch das Ermitteln des Vorhandenseins oder Fehlens von Durchlaßlicht wie bei diesem Ausführungsbeispiel oder des Vorhandenseins oder Fehlens von Reflexionslicht wie bei einem nachfolgend beschriebenen anderen Ausführungsbeispiel wieder­ zugeben.

Bei der vorstehenden Beschreibung des ersten Ausführungsbei­ spiels wurde ein Absolutwert-Drehmeßgeber als Beispiel heran­ gezogen, jedoch ist die gleiche Gestaltung auch bei einem linearen Codierer bzw. Wegmeßgeber anwendbar. Bei einem Weg­ meßgeber wird in der zu der Bewegungsrichtung eines bewegten Objekts parallelen Richtung eine Vielzahl von Spuren ausge­ bildet, auf denen jeweils Datenelemente gebildet werden. Auf diese Weise bilden die Datenelemente auf der Vielzahl von Spuren Lageinformationscodes bzw. Informationsmuster.

Das beschriebene Verfahren ist auch bei anderen Lageerfas­ sungsvorrichtungen als den Absolutstellungs-Erfassungsvor­ richtungen wie den Wegmeßgebern oder Drehmeßgebern anwendbar. Beispielsweise kann das Verfahren auch für die Wiedergabe von Informationen von einem Aufzeichnungsträger wie einer opti­ schen Speicherplatte oder einer optischen Speicherkarte mit derartigen Informationen angewandt werden.

Bei dem in Fig. 2B dargestellten Drehmeßgeber wird statt der konvexen Zylinderlinse 20 nach Fig. 2A eine konkave Zylinder­ linse 21 verwendet. Die Brechkraft der Zylinderlinse 21, die durch eine konkave Fläche und eine plane Fläche gebildet ist, wirkt in den durch Pfeile y in Fig. 2B dargestellten Richtun­ gen.

Gemäß der vorangehenden Beschreibung werden von der Zylinder­ linse 20 die durch die Kollimatorlinse 7 parallel ausgerich­ teten Lichtstrahlen an dem hinteren Brennpunkt der Fokussier­ linse 9 in Form einer Linie konvergiert, um die dermaßen konvergierten Lichtstrahlen in rechteckige Lichtstrahlen bzw. ein Lichtstrahlenband umzuwandeln. Von der Zylinderlinse 21 werden jedoch für das Umsetzen der Lichtstrahlen zu einem Strahlenband die von der Kollimatorlinse 7 parallel ausge­ richteten Lichtstrahlen direkt in den Richtungen der Pfeile x divergiert. In diesem Fall werden die Strahlen als Linie scheinbar an einem vorderen Brennpunkt (-f 1) der Zylinderlin­ se 21 fokussiert.

Das Verfahren zur Informationswiedergabe und das Prinzip der Erfassung der Absolutstellungen die bei dem in Fig. 2B gezeigten Drehmeßgeber angewandt werden, werden hier nicht näher beschrieben, da sie mit dem bei dem Drehmeßgeber nach Fig. 2A angewandten identisch sind.

Die Fig. 3A, 3B und 3C veranschaulichen ein zweites Ausfüh­ rungsbeispiel der Absolutstellungs-Erfassungsvorrichtung, bei der das Erfassungsverfahren angewandt wird, und sind schema­ tische Ansichten optischer Systeme, bei denen statt der in Fig. 2A und 2B gezeigten Codierer Reflexions-Codierer verwen­ det werden.

In Fig. 3A werden zur Bezeichnung gleicher oder einander entsprechender Komponenten die gleichen Bezugszeichen wie bei dem in Fig. 2A gezeigten Drehmeßgeber verwendet. Eine licht­ durchlässige Planparallelplatte 11 dient als Strahlenteiler, während mit 12 eine zweite Fokussierlinse bezeichnet ist. Die Brennweite f 3 der zweiten Fokussierlinse 12 wird derart ge­ wählt, daß zwischen der Brennweite f 3 und der Brennweite f 2 der Fokussierlinse 9 die Beziehung f 3 < f 2 eingehalten werden kann.

Ein jedes der Informationsmuster 2 bei diesem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel ist durch eine Reihe von mit dem vorangehend genannten Reflexionsfilm gebildeten Rechteckmustern anstelle der bei dem in Fig. 2A gezeigten ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Schlitzereihe gebildet.

In dem in Fig. 3A gezeigten Drehmeßgeber ist die Planparal­ lelplatte 11 in dem optischen Weg zwischen der konvexen Zylinderlinse 20 und der Fokussierlinse 9 angeordnet. Die Planparallelplatte 11 ist in einem Winkel von 45° zu der optischen Achse geneigt, so daß die von dem Informationsmu­ ster 2 an der Drehskala 1 reflektierten Lichtstrahlen auf die in Fig. 3A unten dargestellte zweite Fokussierlinse 12 ge­ richtet werden.

Nachdem die von dem Informationsmuster 2 reflektierten Licht­ strahlen noch einmal von der Planparallelplatte 11 reflek­ tiert worden sind, werden sie durch die zweite Fokussierlinse 12 auf dem Zeilensensor 10 fokussiert. Die Planparallelplatte 11 ist in der Nähe der Brennlinie der Zylinderlinse 20 an einer Stelle im Abstand von ungefähr f 2 von der Fokussierlin­ se 9, nämlich nahe dem vorderen Brennpunkt der Fokussierlinse 9 angeordnet. Die zweite Fokussierlinse 12 ist an einer Stelle angeordnet, die von der Planparallelplatte 11 einen Abstand gleich der Brennweite f 3 der zweiten Fokussierlinse 12 hat.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung besteht zwischen den Brennweiten f 2 und f 3 der beiden Fokussierlinsen der Zusam­ menhang f 3 < f 2. Daher wird die das Informationsmuster 2 bildende Reihe aus Rechteckmustern in vergrößertem Maßstab auf den Zeilensensor 10 projiziert. Infolgedessen können selbst dann, wenn die Breite der Spur der Rechteckmusterrei­ hen durch weiteres Erhöhen der Anzahl der Spuren an der Drehskala 1 verkleinert ist, durch das Projizieren der Reihe der Rechteckmuster in vergrößertem Maßstab auf den Zeilensen­ sor die von den jeweiligen Rechteckmustern reflektierten Lichtstrahlen unterscheidbar getrennt werden, so daß dadurch die durch die Rechteckmusterreihe dargestellten Informationen immer mit hoher Genauigkeit wiedergegeben werden. Bei diesem in Fig. 3A dargestellten Drehmeßgeber ist die Planparallel­ platte 11 in der Nähe des vorderen Brennpunkts der Fokussier­ linse 9 angeordnet, jedoch besteht keine Einschränkung auf diese Anordnung. Falls jedoch wie bei diesem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel ein Vergrößerungsprojektionssystem verwendet wird, ist für die Miniaturisierung des Systems die in Fig. 3A dargestellte optische Anordnung zweckdienlich, da bei dieser Anordnung die Planparallelplatte 11 verkleinert und der Ab­ stand zwischen der Planparallelplatte 11 und der zweiten Fokussierlinse 12 verkürzt werden kann.

Die optische Anordnung des Drehmeßgebers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist im wesentlichen die gleiche wie die­ jenige des in Fig. 2A dargestellten Drehmeßgebers mit der Ausnahme, daß bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ein Detek­ torsystem aus der Planparallelplatte 11, der zweiten Fokus­ sierlinse 12 und dem Zeilensensor 10 verwendet wird. Infolge­ dessen ist das Verfahren, die von dem Halbleiterlaser 6 abgegebenen Laserstrahlen über die Kollimatorlinse 7, die Zylinderlinse 20, die Planparallelplatte 11 und die Fokus­ sierlinse 9 auf die Drehskala 1 zu richten, um auf das durch die Rechteckmuster gebildete Informationsmuster 2 die Laser­ strahlen in Form einer Linie zu werfen, dem bei dem Drehmeß­ geber nach Fig. 2A angewandten Verfahren gleich. Die bei Drehmeßgebern gemäß der Darstellung in Fig. 3A erzielten Funktionen und Wirkungen sind im wesentlichen den in Verbin­ dung mit Fig. 2A beschriebenen gleich, so daß daher ihre Erläuterung weggelassen wird.

Der in Fig. 3B dargestellte Drehmeßgeber hat ein Vergröße­ rungsprojektionssystem, bei dem die zweite Fokussierlinse 12 nach Fig. 3A weggelassen ist.

