專(zhuān)利名稱(chēng):可用于絕對(duì)位置轉(zhuǎn)換器的改進(jìn)的二維標(biāo)尺結(jié)構(gòu)與方法
本非臨時(shí)申請(qǐng)要求2002年7月16日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.60/396,022的利益,所述臨時(shí)申請(qǐng)的整個(gè)內(nèi)容通過(guò)引用包括在這里。
授與Masreliez的美國(guó)專(zhuān)利5,886,519,揭示了一種可在2D平面內(nèi)任一位置提供分辨度和高精度的二維(2D)增量(非絕對(duì))位置編碼器,但該519專(zhuān)利揭示的光柵標(biāo)尺和讀頭并不適合絕對(duì)位置測(cè)量。
已知有多種2D條形碼系統(tǒng),但對(duì)高分辨度絕對(duì)位置測(cè)定而言,此類(lèi)2D條形碼系統(tǒng)的“信息存貯”結(jié)構(gòu)一般不十分適宜用作2D標(biāo)尺,而且還不清楚如何將這類(lèi)代碼排列成連續(xù)的2D標(biāo)尺并可靠地鑒別相鄰的代碼。
這類(lèi)條形碼圖案尤其不適合高速的高分辨度位置測(cè)量。顯然,要把復(fù)雜可變的圖案結(jié)構(gòu)的位置測(cè)定到高分辨度,一般要求將這類(lèi)結(jié)構(gòu)與同類(lèi)復(fù)雜可變的樣板或檢測(cè)器圖案等作比較。位置測(cè)量與運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合通常要求以高分辨度與高速度跟蹤這類(lèi)圖案相對(duì)檢測(cè)器的運(yùn)動(dòng),故這樣的比較太耗時(shí)間。而且,當(dāng)多個(gè)復(fù)雜圖案相互相鄰地排列在2D圖案中而構(gòu)成連續(xù)的2D標(biāo)尺時(shí),各種獨(dú)立圖案的鑒別更增加了信號(hào)處理的復(fù)雜性,而且更難以高分辨度和高速地測(cè)定這類(lèi)圖案的位置。再者,在延伸的二維區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生該區(qū)域內(nèi)獨(dú)特的這類(lèi)圖案,同時(shí)把這些圖案對(duì)準(zhǔn)下面連續(xù)的周期性網(wǎng)絡(luò)以提供精密而高分辨度的絕對(duì)測(cè)量標(biāo)尺,這在技術(shù)上很困難,而且/或者成本很高。
試圖通過(guò)減小這類(lèi)圖案的空間分辨度和/或分布來(lái)克服上述諸問(wèn)題,通常劣化了以高分辨度測(cè)定這些圖案位置的能力,而這種能力一般依賴(lài)于空間頻率或“信息密度”,即位置測(cè)量標(biāo)尺中出現(xiàn)的“轉(zhuǎn)換密度”?;蛘撸噲D降低圖案復(fù)雜性來(lái)克服上述問(wèn)題,將會(huì)減小處處可被獨(dú)特地識(shí)別的總面積,即減小了2D絕對(duì)標(biāo)尺的潛在范圍。
不避免任何一個(gè)或多個(gè)這樣的缺點(diǎn)的光學(xué)絕對(duì)位置編碼器是有用的。顯然,一般而言,正是這種特定的2D絕對(duì)標(biāo)尺圖案編排提供了一種能以高分辨度和精度并以適中的成本在很長(zhǎng)的范圍內(nèi)作高速位置測(cè)量的2D絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)。
本發(fā)明提供讀頭尺寸相對(duì)小的2D光學(xué)絕對(duì)位置編碼器。
本發(fā)明分別提供可用于光學(xué)絕對(duì)位置編碼器的2D標(biāo)尺,其2D整體標(biāo)尺包括代碼部分與周期部分。
本發(fā)明還提供其2D標(biāo)尺圖案以有利的比例整化周期與代碼兩個(gè)部分的2D光學(xué)絕對(duì)位置編碼器。
本發(fā)明分別提供沿二維的每一維具有長(zhǎng)標(biāo)尺長(zhǎng)度和高分辨度二者的2D光學(xué)絕對(duì)位置編碼器。
本發(fā)明還提供通過(guò)應(yīng)用2D整體標(biāo)尺而獲得長(zhǎng)標(biāo)尺長(zhǎng)度和高分辨度的2D光學(xué)絕對(duì)位置編碼器,該2D整體標(biāo)尺包括沿二維的每一維供長(zhǎng)標(biāo)尺長(zhǎng)度使用的代碼部分和高分辨度地測(cè)定讀頭與標(biāo)尺相對(duì)位置的周期部分。
本發(fā)明還提供一種具有2D整體標(biāo)尺的2D標(biāo)尺,其中沿該2D標(biāo)尺二維的每一維交替出現(xiàn)代碼部分和周期部分。
本發(fā)明附帶提供一種2D標(biāo)尺,其中沿該標(biāo)尺二維的每一維交替出現(xiàn)的代碼部分和周期部分按二維相互相鄰。
本發(fā)明分別提供若干方法,可根據(jù)包括非周期代碼部分和周期部分的2D整體整體標(biāo)尺的圖像,以二維測(cè)定光學(xué)絕對(duì)位置編碼器讀頭相對(duì)于該編碼器的2D標(biāo)尺的絕對(duì)位置。
本發(fā)明還提供若干方法,通過(guò)探測(cè)出現(xiàn)在2D標(biāo)尺的2D圖像內(nèi)的代碼部分并根據(jù)出現(xiàn)在該探測(cè)代碼部分里的代碼沿每一維測(cè)定第一分辨度2D位置,來(lái)測(cè)定讀頭沿每一維相對(duì)2D標(biāo)尺的絕對(duì)位置。
本發(fā)明附帶提供若干方法,通過(guò)探測(cè)出現(xiàn)在2D標(biāo)尺的2D圖像內(nèi)的預(yù)定部并根據(jù)該預(yù)定部分的2D探測(cè),來(lái)測(cè)定讀頭沿每一維相對(duì)該2D標(biāo)尺的絕對(duì)位置。
本發(fā)明還提供若干方法,通過(guò)測(cè)定出現(xiàn)2D圖像內(nèi)的周期部分與周期參照結(jié)構(gòu)之間沿每一維的偏移距離,并根據(jù)至少一個(gè)偏移距離沿每一維測(cè)定第三分辨度位置,來(lái)測(cè)定讀頭沿每一維相對(duì)2D標(biāo)尺的絕對(duì)位置。
在本發(fā)明各種示例性標(biāo)尺實(shí)施例中,標(biāo)尺包括沿二維延伸的2D整體標(biāo)尺圖案,該圖案包括一個(gè)或多個(gè)沿二維的每一維延伸的周期部分,而各周期部分限定多個(gè)沿二維的每一維延伸的周期單元。整體標(biāo)尺圖案還包括非周期代碼部分,它們以二維分布在一個(gè)或多個(gè)周期部分內(nèi)和/或之是。各非周期代碼部分包括一組或一群獨(dú)特的代碼單元,因而可識(shí)別標(biāo)尺內(nèi)的特定2D位置,即每組或每群獨(dú)特的代碼單元規(guī)定了沿二維的第一維的第一位置和沿第二維的第二位置。
在各種示例實(shí)施例中,各非周期代碼部分包括一沿二維的每一維有一寬度的預(yù)定部分。在每一維中,該預(yù)定部分可以是具有預(yù)定特征的單一單元或空間,或可以是預(yù)定的單元圖案。該預(yù)定部分可讓標(biāo)尺代碼部分產(chǎn)生的讀頭信號(hào)被迅速地檢出和/或與標(biāo)尺其它部分產(chǎn)生的讀頭信號(hào)相區(qū)分。
在本發(fā)明其它示例實(shí)施例中,諸周期標(biāo)尺單元沿標(biāo)尺以每一維安置,以對(duì)該連續(xù)的維度與下面遞增的步距符并在周期部分之是沿該維度在空間上同步,盡管在有些實(shí)施例中,周期單元沿該維度的連續(xù)性可能在標(biāo)尺某些區(qū)域中被中斷。
在本發(fā)明其它實(shí)施例中,對(duì)二維的至少一維而言,非周期代碼部分中至少二些各別的代碼單元沿該維度的寬度窄于各別周期標(biāo)尺單元的寬度。
在本發(fā)明其它實(shí)施例中,對(duì)二維的至少一維而言,根據(jù)讀頭檢測(cè)器陣列沿該維的范圍和讀頭沿該維對(duì)標(biāo)尺圖像應(yīng)用的放大率,可將一維代碼單元與相鄰一組代碼單元沿該維隔開(kāi)到一預(yù)定極值。
在各種實(shí)施例中,每組代碼單元實(shí)際上指示沿局部數(shù)據(jù)特征每一維的位置或測(cè)量值,以提供初步隔開(kāi)的2D絕對(duì)位置值。該局部數(shù)據(jù)特征對(duì)每一維度都與多個(gè)周期標(biāo)尺單元有關(guān)聯(lián)。在本發(fā)明其它實(shí)施例中,讀頭檢測(cè)器陣列沿兩維的每一維把局部數(shù)據(jù)特征相對(duì)于檢測(cè)器陣列的位置測(cè)定到更高的分辨度,該分辨度比沿周期標(biāo)尺單元每一維的周期更精細(xì)。在本發(fā)明其它實(shí)施例中,讀頭檢測(cè)器陣列還沿每一維測(cè)定至少一些周期標(biāo)尺單元相對(duì)于該檢測(cè)器陣列和/或讀頭的位置,以提供最高分辨度的2D絕對(duì)位置測(cè)量。在本發(fā)明其它實(shí)施例中,檢測(cè)器陣列步距選擇后,沿二維中的至少一維,對(duì)該陣列成像的各周期標(biāo)尺單元有多個(gè)檢測(cè)器單元。在各種實(shí)施例中,檢測(cè)器陣列步距選擇后,沿二維中的至少一維,對(duì)該陣列成像的各代碼單元有多個(gè)檢測(cè)器單元。
在本發(fā)明各種2D絕對(duì)標(biāo)尺實(shí)施例中,成組碼元構(gòu)成延伸通過(guò)2D標(biāo)尺的碼字2D序列。在本發(fā)明其它實(shí)施例中,該碼字序列直接指示標(biāo)尺內(nèi)相應(yīng)的2D位置。在本發(fā)明其它實(shí)施例中,利用譯碼器查表把碼字轉(zhuǎn)換成沿二維中每一維的絕對(duì)位置測(cè)量值。
通過(guò)以下對(duì)本發(fā)明各種條例系統(tǒng)與方法實(shí)施例的詳述,可明白本發(fā)明的種種特征與優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
圖1是本發(fā)明可配用2D整體標(biāo)尺圖案的2D光學(xué)絕對(duì)位置編碼器100的框圖,可產(chǎn)生2D絕對(duì)位置測(cè)量值。圖1所示的2D光學(xué)絕對(duì)位置編碼器100包括讀頭126、信號(hào)發(fā)生與處理電路200和2D標(biāo)尺110,2D標(biāo)尺110包含2D整體標(biāo)尺圖案300。圖1中,讀頭126諸元件及它們與2D標(biāo)尺110和2D整體標(biāo)尺圖案300的關(guān)系,以通常對(duì)應(yīng)于下面進(jìn)一步描述的示例物理結(jié)構(gòu)的布設(shè)示意地表示。
尤其把標(biāo)尺110定位成鄰近讀頭126的照明與接收端,因而當(dāng)2D標(biāo)尺110被讀頭126該端的光源130發(fā)射的光照射時(shí),發(fā)射光被2D標(biāo)尺110上的2D整體標(biāo)尺圖案300有選擇地朝位于讀頭126該端的圖像接收光學(xué)元件向后發(fā)射。2D標(biāo)尺110通常位于離光源130和裝在讀頭126中的光學(xué)系統(tǒng)某一穩(wěn)定的距離,相對(duì)讀頭126沿相對(duì)運(yùn)動(dòng)的雙軸運(yùn)動(dòng),諸如沿第一測(cè)量軸111和第二測(cè)量軸方向112運(yùn)動(dòng),如圖1所示。
沿正交于第一與第二測(cè)量軸111與112的第三維的相對(duì)運(yùn)動(dòng),例如通常受普通導(dǎo)軌或裝到框架的軸承(未示出)的約束,以在讀頭126與標(biāo)尺110之間保持適當(dāng)?shù)南鄬?duì)距離或間隙。讀頭126包括一對(duì)準(zhǔn)特征(未示出),有助于安裝讀頭126,并且相對(duì)安裝框架和/或2D標(biāo)尺110預(yù)期的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軸111與112對(duì)準(zhǔn)讀頭126的內(nèi)部元件。
2D標(biāo)尺110被光源130提供的光波長(zhǎng)照射時(shí),應(yīng)提供反差相對(duì)高的2D圖像。在各種實(shí)施例中,2D標(biāo)尺110通常是一種相對(duì)反射的構(gòu)件,在其漫反射表面上形成相對(duì)不反射性標(biāo)尺單元的2D圖案。顯然,2D標(biāo)尺110相對(duì)高的反射率可用任何已知或今后開(kāi)發(fā)的材料和/或結(jié)構(gòu)獲得,例如2D標(biāo)尺110可以具有合適的漫反射表面結(jié)構(gòu),且由相對(duì)反射的材料如金屬或玻璃或者聚酯薄膜等聚合物或其它材料組成。相對(duì)不反射標(biāo)尺單元的構(gòu)成方法包括涂布2D標(biāo)尺110的表面,有區(qū)別地處理2D標(biāo)尺110表面以降低2D標(biāo)尺110構(gòu)成材料的反射率,在2D標(biāo)尺110表面有選擇地淀積相對(duì)不反射材料,或其它方法。
在各種其它實(shí)施例中,2D標(biāo)尺110由相對(duì)不反射的材料組成,而2D標(biāo)尺單元?jiǎng)t由合適的漫反射表面結(jié)構(gòu)的相對(duì)反射的材料組成。此時(shí),通過(guò)涂布或處理2D標(biāo)尺表面,或者利用任何其它已知或今后開(kāi)發(fā)的工藝沿2D標(biāo)尺110合適的位置有選擇地減小和/或增大反射率,顯然能讓2D標(biāo)尺110基于其構(gòu)成材料呈現(xiàn)出相對(duì)不反射性。
在各種實(shí)施例中,2D標(biāo)尺110顯然具有或多或少的鏡面部分。但對(duì)這類(lèi)標(biāo)尺而言,圖像雙差和/或亮度將對(duì)標(biāo)尺上的對(duì)準(zhǔn)變動(dòng)和/或表面沾污呈現(xiàn)更大的敏感性,會(huì)降低2D絕對(duì)測(cè)量系統(tǒng)100的耐用性和測(cè)量精度。還應(yīng)明白,在其它實(shí)施例中,2D標(biāo)尺110和/或其上形成的表面單元包含彩色,用于在光檢測(cè)器160檢出的2D標(biāo)尺110圖像中增大2D標(biāo)尺單元與2D標(biāo)尺110其余部分之間的反差。
如圖1所示,讀頭126的圖像接收光學(xué)元件包括位于讀頭組件106的照射與接收端的透鏡140,從而透鏡140的光軸144通常與2D標(biāo)尺110的受照區(qū)域?qū)?zhǔn)。在圖1例中,讀頭126還包括針孔孔板150和光檢測(cè)器160,前者沿光軸144與透鏡140隔開(kāi)同透鏡140的焦距一樣的距離,后者沿光軸144與孔板150隔開(kāi),如圖1所示。這種遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)使光檢測(cè)器160上2D整體標(biāo)尺圖案300的圖像放大作用基本上與透鏡140到2D整體標(biāo)尺圖案300的目標(biāo)距離g無(wú)關(guān)。
在各種實(shí)施例中,例如若用精密軸承等充分嚴(yán)格地控制目標(biāo)距離g,就可省去孔板150。光檢測(cè)器160可以是任何已知或今后開(kāi)發(fā)類(lèi)型的光敏材料或裝置,它們能組成獨(dú)立與各別光敏元件如相機(jī)、電子或數(shù)碼相機(jī)、CCD陣列、CMOS光敏元件陣列等2D陣列。
下面再描述2D標(biāo)尺110與讀頭126的一種標(biāo)例性間隔與定位方法,其中包括透鏡140、孔板150和光檢測(cè)器160??梢园葱⌒凸鈱W(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和/或工業(yè)相機(jī)結(jié)構(gòu)的常規(guī)方法,在讀頭126罩殼里安裝光源130、透鏡140、孔板150和光檢測(cè)器160,只要以相對(duì)精密與穩(wěn)定的方式安裝諸元件。
當(dāng)讀頭126合適地定位于標(biāo)尺110附近時(shí),光檢測(cè)器160捕獲的各圖像將包含2D整體標(biāo)尺圖案300的2D部分。
光檢測(cè)器160的像元162的2D陣列166分別沿兩個(gè)對(duì)應(yīng)于兩根測(cè)量軸111與112中每一根據(jù)隔開(kāi)一已知間距,該已知間距對(duì)對(duì)應(yīng)于兩測(cè)量軸111和112的兩個(gè)方向可以相同,或?qū)煞较虻拿總€(gè)方向不同。沿兩個(gè)分別對(duì)應(yīng)于測(cè)量軸111與112的方向中的每個(gè)方向的已知間距,為沿測(cè)量軸111或112測(cè)量投射到光檢測(cè)器160的兩幅同類(lèi)圖像之間或者投射到光檢測(cè)器160上的一幅圖像與通常對(duì)應(yīng)于獲得圖像的合成圖像之間的位移或偏移提供了基礎(chǔ)。這樣,沿各測(cè)量軸111與112該方向的已知間距,也可沿各測(cè)量軸111與112的2D整體標(biāo)尺圖案的圖像位移測(cè)量到像沿測(cè)量軸111或112的該已知間距那樣細(xì)微或更細(xì)的分辨度奠定了基礎(chǔ)。為方便起見(jiàn),下面討論時(shí)也把測(cè)量軸111稱(chēng)為X軸,把測(cè)量軸112稱(chēng)為Y軸。應(yīng)該明白,X與Y軸針對(duì)標(biāo)尺對(duì)準(zhǔn)相互限定,并不表示2D光學(xué)絕對(duì)位置編碼器100在空間的任何具體定向。
在各種實(shí)施例中,光檢測(cè)器160的像元162顯然按正交的行與列排列,行以對(duì)應(yīng)于獲得圖像中測(cè)量軸中的一根的方向?qū)?zhǔn),而列以對(duì)應(yīng)于另一根測(cè)量軸的方向?qū)?zhǔn)。但更一般地,在其它實(shí)施例中,光檢測(cè)器160的像元162不按對(duì)準(zhǔn)獲得圖像中測(cè)量軸的正交行排列,只要仍可確定像元162沿兩個(gè)分別對(duì)應(yīng)于測(cè)量軸111與112的方向中每個(gè)方向的已知間距就行。此時(shí),沿相應(yīng)于各自測(cè)量軸方向的已知間距,仍為沿該測(cè)量軸測(cè)量?jī)煞渡涞焦鈾z測(cè)器160上的同類(lèi)圖像之間或者投射到光檢測(cè)器160上的一幅圖像與通常對(duì)應(yīng)于某獲得圖像的合成圖像之間的位移成偏移提供了基礎(chǔ)。
此外,讀頭126包括至少一部分信號(hào)發(fā)生與處理電路200。如圖1的所示,信號(hào)線132從信號(hào)發(fā)生與處理電路200接到光源130,用于控制和/或驅(qū)動(dòng)光源130。信號(hào)線164連接光檢測(cè)器160和信號(hào)發(fā)生與處理電路200。尤其是,可逐個(gè)訪問(wèn)陣列166的每個(gè)像元162,以便通過(guò)信號(hào)線164把代表該像元162的光強(qiáng)的值輸出給信號(hào)發(fā)生與處理電路200。電路200的其它部分可以遠(yuǎn)離讀頭126安置,可以遠(yuǎn)程操縱和顯示讀頭126的功能。下面參照?qǐng)D11更詳細(xì)地描述信號(hào)發(fā)生與處理電路200。
如圖1所示,把光源130發(fā)出的光束134引導(dǎo)到2D標(biāo)尺110攜帶的2D整體標(biāo)尺圖案300上,以照亮一部分2D整體標(biāo)尺圖案300。結(jié)果,根據(jù)2D整體標(biāo)尺圖案300出現(xiàn)在其受照部分的單元,2D整體標(biāo)尺圖案300受照部分就繞光軸144有選擇地反射光136。
當(dāng)光束134的照射角傾斜時(shí),入射光束134與光軸144的夾角使得2D標(biāo)尺110上相對(duì)鏡面將反射入射在遠(yuǎn)離讀頭126檢測(cè)場(chǎng)的相對(duì)鏡面上的光。此時(shí),在各種實(shí)施例中,若打算在被檢圖像中提供相對(duì)較高亮度的2D標(biāo)尺110部分做成相對(duì)擴(kuò)散,以便提供接受照射的相對(duì)擴(kuò)散表面部分,這樣是有利的。在各種實(shí)施例中,擴(kuò)散表面部分可能因其表面光潔或材料特性而相對(duì)擴(kuò)散,或通過(guò)應(yīng)用擴(kuò)散涂料或表面加工結(jié)構(gòu)而得相對(duì)擴(kuò)散。鑒于其擴(kuò)散特征,這些擴(kuò)散表面部分就沿光軸144重新引導(dǎo)至少一部分傾斜接收的光。此時(shí),擴(kuò)散表面部分更趨明亮,而且/或者比不做成相對(duì)擴(kuò)散提供更高的圖像反差。
在一實(shí)施例中,擴(kuò)散表面部分就是標(biāo)尺單元。在一些此類(lèi)實(shí)施例中,包圍標(biāo)尺單元的區(qū)域?yàn)殓R面反射性。在其它實(shí)施例中,擴(kuò)散部分位于包圍相對(duì)較暗和/或鏡面反射標(biāo)尺單元的區(qū)域內(nèi)。在各種實(shí)施例中,2D標(biāo)尺單元通常由2D標(biāo)尺110正面或反面上的相對(duì)薄的材料層形成。
圖2示出一部分2D標(biāo)尺110一實(shí)施例的等角側(cè)視圖,當(dāng)入射光束與光軸的夾角使相對(duì)鏡面標(biāo)尺表面反射相對(duì)鏡面的入射光,即遠(yuǎn)離讀頭126檢測(cè)場(chǎng)的反射光136時(shí),這是有用的。顯然為圖示方便,在圖2中,2D標(biāo)尺單元115和空間119的垂向尺寸被明顯擴(kuò)大了。
如圖2所示,2D標(biāo)尺110的標(biāo)尺特征一般包括2D標(biāo)尺單元115和空間119。2D標(biāo)尺單元115包括沿單一測(cè)量軸111延伸的第一標(biāo)尺單元部分116和沿第二測(cè)量軸112延伸并穿過(guò)第一標(biāo)尺單元部分116的第二標(biāo)尺單元部分117。2D標(biāo)尺單元115在基片113用于形成2D標(biāo)尺110的第一表面114上形成,而2D標(biāo)尺110的定向使得2D標(biāo)尺110基片113的第二表面114’更接近光束134的源。此時(shí),基片113應(yīng)對(duì)光束134的至少一個(gè)波長(zhǎng)透明。在第一一面114上或極附近形成或設(shè)置一擴(kuò)散墊片118,從而該擴(kuò)散墊片118在標(biāo)尺單元115之間的空間119中提供一漫反射表面化。這一擴(kuò)散墊片或涂層118光軸144以漫射方式引導(dǎo)光束134的至少部分入射光。
在一實(shí)施例中,擴(kuò)散墊片118是一種漫反射涂料型墊片118A,這是一種噴涂涂料,涂布標(biāo)尺單元115之間空間119中的表面114。在另一實(shí)施例中,擴(kuò)散墊片118是一種漫反射基片型墊片118B,它盡量緊靠表面114,在標(biāo)尺單元115之間的空間119中反射光束134。在各種實(shí)施例中,將基片型墊片118B設(shè)置成安裝構(gòu)件支持2D標(biāo)尺110的表面。
顯然,圖2所示2D標(biāo)尺110實(shí)施例若干優(yōu)點(diǎn)。該例中,2D標(biāo)尺110容易制作,因?yàn)闃?biāo)尺單元115的邊沿有效地限定了2D標(biāo)尺110擴(kuò)散部分可工作的范圍與位置,因而2D標(biāo)尺110的擴(kuò)散部分不要求作特殊處理以控制這些擴(kuò)散部分的范圍或位置。而且對(duì)圖2所示的2D標(biāo)尺110定向,第二表面114’上的沾污容易在檢出的2D標(biāo)尺110圖像中處于焦點(diǎn)外。再者,基片113和/或擴(kuò)散墊片118和/或緊靠表面114的外裝元件可防止表面114受損。但如前所述,通常在用光源130提供的光波長(zhǎng)照射時(shí),可用任意標(biāo)尺結(jié)構(gòu)或定向按本發(fā)明提供反差相對(duì)高的標(biāo)尺圖像。
于是,從2D整體標(biāo)尺圖案300到達(dá)透鏡140的反射光142被投射到光檢測(cè)器160上。在各種實(shí)施例中,透鏡140是雙凸面透鏡,直徑約3mm,焦距f約4.5mm。如前所述,在各種實(shí)施例中,光142穿過(guò)針孔孔板150中的針孔孔徑152,透鏡140與針孔孔板150的間隔距離約等于透鏡140的焦距f,使整體標(biāo)尺圖案300在光檢測(cè)器160上的圖像放大基本上與目標(biāo)距離g無(wú)關(guān)。
尤其在使用針孔孔板150時(shí),通過(guò)針孔152的光154就沿光軸144投射一段距離d而到達(dá)光檢測(cè)器160的2D陣列166中的2D像元162表面。對(duì)這種遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu),2D整體標(biāo)尺圖案300的圖像特征放大作用主要依賴(lài)于焦距f與距離d的關(guān)系,該關(guān)系近似為d/f。
更一般地,對(duì)孔徑相對(duì)大或者去針孔孔板150的結(jié)構(gòu),放大作用將隨目標(biāo)距離g而變化。此時(shí),在從2D整體標(biāo)尺圖案300受照射部分反射到像元162的2D陣列166上的光的檢出部分內(nèi),圖像特征的近似放大倍數(shù)M為M≈(f+d)/g (1)式中g(shù)是目標(biāo)距離;f是透鏡140的焦距;而d是到2D陣列166表面的距離,超出透鏡140的焦距。
在各種實(shí)施例中,2D光學(xué)位置轉(zhuǎn)換器100的這些參數(shù)的典型值包括g≈4.5mm,f=4。5,d=28.35mm。因此,近似的相應(yīng)放大率M為7.3。顯然,在挑選針孔孔徑152的尺寸方面,在2D整體標(biāo)尺圖案300的圖像景深與陣列166上圖像亮度之間還有一種折衷關(guān)系。圖像景深卻是圖像在目標(biāo)距離g因讀頭間隙失準(zhǔn)等而變化時(shí)的模糊量。在一實(shí)施例中,針孔孔徑152的直徑為0.8mm。在各種實(shí)施例中,孔徑152的直徑為0.5-2.0mm。在難以精密計(jì)算放大率時(shí),顯然可用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)給出的位置編碼器設(shè)計(jì)和規(guī)定的工作參數(shù)確定有效的放大率,如可以根據(jù)像元沿各軸的間距和對(duì)各種已知尺度的標(biāo)尺特征觀測(cè)的圖像尺寸,來(lái)確定有效放大率。