In Fig. 3B sind mit gleichen Bezugszeichen die gleichen oder einander entsprechenden Komponenten wie die in Fig. 2A ge­ zeigten bezeichnet. Der Drehmeßgeber nach Fig. 3B hat jedoch eine von der Anordnung nach Fig. 3A verschiedene optische Anordnung.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die von dem Halbleiter­ laser 6 abgegebenen divergierenden Laserstrahlen durch die Kollimatorlinse 7 parallel ausgerichtet. Diese parallelen Laserstrahlen fallen auf die Zylinderlinse 20 und werden von dieser in Form einer Linie an der hinteren Brennlinie der Zylinderlinse 20 fokussiert.

Gemäß den Fig. 2A, 2B und 3A fällt diese Brennlinie mit dem vorderen Brennpunkt der Fokussierlinse 9 zusammen. Daher konvergieren die in der Form einer Linie fokussierten Laser­ strahlen in den mit den Pfeilen y dargestellten Richtungen, wobei sie aber in den durch die Pfeile x dargestellten Rich­ tungen parallele Laserstrahlen bilden, die auf das Informa­ tionsmuster 2 gerichtet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3B wird jedoch diese Brennlinie nicht in den von der Fokussierlinse 9 um die Brennweite f 2 beabstandeten vor­ deren Brennpunkt der Fokussierlinse 9 gelegt, sondern an eine Stelle in einem Abstand von f 2-Δ f von der Fokussierlinse 9 (Δ f<0).

Infolgedessen werden die durch die Zylinderlinse 20 in der Form einer Linie fokussierten Laserstrahlen durch die Fokus­ sierlinse 9 gemäß Fig. 3B in den y-Richtungen konvergiert und in den x-Richtungen divergiert, wonach die sich ergebenden Laserstrahlen auf das Informationsmuster 2 gerichtet werden.

Gemäß der Darstellung ist die Planparallelplatte 11, die in dem optischen Weg zwischen der Fokussierlinse 9 und der Drehskala 1 angeordnet ist, in bezug auf die optische Achse geneigt. Die von der Fokussierlinse 9 auf das Informationsmu­ ster 2 gerichteten Laserstrahlen treten durch die Planparal­ lelplatte 11 hindurch, wobei sie gemäß Fig. 3B in den Rich­ tungen der Pfeile y konvergieren, aber in den Richtungen der Pfeile x divergieren. Mit den sich ergebenden Laserstrahlen in Form einer Linie bzw. eines Bandes wird eine Reihe von Rechteckmustern beleuchtet, die das Informationsmuster 2 an der Drehskala 1 bilden. Diese linienförmigen Laserstrahlen werden in den y-Richtungen auf ausreichende Weise derart fokussiert, daß die Breite der Laserstrahlenlinie in den y- Richtungen nicht größer als die Breite der Rechteckmuster in deren y-Richtungen ist.

Die von dem Informationsmuster 2 an der Drehskala 1 reflek­ tierten Lichtstrahlen werden zu der Planparallelplatte 11 in einem Zustand zurückgeworfen, bei dem sie in den x-Richtungen und den y-Richtungen divergieren. Nach der Reflexion durch die Planparallelplatte 11 fallen die Strahlen auf die eindi­ mensionale Sensoranordnung bzw. den Zeilensensor 10, wodurch die Rechteckmusterreihe des Informationsmusters 2 in ver­ größertem Maßstab auf den Zeilensensor 10 projiziert wird.

Infolgedessen kann selbst dann, wenn durch Erhöhen der Anzahl von Spuren an der Drehskala 1 die Spurbreite verkleinert ist, durch das Projizieren des Informationsmusters 2 auf den Zei­ lensensor 10 in vergrößertem Maßstab wie bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die Information auf nor­ male Weise mit hoher Genauigkeit reproduziert werden. Ferner kann eine Verringerung der Abmessungen und der Dicke des ganzen Systems erreicht werden, da das optische System mit weniger Teilen als bei der Gestaltung nach Fig. 3A aufgebaut werden kann.

Es ist anzumerken, daß bei der in Fig. 3A gezeigten Anordnung die Fokussierlinse 12 weggelassen werden kann und die von der Planparallelplatte 11 reflektierten Laserstrahlen direkt von dem Zeilensensor 10 aufgenommen werden können.

Die Fig. 3C zeigt einen Absolutwert-Wegmeßgeber, der eine andere Abwandlungsform des zweiten Ausführungsbeispiels dar­ stellt. Mit 13 ist ein bewegbares Objekt bzw. eine Linearska­ la bezeichnet, das bzw. die in den durch einen Doppelpfeil dargestellten Richtungen versetzt wird. In der Fig. 3C sind mit gleichen Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Kompo­ nenten wie die bei den vorstehend beschriebenen Ausführungs­ beispielen und deren Abwandlungsformen gezeigten bezeichnet.

Dieser als Abwandlungsform des zweiten Ausführungsbeispiels dargestellte Wegmeßgeber ist ein Reflexions-Meßgeber, der den in Fig. 3A und 3B gezeigten ähnlich ist. Die Anzahl der bei dieser Abwandlungsform verwendeten Teile ist jedoch gegenüber der Anzahl der bei dem Meßgeber nach Fig. 3B verwendeten Teile weiter verringert, wodurch eine weitere Verringerung der Abmessungen und eine Vereinfachung des Aufbaus und damit eine Kostenverringerung erreicht werden kann.

Bei dieser Abwandlungsform fallen die von dem Halbleiterlaser 6 abgegebenen divergierenden Laserstrahlen direkt auf eine konvexe Zylinderlinse 22. Der Abstrahlungspunkt des Halblei­ terlasers 6 ist in den vorderen Brennpunkt der Zylinderlinse 22, nämlich an eine Stelle gelegt, die von der Zylinderlinse 22 einen Abstand hat, der gleich der Brennweite f 1 der Zylin­ derlinse 22 ist; die Brechkraft der Zylinderlinse 22 wirkt in den Richtungen der Pfeile y nach Fig. 3C. Daher fallen die divergierenden Laserstrahlen auf die Zylinderlinse 22 und treten durch diese in der Form paralleler Laserstrahlen hin­ sichtlich der y-Richtungen, aber divergierender Laserstrahlen hinsichtlich der x-Richtungen hindurch.

Die durch die Zylinderlinse 22 hindurchtretenden Laserstrah­ len werden von der Fokussierlinse 9 auf das Informationsmu­ ster 2 an dem bewegbaren Objekt 13 gerichtet. Wie im Falle der in Fig. 3B dargestellten Abwandlungsform werden diese Laserstrahlen von der Fokussierlinse 9 gemäß Fig. 3C in den y-Richtungen konvergiert und in den x-Richtungen divergiert. Das Informationsmuster 2 wird mit den Strahlen in diesem Zustand beleuchtet.

Die durch die Fokussierlinse 9 hindurchtretenden Laserstrah­ len beleuchten in Form einer Linie bzw. eines Bandes durch die Planparallelplatte 11 hindurch eine Rechteckmusterreihe des Informationsmusters 2. Die von dem Informationsmuster 2 reflektierten Lichtstrahlen werden von der Planparallelplatte 11 nochmal reflektiert und in vergrößertem Maßstab auf den Zeilensensor 10 projiziert.

Bei dem in Verbindung mit Fig. 3C beschriebenen Wegmeßgeber ist auf dem bewegbaren Objekt bzw. der Linearskala 13 eine Vielzahl von Spuren ausgebildet, die sich parallel zueinander in der Bewegungsrichtung der Linearskala 13 erstrecken. Auf jeder Spur sind als Datenelemente dienende Rechteckmuster gebildet, wobei die Lageinformation durch eine jeweilige Rechteckmusterreihe dargestellt ist, die in den x-Richtungen, in denen die Spuren nebeneinander gesetzt sind, nämlich in den im wesentlichen zur Bewegungsrichtung der Linearskala 13 senkrechten Richtungen gebildet ist. Die Erfassung der Lageinformation erfolgt auf genaue Weise nach einem Prinzip, das zu demjenigen bei den Drehmeßgebern gemäß den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gleichartig ist. Ferner können selbst dann, wenn eine Vielzahl von Spuren mit sehr kleinen Teilungsabständen vorgesehen ist, die jeweiligen Informationsmuster und Datenelemente mit einem hohen Grad von Trennung erfaßt werden, wodurch sich ein Meßgeber mit hohem Auflösungsvermögen ergibt.

Bei den in Verbindung mit den Fig. 3A, 3B und 3C beschriebe­ nen Meßgebern wird die Planparallelplatte 11 verwendet, da bei diesen Meßgebern optische Reflexions-Anordnungen verwen­ det werden. Die Verwendung der Planparallelplatte 11, die ein preiswertes optisches Teil ist, ist unter der Voraussetzung vorzuziehen, daß der Halbleiterlaser 6 eine ausreichend hohe Ausgangsleistung hat oder daß die Sensorelemente des Zeilen­ sensors hohe Empfindlichkeit haben. Falls jedoch die Leistung der Laserlichtquelle verhältnismäßig gering ist oder die Empfindlichkeit der Sensorelemente nicht allzu hoch ist, kann in den beschriebenen Meßgebern anstelle der Planparallelplat­ te ein aus einer Viertelwellenlängenplatte und einem Polari­ sationsstrahlenteiler gebildetes System zum Trennen der opti­ schen Wege verwendet werden. Ferner kann auch die Planparal­ lelplatte 11 durch einen Halbspiegel oder ein äquivalentes Bauelement ersetzt werden.

Zum Erreichen einer hohen Stabilität bzw. Gleichmäßigkeit der Erfassungsgenauigkeit ist es ratsam, den Teilungsabstand der Elemente des Zeilensensors 10 und den Spurenteilungsabstand der Spuren an der Drehskala 1 oder der Linearskala 13 in einem derartigen gegenseitigen Verhältnis festzulegen, daß diese Teilungsabstände einander gleich sind oder jeweils ein ganzzahliges Vielfaches oder ein ganzzahliger Teil des je­ weils anderen Teilungsabstandes sind.

Die eindimensionale Sensoranordnung bzw. der Zeilensensor kann durch eine Reihe von Fotodioden oder eine Reihe von Bildelementen mit Ladungsübertragung wie eine Ladungskopp­ lungsvorrichtung (CCD) gebildet sein. Die Art des Zeilensen­ sors kann auf geeignete Weise entsprechend der Bestimmung des Meßgebers gewählt werden.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen enthielten der Lageinformationscode und andere zu reproduzierende Informa­ tionen eindimensionale Anordnungen von Datenelementen. Die für die Reproduktion dieser Informationen benutzte Sensoran­ ordnung muß jedoch nicht unbedingt eindimensional sein. D.h., es kann beispielsweise eine zweidimensionale Sensoranordnung verwendet werden.

Die Fig. 4 zeigt schematisch ein optisches System, das bei einer Abwandlungsform des in Fig. 3C gezeigten Codierers verwendet wird. Diese Abwandlungsform stellt wie die in den Fig. 2A und 2B gezeigten Meßgeber einen Lichtdurchlaß-Codie­ rer dar. In der Fig. 4 sind gleiche Teile oder Elemente wie die in Fig. 3C gezeigten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die in Fig. 4 gezeigte Zylinderlinse 22 hat gleichermaßen wie die Zylinderlinse 22 in dem in Fig. 3C gezeigten System nur in den y-Richtungen Brechkraft.

Die divergierenden Lichtstrahlen aus dem Halbleiterlaser 6 werden von der Zylinderlinse 22, die an einer Stelle angeord­ net ist, welche von dem Abstrahlungspunkt einen Abstand gleich der Brennweite f 1 der Zylinderlinse hat, nur in den y- Richtungen parallel ausgerichtet bzw. kollimiert. Die Fokus­ sierlinse 9 ist an einer Stelle angeordnet, die von dem Abstrahlungspunkt des Halbleiterlasers 6 einen Abstand hat, der gleich der Brennweite f 2 der Fokussierlinse ist. Durch die Fokussierlinse 9 werden die Strahlen aus der Zylinderlin­ se 22 in den y-Richtungen konvergiert und in den x-Richtungen parallel ausgerichtet. Die dermaßen parallel ausgerichteten Laserstrahlen werden auf das Informationsmuster 2 gerichtet. Infolgedessen wird das Informationsmuster mit einem Strahlen­ band aus der Fokussierlinse 9 beleuchtet. Es ist anzumerken, daß in den y-Richtungen gemessen die Breite des Strahlenbands kleiner als die Breite der Datenelemente gewählt wird. Die Datenelemente können wie gemäß der Erläuterung in Verbindung mit den Fig. 2A und 2B durch Schlitze gebildet sein.

Die durch das Informationsmuster 2 hindurchtretenden Strahlen treffen in den y-Richtungen konvergierend auf den Zeilensen­ sor 10 auf, so daß die das Informationsmuster bildende Reihe von Datenelementen auf den Zeilensensor 10 projiziert wird, wodurch die Information wiedergegeben wird.

Die Fig. 5A und 5B zeigen optische System von Abwandlungsfor­ men der in den Fig. 3A und 3B gezeigten Drehmeßgeber. Diese Abwandlungsformen sind Lichtdurchlaß- bzw. Reflexions-Meßge­ ber mit kompaktem Aufbau mit einer verringerten Anzahl von Teilen.

Eines der optischen Systeme hat eine zweite Zylinderlinse 14 mit Brechkraft in den Richtungen der Pfeile y. Die anderen Komponenten der optischen Systeme sind die gleichen wie die­ jenigen in den in den Fig. 3A und 3B dargestellten Systemen und mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Richtungen der Brechkraft der Zylinderlinse 22 in den Systemen nach Fig. 5A und 5B sind wie bei den in den Fig. 3C und 4 gezeigten Zylinderlinsen zu den Richtungen der Brechkraft der Zylinder­ linsen 20 und 21 bei den in den Fig. 2A, 2B, 3A und 3B gezeigten Anordnungen senkrecht.

Es ist ersichtlich, daß bei den in den Fig. 5A und 5B gezeig­ ten optischen Systemen keinerlei Kollimatorlinse und Fokus­ sierlinse verwendet wird und das Brechungssystem allein aus Zylinderlinsen gebildet ist.

Nach Fig. 5A treffen die von dem Halbleiterlaser 6 abgegebe­ nen divergierenden Laserstrahlen auf die Zylinderlinse 22, die auf der optischen Achse an einer Stelle angeordnet ist, welche von dem Abstrahlungspunkt des Halbleiterlasers 6 einen Abstand l 1 hat. Die Stelle, an der die Zylinderlinse 22 angeordnet ist, hat von dem lnformationsmuster 2 an der Drehskala 1 einen Abstand l 2. Die in die Zylinderlinse 22 fallenden divergierenden Strahlen werden nur in den y-Rich­ tungen konvergiert, jedoch in den x-Richtungen überhaupt nicht gebrochen. Die Strahlen aus der Zylinderlinse 22 werden auf das Informationsmuster 2 gerichtet. Infolgedessen wird das Informationsmuster mit Strahlen beleuchtet, die nur in den y-Richtungen konvergieren.

Wenn die Brennweite der Zylinderlinse 22 mit f bezeichnet ist, besteht im sog. Achsenschnitt folgende Beziehung:
1/l1 + 1/l2 = 1/f
Auf diese Weise sind der Abstrahlungspunkt des Halbleiterla­ sers 6 und das Informationsmuster 2 zueinander in den y- Richtungen konjugiert.

Die Strahlen, die durch das beispielsweise durch eine Reihe von Schlitzen gebildete Informationsmuster 2 hindurchgetreten sind, gelangen zu dem Zeilensensor 10, wobei sie sowohl in den x-Richtungen als auch in den y-Richtungen divergieren, so daß das Informationsmuster 2 der Drehskala 1 in größerem Maßstab auf den Zeilensensor 10 projiziert wird. Bei dem beschriebenen Meßgeber wird jedoch die Divergenz der Strahlen in den y-Richtungen durch die zweite Zylinderlinse 14 aufge­ hoben, die zwischen die Drehskala 1 und den Zeilensensor 10 gesetzt ist.

Die zweite Zylinderlinse, durch die die von dem Informations­ muster 2 kommenden und in den y-Richtungen divergierenden Strahlen wirkungsvoll konvergiert werden, ermöglicht das wirksame Bestrahlen des Sensors, was zu einer Verkleinerung des Sensors beiträgt. Es ist ersichtlich, daß das Informa­ tionsmuster 2 und der Zeilensensor 10 zueinander in den y- Richtungen in bezug auf die Zylinderlinse 14 konjugiert sind. Diese Konjugation ist jedoch nicht wesentlich.

Das System gemäß dieser Abwandlungsform kann in der Weise weiter abgewandelt werden, daß die zweite Zylinderlinse 14 weggelassen wird und der Zeilensensor 10 in geringem Abstand von der Drehskala 1 angeordnet wird.

Gemäß Fig. 5B fallen die divergierenden Strahlen aus dem Halbleiterlaser 6 auf die Planparallelplatte 11 die gegen die optische Achse geneigt angeordnet ist. Die divergierenden Strahlen treten divergierend durch die Planparallelplatte 11 hindurch und treffen auf die Zylinderlinse 22.