在2D標(biāo)尺110的投射圖像中,可對(duì)兩個(gè)尺度的每一尺度沿測(cè)量軸111與112獲得高分辨度,2D整體標(biāo)尺圖案300中周期部分的周期標(biāo)尺單元的平均圖像尺寸(也稱(chēng)為沿該維度的遞增標(biāo)尺單元),大于光檢測(cè)器160的像元162沿該維度的像素步距最為有利。就是說(shuō),周期標(biāo)尺單元沿指定維度的尺寸乘上讀頭沿該維度提供的投射圖像放大率,大于沿該維度的像素步距最有利。而且在各種讀頭126的實(shí)施例中,在2D標(biāo)尺110的投射圖像中,周期部分諸周期標(biāo)尺單元沿每一維的平均尺寸,大致是像元162沿該維度的像素步距的2倍到10倍。
為獲取圖像,信號(hào)發(fā)生與處理電路200在信號(hào)線132上輸出一驅(qū)動(dòng)信號(hào),驅(qū)動(dòng)光源130發(fā)射光束134。光束134照射一部分2D整體標(biāo)尺圖案300,把它成像到光檢測(cè)器160的像元162的2D陣列166上。然后,電路200通過(guò)信號(hào)線164輸入多個(gè)信號(hào)部分,各信號(hào)部分對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立像元162所檢測(cè)的圖像值。
為測(cè)定讀頭相對(duì)于2D整體標(biāo)尺圖案300沿兩維的每一維的當(dāng)前位移,把信號(hào)發(fā)生與處理電路200接收自光檢測(cè)器160的當(dāng)前圖像的信號(hào)部分輸入并貯存于存儲(chǔ)器。當(dāng)然應(yīng)該明白,若能在飛行中計(jì)算該數(shù)據(jù),則可跳過(guò)該步驟。然后分析該當(dāng)前圖像,確定讀頭126與2D標(biāo)尺110沿每一維的絕對(duì)位置。在各種實(shí)施例中,在一部分分析中,選擇一行或一列沿相應(yīng)于測(cè)量軸111和112中至少一個(gè)測(cè)量軸的方向延伸的像元162或者當(dāng)前圖像中至多少量行或列作分析。
如下面詳述的那樣,在一部分分析中,選出的一個(gè)或多個(gè)行和列經(jīng)分析,可探測(cè)出現(xiàn)在當(dāng)前圖像里的某個(gè)2D代碼部分。該檢出的2D代碼部分經(jīng)譯碼,可測(cè)定由該部分限定的第一分辨度2D絕對(duì)位置。然后,相對(duì)當(dāng)前圖像幀,即相對(duì)像元162的2D陣列166,測(cè)定該檢出代碼部分成與該檢出代碼部分有關(guān)的預(yù)定部分的2D位置。
這一相對(duì)當(dāng)前圖像幀測(cè)定的2D位置,把讀頭126相對(duì)2D整體標(biāo)尺圖案的2D絕對(duì)位置從譯碼的代碼部分指示的第一分辨度2D位置,改進(jìn)到第二分辨度2D位置。在各種實(shí)施例中,該第二分辨度2D位置為像素分辨度,對(duì)應(yīng)于像元162沿二維的每一維或2D陣列166的各軸的像素間距或步距。
顯然,可獲得的最高第二分辨度2D位置對(duì)應(yīng)于實(shí)際的像素分辨度。就是說(shuō),沿各軸的第二分辨度是一種這樣的分辨度,它將沿該軸的絕對(duì)位置測(cè)量的不確定性減小到對(duì)應(yīng)于讀頭126提供的沿該維的放大率的分辨度,但不大于沿該2D陣列166維度的一二個(gè)像素步距增量。當(dāng)然,若應(yīng)用內(nèi)推或基于矩心的測(cè)定方法,第二分辨度顯然優(yōu)于像素步距。
但更一般地,第二分辨度2D位置將把相對(duì)讀頭126的2D標(biāo)尺110定位沿2D整體標(biāo)尺圖案300中2D周期部分各根X與Y軸的特定周期長(zhǎng)度Px與Py以內(nèi)。沿2D整體標(biāo)尺圖案300中2D周期部分各軸的這些特征周期Px與Py也稱(chēng)為X與Y遞增步距,在長(zhǎng)充上各自等于周期安置的遞增標(biāo)尺單元之一和沿各自一根軸的相鄰空間。
至少一部分當(dāng)前圖像還按逐個(gè)像素的原則與若干偏移位置的每個(gè)位置的參考圖像作比較,以將讀頭與標(biāo)尺的絕對(duì)位置測(cè)定到第三分辨度。在各種實(shí)施例中,第三分辨度對(duì)應(yīng)于對(duì)陣列160上的圖像作像素分辨度位置測(cè)定。正如美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/731,671所詳細(xì)揭示的那樣,一系列比較跨越至少一個(gè)相關(guān)曲線的峰和/或谷,該申請(qǐng)通過(guò)引用包括在這里。
就是說(shuō),參考圖像和當(dāng)前圖像處理后可產(chǎn)生相關(guān)函數(shù)值點(diǎn)。在一實(shí)施例中,在包括某一使在前一次探測(cè)的特定周期附近兩幅圖像的圖案最接近對(duì)準(zhǔn)的偏移的偏移或空間平移位置的范圍內(nèi),當(dāng)前圖像以數(shù)字方式相對(duì)參考圖像偏移。相關(guān)函數(shù)值點(diǎn)指示圖案對(duì)準(zhǔn)度,因而也指示在圖像以數(shù)字方式偏移時(shí)使這兩幅圖像對(duì)準(zhǔn)所需的偏移量。該偏移可用于把讀頭126相對(duì)2D標(biāo)尺110的絕對(duì)位置從第二分辨度提高到第三分辨度,而第三分辨度相當(dāng)于遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于沿陣列166任一軸或兩根軸的一個(gè)像素步距增量除以讀頭100提供的放大率。
在各種實(shí)施例中,參考圖像是2D整體標(biāo)尺圖案300中周期部分的合成圖像。在其它實(shí)施例中,參考圖像是利用讀頭126從2D整體標(biāo)尺圖案300中捕獲的代表性圖像。
應(yīng)該明白,比較參考圖像與當(dāng)前圖像有若干不同的技術(shù)。如在第一示例技術(shù)中,當(dāng)把按逐個(gè)像素原則選出的一行或多行與整幀參考圖像的寬度作比較而產(chǎn)生單個(gè)相關(guān)值時(shí),可使用當(dāng)前“被顯示”圖像幀的整個(gè)區(qū)域。此時(shí),把那些在參考與當(dāng)前圖像區(qū)內(nèi)同其它當(dāng)前參考與顯示圖像區(qū)不重疊的像素,同具有默認(rèn)比較值的像素進(jìn)行比較,或?qū)λ鼈兎峙湟荒J(rèn)比較值等。在其它示例技術(shù)中,比較局部圖像。在任一種情況中,每次比較后,通過(guò)沿相對(duì)參考圖像的合適方向把當(dāng)前圖像移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)像素,產(chǎn)生一系列批昧相關(guān)峰和/或谷的相關(guān)值。
圖3示出本發(fā)明2D整體標(biāo)尺圖案300第一示例實(shí)施例300’的框圖布設(shè)。如圖3所示,2D整體標(biāo)尺圖案300’包括多個(gè)2D周期部分310和多個(gè)2D非周期部分330。按照本發(fā)明原理,在2D整體標(biāo)尺圖案300’幾乎相當(dāng)于下面詳述的檢測(cè)窗340尺寸的每個(gè)局部區(qū)域內(nèi),該2D整體標(biāo)尺圖案300’的多個(gè)2D周期部分310和多個(gè)2D非周期部分330共用或被“整化”。
圖3所示的整體標(biāo)尺圖案300’,在本發(fā)明沿兩根測(cè)量軸111與112每一根延伸的2D標(biāo)尺300的整個(gè)區(qū)域延伸,即多個(gè)2D周期部分310和多個(gè)2D非周期部分330各自沿兩根軸的每一根有一范圍。在各種實(shí)施例中,在2D標(biāo)尺110整個(gè)區(qū)域內(nèi),2D周期部分310與2D非周期部分330都沿兩根軸的每一根以重復(fù)序列排列。另在一些實(shí)施例中,各2D非周期部分330包含一下面詳述的預(yù)定特征320。
應(yīng)該明白,在2D整體標(biāo)尺圖案300的每個(gè)局部區(qū)域內(nèi),通過(guò)把2D周期部分310與2D非周期部分330二者整化成單個(gè)一體化結(jié)構(gòu),則在2D整體標(biāo)尺圖案300邊界內(nèi)位于2D整體標(biāo)尺圖案300任何地方的一組檢測(cè)單元,諸如光檢測(cè)器160的一組像元162,就能用來(lái)檢測(cè)在標(biāo)尺110相對(duì)讀頭126沿測(cè)量軸111與112任一組合位置的包含在2D周期部分310和2D非周期部分330里的信息。
如圖3所示,對(duì)應(yīng)于整體標(biāo)尺圖案300’作為單幅圖像被光檢測(cè)器160捕獲的部分的檢測(cè)窗340,在至少一部分2D整體標(biāo)尺圖案300內(nèi)沿2D標(biāo)尺110以二維延伸。應(yīng)該明白,在本發(fā)明諸實(shí)施例中,鑒于本發(fā)明2D整體標(biāo)尺圖案300的結(jié)構(gòu),檢測(cè)窗340在整體標(biāo)尺圖案300內(nèi)沿Y軸的寬度并非特別關(guān)鍵,只要檢測(cè)窗340通常至少像任意兩個(gè)相鄰非周期部分相應(yīng)邊界之間沿Y軸的距離一樣寬就行,如下面詳述的那樣。同樣應(yīng)明白,鑒于本發(fā)明2D整體標(biāo)尺圖案300的結(jié)構(gòu),檢測(cè)窗340在整體標(biāo)尺圖案300內(nèi)沿X軸的長(zhǎng)度也不是關(guān)鍵,如下面詳述的那樣,只要檢測(cè)窗340通常至少像任意兩個(gè)相鄰非周期部分相應(yīng)邊界之間沿X軸的距離一樣寬就行。
顯然在諸實(shí)施例中,光檢測(cè)器160的尺寸和讀頭126的光學(xué)元件140-152提供的放大率,在一2D周期部分310和2D非周期部分330沿測(cè)量軸111與112的范圍共同操作時(shí),使檢測(cè)窗340沿測(cè)量軸111與112充分延伸,保證完整的2D非周期部分330出現(xiàn)在檢測(cè)窗340內(nèi),與讀頭126在2D標(biāo)尺110區(qū)域內(nèi)的位置無(wú)關(guān)。若檢測(cè)窗340至少這么長(zhǎng)和寬,則相對(duì)某些讀頭126位置造成兩個(gè)或多個(gè)出現(xiàn)在檢測(cè)窗340內(nèi)的不完整2D非周期部分330的情況,就明顯簡(jiǎn)化了完整2D非周期部分330的譯碼。即在有些實(shí)施例中,對(duì)檢測(cè)窗340大小的唯一實(shí)際要求,就是要求它的長(zhǎng)和寬足以保證至少一個(gè)2D非周期部分330全部位于檢測(cè)窗340內(nèi)。
或者如圖3所示,在諸實(shí)施例中,使用的檢測(cè)窗340能沿兩根測(cè)量軸111與112的每一根充分延伸,并可根據(jù)若干2D非周期部分330的兩個(gè)或多個(gè)分離的片斷“重構(gòu)”相當(dāng)于完整非周期部分330的信息,同讀頭126與2D標(biāo)尺110的相對(duì)位置無(wú)關(guān)。為滿足該條件,檢測(cè)窗340通常沿兩根測(cè)量軸111與112的每一根延伸的量,等于或略大于沿測(cè)量軸111或112從2D標(biāo)尺110一個(gè)非周期部分330的邊緣到相鄰2D非周期部分330邊緣的距離。該距離在大多數(shù)可能的標(biāo)尺位置一般包括一完整的2D非周期部分330。在讀頭126的某些位置,這種檢測(cè)窗340通常也足以包括一個(gè)完整的至少被若干2D周期部分310的標(biāo)尺單元定界的2D非周期部分330。在任何情況下,對(duì)于沿兩根測(cè)量軸111和112之一或二者具有這類(lèi)范圍的檢測(cè)窗340,必須根據(jù)預(yù)定的重構(gòu)技術(shù)選擇2D非周期部分330圖案,如可將圖案選成待續(xù)的二進(jìn)制數(shù)代碼,或按照已知的偽隨機(jī)“鏈”碼技術(shù)等。應(yīng)該理解,在諸實(shí)施例中可以簡(jiǎn)化有關(guān)的重構(gòu)操作,而且/或者做得更耐用或更快速,在2D非周期部分330中包含預(yù)定的特征320。
在圖3所示2D整體標(biāo)尺圖案300’的第一實(shí)施例中,預(yù)定部分320位于2D非周期部分330一側(cè),但應(yīng)明白,在其它實(shí)施例中,預(yù)定部分320沿2D非周期部分330頂部位于各2D非周期部分330的兩個(gè)或多個(gè)邊緣。此時(shí),沿非周期部分330一個(gè)邊緣排列的預(yù)定部分320,同沿該非周期部分330另一邊緣的預(yù)定部分320不同。在其它實(shí)施例中,預(yù)定部分320更向非周期部分330的中心設(shè)置。
預(yù)定部分320可以是任一特征或組合的特征,能同2D周期部分310和/或2D非周期部分330的其它圖案特征可靠?jī)扇菀讌^(qū)分。如這類(lèi)特征包括但不限于沿測(cè)量軸111具有獨(dú)特長(zhǎng)度和/或沿測(cè)量軸112具有獨(dú)特長(zhǎng)度的亮或暗標(biāo)尺特征、沿測(cè)量軸11和/或112獨(dú)特的亮和/或暗標(biāo)尺特征圖案,或者一個(gè)或多個(gè)其獨(dú)特的顏色或強(qiáng)度可被光檢測(cè)器160的像元162檢測(cè)的標(biāo)尺特征。在諸實(shí)施例中,所有的預(yù)定部分320都相同。