Die Zylinderlinse 22 konvergiert die Strahlen nur in der Richtung der Pfeile y in der Weise, daß das Informationsmu­ ster 2 an der Drehskala 1 mit einem Strahlenband beleuchtet wird. Die Breite des Strahlenbands in den y-Richtungen ist kleiner als die in den gleichen y-Richtungen gemessene Breite der reflektierenden Rechteckmusterreihe, die das Informa­ tionsmuster 2 bildet.

Die von der Rechteckmusterreihe des Informationsmusters 2 reflektierten Strahlen treffen wieder auf die Zylinderlinse 22. Die in die Zylinderlinse 22 eintretenden Strahlen zeigen Divergenz in den y-Richtungen, werden aber von der Zylinder­ linse 22 in den y-Richtungen konvergiert. Die auf diese Weise konvergierten Strahlen werden dann von der Planparallelplatte 11 reflektiert. In den x-Richtungen bleiben die Strahlen jedoch weiterhin divergierend.

Darauffolgend treffen die von der Planparallelplatte 11 ref­ lektierten Strahlen auf den Zeilensensor 10, wodurch das Bild des Informationsmusters 2 in größerem Maßstab auf den Zeilen­ sensor 10 projiziert wird.

Auf diese Weise hat in dem in Fig. 5B gezeigten optischen System die Zylinderlinse 22 zweierlei Funktion, nämlich die Funktion der Zylinderlinse 22 in dem in Fig. 5A gezeigten optischen System und die Funktion der zweiten Zylinderlinse 14 in diesem System. Es ist auf diese Weise möglich, einen Reflexions-Codierer bzw. -Meßgeber mit hoher Erfassungsge­ nauigkeit und hohem Auflösungsvermögen mit vier Grundelemen­ ten zu erhalten, nämlich mit dem Halbleiterlaser 6, der Planparallelplatte 11, der Zylinderlinse 22 und dem Zeilen­ sensor 10.

Bei den Lichtdurchlaß-Meßgebern gemäß Fig. 4 und 5A ist durch die Verringerung der Anzahl verwendeter Teile gleichfalls ein Beitrag zur Verkleinerung und zur Verringerung der Kosten der Stellungserfassungsvorrichtung geleistet.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird bei dem optischen Verfahren zur Reproduktion von Lageinformationen eine von einer Vielzahl von Reihen von Datenelementen, die in einer vorbestimmten Richtung aufgereiht sind und eine vorbestimmte Lageinformation darstellen, mit einem Strahlenband beleuch­ tet, dessen in der Richtung senkrecht zu der Reihenanordnung gemessene Breite kleiner als diejenige der Datenelemente ist, so daß daher die Information aus der Datenelementereihe immer mit hoher Genauigkeit wiedergegeben wird.

Vielerlei voneinander verschiedene Informationsteile werden durch voneinander verschiedene Reihen aus gleichartigen Da­ tenelementen dargestellt, wobei die Reihen in der Richtung angeordnet werden, die im wesentlichen zu der Richtung senk­ recht ist, in der sich die Reihen erstrecken. Mit dem be­ schriebenen Erfassungsverfahren ist es möglich, eine deutli­ che Trennung zwischen den in den benachbarten Datenelemente­ reihen enthaltenen Informationsteile zu erzielen. Hierdurch wird es wiederum möglich, die Datenelemente und den Teilungs­ abstand bei der Anordnung der Datenelementereihen zu verklei­ nern, ohne das Auflösungsvermögen zu beeinträchtigen.

Die Absolutstellungs-Erfassungsvorrichtung, bei der das vor­ stehend beschriebene Verfahren angewandt wird, ist insofern vorteilhaft, als die Anzahl der die Datenelemente tragenden Spuren beträchtlich gesteigert werden kann, da die Reihen der die Lageinformation darstellenden Datenelemente mit ausrei­ chend kleinem Teilungsabstand an einem drehbaren oder beweg­ baren Objekt angeordnet werden, wodurch die Stellungserfas­ sung mit hohem Auflösungsvermögen bewerkstelligt werden kann.

Ferner können die Abmessungen der Vorrichtung verringert und der Aufbau vereinfacht werden, so daß ein kompakter Absolut­ wert-Meßgeber mit hohem Auflösungsvermögen erzielt wird.

Bei einigen Ausführungsbeispielen wird die Reihe aus den die Lageinformation darstellenden Datenelementen derart auf einen Sensor projiziert, daß die jeweiligen Datenelemente mit hoher Unterscheidbarkeit voneinander abgesondert sind. Hierdurch wird es wiederum möglich, die Abmessungen der Datenelemente zu verringern und auf einer vorgegebenen Fläche des Objekts eine größerte Anzahl von Spuren auszubilden.

Bei dem beschriebenen Verfahren bzw. den Vorrichtungen zu dessen Ausführung wird ein Strahlenband dadurch gebildet, daß die Strahlen aus einer Lichtquelle mit einem sehr kleinen Lichtabstrahlungspunkt oder aus einer Lichtquelle für die Abgabe von Lichtstrahlen mit starker Bündelung fein konver­ giert werden. In den Erfassungsvorrichtungen kann insbeson­ dere als preisgünstige und kompakte Lichtquelle zweckdienlich ein Halbleiterlaser eingesetzt werden.

Die Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines optischen Systems in einem weiteren Ausführungsbeispiel der als Dreh­ meßgeber gestalteten Erfassungsvorrichtung. Gemäß dieser Figur ist eine durch eine Skalenplatte gebildete Drehskala 1 an einem (nicht gezeigten) drehbaren Meßobjekt befestigt. Das optische System umfaßt einen Gitterteil bzw. ein Gittermuster 1 A für das Erzeugen eines Schrittesignals. Das Gittermuster 1 A besteht aus einer Anzahl von Gitterelementen, die in gleichmäßigen Teilungsabständen radial um eine Drehachse 0 herum an dem Außenumfangsbereich der Drehskala 1 angeordnet sind. Der Teilungsabstand ist weitaus kleiner als die Breite eines jeweiligen Gray-Codes eines nachfolgend beschriebenen Codeteils bzw. Codemusters 1 C. Eine Lesevorrichtung 2 A dient zur Aufnahme des Schrittesignals über das Gittermuster 1 A.

Das optische System hat ferner ein Bezugsstellungs-Gittermu­ ster 1 B, das gegebenenfalls zum Erzeugen eines Bezugsstel­ lungssignals dient. Das Bezugsstellungs-Gittermuster 1 B ist an der Innenseite des Gittermusters 1 A angeordnet. Zur Auf­ nahme des Bezugsstellungssignals über das Bezugsstellungs- Gittermuster 1 B dient eine weitere Lesevorrichtung 10 B. Das vorstehend genannte Codemuster 1 C dient zum Erzeugen eines Absolutwertsignals. Das Codemuster ist durch jeweilige binäre Gray-Codes gebildet, die wie bei den vorangehend beschriebe­ nen Ausführungsbeispielen durch lichtdurchlässige Teile und undurchlässige Teile gebildet sind. Das Codemuster 1 C ist innerhalb des Bezugsstellungs-Gittermusters 1 B diesem benach­ bart angeordnet. Über das Codemuster 1 C wird das Absolutwert­ signal von einer nächsten Lesevorrichtung 2 C aufgenommen. Mit L sind Lichtstrahlen bezeichnet. Die Lichtstrahlen L, die auf das Gittermuster 1 A an der Drehskala 1 treffen und durch dieses gebeugt werden, werden von Spiegelvorrichtungen 3 A derart reflektiert, daß sie auf die ursprüngliche Einfall­ stelle treffen.

Obgleich dies nicht dargestellt ist, sind den jeweiligen Lesevorrichtungen 2 B und 2 C über die Drehskala 1 hinweg Lichtquellen gegenübergesetzt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel der Stellungserfassungsvor­ richtung werden Lichtstrahlen auf die Gittermuster und das Codemuster der Drehskala gerichtet, wobei der direkt durch die Drehskala 1 durchgelassene Teil und der an der Drehskala 1 gebeugte Teil der Lichtstrahlen jeweils von den Lesevor­ richtungen 2 A, 2 B und 2 C aufgenommen wird, die die entspre­ chenden Ausgangssignale erzeugen.

Im einzelnen fallen die Lichtstrahlen L aus der Lichtquelle auf das Gittermuster 1 A der Drehskala 1, wonach eine Interfe­ renz von zwei Beugungskomponenten der durch das Gittermuster 1 A gebeugten Strahlen herbeigeführt wird, um Interferenz­ streifen zu bilden. Durch das Zählen der hellen und dunklen Teile der Interferenzstreifen kann ein Signal erzielt werden, das den Bewegungszustand des Objekts anzeigt.