根據(jù)應(yīng)用的信號(hào)處理算法,可省略預(yù)定部分320。但應(yīng)明白,為了迅速可靠地識(shí)別和檢測(cè)檢測(cè)窗340內(nèi)的2D非周期部分330,應(yīng)用這類(lèi)預(yù)定部分320可簡(jiǎn)化所使用的信號(hào)處理算法。
不管是否包含預(yù)定部分320,每個(gè)2D非周期部分330都含有不同和/或獨(dú)特的圖案或碼元碼組。這種不同和/或獨(dú)特的碼元圖案,使至少一個(gè)位置值與出現(xiàn)在檢測(cè)窗340內(nèi)準(zhǔn)備確切測(cè)定的一2D非周期部分330有關(guān)。由于2D標(biāo)尺110內(nèi)各特定2D非周期部分330的2D位置被預(yù)先規(guī)定或可以算出,所以通過(guò)測(cè)定該非周期部分330特定不同和/或獨(dú)特的碼元圖案來(lái)識(shí)別出現(xiàn)在檢測(cè)窗340中的2D非周期部分330,使得檢測(cè)窗340和讀頭126相對(duì)2D標(biāo)尺110的2D絕對(duì)位置以第一分辨度作初步測(cè)定,而第一分辨度類(lèi)似于檢測(cè)窗340的大小和/或2D非周期部分330的間距。
就是說(shuō),雖然2D標(biāo)尺110內(nèi)某指定2D非周期部分330相對(duì)指定原點(diǎn)的2D位置可掌握到高的精度與精密度,但是根據(jù)簡(jiǎn)單地測(cè)定該2D非周期部分330出現(xiàn)在檢測(cè)窗340的碼值的操作,未必掌握2D非周期部分330和一個(gè)或多個(gè)周?chē)?D周期部分310相對(duì)檢測(cè)窗340的2D位置。尤其是,一個(gè)或多個(gè)2D周期部分310和2D非周期部分330可能位于2D檢測(cè)窗340內(nèi)的任何地方。
如上所述,沿兩根測(cè)量軸111和112的每一根對(duì)應(yīng)于任一特定2D非周期部分330的測(cè)量值,可用不同和/或獨(dú)特的代碼圖案預(yù)先規(guī)定,或可以算出,或根據(jù)不同和/或獨(dú)特的代碼圖案測(cè)定。即在諸實(shí)施例中,不同和/或獨(dú)特的代碼圖案貯存在查表里,該查表還存貯了2D標(biāo)尺110上對(duì)應(yīng)于包含該不同和/或獨(dú)特圖案的2D非周期部分330的標(biāo)稱(chēng)2D位置沿兩根測(cè)量軸111與112中每一根的測(cè)量值。此時(shí),在諸實(shí)施例中,不同和/或獨(dú)特的圖案以任何期望的次序順序出現(xiàn),在相鄰的2D非周期部分3330的不同和/或獨(dú)特圖案之間無(wú)需存在相互關(guān)系。此時(shí),該不同和/或獨(dú)特的圖案能在2D非周期部分330之間以任何期望的方式分布,如加大相鄰2D非周期部分330的不同和/或獨(dú)特圖案之間的區(qū)別。
在其它實(shí)施例中,不同和/或獨(dú)特的圖案能以某種方式客觀地對(duì)應(yīng)于含這些圖案的2D非周期部分330的2D位置。于是,可用這種相依性直接測(cè)定或計(jì)算2D標(biāo)尺110內(nèi)該2D非周期部分330的絕對(duì)位置,以及檢測(cè)窗340和讀頭126相對(duì)2D標(biāo)尺110的絕對(duì)位置。在諸實(shí)施例中,2D非周期部分330在2D標(biāo)尺110內(nèi)以分別沿各X與Y軸規(guī)定的各自方距或間距排列。
在獨(dú)特的圖案或碼字中,特定2D非周期部分330不同和/或獨(dú)特的圖案,限定了至少一個(gè)二進(jìn)制數(shù)或更高的模數(shù),如兩個(gè)各別的X與Y二進(jìn)制數(shù)或更高模數(shù)。在規(guī)定了各別X與Y二進(jìn)制數(shù)或更高模數(shù)的諸實(shí)施例中,被2D非周期部分330指示為沿2D標(biāo)尺110各測(cè)量軸111或112連續(xù)的各X與Y數(shù),各自限定了沿各測(cè)量軸111或112的特定序列。
因而在這類(lèi)實(shí)施例中,例如沿任一各別軸,這類(lèi)沿該軸延伸的2D非周期部分330序列中的第一2D非周期部分330,具有沿各軸在某個(gè)規(guī)定的數(shù)字序列中限定各自第一數(shù)的不同和/或獨(dú)特的圖案,然后對(duì)沿該軸的該序列中的每個(gè)連續(xù)的2D非周期部分330,將該數(shù)提高一個(gè)增量。
顯然,在使用數(shù)或碼字序列時(shí),尤其可根據(jù)成像在檢測(cè)窗340左和/或上部的一個(gè)2D非周期部分330中數(shù)或碼字的后片段和成像在檢測(cè)窗340右和/或下部的至少一個(gè)相鄰2D非周期部分330中數(shù)或碼字的前片段,迅速兩方便地重構(gòu)一完整的碼字。這樣,當(dāng)希望檢測(cè)窗340相對(duì)2D整體標(biāo)尺圖案300’的跨度為最小可用尺寸時(shí),即小于確保至少一個(gè)完整不間斷的2D非周期部分330包括在2D標(biāo)尺110每幅可能的圖像內(nèi)的尺寸,就可具體應(yīng)用數(shù)或碼字序列。當(dāng)然,為使不同和/或獨(dú)特圖案與包含這些圖案的2D非周期部分330的2D位置相關(guān),可使用更復(fù)雜與不規(guī)則的結(jié)構(gòu)、配置和方法。
顯然,雖然各特定2D非周期部分330在沿兩根測(cè)量軸111與112延伸的2D區(qū)域內(nèi)分布,但是它們們?nèi)元?dú)特地對(duì)應(yīng)于或識(shí)別沿每根測(cè)量軸111與112與2D標(biāo)尺110區(qū)內(nèi)某特定點(diǎn)有關(guān)的測(cè)量值。應(yīng)該明白,對(duì)2D標(biāo)尺110區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)于沿特定2D非周期部分330指示的兩根測(cè)量軸111與112的測(cè)量值的各特定點(diǎn),該點(diǎn)指局部數(shù)據(jù)。
一般而言,局部數(shù)據(jù)可以是沿邊緣規(guī)定的點(diǎn),各邊緣或特征中心X與Y坐標(biāo)的組合,區(qū)域中心點(diǎn),或者可相對(duì)檢測(cè)客340定位的2D非周期部分330中一個(gè)或多個(gè)專(zhuān)門(mén)可識(shí)別亮和/或音標(biāo)尺特征的任何其它可局部化特征。顯然,根據(jù)本發(fā)明,局部數(shù)據(jù)不一定是必須特地加到2D整體標(biāo)尺圖案300中的獨(dú)立特征或特點(diǎn)。相反地,與2D整體標(biāo)尺圖案300的圖像有關(guān)的信號(hào)處理,可以不明顯地把2D整體標(biāo)尺圖案300的任何專(zhuān)門(mén)可識(shí)別可局部化的特征或特點(diǎn)選用為局部數(shù)據(jù)。
在一實(shí)施例中,把局部數(shù)據(jù)方便地選為2D非周期部分330中2D標(biāo)尺特征的特性而該部分300直接鄰近2D非周期部分330指示與該局部數(shù)據(jù)有關(guān)的X與Y測(cè)量值的部分。在另一實(shí)施例中,局部數(shù)據(jù)便于選為與非周期部分330相關(guān)的預(yù)定部分320的特性,指示與代碼位置指示符等局部數(shù)據(jù)有關(guān)的X與Y測(cè)量值,下面再詳述。這類(lèi)實(shí)施例可以簡(jiǎn)化在檢測(cè)窗340內(nèi)迅速可靠地識(shí)別和檢測(cè)該局部數(shù)據(jù)所需的信號(hào)處理算法。
通常,在分析出現(xiàn)在檢測(cè)窗340內(nèi)的2D非周期部分330以測(cè)定第一分辨度和/或第三分辨度的2D絕對(duì)位置之前、期間或以后,局部數(shù)據(jù)可相對(duì)檢測(cè)窗340定位。例如,根據(jù)應(yīng)用于與各種像元162有關(guān)的圖像亮度值的眾所周知的邊緣或矩心查找等技術(shù),可識(shí)別和/或探測(cè)局部數(shù)據(jù)。在任何情況下,可用局部數(shù)據(jù)相對(duì)檢測(cè)窗340的2D位置,將2D絕對(duì)位置測(cè)定法的分辨度改進(jìn)到比前述第一分辨度更精細(xì)的第二分辨度。
在諸實(shí)施例中,為把局部數(shù)據(jù)相對(duì)檢測(cè)窗340的位置測(cè)定到第二分辨度,應(yīng)用本發(fā)明的2D整體標(biāo)尺圖案300,顯然只要求分析行列數(shù)有限的沿測(cè)量軸承111延伸的像元162。因此,應(yīng)用本發(fā)明的2D整體標(biāo)尺圖案300的系統(tǒng)能作快速信號(hào)處理。
通常,第二分辨度2D位置測(cè)定必須是充分可靠、耐用的,而且精確的比2D周期部分310沿每個(gè)各自的測(cè)量軸111與112的各別遞增步距值的約1/2更精細(xì)的分辨度,這樣將確保第二分辨度2D位置測(cè)定的不確定性在2D周期部分310分別沿各測(cè)量軸111與112的遞增步距的一個(gè)這樣的增量?jī)?nèi)。此時(shí),包括基于檢測(cè)窗340內(nèi)一個(gè)或多個(gè)周期部分310的分析而進(jìn)一步改進(jìn)分辨度的2D位置測(cè)定將是明確的,即便周期部分310中的諸標(biāo)尺特征通常難以沿X與Y軸相互區(qū)分。
還應(yīng)明白,運(yùn)用2D標(biāo)尺110投射到光檢測(cè)器160上的圖像,把局部數(shù)據(jù)沿兩根測(cè)量軸111與112相對(duì)檢測(cè)窗340的位置測(cè)定到某一分辨度,使之比2D周期部分310的標(biāo)尺單元投射到光檢測(cè)器160上的圖像沿其中相應(yīng)一條測(cè)量軸111或112的步距的1/2還細(xì)微,既必要又充分。這樣容易確保局部數(shù)據(jù)沿兩根測(cè)量軸111與112的位置不確定性在光檢測(cè)器160上沿測(cè)量軸111或112保持在一個(gè)這樣的步距增量?jī)?nèi)。
在諸實(shí)施例中,選擇的遞增步距和透鏡140提供的放大率,使2D周期部分310標(biāo)尺單元投射在光檢測(cè)器160上的圖像沿兩根測(cè)量軸111與112中每一根的步距,至少是像元162沿每根測(cè)量軸111與112的像素步距的三倍。相應(yīng)地,要求把局部數(shù)據(jù)相對(duì)檢測(cè)窗340的2D位置測(cè)定到不優(yōu)于像元162沿每根測(cè)量軸111與112的一個(gè)像素步距的分辨度。
在其它諸實(shí)施例中,例如可根據(jù)像素亮度值轉(zhuǎn)變而沿每根測(cè)量軸111與112選用某種耐用而簡(jiǎn)便的數(shù)據(jù)探測(cè)技術(shù),如分辨度為一個(gè)像素步距或更大的邊緣查找法。然后應(yīng)用該期望的簡(jiǎn)便數(shù)據(jù)探測(cè)技術(shù),對(duì)有關(guān)期望的標(biāo)尺特征與實(shí)際的失準(zhǔn)、沾污等,通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定或讓實(shí)用軸找各自的像步距表示的可實(shí)現(xiàn)的局部數(shù)據(jù)定位分辨度。最后,沿兩根測(cè)量軸111與112選擇用于2D周期部分310的遞增步距,使得在各種實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件下,局部數(shù)據(jù)沿兩根測(cè)量軸111與112可獲得的2D定位分辨度不大于2D周期部分310的標(biāo)尺單元在光檢測(cè)器160上投射圖像沿測(cè)量軸111或112的步距的3/8。這類(lèi)結(jié)構(gòu)很可靠,而且信號(hào)處理簡(jiǎn)單而快速。
可用一個(gè)或多個(gè)2D周期部分310把2D標(biāo)尺相對(duì)于檢測(cè)窗340和讀頭126的2D絕對(duì)位置測(cè)定提高到第三分辨度。第三分辨度沿兩根測(cè)量軸111與112的精度,至少比沿各別測(cè)量軸111與112的各別遞增步距精細(xì)若干倍。該第三分辨度相當(dāng)于沿兩根測(cè)量軸把2D標(biāo)尺110相對(duì)檢測(cè)窗340投射的圖像探測(cè)到亞像素分辨度。
如前面參照?qǐng)D2所述,2D標(biāo)尺110一般包括若干標(biāo)尺特征,其中包括第一和第二標(biāo)尺單元部分116與117,2D空間119由第一與第二標(biāo)尺單元部分116與117分開(kāi)。在諸實(shí)施例中,在各2D周期部分310中,第一與第二標(biāo)尺單元部分116與117分別沿X與Y軸的范圍以及各空間119的X與Y范圍,均沿測(cè)量軸112或111按各軸各自的基本遞增步距排列。
對(duì)各第一與第二測(cè)量軸111與112,沿測(cè)量軸111或112的一個(gè)遞增步距相當(dāng)于一個(gè)第一或第二標(biāo)尺單元部分116或117沿測(cè)量軸111或112和一個(gè)空間119的尺寸。在諸實(shí)施例中,空間119和第一標(biāo)尺單元部分116沿第二測(cè)量軸方向盤(pán)12為同尺寸,但它們要求不等。同樣地,在諸實(shí)施例中,空間119和第二標(biāo)尺單元部分117沿第一測(cè)量軸方向111為同尺寸,但它們也要求不等。在諸例中,第一標(biāo)尺單元部分116沿第二測(cè)量軸112的尺寸與第二標(biāo)尺單元部分117沿第一測(cè)量軸111的尺寸一樣,但它們也要求不等。
在諸實(shí)施例中,根據(jù)與第一和第二測(cè)量軸111與112有關(guān)的基本遞增步距,一個(gè)或多個(gè)2D周期部分310的每一個(gè)都包括最大可能數(shù)量的第一與第二標(biāo)尺單元部分116與117以及可以包含在一個(gè)或多個(gè)2D周期部分310內(nèi)的空間119。但在其它實(shí)施例中,比該最大可能數(shù)量少的第一與第二標(biāo)尺單元部分116與117包含在一個(gè)或多個(gè)2D周期部分310內(nèi)。在另一些實(shí)施例中,偶數(shù)個(gè)“奇數(shù)尺寸”或“錯(cuò)位”的第一和/或第二標(biāo)尺單元部分116和/或117可以包含在一個(gè)或多個(gè)2D周期部分310內(nèi),只要“規(guī)則”的第一和/或第二標(biāo)尺單元部分116和/或117的數(shù)量和這類(lèi)第一和/或第二標(biāo)尺單元部分116和/或117相對(duì)于相應(yīng)基本步距的安置精度,是以使一個(gè)或多個(gè)2D周期部分310相對(duì)于檢測(cè)窗340的投射圖像的2D位置測(cè)定到亞像素分辨率。
如在一實(shí)施例中,包含在一個(gè)或多個(gè)2D周期部分310內(nèi)的“規(guī)則”第一和/或第二標(biāo)尺單元部分116和/或117的數(shù)量,是以確定其峰值或谷值指示相對(duì)良好相關(guān)性的相關(guān)曲線,如下詳述。在諸實(shí)施例中,在圖像行和/或列沿圖像內(nèi)相應(yīng)測(cè)量軸延伸的情況下,通過(guò)將至少一部分對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)2D周期部分310的當(dāng)前圖像的某些或全部行和/或列同包含至少類(lèi)似周期部分的參考圖像作逐個(gè)像素的比較,并通過(guò)把當(dāng)前和參考圖像相互相對(duì)偏移一個(gè)像素而產(chǎn)生各比較值,就能產(chǎn)生諸相關(guān)函數(shù)值和/或相關(guān)曲線。
應(yīng)該明白,在第二分辨度對(duì)應(yīng)于一個(gè)像素步距分辨度的諸實(shí)施例中,為獲得亞像素分辨度,至少部分產(chǎn)生相關(guān)函數(shù)值和/或相關(guān)曲線。被引用的671申請(qǐng)揭示的各種方法,可根據(jù)峰或谷周?chē)鄬?duì)少的相關(guān)函數(shù)值點(diǎn),把相關(guān)函數(shù)峰或谷的像素和/或亞像素位置測(cè)定到高精度。顯然,任何這類(lèi)技術(shù)或其它已知的或今后開(kāi)發(fā)的技術(shù),都能用于把2D標(biāo)尺110的投射圖像相對(duì)于檢測(cè)窗340的偏移位置測(cè)定到像素和/或亞像素分辨度。因此,可把2D標(biāo)尺110相對(duì)于讀頭126的位置測(cè)定到第三分辨度與精度,至少比與各第一和第二測(cè)量軸111與1124有關(guān)的遞增步距細(xì)若干倍。
在本發(fā)明諸2D整體標(biāo)尺實(shí)施例中,圖像的大部分包含了與代表性周期參考圖像或圖案有效地相關(guān)的周期部分310,與一個(gè)或多個(gè)非周期部分330在圖像中的位置無(wú)關(guān)。再者,由于周期部分310的特征沿圖像中X與Y軸的高空間頻度,沿X與Y方向查找相關(guān)峰所需的X與Y偏差范圍有限,因而本發(fā)明的2D整體標(biāo)尺可在各個(gè)X與Y遞增步距內(nèi)高速地作高分辨度的2D位置測(cè)定,支持整個(gè)高分辨與高速的2D絕對(duì)位置測(cè)量。
顯然,當(dāng)2D整體標(biāo)尺圖案300包括一個(gè)或多個(gè)可預(yù)測(cè)的2D周期部分,諸如本發(fā)明整體標(biāo)尺圖案300’的一個(gè)或多個(gè)2D周期部分310時(shí),則相對(duì)通過(guò)鋪設(shè)包括較低空間頻度的周期特征的2D圖案如某些2D周期部分的高分辨度即第三分辨度位置檢測(cè)技術(shù)就特別簡(jiǎn)便、快速和精密。
如在對(duì)高分辨度位置測(cè)定應(yīng)用革于軟件和/或硬件的相關(guān)技術(shù)的實(shí)施例中,參考圖像或硬件檢測(cè)器結(jié)構(gòu)可以是單一的固定周期結(jié)構(gòu)。由于一個(gè)或多個(gè)周期部分的所有圖像都相似且可預(yù)測(cè),所以無(wú)須修改硬件檢測(cè)器結(jié)構(gòu)或者把參考圖像理發(fā)成與當(dāng)前圖像匹配等。再者,基于軟件或硬件檢測(cè)幾乎完整周期圖像或圖像部分位置的精度,對(duì)讀頭失準(zhǔn)等造成的圖像模糊不很敏感。
圖4示出與圖3中2D整體標(biāo)尺圖案300’相對(duì)應(yīng)的2D整體絕對(duì)標(biāo)尺400的第一實(shí)施例。如圖4所示,該2D整體絕對(duì)標(biāo)尺400具有一個(gè)或多個(gè)2D周期部分400和多個(gè)沿測(cè)量軸111與112排列的2D非周期部分430。另在圖4所示的例中,如下面詳述的那樣,非周期部分430包括預(yù)定的圖案部分420,它含有始終帶圖案的頂行和該非周期部分430的左列代碼區(qū)。
顯然,觀察圖4的2D整體標(biāo)尺400有兩種不同的方法,按照一種觀察方法,2D整體標(biāo)尺400只包括沿第一與第二測(cè)量軸111與112按基本X與Y遞增步距連續(xù)延伸的第一“背景”2D周期部分410,因而多個(gè)2D非周期部分430在單一2D周期部分410內(nèi)作二維分布。此時(shí),把多個(gè)2D非周期部分430插入2D整體絕對(duì)標(biāo)尺400,“代替”單一2D周期部分410在多個(gè)2D非周期部分430諸位置的部分。
按2D整體絕對(duì)標(biāo)尺400的第二種觀察方法,2D整體絕對(duì)標(biāo)尺400通過(guò)鋪設(shè)一單位小區(qū)而形成,該小區(qū)包括多個(gè)2D非周期部分430之一。一例這樣的單位小區(qū)411示于圖4,一2D周期部分410填充單位小區(qū)411在該2D非周期部分430之外的其余部分。這樣,2D整體絕對(duì)標(biāo)尺400就含有多個(gè)2D周期部分410。但應(yīng)明白,不論如何觀察家D整體絕對(duì)標(biāo)尺400,2D整體絕對(duì)標(biāo)尺400的結(jié)構(gòu)無(wú)實(shí)質(zhì)性差異。
讀頭126相對(duì)整體標(biāo)尺400沿測(cè)量軸方向112移動(dòng)。一個(gè)或多個(gè)周期部分410包括的一種標(biāo)尺單元412的圖案,會(huì)有沿第一測(cè)量軸111即X軸延伸的第一標(biāo)尺單元部分414和沿第二測(cè)量軸112即Y軸延伸的第二標(biāo)尺單元部分416。各第一標(biāo)尺單元部分414沿Y軸有一窄尺寸,而各第二標(biāo)尺單元部分416沿X軸有窄尺寸,因而第一與第二標(biāo)尺單元部分414與416限定了多個(gè)空間418??臻g418在一個(gè)或多個(gè)周期部分410內(nèi)作二維分布。
在圖4的例中,第一與第二標(biāo)尺單元部分414與416沿各自的Y與X軸顯然有同樣的窄尺寸,所以空間418是各自沿X與Y軸具有同樣范圍的方形。但要明白,在諸實(shí)施例中,第一和第二標(biāo)尺單元部分414與416的窄尺寸不等,因而空間418沿X與Y軸的范圍不一樣,即此時(shí)的空間418為矩形。
顯然,對(duì)一個(gè)或多個(gè)包含第一與第二標(biāo)尺單元部分414與416以及空間418圖案的周期部分410,還有其它方法。根據(jù)第一觀察法,第一標(biāo)尺單元部分414通常是排列在引一周期標(biāo)尺單元區(qū)里的連續(xù)遞增的標(biāo)尺特征,而第一周期標(biāo)尺單元區(qū)沿Y軸方向周期性排列并沿X軸方向延伸。同樣在第一觀察法中,第二標(biāo)尺單元部分416通常是排列在第二周期標(biāo)尺單元區(qū)里的連續(xù)遞增的標(biāo)尺特征,而所述單元區(qū)沿X軸方向周期性排列并沿X軸方向延伸。按第一觀察法,空間418一般在第一與第二周期標(biāo)尺單元區(qū)之外,由“默認(rèn)”造成。
按第二觀察法,空間418和標(biāo)尺單元部分416的片斷是遞增的標(biāo)尺特征,它們以某種特征化交替配置沿第一周期標(biāo)尺單元區(qū)交錯(cuò),而所述單元區(qū)沿Y軸方向周期性排列并沿X軸向延伸。同樣地,在第二觀察法中,空間418和標(biāo)尺單元部分414的片斷都是遞增的標(biāo)尺特征,它們以某種特征化交替配置沿第二周期標(biāo)尺單元區(qū)交錯(cuò),所述單元區(qū)沿X軸向周期性排列并沿Y軸向延伸。按第二觀察法,標(biāo)尺單元部分414和416的其它片斷通常在第一與第二周期標(biāo)尺單元區(qū)之外,由“默認(rèn)”造成。但應(yīng)明白,無(wú)論如何觀察一個(gè)或多個(gè)周期部分410,它們的結(jié)構(gòu)無(wú)實(shí)質(zhì)性差異。
在諸實(shí)施例中,整體標(biāo)尺400的非周期部分430包括多個(gè)碼區(qū),圖4中用非周期部分430中的邊界線矩陣表示。出現(xiàn)在各碼區(qū)內(nèi)的碼元432或空間434,在各非周期部分430中提供碼元與空間不同和/或獨(dú)特的圖案,如上所述。在諸實(shí)施例中,各碼區(qū)沿第一測(cè)量軸111的范圍小于第二標(biāo)尺單元部分416沿第一測(cè)量軸111的范圍。同樣地,各碼區(qū)沿第二測(cè)量軸112的范圍小于第一標(biāo)尺單元部分414沿第二測(cè)量軸112的范圍。
因而在此類(lèi)實(shí)施例中,即使在各個(gè)碼元432或空間414沿一個(gè)或多個(gè)第一與第二測(cè)量軸111與112接近邊界或邊緣而無(wú)法區(qū)分的代碼實(shí)施例中,相應(yīng)的各個(gè)碼元432和空間434沿第一與第二測(cè)量軸111與112都比第二和第一標(biāo)尺單元部分416與414更窄。在諸實(shí)施例中,各碼區(qū)范圍便于做成相同。但在其它實(shí)施例中,各碼區(qū)范圍可以不同,此時(shí),相應(yīng)的信號(hào)處理算法可適應(yīng)這種變化。
沿每根據(jù)第一與第二測(cè)量軸111與112,一個(gè)非周期部分430與相鄰的非周期部分430分開(kāi)一個(gè)或多個(gè)周期部分410的區(qū)域。對(duì)每根第一與第二測(cè)量軸111與112而言,各非周期部分430指示沿與局部數(shù)據(jù)436有關(guān)的第一與第二測(cè)量軸11與112的測(cè)量值。如前所述,局部數(shù)據(jù)436不一定是2D整體標(biāo)尺400獨(dú)立的特征或特性。相反地,與2D整體標(biāo)尺400有關(guān)的信號(hào)處理把2D整體標(biāo)尺400的任何專(zhuān)門(mén)可識(shí)別的局部化特征或特性的隱選為局部數(shù)據(jù)436。
在圖4所示3D整體標(biāo)尺400的第一實(shí)施例中,便于把局部數(shù)據(jù)436選作預(yù)定部分420中碼區(qū)439的左上角。但應(yīng)明白,如上所述,這一選法有點(diǎn)隨意?;蛘撸植繑?shù)據(jù)436可以是周期部分410中特性獨(dú)特的可識(shí)別位置,如空間438的右上角。
在圖4的例中,各局部數(shù)據(jù)436沿第一測(cè)量軸111與相鄰局部數(shù)據(jù)436隔開(kāi)距離d0。同樣在圖4的例中,各局部數(shù)據(jù)436沿第二測(cè)量軸112與相鄰局部數(shù)據(jù)436隔開(kāi)距離d1。在諸實(shí)施例中,距離d0與d1還針對(duì)讀頭126的特性選擇,因而在檢測(cè)窗440內(nèi)總有至少一個(gè)完整的非周期部分430。
在諸實(shí)施例中,碼元436是相對(duì)反射的元件,而空間434在沒(méi)有碼元432時(shí)是相對(duì)不反射的。具體而言,若把具有相對(duì)反射碼元432的碼區(qū)譯為二進(jìn)制1,則把空碼區(qū)即空間434譯為二進(jìn)制0。這樣,碼區(qū)里碼元432和空間434的圖案就構(gòu)成一二進(jìn)制數(shù)或碼字,經(jīng)譯碼,可將局部數(shù)據(jù)點(diǎn)436沿第一與第二測(cè)量軸111與112的測(cè)量值識(shí)別到第一分辨度。因此,可將檢測(cè)窗440和讀頭126相對(duì)于2D標(biāo)尺沿第一與第二測(cè)量軸111與112的位置測(cè)定到第一分辨度。