Die Fig. 7 ist eine grafische Darstellung von Signalen aus den Lesevorrichtungen 2 A, 2 B und 2 C. Im einzelnen zeigt die Figur ein inkrementales bzw. Schrittesignal a aus der Lese­ vorrichtung 2 A, ein Bezugsstellungssignal b aus der Lesevor­ richtung 2 B und Absolutwertsignale c 1 bis c 6 auf der Lesevor­ richtung 2 C.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Genauigkeitsgrade der Komponenten derart festgelegt, daß die Genauigkeit des Bezugsstellungssignals gleich derjenigen des Schrittesignals oder höher ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Be­ zugsstellungssignal derart genutzt, daß die absolute Stellung der Drehskala 1 in dem Moment der Erzeugung des Bezugsstel­ lungssignals erfaßt wird, so daß irgendein Verlust an Erfas­ sungsgenauigkeit vermieden wird, der sonst durch die Unbe­ stimmtheit in der Übergangsperiode zwischen aufeinanderfol­ genden Absolutwertsignalen entstehen könnte.

Auf diese Weise werden bei diesem Ausführungsbeispiel das Absolutwertsignal und das Schrittesignal gleichzeitig erfaßt, so daß die Absolutstellung mit hoher Genauigkeit mit dem Absolutwertsignal ermittelt wird, während die Periode zwi­ schen aufeinanderfolgenden Absolutwertsignalen mittels des Schrittesignals interpoliert wird. Infolgedessen kann mit dem Meßgeber gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Stellung eines Objekts mit hohem Auflösungsvermögen erfaßt werden.

Das Bezugsstellungs-Gittermuster 1 B für das Erzeugen des Bezugsstellungssignals ist nicht von wesentlicher Bedeutung. Wenn das Bezugsstellungs-Gittermuster 1 B weggelassen wird, wird dadurch die Erfassungsgenauigkeit nur geringfügig beein­ trächtigt. Dies verursacht jedoch keinerlei Problem unter der Voraussetzung, daß das Schrittesignal in der Übergangsperiode zwischen den aufeinanderfolgenden Absolutwertsignalen gelesen wird.

Die Fig. 8A, 8B und 8C zeigen Beispiele für das optische System in einem Linearcodierer bzw. Wegmeßgeber als Ausfüh­ rungsbeispiel der Meß- oder Erfassungsvorrichtung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Gitterbereiche bzw. Gittermuster 34 und 36 eindimensional in der Bewegungsrichtung einer Linear­ skala 1 angeordnet. Ein Codebereich bzw. Codemuster 37 be­ steht aus einer Vielzahl von Spuren, die sich in der durch einen Pfeil x dargestellten Bewegungsrichtung erstrecken, wobei jede Spur lichtdurchlässige und undurchlässige Bereiche enthält, die auf vorbestimmte Weise angeordnet sind. Bei dem in Fig. 8A gezeigten System ist das Bezugsstellungs-Gittermu­ ster 34 für das Bilden des Bezugsstellungssignals aus einer Vielzahl von Rechtecken gebildet, die in regelmäßigen Abstän­ den in der Bewegungsrichtung angeordnet sind und jeweils kleine Breite haben. Andererseits besteht bei der in Fig. 8B dargestellten Anordnung das Bezugsstellungs-Gittermuster 34 aus Paaren gegeneinander versetzter Rechtecke, die in gleich­ mäßigen Abständen in der Bewegungsrichtung angeordnet sind. Bei der in Fig. 8C gezeigten Anordnung enthält das Bezugs­ stellungs-Gittermuster 34 Rechtecke, die gegeneinander ab­ wechselnd versetzt in der Bewegungsrichtung angeordnet sind.

Bei jeder dieser Anordnungen werden Lichtstrahlen 31 aus einer (nicht gezeigten) Lichtquelle von einem Halbspiegel 32 reflektiert und über eine Zylinderlinse auf das Gittermuster 34 gerichtet. Das von dem Gittermuster 34 reflektierte Licht gelangt über die Zylinderlinse 33 und den Halbspiegel 32 zu einer Lesevorrichtung 35. Die Lesevorrichtung 35 hat bei­ spielsweise ein Paar von Lichtempfangselementen 35 A und 35 B, so daß mit der Lesevorrichtung die reflektierten Lichtstrah­ len zeitlich aufeinanderfolgend entsprechend der Bewegung der Linearskala 1 gelesen werden können.

Mit 36 ist das Gittermuster für das Lesen des Schrittesignals bezeichnet, während mit 37 das Codemuster für das Bilden des Absolutwertsignals bezeichnet ist. Bei der in Fig. 8A gezeig­ ten Anordnung wird ein Strahlenband, das auf eine Breite konvergiert ist, die ungefähr zweimal so groß wie die Breite eines Rechtecks oder einer Linie des Gittermusters 34 ist, auf das Gittermuster 34 gerichtet, wonach das von dem Gitter­ muster 34 reflektierte Licht von der Lesevorrichtung 35 auf­ genommen wird. Infolgedessen erzeugt die Lesevorrichtung 35 entsprechend der Bewegung der Linearskala 1 in x-Richtung ein Ausgangssignal gemäß der Darstellung in Fig. 9A. Im einzelnen wird aus den Ausgangssignalen der beiden Lichtempfangselemen­ te 35 A und 35 B ein Differenzsignal gemäß Fig. 9B gebildet. Aus dem Differenzsignal wird der Moment bestimmt, an dem die Pegel der Ausgangssignale der beiden Lichtempfangselemente 35 A und 35 B einander gleich werden, wobei zu diesem Zeitpunkt ein Impulssignal gemäß Fig. 9C erzeugt wird, durch das das Bezugsstellungssignal gemäß Fig. 7b gebildet wird.

Die Lesevorrichtungen 35 in den Systemen gemäß Fig. 8B und 8C erzeugen Signale gemäß der Darstellung in Fig. 9D bzw. 9F. In diesen beiden Systemen wird wie bei der Anordnung nach Fig. 8A ein aus den beiden Ausgangssignalen der jeweiligen Licht­ empfangselemente erhaltenes Differenzsignal ausgewertet und ein Impulssignal zu dem Zeitpunkt erzeugt, an dem die Pegel der beiden Ausgangssignale einander gleich werden; dadurch wird das in Fig. 9C gezeigte Bezugsstellungssignal gebildet.

Das optische System für das Bilden des Absolutwertsignals aus dem Codemuster 37 kann bei jeder der in den Fig. 8A bis 8C gezeigten Anordnungen das gleiche sein wie bei den in Fig. 2A und 2B gezeigten Systemen.

Die Fig. 10A und 10B zeigen Abwandlungen des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels nach Fig. 6 und insbeson­ dere unterschiedliche Formen des Codemusters für das Erzeugen des Absolutwertsignals.

Gemäß den Fig. 10A und 10B hat ein Codemuster 51 zum Erzeugen des Absolutwertsignals einen Musterbereich, der derart ge­ staltet ist, daß eine zyklische Änderung der Menge des von dem Muster durchgelassen, oder reflektierten Lichts mit einer Periode hervorgerufen wird, die einer vollen Umdrehung der Drehskala 1 entspricht. Daher kann das Codemuster 51 durch ein Neutral- bzw. Graufilter mit sich fortschreitend ändernder Dichte gebildet sein. Im einzelnen ist bei der in Fig. 10A gezeigten Anordnung das Codemuster 51 durch einen einzigen Musterteil gebildet, während das Codemuster 51 nach Fig. 10B durch ein Paar aus Musterteilen gebildet ist.

Bei der Verwendung der in den Fig. 10A und 10B dargestellten Drehskalen erzeugen die Lesevorrichtungen 2 A bis 2 C jeweils Ausgangssignale gemäß der Darstellung in Fig. 11A und 11B. D.h., wenn das in Fig. 10A gezeigte Codemuster 51 verwendet wird, erzeugen die Lesevorrichtungen 2 A bis 2 C jeweils Sig­ nale a, b bzw. c gemäß Fig. 11A. Signale c 1 und c 2 nach Fig. 11B werden dann erzielt, wenn das Codemuster 51 nach Fig. 10B verwendet wird. Durch geeignetes Kombinieren und Verarbeiten der beiden Ausgangssignale c 1 und c 2 kann eine höhere Ge­ nauigkeit bei der Erfassung der Absolutstellung erreicht werden.

Bei den in Fig. 10A und 10B gezeigten Anordnungen kann der Teilungsabstand der Gitterelemente des Bezugsstellungs-Git­ termusters 1 B innerhalb eines Bereiches frei gewählt werden, bei dem gewährleistet ist, daß das analoge Absolutwertsignal c oder c 1 und c 2 deutlich unterscheidbar ist. Unter der Voraussetzung, daß bei der Aufzeichnung des Bezugsstellungs- Gittermusters eine hohe Genauigkeit eingehalten wird, kann mit guter Reproduzierbarkeit eine hohe Erfassungsgenauigkeit erzielt werden, die gut mit derjenigen des Schrittesignals gleichzusetzen ist.