如圖4所示,示例的預(yù)定部分420應(yīng)用了非周期部分430頂部的第一行碼區(qū)和非周期部分430左邊的第一列碼區(qū)。如圖4所示,示例的預(yù)定部分420相同,與其沿第一和第二測(cè)量軸111與112的位置無(wú)關(guān)。顯然,這些預(yù)定部分420的作用主要是使在檢測(cè)窗440內(nèi)搜索非周期部分430的信號(hào)處理變得簡(jiǎn)單、快速而可靠。例如,單一填充的碼區(qū)435和沿預(yù)定部分420左部延伸的空間434,總是以其左方的第二周期標(biāo)尺單元部分416為界。碼區(qū)沿該行的預(yù)定部分420總是有交替的碼值。
在圖4的例中,在非周期部分430的右下角,由對(duì)應(yīng)于3×5矩形碼區(qū)內(nèi)15個(gè)碼區(qū)的諸二進(jìn)制位值限定唯一碼。在2D整體標(biāo)尺400的一實(shí)施例中,標(biāo)尺單元412和空間418各自沿每根第一與第二測(cè)量軸111與112的范圍為20μm,所以沿每要第一與第二測(cè)量軸111與112限定了40μm的遞增步距。碼區(qū)沿每根第一與第二測(cè)量軸111與112的范圍為10μm。在非周期部分320上相應(yīng)點(diǎn)之間沿第一測(cè)量軸111的間距d0為320μm,是遞增步距的8倍。在非周期部分320上相應(yīng)點(diǎn)之間沿第二測(cè)量軸112的間距d1為280μm是遞增步距的7倍。
在諸實(shí)施例中,檢測(cè)窗440對(duì)應(yīng)的光檢測(cè)器160,例如沿對(duì)應(yīng)于第一測(cè)量軸111的方向有約352個(gè)像素,沿對(duì)應(yīng)于第二測(cè)量軸112的方向有約288個(gè)像素,因而標(biāo)尺110上11μm區(qū)域在光檢測(cè)器160上投射一幅相當(dāng)于約10個(gè)像素的圖像。因此,在具有這類(lèi)尺寸的諸實(shí)施例中,排列在非周期部分430中的15位碼使2D絕對(duì)位置測(cè)量區(qū)約達(dá)3000平方毫米,這將使2D絕對(duì)標(biāo)尺110具有側(cè)邊約54mm的方形2D整體標(biāo)尺400。
同時(shí)在諸實(shí)施例中,多個(gè)非周期部分占用2D整體標(biāo)尺400的不足3%,因而在諸實(shí)施例中,面積超過(guò)90%的整體標(biāo)尺400用于一個(gè)或多個(gè)周期部分410,提高了高分辨度位置測(cè)定的速度與精度,如上所述,發(fā)明人已應(yīng)用類(lèi)似的標(biāo)尺參數(shù)和密微的讀頭作過(guò)可靠的亞微米測(cè)量,因此按本發(fā)明原理制作的小而實(shí)用的絕對(duì)位置測(cè)量裝置,尤其有用地結(jié)合了高分辨度、速度和2D絕對(duì)測(cè)量區(qū)范圍。
關(guān)于圖4的結(jié)構(gòu),顯然在這些實(shí)施例中,不管標(biāo)尺110與讀頭126之間的空隙中有沾污、缺隔和靜動(dòng)態(tài)變化,總能見(jiàn)到相對(duì)較大的標(biāo)尺單元412與空間418,提高了有關(guān)高分辨度位置測(cè)定的耐用性與精度。相反地,不管標(biāo)尺110與讀頭126之間空隙中的沾污、缺隔和靜動(dòng)態(tài)變化,都適宜見(jiàn)到相對(duì)更細(xì)的代碼空間434與碼元432,但通過(guò)以小比例的標(biāo)尺長(zhǎng)充/面積設(shè)置大量位數(shù),可細(xì)微得允許大的絕對(duì)區(qū)域范圍,從而可將更大的標(biāo)尺長(zhǎng)度/面積專(zhuān)用于周期部分410里的信息,增強(qiáng)高分辨度位置測(cè)定。當(dāng)然,碼區(qū)可相對(duì)粗略些,如其大小接近標(biāo)尺單元412和空間418的大小,但在這種情況下,對(duì)于指定讀頭尺寸內(nèi)數(shù)量減少的可讀碼位,非周期部分430變得細(xì)長(zhǎng)較長(zhǎng),讀頭126的相應(yīng)長(zhǎng)度相對(duì)增大,而且/或者最大絕對(duì)區(qū)域范圍相對(duì)減小。
還應(yīng)明白,制造含本發(fā)明整體標(biāo)尺圖案的標(biāo)尺特別容易而且經(jīng)濟(jì),因?yàn)橹辉谝粋€(gè)或多個(gè)周期部分410要求以同等期望的總體標(biāo)尺精度作精密的安裝與制作。例如,使用普通高精度遞增標(biāo)尺常用的光刻膠曝光法,可用已知的高度精密的連續(xù)步進(jìn)與重復(fù)曝光步驟限定標(biāo)尺單元412,或者使用這種步驟制作的面積相對(duì)大的掩膜。在任一場(chǎng)合下,在這一初制階段,非周期部分430內(nèi)的步驟不曝光或不處理。
因此,由于本發(fā)明的非周期部分430不要求特別精密的定位制作,所以其獨(dú)特的圖案以后可用可編程的高速掃描激光曝光系統(tǒng)等曝光。顯然,最精密的操作由此得以簡(jiǎn)化并可更經(jīng)濟(jì)和精密地執(zhí)行,同時(shí)獨(dú)特的編碼操作因更加靈活、快速而經(jīng)濟(jì),也放寬了其精度。
對(duì)圖4的實(shí)施例,操作時(shí),對(duì)應(yīng)于圖7的檢測(cè)窗捕獲2D整體標(biāo)尺400的圖像。然后分析捕獲的圖像,定位一部分出現(xiàn)在其中的周期部分410。接著從該部分的周期部分獲得一相關(guān)函數(shù),至少明確地檢測(cè)最上面一個(gè)第一標(biāo)尺單元部分414的垂直位置。應(yīng)該明白,可以使用已引用的671申請(qǐng)和任一這里引用且包括在這里的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/860,636、09/921,889中揭示的任一相關(guān)技術(shù)。在諸實(shí)施例中,如下述那樣,確定的相關(guān)函數(shù)還用于沿各第一與第二測(cè)量軸111與112測(cè)定絕對(duì)位置測(cè)量值中的第三分辨度部分。
然后分析捕獲的圖像,識(shí)別出現(xiàn)在檢測(cè)窗440內(nèi)的預(yù)定部分420的位置。由于事先知道了標(biāo)尺400的2D結(jié)構(gòu),一旦確定了最上面一個(gè)第一標(biāo)尺單元部分414的垂直位置,就難得搜索與第一測(cè)量軸111對(duì)準(zhǔn)的諸行,以定位出現(xiàn)在檢測(cè)窗440內(nèi)的預(yù)定部分420。即搜索難得選擇的每一行,以找出捕獲圖像的亮暗部分圖案,該圖案對(duì)應(yīng)于出現(xiàn)在各預(yù)定部分420頂部的碼元432與空間434的預(yù)定圖案。
當(dāng)然應(yīng)明白,分析時(shí)可應(yīng)用列而不用行。此時(shí)檢測(cè)最左邊一個(gè)第二標(biāo)尺單元的水平位置,然后難得搜索對(duì)準(zhǔn)第二測(cè)量軸112的諸列,檢測(cè)捕獲圖像的亮暗部分圖案,該圖案對(duì)應(yīng)于出現(xiàn)在各預(yù)定部分420左部的碼元432與空間434的預(yù)定圖案。
對(duì)圖4的2D整體標(biāo)尺400實(shí)施例,依次從檢測(cè)器160輸入每行像素,檢測(cè)周期部分410部分。分析第一行,判斷該行是否包含來(lái)自亮區(qū)到暗區(qū)或相關(guān)的任何轉(zhuǎn)換。若元轉(zhuǎn)換,則將該行對(duì)準(zhǔn)一個(gè)第一標(biāo)尺單元部分414,故不可用于生成相關(guān)函數(shù)。此時(shí),按勞取酬同樣方法選擇和分析后面的每一行,直到發(fā)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)換。
在諸實(shí)施例中,一旦發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)轉(zhuǎn)換,就分析該行,判斷第二個(gè)轉(zhuǎn)換離第一個(gè)轉(zhuǎn)換是否接近20個(gè)像素。第二個(gè)轉(zhuǎn)換離第一個(gè)轉(zhuǎn)換顯然接近20個(gè)像素,因?yàn)榈诙?biāo)尺單元部分416和空間418沿第一測(cè)量軸111的范圍為20μm,而在諸例中,捕獲圖像的20個(gè)像素在2D整體標(biāo)尺400的約20μm內(nèi)延伸。因此,若第二標(biāo)尺單元部分416與空間418沿第一測(cè)量軸111的范圍不同,則不同的范圍形成了第二與第一個(gè)轉(zhuǎn)換的像素間隔的基礎(chǔ)。
若第二轉(zhuǎn)換的像素間隔不接近20個(gè)像素,則該行對(duì)準(zhǔn)預(yù)定部分420或非周期部分430。在諸例中,選擇后面每一行,直到找出第一與第二轉(zhuǎn)換,而且第三轉(zhuǎn)換離第二轉(zhuǎn)換的20個(gè)像素,第四轉(zhuǎn)換離第三轉(zhuǎn)換離第二轉(zhuǎn)換約20個(gè)像素,第四轉(zhuǎn)換離第三轉(zhuǎn)換約20個(gè)像素。找出這種行時(shí),該行就為與20微米周期參考圖案或圖像的良好相關(guān)性奠定了基礎(chǔ)。此時(shí),選擇包括約180個(gè)像素的前一半確定的行生成第一個(gè)一維相關(guān)函數(shù)。在其它例中,若第二轉(zhuǎn)換不在約20個(gè)像素內(nèi),則在相當(dāng)于約遞增步距的范圍內(nèi),用該行從離結(jié)束約114行開(kāi)始的一半生成第一一維相關(guān)函數(shù)。
這樣,確定行的選用部分就延伸通過(guò)若干空間418與第二標(biāo)尺單元部分416。比較所選的確定行部分和相應(yīng)的參考圖像,生成第一一維相關(guān)函數(shù)。如引用的671申請(qǐng)所述,將所述確定行部分各像素與參考圖像的逐個(gè)像素比較,生成該相關(guān)函數(shù)的第一點(diǎn)。將所選確定行部分在40個(gè)像素范圍內(nèi)對(duì)各點(diǎn)移一個(gè)像素,生成該相關(guān)函數(shù)的其它各點(diǎn)。在諸例中,這40個(gè)像素范圍相當(dāng)于第二標(biāo)尺單元部分416與空間418沿第一測(cè)量軸111范圍的總和。若第二標(biāo)尺單元部分416與空間418沿第一測(cè)量軸111的范圍不同,將改變?yōu)樾纬上嚓P(guān)函數(shù)而偏移所選確定行部分的范圍。
第一相關(guān)函數(shù)一生成,就用已引用的671、636、711和/或889申請(qǐng)揭示的任一技術(shù)作分析,以找出相關(guān)峰,并可在相關(guān)峰周?chē)狞c(diǎn)之間作內(nèi)插,確定實(shí)際的峰偏移位置,這樣就確定了第二標(biāo)尺單元部分416相對(duì)檢測(cè)窗440左邊緣的位置。接著用該信息選出位于空間418最左邊諸列中央附近的第一列,應(yīng)用上述兩實(shí)施例之一作分析,求出能用于第二一維相關(guān)函數(shù)的列的一部分。
具體地說(shuō),若所選列的開(kāi)始部分元正確間隔的第一到第四轉(zhuǎn)換,則在一實(shí)施例中,就選擇所選列右邊40個(gè)列的一列作分析。如此反復(fù)進(jìn)行,直到找出具有正確間隔的第一到第四轉(zhuǎn)換的列。然后選擇包括約40個(gè)像素的該列的前半部分,用于生成第二一維相關(guān)函數(shù)。在另一實(shí)施例中,如對(duì)第一相關(guān)函數(shù)所述那樣,初選列的一半,從該列結(jié)束開(kāi)始約1/4列,用于生成第二一維相關(guān)函數(shù)。第二相關(guān)函數(shù)一生成,就用已引用的671,636,711和/或889申請(qǐng)揭示的任一技術(shù)分析,找出相關(guān)峰,并可在相關(guān)峰周?chē)T點(diǎn)之間作內(nèi)插,以確定實(shí)際的峰偏移位置,這樣就確定了第一標(biāo)尺單元部分414相對(duì)檢測(cè)窗440頂邊的位置。
在諸實(shí)施例中,在該點(diǎn)對(duì)第一與第二測(cè)量軸111與112測(cè)定第三分辨度測(cè)量值。此時(shí)根據(jù)第一和第二相關(guān)函數(shù)的峰偏移位置,對(duì)相應(yīng)于這些峰偏移位置的峰2D位置和其周?chē)娜舾啥S位置,如相當(dāng)于各方向遞增步距的范圍內(nèi),確定二維相關(guān)函數(shù)。在諸例中,對(duì)該峰位置及其周?chē)娜舾善渌恢?,用整幅捕獲的圖像生成該相關(guān)函數(shù),不用所選行的選擇部分或甚至所選的行。
但在諸實(shí)施例中,第一與第二相關(guān)函數(shù)的峰偏移位置足夠精確,因而只用2D峰位置周?chē)拇蠹s四個(gè)其它2D位置來(lái)生成其它相關(guān)函數(shù)。諸例中,這四個(gè)其它位置代表與2D峰位置分別偏移(0,-1)、(-1,0)、(0,1)和(1,0)。在其它例中,這四個(gè)其它位置代表與2D峰位置分別偏移(-1,-1)、(-1,1)和(1,1)。當(dāng)然應(yīng)該明白,可延續(xù)分析的該第三分辨度部分,直到第一與第二分辨度部分結(jié)束以后。