Die dargestellten Lagen des Gittermusters, des Codemusters und des Bezugsstellungs-Gittermusters auf der Skala 1 sind nur als Beispiel gezeigt und können gewünschtenfalls gewech­ selt werden. Die Signallichtstrahlen von jedem Gitterbereich können in Form reflektierter Lichtstrahlen oder in Form durchgelassener Lichtstrahlen aufgenommen werden.

Nachstehend werden zwei Beispiele für ein Verfahren zur Ver­ arbeitung der Ausgangssignale des in Fig. 6 gezeigten Dreh­ meßgebers in ein Signal beschrieben, das die Absolutstellung der Drehskala 1 darstellt.

Die Fig. 12A und 12B sind Blockschaltbilder von verschiedenen Beispielen für eine an den in Fig. 6 gezeigten Drehmeßgeber angeschlossene Signalverarbeitungsschaltung. Die Schaltungen enthalten einen Decodierer 71, einen Aufwärts/Abwärts-Zähler 72 und einen Speicher 73 bzw. den Decodierer 71, den Aufwärts/ Abwärts-Zähler 72, eine Generatorschaltung 74 zum selektiven Erzeugen eines Bezugssignals und eine Schaltstufe 75.

Das Verfahren gemäß dem ersten Beispiel wird anhand der Fig. 12A erläutert. Nach diesem Verfahren wird bei jedem Erzeugen des Bezugsstellungssignals das Absolutwertsignal eingelesen und bis zum Empfang des nächsten Bezugsstellungssignals in dem Speicher 73 gespeichert. Andererseits wird bei jedem Erzeugen des Bezugsstellungssignals der Zähler 72 für das Zählen des Schrittesignals gelöscht. Durch die Absolutsignale wird die Stellung grob erfaßt, während mit den Schrittesigna­ len die Periode zwischen den Absolutwertsignalen interpoliert wird. Da die Genauigkeit der Zeitpunkte des Schaltens zwi­ schen aufeinanderfolgenden Absolutwertsignalen gut an die Genauigkeit des Schrittesignals angeglichen ist, ist es mög­ lich, durch Kombination zwischen dem durch das Schrittesignal und das Absolutwertsignal dargestellten numerischen Werten die Absolutstellung mit einem hohen Auflösungsvermögen zu bestimmen.

Das Bezugsstellungssignal wird von der Lesevorrichtung 2 B in vorbestimmten Winkelabständen während der Drehung der Dreh­ skala 1 erzeugt, während die Absolutwertsignale aufeinander­ folgend von der Lesevorrichtung 2 C abgegeben werden und die synchron mit den Bezugsstellungssignalen erhaltenen Absolut­ wertsignale in die Speichergruppe bzw. den Speicher 73 einge­ speichert werden. Die gespeicherten Absolutwertsignale werden ohne Verzögerung ausgelesen und in diejenigen Bereiche des Decodierers 71 eingegeben, die den oberen Ziffernstellen entsprechen. Die Schrittesignale werden periodisch von der Lesevorrichtung 2 A erzeugt und von dem Zähler 72 gezählt. Der Inhalt des Zählers 72 wird codiert und in denjenigen Bereich des Decodierers 71 eingegeben, der den unteren Ziffernstellen entspricht. Der Zähler 72 wird durch den Empfang des Bezugs­ stellungssignals rückgesetzt.

Das Verfahren gemäß dem zweiten Beispiel wird anhand der Fig. 12B beschrieben. Das mit einem ersten Bezugsstellungssignal gleichzeitige Absolutwertsignal wird eingelesen und als An­ fangswert gespeichert. Zugleich wird der Zähler 72 für das Zählen der Schrittesignale rückgesetzt. Danach wird das Abso­ lutwertsignal nicht gelesen und der Zähler 72 nicht rückge­ setzt, während die Daten in dem Decodierer 71 allein durch die Aufstufung des Inhalts des Zählers 72 erneuert bzw. fortgeschrieben werden. Bei diesem Verfahren wird durch das Erfassen des mit dem nach der Inbetriebnahme der Vorrichtung erzeugten ersten Bezugsstellungssignals gleichzeitigen Abso­ lutwertsignals die anfängliche Absolutstellung ermittelt, wonach die Schrittesignale zu dem Anfangswert der Absolut­ stellung addiert oder von diesem subtrahiert werden, so daß ein Absolutwertsignal mit hoher Genauigkeit und hohem Auflö­ sungsvermögen erzielt wird.

Das Bezugsstellungssignal wird von der Lesevorrichtung 2 B bei jeder Drehung um eine vorbestimmte Winkeleinheit erzeugt. Die Generatorschaltung 74 ist derart ausgebildet, daß sie nur das erste Bezugsstellungssignal, jedoch nicht die nachfolgenden Bezugsstellungssignale abgibt. Andererseits werden die Abso­ lutwertsignale aufeinanderfolgend von der Lesevorrichtung 2 C abgegeben, wobei von der Schaltstufe 75 nur das mit dem ersten Bezugsstellungssignal gleichzeitige Absolutwertsignal durchgelassen wird, das dann in den den oberen Ziffernstellen entsprechenden Bereich des Decodierers 71 eingegeben wird, wodurch die Einstellung des Anfangswerts der Absolutstellung herbeigeführt wird. Andererseits werden von der Lesevorrich­ tung 2 A die Schrittesignale erzeugt, deren Periode mittels des Zählers 72 gemessen und in den den unteren Ziffernstellen entsprechenden Bereich des Decodierers 71 eingespeichert wird. Der Zähler 72 wird durch das von der Generatorschaltung 74 abgegebene Bezugsstellungssignal rückgesetzt.

In den Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 12A und 12B wird das Bezugsstellungssignal wirkungsvoll dazu benutzt, durch Kombi­ nieren eines Schritte-Codierers mit hohem Auflösungsvermögen und eines Absolutwert-Codierers mit verhältnismäßig niedrigem Auflösungsvermögen einen Meßgeber mit hoher Genauigkeit und hohem Auflösungsvermögen zu erhalten. Das Bezugsstellungssig­ nal kann jedoch auf wirkungsvolle Weise auch zu einer Verbes­ serung der Erfassungsgenauigkeit in einem System benutzt werden, das nur einen Absolutwert-Codierer hat.

Unter der Voraussetzung, daß die Gitterelemente des Bezugs­ stellungs-Gittermusters mit ausreichend hoher Genauigkeit ausgebildet werden, kann das Bezugsstellungssignal eine hö­ here Erfassungsgenauigkeit als diejenige ergeben, die durch das Wechseln des Absolutwertsignals geboten ist.

Auf diese Weise werden bei jedem der in Verbindung mit den Fig. 6 bis Fig. 12A und 12B beschriebenen Meßgebern das Schrittesignal und das Absolutwertsignal gleichzeitig von der Drehskala oder einer Linearskala ausgelesen und die ausgele­ senen Signale zum Bestimmen der Bewegung des Objekts mit hoher Genauigkeit und hohem Auflösungsvermögen benutzt. D.h., die Absolutstellung des Objekts kann sehr genau mit hohem Auflösungsvermögen dadurch ermittelt werden, daß die Absolut­ stellung mit dem Absolutwertsignal erfaßt wird, das eine hohe Erfassungsgenauigkeit, jedoch verhältnismäßig niedriges Auf­ lösungsvermögen bietet, und dann die Periode zwischen aufein­ anderfolgenden Absolutwertsignalen mit den Schrittesignalen interpoliert wird oder alternativ die Schrittesignale zu dem Absolutwertsignal addiert bzw. von diesem subtrahiert werden.

Zusätzlich können eine höhere Genauigkeit und ein höheres Auflösungsvermögen dadurch erzielt werden, daß eine Vorrich­ tung zum Erfassen des Bezugsstellungssignals vorgesehen wird und das Bezugsstellungssignal mit den vorstehend genannten beiden Arten von Signalen kombiniert wird.

Bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das Informationsmuster (Gray-Codemuster), das den Codeteil der Drehskala oder Linearskala bildet, mit einem Lichtstrah­ lenband oder mit Licht aus einer Lichtquellenzeile aus Licht­ quellenelementen beleuchtet, die an einem gemeinsamen Teil festgelegt sind. Es ist von wesentlicher Bedeutung, daß das Strahlenband oder das Licht aus der Lichtquellenzeile richtig mit dem Informationsmuster ausgerichtet ist, das beispiels­ weise durch eine Reihe bzw. Zeile von Schlitzen gebildet ist. Zum Erreichen dieser Ausrichtung wird daher eine Einstellung bzw. Justierung vorgenommen.

Im allgemeinen werden die die binären Gray-Codemuster tragen­ den Spuren derart angeordnet, daß die Spur an dem inneren oder äußeren Umfang einer Drehskala die Signale für das werthöchste Bit ergibt, während die Spur an dem äußeren oder inneren Umfang der Skala die Signale für das wertniedrigste Bit liefert. Wenn die Skala eine Linearskala ist, werden mit der Spur nahe einem Seitenrand der Linearskala die Signale für das werthöchste Bit erzeugt, während die Spur an dem gegenüberliegenden Rand die Signale für das wertniedrigste Bit liefert. Daher werden die Spuren an dem inneren und dem äußeren Umfang oder die Spuren an den beiden Seitenrändern für die werthöchsten Bits und die wertniedrigsten Bits be­ nutzt.

Da dann, wenn die Spur für die Signale für das werthöchste Bit an dem Innenumfang einer Drehskala ausgebildet ist, diese Spur verhältnismäßig kleine Änderungen der Bitsignale je Umdrehung der Drehskala zeigt, ist es außerordentlich schwie­ rig zu ermitteln, ob irgendeine Abweichung hinsichtlich des Zeitpunkts des Auslesens der Information mit den von dieser Spur abgenommenen Signalen besteht. Falls die Einstellung bzw. Justierung der Beleuchtungslichtstrahlen mittels dieser Signale vorgenommen wird, kann die Meßgenauigkeit schwerwie­ gend beeinträchtigt sein.

Daher ist es vorteilhaft, in dem Codemuster für das Erzeugen des Absolutwertsignals die nachstehend beschriebene Bitanord­ nung bzw. den nachstehend beschriebenen Gray-Code zu verwen­ den.

Die Fig. 13 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für die vorteilhafteste Form eines Gray-Codes zur Verwendung bei dem Erfassungsverfahren bzw. in der Erfassungsvorrich­ tung. Diese Figur zeigt nur den dem Codemuster 1 C der Dreh­ skala 1 der Vorrichtung nach Fig. 6 entsprechenden Bereich.

Bei dieser Anordnung wird eine am weitesten außen liegende Spur 131 zum Erzeugen der Signale für das wertniedrigste Bit verwendet, während eine am weitesten innen liegende Spur 132 zum Erzeugen der Signale für das dem wertniedrigsten Bit wertnächste zweitniedrigste Bit benutzt wird. Auf diese Weise wird der Abstand zwischen diesen Spuren maximal. Hier­ durch wird irgendein Fehler hinsichtlich der Lesezeit verrin­ gert der entstehen könnte, wenn das Strahlenband, das zur Abnahme der Absolutwertsignale auf das Codemuster 1 C gerich­ tet wird, gegenüber der gewünschten Lage schräg steht oder versetzt ist, wie beispielsweise dann, wenn das Strahlenband gemäß der Darstellung durch eine gestrichelte Linie 133 in bezug auf die normale Ausrichtung senkrecht zur Drehrichtung der Drehskala schräg steht. Infolgedessen kann irgendeine durch eine Abweichung der einfallenden Lichtstrahlen hervor­ gerufene Verminderung der Erfassungsgenauigkeit auf ein Min­ destmaß herabgesetzt werden.

Die Fig. 14A und 14B zeigen Ausgangssignale der Lesevorrich­ tung 2 C bei dem Lesen der Signale auf der Spur für das wert­ niedrigste Bit bzw. auf der Spur für das zweitniedrigste Bit.

In den Fig. 14A und 14B sind durch die ausgezogenen Kurven die Signale dargestellt, die erhalten werden, wenn das Licht­ strahlenband normal liegt, nämlich das Strahlenband derart ausgerichtet ist, daß die Richtung, in der es sich erstreckt, zu der Drehrichtung der Drehskala 1 senkrecht steht, wobei keine Störlichtstrahlen von der benachbarten Spur in Erschei­ nung treten. Mit den gestrichelten Kurven sind Signale darge­ stellt, die erhalten werden, wenn die Richtung des Strahlen­ bands in bezug auf die richtige, zur Drehrichtung des Codemu­ sters 1 C senkrechte Richtung schräg verläuft. Die strichpunk­ tierten Linien in diesen Figuren zeigen einen Bezugspegel für das Umsetzen der Ausgangssignale in binäre Signale mit den Pegeln "1" oder "0". D.h., zum Erzeugen der binären Daten wird der Wert des Ausgangssignals zu einem Zeitpunkt gewech­ selt, an dem der Signalpegel diesen Bezugspegel kreuzt.

Aus diesen Figuren ist ersichtlich, daß gemäß der Darstellung durch Pfeile die Abweichungen der Lesezeitpunkte in bezug auf die äußerste Spur für das wertniedrigste Bit und in bezug auf die innerste Spur für das zweitniedrigste Bit in entgegenge­ setzten Richtungen auftreten. Daher zeigen die von den beiden Spuren abgenommenen Signale die größten Versetzungen in bei­ den Richtungen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird daher das auf das Codemu­ ster 1 C fallende Strahlenband derart justiert, daß diese Versetzungen auf ein Mindestmaß verringert werden. Es ist ersichtlich, daß die Versetzung der Signale aus den dazwi­ schenliegenden anderen Spuren unter den kleinsten Versetzun­ gen der Signale aus der äußersten und der innersten Spur gehalten werden kann, wodurch eine hohe Genauigkeit bei der Stellungserfassung sichergestellt ist.

Die in Fig. 13 gezeigte Anordnung kann offensichtlich derart abgewandelt werden, daß die Spur 131 für das wertniedrigste Bit an den Innenumfang des Codemusters 1 C gelegt wird, wäh­ rend die Spur 132 für das zweitniedrigste Bit an dem Außenum­ fang angeordnet wird.

Es ist ferner ersichtlich, daß die Anordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ohne irgendeine Abwandlung bei einem Linearcodierer bzw. Wegmeßgeber angewandt werden kann.

Bei der Anordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Spur für das wertniedrigste Bit und die Spur für das zweit­ niedrigste Bit derart angeordnet, daß der Abstand zwischen den Spuren maximal ist, so daß die Justierung des Zustands der Lichtstrahlen bei dem Auftreffen auf das Codemuster auf einfache Weise durch das Einstellen der Ausgangssignale aus den beiden Spuren bewerkstelligt werden kann. Hierdurch wird der Zusammenbau der Vorrichtung beträchtlich erleichtert, wobei irgendwelche Fehler hinsichtlich der Lage der auf das Objekt fallenden Lichtstrahlen verringert bzw. vermieden werden können.

Infolgedessen ergibt die Anordnung gemäß dem vorstehend be­ schriebenen Ausführungsbeispiel einen Meßgeber mit hoher Genauigkeit und hohem Auflösungsvermögen, insbesondere einen Absolutwert-Meßgeber, der mit hoher Erfassungsgenauigkeit arbeitet.

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum optischen Erfassen der Stellung oder des Ausmaßes der Bewegung eines bewegbaren Objekts angegeben, an dem eine Skala mit einer Vielzahl von Stellungs-Datenelementereihen angebracht ist, die in der Bewegungsrichtung des Objekts angeordnet sind. Mit einem Band aus Lichtstrahlen wie Laserstrahlen, das sich in der gleichen Richtung wie die Datenelementereihe erstreckt, wird eine der Reihen beleuchtet und das von der Datenelemen­ tereihe reflektierte oder durchgelassene Licht wird mittels eines Zeilensensors wie eines Ladungskopplungssensors aufge­ nommen, der ein Signal abgibt, welches das Anordnungsmuster der Datenelemente in der beleuchteten Datenelementereihe wiedergibt und die Absolutstellung des Objekts anzeigt, wo­ durch die momentane Absolutstellung des Objekts ermittelt wird.