然后難得地搜索捕獲圖像的諸行,找出通過(guò)形成預(yù)定部分420的碼區(qū)的行。由于現(xiàn)在基于前面的相關(guān)性知道了第一標(biāo)尺單元部分414與檢測(cè)窗440頂部的相對(duì)位置,而且事先知道了預(yù)定部分420與第一標(biāo)尺單元414的定位關(guān)系,所以可知道能貫穿碼區(qū)中心的檢測(cè)窗440的諸行,并以像素行之間“10微米”步進(jìn)作搜索而迅速定位預(yù)定部分420。
在諸實(shí)施例中,在檢測(cè)窗440中把離最上方第一標(biāo)尺單元部分414約“5μm”的一行選為初始行。之所以選擇離最上方第一標(biāo)尺單元部分414的頂部為5μm距離,是因?yàn)轭A(yù)定部分420的碼區(qū)沿第二測(cè)量軸112延伸約10μm,因而5μm距離對(duì)應(yīng)于將通過(guò)碼區(qū)中心附近的某一行。該例中,標(biāo)尺上的一微米對(duì)應(yīng)于圖像中一個(gè)像素步距。所以,分析初始行,可判斷它是否包含一系列隔開(kāi)約10個(gè)像素的轉(zhuǎn)換。因預(yù)定部分420的碼區(qū)沿第一測(cè)量軸111約延伸10μm,故選擇10像素間隔。
若初始行不含一系列隔開(kāi)約10個(gè)像素的轉(zhuǎn)換,就選朝檢測(cè)窗440移動(dòng)的各第五行分析,直到檢測(cè)出含一系列隔開(kāi)約10個(gè)像素的行。
在其它實(shí)施例中,甚至可以更稀疏地搜索諸行。在圖4的例中,預(yù)定部分420對(duì)準(zhǔn)一個(gè)第一標(biāo)尺單元部分414的上半部。該例中,第一標(biāo)尺單元部分414在捕獲的圖像中隔開(kāi)約40個(gè)像素或行,因而初始行一經(jīng)確定,如上所述,若該行不含一系列隔開(kāi)約10個(gè)像素的轉(zhuǎn)換,就選朝檢測(cè)窗440移動(dòng)的各第40行分析,直到檢測(cè)出含一系列隔開(kāi)約10個(gè)像素的轉(zhuǎn)換的行。
在諸實(shí)施例中,顯然要對(duì)包含預(yù)定部分420的行作附加的定位分析,以確保檢測(cè)的預(yù)定部分420和相應(yīng)的非周期部分430完全落在檢測(cè)窗440內(nèi)。通常,若使用完全落在檢測(cè)窗440內(nèi)的單個(gè)非周期部分430,不應(yīng)用兩個(gè)非周期部分430在檢測(cè)窗440之外延伸的部分,可簡(jiǎn)化該處理。
在諸實(shí)施例中,為確保使用完全落在檢測(cè)窗440內(nèi)的單個(gè)非周期部分430,一旦檢測(cè)出明顯含預(yù)定部分420的行,就將位于檢出行與檢測(cè)窗440頂部之間的若干行與一對(duì)閾值作比較。若行數(shù)大于第一閾值而小于第二閾值,則檢出的預(yù)定部分420和相應(yīng)的非周期部分430就全落在檢測(cè)窗440內(nèi)。
然而,若行數(shù)小于第一閾值,就可能出現(xiàn)含預(yù)定部分的行是通過(guò)非周期部分的“匹配”碼延伸的行的情況。此時(shí),就選位于檢出行下面預(yù)定行數(shù)的一行作進(jìn)一步分析。在諸實(shí)施例中,若預(yù)定部分420和非周期部分430的高度約為40像素,第一閾值是40。在諸例中,若檢測(cè)窗約為288像素高,則把預(yù)定數(shù)定為對(duì)應(yīng)于“上一”非周期部分430底緣與“下一”非周期部分430頂緣之間距離的值,并將第二閾值置成對(duì)應(yīng)于比整個(gè)非周期部分430在圖像底限上方的垂直跨度更大的距離。
以檢出行下面預(yù)定行數(shù)的新行開(kāi)始,像上述那樣分析每第5(或第40)行,找出含第二預(yù)定部分420的第二行。鑒于預(yù)定數(shù)的值,第二行肯定包含一“實(shí)際的”第二預(yù)定部分420。若該行也高于第二閾值,則第二預(yù)定部分420“令人滿意”,相應(yīng)的非周期部分430肯定全落在檢測(cè)窗440內(nèi)。或者,第一視在預(yù)定部分420位于實(shí)際滿意的預(yù)定部分420附近,而相應(yīng)的非周期部分430肯定全落在檢測(cè)窗440內(nèi)。
還應(yīng)明白,可用任何其它合適的預(yù)定部分420檢測(cè)技術(shù)代替上述諸技術(shù)檢測(cè)預(yù)定部分420。
一旦檢出了貫穿出現(xiàn)在捕獲圖像中滿意的預(yù)定部分420的中央行,就知道非周期部分430的代碼部分相對(duì)于該檢出行中預(yù)定轉(zhuǎn)換系列出現(xiàn)在預(yù)定的2D位置中,因而該預(yù)定部分就起著滿意的“代碼位置指示符”的作用。如在圖4的例中,非周期部分430的代碼部分將以小距離諸如10μm或約10像素行的步距出現(xiàn)在預(yù)定部分420下面,其右邊界對(duì)準(zhǔn)預(yù)定部分420的右邊界。對(duì)應(yīng)于出現(xiàn)在檢出預(yù)定部分420相鄰非周期部分430里碼區(qū)中的碼元432與未占用空間,測(cè)定捕獲圖像亮暗部分的圖案與范圍,提取被這些圖案與范圍限定的碼字。
于是,提取的碼字不是用作輸入查表的地址,就是用作公式里的變量,用于測(cè)定局部數(shù)據(jù)沿各一與第二測(cè)量軸111與112的X與Y絕對(duì)位置測(cè)量值。這些測(cè)量值把檢測(cè)窗440和讀頭126相對(duì)2D標(biāo)尺110沿各第一與第二測(cè)量軸111與112的定位指示到沿各第一與第二測(cè)量軸111與112的第一分辨度。沿各測(cè)量軸111與112的第一分辨度接近相當(dāng)于局部數(shù)據(jù)436和/或非周期部分430分別沿第一與第二測(cè)量軸111與112的間距d0與d1。在圖4的例中,出現(xiàn)在檢測(cè)窗440中被分析非周期部分430附近的檢出預(yù)定部分420的一指定特征,用作局部數(shù)據(jù)436。
或者,若2D整體標(biāo)尺400沿第一與第二測(cè)量軸中至少一根軸的整個(gè)范圍是相應(yīng)間距d0和/或d1沿該第一和/或第二測(cè)量軸111和/或112的2的次方倍,則可將碼元432和空間434限定的二進(jìn)制碼分成兩個(gè)碼字,如2D整體標(biāo)尺400沿第一測(cè)量軸111的范圍可能是2nd0。于是該2D整體標(biāo)尺400沿第一測(cè)量軸111的范圍就小于或等于2md1,其中n+m小于或等于非周期部分430中的碼區(qū)數(shù)。
此時(shí),一個(gè)碼字具有至少n碼區(qū),因此對(duì)任一指定的非周期部分430而言,可對(duì)沿第一測(cè)量軸111的第一分辨度絕對(duì)位置測(cè)量值用一個(gè)碼字限定多個(gè)間距d0。同樣地,對(duì)沿第二測(cè)量軸112的第一分辨絕對(duì)位置測(cè)量值,另一碼字限定多個(gè)間距d1。通過(guò)將間距d0和d1乘上相應(yīng)的倍數(shù),可從這兩個(gè)碼字直接得到沿第一與第二測(cè)量軸111與112的絕對(duì)位置測(cè)量值。
在其它實(shí)施例中,假定2D整體標(biāo)尺400的總面積允許對(duì)非周期部分430中限定的碼字省略足夠數(shù)量可能的值,則即使沿2D整體標(biāo)尺400第一與第二測(cè)量軸111與112的范圍都不是相應(yīng)間距d0與d1的2的次方倍,也可應(yīng)用該實(shí)施例。
為進(jìn)一步提高沿第一測(cè)量軸111的絕對(duì)位置測(cè)量分辨度,求出局部數(shù)據(jù)點(diǎn)436相對(duì)檢測(cè)窗440左邊緣442或右邊緣444的位置,既方便又足夠了。當(dāng)檢測(cè)窗440左邊緣442相對(duì)局部數(shù)據(jù)點(diǎn)436用作參考點(diǎn)時(shí),如圖4所示,就便于把對(duì)應(yīng)于局部數(shù)據(jù)點(diǎn)436與左邊緣442的偏移距離d2的像素?cái)?shù)測(cè)定到一個(gè)或n個(gè)像素以內(nèi),并根據(jù)已知的光檢測(cè)器160的幾何特性和讀頭126的放大倍數(shù),可將該像素距離轉(zhuǎn)換為實(shí)際偏移距離d2。
同樣地,為再提高沿第二測(cè)量軸112的絕對(duì)位置測(cè)量分辨度,求出局部數(shù)據(jù)點(diǎn)436相對(duì)檢測(cè)窗440頂緣446或底緣448的位置,既方便又足夠了。當(dāng)檢測(cè)窗440的頂緣446相對(duì)局部數(shù)據(jù)點(diǎn)436用作參考點(diǎn)時(shí),如圖4所示,便于把對(duì)應(yīng)于局部數(shù)據(jù)點(diǎn)436與頂緣446的偏移距離d3的像素?cái)?shù)測(cè)定到一個(gè)或幾個(gè)像素,并根據(jù)已知的光檢測(cè)器160的幾何特性與讀頭126的放大倍數(shù),把該像素距離轉(zhuǎn)換成實(shí)際偏移距離d3。
當(dāng)把偏移距離d2與d3分別加到局部數(shù)據(jù)436的代碼測(cè)定的絕對(duì)測(cè)量X與Y絕對(duì)位置測(cè)量值里時(shí),可把讀頭126相對(duì)2D標(biāo)尺110沿第一與第二測(cè)量軸111與112的2D絕對(duì)位置分辨到第二分辨度,這比周期部分410相應(yīng)于各第一和第二測(cè)量軸111與112的一半遞增步距還精細(xì),近似相當(dāng)于對(duì)應(yīng)像素步距除以讀頭126放大倍數(shù)的一倍或幾倍。
顯然,上述的相對(duì)較低分辨度位置測(cè)定操作,應(yīng)用相對(duì)少的檢測(cè)窗440現(xiàn)有的位置信息。為再改進(jìn)讀頭126與2D標(biāo)尺110間的絕對(duì)位置測(cè)量,要應(yīng)用檢測(cè)窗440中更多的信息,從而均化局部制造不精密笥、缺陷、沾污等影響,提供更佳的信噪比和更精密的位置測(cè)定。
具體而言,希望根據(jù)部分或全部檢測(cè)窗440中出現(xiàn)的一個(gè)或多個(gè)周期部分410中至少一部分產(chǎn)生的信息和/或信號(hào)作位置測(cè)定,如像前述的相關(guān)操作一樣對(duì)第一和第二測(cè)量軸111與112提供第二分辨度測(cè)量值。實(shí)際上,目的在于精煉前述偏移距離d2與d3的估值。對(duì)于局部數(shù)據(jù)與建立的參考位置相符的圖像,可用X與Y軸的實(shí)際峰或谷偏差值與其期望的偏差值之差來(lái)提高估算偏移距離d2與d3以及最終絕對(duì)位置測(cè)定的分辨度與精度。
例如,一般可將前一次估算的偏移距離d2與d3細(xì)分出一部分,它等于遞增步距沿各自X與Y軸的整數(shù)倍加或減一附加量,而該附加量小于各自遞增步距的一半。為精煉前一次估算的偏移距離d2與d3,對(duì)于局部數(shù)據(jù)與其2D參考位置相符的圖像,舍去該附加量,代之以X與Y軸的實(shí)際峰或谷偏差值與它們各自期望的偏差值之差。
在其它實(shí)施例中,前述基于圖像的幾行與幾列等較小部分的不很精密或完整的相關(guān)曲線值,可像671申請(qǐng)描述的那樣用來(lái)把峰或谷的像素偏差值識(shí)別到可能的最佳分辨度,對(duì)一些有用的應(yīng)用場(chǎng)合而言,精度仍足夠了。
在任何情況下,應(yīng)該明白,根據(jù)上述操作,偏差距離d2與d3的初估值常常精密得小于與相應(yīng)一根第一與第二測(cè)量軸111與112有關(guān)聯(lián)的相應(yīng)遞增步距增量的一半。相應(yīng)地,為精煉各維度的絕對(duì)位置測(cè)量,對(duì)于局部數(shù)據(jù)436與其參考位置相符的圖像,只需根據(jù)應(yīng)用的相關(guān)類(lèi)型測(cè)定任何一個(gè)或多個(gè)幅值高得多的谷或峰相對(duì)一個(gè)或多個(gè)相應(yīng)期望的偏差位置的偏差位置,以便執(zhí)行前述操作而把估算的偏差距離d2與d3以及最終的絕對(duì)位置測(cè)定的分辨度與精度提高到高分辨度等級(jí)。
如上所述,在諸實(shí)施例中,相關(guān)函數(shù)的生成方法是將捕獲的對(duì)應(yīng)于檢測(cè)窗440的圖像與所述的參考圖像作比較,使標(biāo)尺單元412的結(jié)構(gòu)與出現(xiàn)在檢測(cè)窗400里的空間418匹配。參考圖像可以是取自標(biāo)尺110的實(shí)際圖像或合成圖像。對(duì)參考圖像唯一的要求是其周期部分對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)周期部分410的結(jié)構(gòu),尺寸是以生成合適的2D相關(guān)曲線。如在諸實(shí)施例中,參考圖像沿一根或兩根測(cè)量軸111和/或112比2D標(biāo)尺110整幅檢測(cè)的圖像更短,使它只包括若干連續(xù)的一個(gè)個(gè)標(biāo)尺單元部分414和/或416,而這些部分分別沿第二和/或第一測(cè)量軸112和/或111肯定連續(xù)出現(xiàn)在2D標(biāo)尺110任一被檢測(cè)的圖像內(nèi)。