Claims (25)

1. Verfahren zur Reproduktion von Informationen aus Reihen von in einer vorbestimmten Richtung aufgereihten Datenelemen­ ten, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen aus optisch er­ faßbaren Datenelementen gebildet werden, daß die Datenelemen­ tereihen mit einem Lichtstrahlenband beleuchtet werden, das sich in der vorbestimmten Richtung erstreckt, und daß die Informationen durch Erfassen des von den Datenelementereihen kommenden Lichts reproduziert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtstrahlenband mit einer in der zu der vorbestimmten Rich­ tung senkrechten Richtung gemessenen Breite gebildet wird, die kleiner als die in der zu der vorbestimmten Richtung senkrechten Richtung gemessene Breite der Datenelemente ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das Beleuchten das Licht aus einer Punktlichtquelle mittels eines anamorphotischen optischen Systems in das Lichtstrahlenband umgewandelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Punktlichtquelle ein Halbleiterlaser verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Umwandeln des Lichts zuerst ein sich senkrecht zu der vorbestimmten Richtung erstreckendes Lichtstrahlenband gebildet wird, aus dem das sich in der vorbestimmten Richtung erstreckende Lichtstrahlenband gebildet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an einer Skala für das Messen der Stellung eines Objekts eine Vielzahl von Datenelementereihen ausgebil­ det wird, die in der Richtung der Bewegung des Objekts ange­ ordnet sind, sich senkrecht zu der Bewegungsrichtung er­ strecken und Informationen enthalten, die die Bewegung des Objekts anzeigen.

7. Verfahren zum optischen Erfassen der Stellung eines Meßob­ jekts, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Objekt in dessen Bewegungsrichtung eine Vielzahl von Reihen aus Datenelementen angeordnet wird, wobei jede Reihe Datenelemente einer Lagein­ formation bezüglich der Stellung des Objekts enthält, daß die Datenelementereihen mit einem Lichtstrahlenband beleuchtet werden, welches sich in der vorbestimmten Richtung erstreckt, in der sich jede Reihe erstreckt, und daß durch Erfassen des von der Datenelementereihe kommenden Lichts die Lageinforma­ tion ausgelesen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtstrahlenband mit einer in der zu der vorbestimmten Rich­ tung senkrechten Richtung gemessenen Breite gebildet wird, die kleiner als die in der zu der vorbestimmten Richtung senkrechten Richtung gemessene Breite einer jeden Datenele­ mentereihe ist.

9. Vorrichtung zum optischen Erfassen der Stellung eines Objekts, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (6, 7) zum Zuführen von Licht, eine Beleuchtungsvorrichtung (20; 21; 22) zum Beleuchten einer Vielzahl von an dem Objekt (1) in dessen Bewegungsrichtung angeordneten Datenelementereihen (2; 1 C) mit einem aus dem Licht gebildeten Lichtstrahlenbündel, wobei jede Datenelementereihe die Datenelemente einer Ladeinforma­ tion bezüglich der Stellung des Objekts enthält und das Lichtstrahlenband sich in der Richtung erstreckt in der sich die Datenelementereihe erstreckt, und eine Wiedergabevorrich­ tung (10-2 C) für die Wiedergabe der Lageinformation durch das Erfassen des von der beleuchteten Datenelementereihe kommenden Lichts.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Richtung senkrecht zu der Richtung, in der sich die Datenelementereihe (2; 1 C) erstreckt, das Lichtstrahlenband eine kleinere Breite als die Datenelementereihe hat.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Beleuchtungsvorrichtung ein anamorphotisches optisches System (20; 21; 22) enthält, das das Licht aus der Lichtquelle (6, 7) in das Lichtstrahlenband umwandelt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6, 7) einen Halbleiter­ laser (6) enthält.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiedergabevorrichtung (10; 2 C) eine Sensorreihe mit Sensorelementen aufweist, die im gleichen Teilungsabstand wie die Datenelemente aufgereiht sind und das Licht von den Datenelementen fotoelektrisch in elektrische Signale umsetzen.

14. Codierer zum optischen Erfassen der Verstellung eines Meßobjekts gekennzeichnet durch eine an dem Objekt ange­ brachte Skala (1; 13) mit einer Vielzahl von den Stellungen des Objekts entsprechenden Datenelementereihen (2-1 C), eine Beleuchtungsvorrichtung (6, 7, 20; 6, 22) zum Beleuchten der Datenelementereihen mit einem Lichtstrahlenband, das sich in der Richtung erstreckt, in der sich die Datenelementereihen erstrecken, und eine Detektorvorrichtung (10; 2 C) zum Aufneh­ men des Lichts von der beleuchteten Datenelementereihe und Ausgeben eines Absolutwertsignals, das jeweils dem Muster der Datenelemente der beleuchteten Datenelementereihe entspricht.

15. Codierer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der Richtung senkrecht zu der Richtung, in der sich die Datenelementereihen (2; 1 C) erstrecken, das Lichtstrahlenband eine kleinere Breite als die Datenelementereihen hat.

16. Codierer nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die Beleuchtungsvorrichtung (6, 7, 20; 6, 22) einen Laser (6) und ein anamorphotisches optisches System (20; 22) zum Umsetzen des Lichts aus dem Laser in das Lichtstrahlen­ band aufweist.

17. Codierer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das anamorphotische optische System (20; 22) eine Zylinder­ linse aufweist.

18. Codierer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechkraft der Zylinderlinse (20; 22) in der Richtung wirkt, in der sich die Datenelementereihe (2; 1 C) erstreckt.

19. Codierer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechkraft der Zylinderlinse in der Richtung wirkt, die zu der Richtung senkrecht ist, in der sich die Datenelemente­ reihe erstreckt.

20. Codierer nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorvorrichtung einen Zeilensen­ sor (10; 2 C) für die Aufnahme von Licht von der beleuchteten Datenelementereihe (2; 1 C) aufweist.

21. Codierer zum Erfassen einer Verstellung eines Meßobjekts, gekennzeichnet durch eine an dem Objekt angebrachte Skala (1) mit Datenelementereihen (1 C), die jeweils Verstellungen des Objekts entsprechen, und mit einem jeweils den Datenelemente­ reihen entsprechenden Bezugsmuster (1 B), eine erste Detektor­ vorrichtung (2 C) zum Erfassen der Datenelementereihen, eine zweite Detektorvorrichtung (2 B) zum Erfassen des Bezugsmu­ sters und eine Abnahmevorrichtung (Fig. 12), die entsprechend einem Ausgangssignal der zweiten Detektorvorrichtung ein von der ersten Detektorvorrichtung dem Anordnungsmuster der Da­ tenelemente in der Datenelementereihe abgegebenes Absolut­ wertsignal abnimmt, um dadurch die Versetzung des Objekts zu erfassen.

22. Codierer zum Erfassen einer Versetzung eines Meßobjekts, gekennzeichnet durch eine an dem Objekt angebrachte Skala (1) mit einem gleichförmig in der Bewegungsrichtung des Objekts angordneten Gittermuster (1 A, 36) und einer Vielzahl vorbe­ stimmter, den Verstellungen bei der Bewegung des Objekts entsprechender Datenelementereihen (1 C; 37) deren Breite in der Objektbewegungsrichtung größer als der Teilungsabstand des Gittermusters ist, eine erste Detektorvorrichtung (2 A) zum Erfassen des Gittermusters, eine zweite Detektorvorrich­ tung (2 C) zum Erfassen einer der Datenelementereihen und eine Ausleseeinrichtung (Fig. 12), die durch Kombinieren eines Absolutwertsignals, das von der zweiten Detektorvorrichtung abgegeben wird und dem Anordnungsmuster der Datenelemente in der Datenelementereihe entspricht, mit einem Schrittesignal, das von der ersten Detektorvorrichtung abgegeben wird, die Verstellung des Objekts ermittelt.

23. Codierer nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß an der Skala (1) ein jeweils den Datenelementereihen (1 C; 37) entsprechendes Bezugsmuster (1 B; 34) ausgebildet ist, das mittels einer dritten Detektorvorrichtung (2 B; 35) erfaßt wird, um das Absolutwertsignal entsprechend einem Ausgangs­ signal der dritten Detektorvorrichtung aufzunehmen.

24. Codierer für das Erfassen einer Verstellung eines Meßob­ jekts, gekennzeichnet durch eine an dem Objekt angebrachte Skala (1) mit vorbestimmten, der Verstellung des Objekts entsprechenden Datenelementereihen (1 C), die jeweils ein wertniedrigstes Bit, ein zweitniedrigstes Bit und mehrere in einer vorbestimmten Folge zwischen dem wertniedrigsten Bit und dem zweitniedrigsten Bit angeordnete andere Bits enthal­ ten, und eine Detektorvorrichtung (2 C, L) für das Erfassen der Datenelementereihen und das Erzeugen eines dem Anord­ nungsmuster der Datenelemente der erfaßten Datenelementereihe entsprechenden Absolutwertsignals.

25. Codierer nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorvorrichtung (2 C, L) eine Beleuchtungsvorrichtung (L) für das Beleuchten der Datenelementereihe (1 C) mit einem Lichtstrahlenband, das sich in der Richtung erstreckt, in der sich die Datenelementereihe erstreckt, und eine Wandlervor­ richtung (2 C) zum fotoelektrischen Umsetzen des von der Da­ tenelementereihe kommenden Lichts aufweist.