顯然,在其它實(shí)施例中,若使用合成圖像,則它可能只包括標(biāo)尺單元412和一個(gè)或多個(gè)周期部分410延伸穿過(guò)該合成圖像全長(zhǎng)的空間414的結(jié)構(gòu)。或者,合成圖像包括至少一個(gè)周期部分410,至少一個(gè)預(yù)定部分420和至少一個(gè)代表性非周期部分430的至少一部分。同樣地,取自2D標(biāo)尺110自身的參考圖像,一般包括至少一個(gè)周期部分410、至少一個(gè)預(yù)定部分420和至少一個(gè)非周期部分430的至少一部分。但應(yīng)明白,其中任一類(lèi)參考圖像的一段有關(guān)圖像,可以對(duì)應(yīng)于非周期部分430在相關(guān)操作期間被“刪除”或跳過(guò)的位置。對(duì)于實(shí)際的參考圖像,如可根據(jù)上述任一碼區(qū)定位法測(cè)定至少一個(gè)非周期430的位置。
還應(yīng)明白,若讀頭126相對(duì)2D標(biāo)尺110裝得迎角失準(zhǔn),則2D標(biāo)尺110的實(shí)際圖像將相對(duì)理想地對(duì)準(zhǔn)的2D標(biāo)尺110的參考圖像轉(zhuǎn)動(dòng),但這種失準(zhǔn)造成的有限的圖像轉(zhuǎn)動(dòng)通常是相容的,與讀頭126沿2D標(biāo)尺110的位置無(wú)關(guān)。因此,這種圖像轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的誤差在各位置幾乎一樣,所以在諸實(shí)施例中都予以忽略。
在其它實(shí)施例中,在校正操作期間,應(yīng)用已知或以后開(kāi)發(fā)的旋轉(zhuǎn)相關(guān)法,測(cè)定實(shí)際圖像與理想地對(duì)準(zhǔn)的參考圖像之間的旋轉(zhuǎn)失準(zhǔn)量。然后在正常操作期間出現(xiàn)的信號(hào)處理之前或期間,把參考或?qū)嶋H圖像以計(jì)算方法轉(zhuǎn)到對(duì)準(zhǔn),提高相關(guān)操作精度和位置測(cè)定精度。在另一些實(shí)施例中,從包含相容旋轉(zhuǎn)失準(zhǔn)的實(shí)際圖像中導(dǎo)出參考圖像,此時(shí),參考圖像與后續(xù)的實(shí)際圖像固有地旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)。
圖5示出第二實(shí)施例的2D整體絕對(duì)標(biāo)尺500,對(duì)應(yīng)于圖3所示的2D整體標(biāo)尺圖案300。如圖5所示,標(biāo)尺500有一個(gè)或多個(gè)2D周期部分410和多個(gè)沿測(cè)量軸111與112排列的2D非周期部分430。
圖5所示的第二實(shí)施例的2D整體絕對(duì)標(biāo)尺500,相對(duì)于圖4中第一實(shí)施例的2D整體絕對(duì)標(biāo)尺400,還包括多個(gè)區(qū)域417。在各區(qū)域417中,省略了圖4所示出現(xiàn)在第一實(shí)施例的2D整體絕對(duì)標(biāo)尺400中的第二標(biāo)尺單元部分416。同樣地,還省略了在圖4所示第一實(shí)施例的2D整體絕對(duì)標(biāo)尺400中延伸穿過(guò)區(qū)域417的第一標(biāo)尺單元414部分。
即在第二實(shí)施例的2D整體絕對(duì)標(biāo)尺300中,各區(qū)域417在一個(gè)或多個(gè)周期部分410的周期標(biāo)尺單元412圖案中造成一斷面。顯然,區(qū)域417分布在標(biāo)尺單元412的周期圖案內(nèi),因而檢測(cè)窗440定位在2D整體絕對(duì)標(biāo)尺500區(qū)內(nèi)任一地點(diǎn)時(shí),保證至少一個(gè)區(qū)域417出現(xiàn)在檢測(cè)窗440內(nèi),并從頂緣446到底緣448延伸穿過(guò)檢測(cè)窗440的整個(gè)高度。
圖5所示第二實(shí)施例的2D整體絕對(duì)標(biāo)尺500,還應(yīng)用了不同樣式的預(yù)定部分420和非周期部分430。具體而言,在該2D整體絕對(duì)標(biāo)尺500中,預(yù)定部分420定位到非周期部分430左側(cè),沿第一和第二測(cè)量軸111與112的尺寸等于沿第一或第二測(cè)量軸111或112的一個(gè)遞增步距。因此,對(duì)第一實(shí)施例而言,上述尺寸的示例值,預(yù)定部分420為寬40μm、寬40μm。
非周期部分430的代碼部分沿第一測(cè)量軸111的延伸的是第一測(cè)量軸111的遞增步距的1.5倍,沿第二測(cè)量軸112的延伸的是第二測(cè)量軸112的一個(gè)遞增步距。這樣,若碼區(qū)沿各測(cè)量軸111與112延伸該測(cè)量軸111或112的1/4遞增步距,如在圖4的第一實(shí)施例中那樣,則非周期部分將包含24個(gè)碼區(qū)。同樣地,預(yù)定部分將含16個(gè)潛在碼區(qū)。
如圖5所示,預(yù)定部分420延伸穿過(guò)區(qū)域417。圖5還示出一側(cè)代碼單元432的圖案和預(yù)定部分420中沿成行捕獲圖像建立可檢測(cè)的轉(zhuǎn)換圖案的空間434,與具體的代碼單元432和可能出現(xiàn)在相鄰非周期部分中的空間434的圖案無(wú)關(guān)。因此應(yīng)明白,可在檢測(cè)窗440內(nèi)任一行捕獲圖像中容易地在檢測(cè)窗440內(nèi)確定區(qū)域417的位置。
例如,每邊與約60個(gè)暗像素相接的約20個(gè)亮像素的圖案,明確地證實(shí)所選的行與一個(gè)第一標(biāo)尺單元部分414對(duì)準(zhǔn),20個(gè)亮像素對(duì)應(yīng)于區(qū)域417。同樣地,每邊與若干隔開(kāi)約20個(gè)像素的轉(zhuǎn)換相接的約60個(gè)亮像素的圖案,明確地證實(shí)所選的行對(duì)準(zhǔn)在兩個(gè)第一標(biāo)尺單元部分414之間,60個(gè)亮像素的中間20個(gè)像素對(duì)應(yīng)于區(qū)域417。
同樣地,對(duì)于延伸通過(guò)預(yù)定部分420和非周期部分430的行,預(yù)定部分420的頂部對(duì)準(zhǔn)一個(gè)第一標(biāo)尺單元,因而一長(zhǎng)串暗像素右側(cè)和至少10個(gè)暗像至少左側(cè)的10個(gè)亮像素圖案,明確地識(shí)別出正在通過(guò)預(yù)定部分頂部的所選的行。這樣,區(qū)域417與緊接這些10個(gè)亮像素左側(cè)的20個(gè)暗像素相關(guān)聯(lián)。
類(lèi)似地,對(duì)延伸通過(guò)預(yù)定部分420和非周期部分430的行,預(yù)定部分420的底部在兩個(gè)第一標(biāo)尺單元之間對(duì)準(zhǔn),因而在間隔開(kāi)約20個(gè)像素的若干轉(zhuǎn)換的右側(cè)和至少10個(gè)暗像互左側(cè)的50個(gè)亮像素圖案,明確地識(shí)別出正在通過(guò)預(yù)定部分底部的所選的行。這樣,區(qū)域417就與這50個(gè)亮像素中間的像素相關(guān)聯(lián)。
所以應(yīng)明白,利用圖5的2D整體絕對(duì)標(biāo)尺500的圖案,通過(guò)按前述討論選擇和分析任一行捕獲的圖像,就能在檢測(cè)窗440內(nèi)測(cè)定區(qū)域417沿第一測(cè)量軸111即X軸的位置。一旦測(cè)定了區(qū)域417的位置,就知道了區(qū)域417的中央像素列,然后作上下選擇和掃描,以測(cè)定預(yù)定部分4個(gè)暗碼單元432的頂與底緣出現(xiàn)在區(qū)域417內(nèi)的位置,因?yàn)檫@些代碼單元432只對(duì)應(yīng)于區(qū)域417內(nèi)的暗像素。另在本發(fā)明諸實(shí)施例中,這些頂緣或底緣與區(qū)域417中心像素行的X-Y交點(diǎn),在第一實(shí)施例的2D整體絕對(duì)標(biāo)尺400的討論中,可以用來(lái)滿足前面對(duì)代碼位置指示符和局部數(shù)據(jù)所述的函數(shù)。因此應(yīng)明白,應(yīng)用圖5的2D整體絕對(duì)標(biāo)尺500的圖案,可作特別快速而確定的一系列位置測(cè)定操作。
如前所述,局部數(shù)據(jù)和非周期部分430都與預(yù)定部分有一預(yù)定的關(guān)系,因而確定了預(yù)定部分420的2D位置,就很容易測(cè)定局部數(shù)據(jù)436沿各第一與第二測(cè)量軸111與112的位置和距離d2與d3。同樣地,能容易地探測(cè)和分析非周期部分430的代碼部分,以測(cè)定非周期部分430出現(xiàn)的二進(jìn)制值。這樣,上述明確的操作可將檢測(cè)窗440以及讀頭126與2D標(biāo)尺110的2D絕對(duì)位置高速地測(cè)定到第三分辨度。
應(yīng)明白,在參照?qǐng)D3-5的前述諸實(shí)施例中,二維整體標(biāo)尺圖案的標(biāo)尺單元一般按正交的行列排列,行對(duì)準(zhǔn)的方向?qū)?yīng)于一根測(cè)量軸,列對(duì)準(zhǔn)的方向?qū)?yīng)于另一根測(cè)量軸。但在其它實(shí)施例中,二維整體標(biāo)尺圖案的標(biāo)尺單元通常不按正交的行列排列,對(duì)準(zhǔn)的方向?qū)?yīng)于測(cè)量軸。如在其它實(shí)施例中,前述實(shí)施例的二維整體標(biāo)尺圖案相對(duì)測(cè)量軸旋轉(zhuǎn)。
在又一些實(shí)施例中,二維整體標(biāo)尺圖案的標(biāo)尺單元按非正交的行列排列,對(duì)準(zhǔn)的方向不一定對(duì)應(yīng)于測(cè)量軸。如在示出其它實(shí)施例中二維整體標(biāo)尺圖案實(shí)施例的前述附圖中,沿垂向定向的所有邊緣與邊界對(duì)垂直方向成一角度定向。結(jié)果,“平行四邊形”型標(biāo)尺單元按水平的行和非正交“傾斜的”對(duì)排列,在諸實(shí)施例中,這種“傾斜的”列對(duì)準(zhǔn)的方向不一定對(duì)應(yīng)于測(cè)量軸。
但在所有這類(lèi)“非正交”和/或“不對(duì)準(zhǔn)”的二維整體標(biāo)尺圖案中,用數(shù)學(xué)方法把沿任一特定方向?qū)?zhǔn)的測(cè)量值、長(zhǎng)度、周期標(biāo)尺特征步距等變換成沿另一特定方向(如對(duì)應(yīng)于測(cè)量軸的方向)對(duì)準(zhǔn)的相應(yīng)的測(cè)量值、長(zhǎng)度、周期標(biāo)尺特征步距等,顯然不難。另根據(jù)本發(fā)明原理,這種“非正交”和/或“不對(duì)準(zhǔn)”的二維整體示尺圖案狀況,仍然提供可與相應(yīng)的周期參考圖像、樣板或結(jié)構(gòu)作比較或相關(guān)的周期部分。因此應(yīng)明白,制作和使用這類(lèi)按本發(fā)明原理的“非正交”和/或“不對(duì)準(zhǔn)”的二維整體標(biāo)尺圖案很簡(jiǎn)單。
圖6示出一實(shí)施例方法,用于按本發(fā)明測(cè)定讀頭與2D標(biāo)尺之間的高分辨度2D絕對(duì)位置測(cè)量值。該方法在步驟S100開(kāi)始操作到S200,其中得到一部分2D標(biāo)尺的圖像。當(dāng)然,該部分2D標(biāo)尺的這一圖像要求包括至少一部分一個(gè)或多個(gè)周期部分和本發(fā)明原理等效的一個(gè)或多個(gè)非周期部分的圖像。于是在步驟S300,為了確定至少一組X與Y遞增偏移位置,把得到的圖像與一個(gè)或多個(gè)參考圖像作比較而產(chǎn)生足夠的相關(guān)函數(shù)值點(diǎn)。在諸實(shí)施例中,至少一組X與Y遞增偏移位置包括一組根據(jù)出現(xiàn)在該圖像或所有得到圖像中相對(duì)大部分的周期部分測(cè)定的高分辨度X與Y遞增偏差位置。接著在步驟S400,在該圖像中測(cè)定滿意的代碼位置指示符和局部數(shù)據(jù)的位置。操作再繼續(xù)到步驟S500。
應(yīng)明白,在諸實(shí)施例中,參考圖像之一可以是對(duì)應(yīng)于以普通方法得到的圖像的合成圖像。如出現(xiàn)在合成圖像里的非周期部分,可以沒(méi)有變化,或者近似代表出現(xiàn)在標(biāo)尺上的所有非周期部分,從而盡量減小了合成非周期部分與各實(shí)際非周期部分之間的差異。在其它實(shí)施例中,參考圖像之一可以是只包括對(duì)應(yīng)于一周期部分特征的一般參考圖像。顯然,可以應(yīng)用能以足夠精度生成相關(guān)曲線的任何合成圖像結(jié)構(gòu)。在其它實(shí)施例中,把取自標(biāo)尺的實(shí)際圖像用作參考圖像之一。
在步驟S500,根據(jù)滿意的代碼位置指示符,測(cè)定或定位一系列地址或像素位置,它們對(duì)應(yīng)于非周期部分出現(xiàn)在步驟S200得到的2D標(biāo)尺部分圖像里的代碼部分信息或數(shù)據(jù)。接著在步驟S600,根據(jù)在一素列對(duì)應(yīng)于被測(cè)定或定位代碼部分中的地址或像素位置,測(cè)定讀頭與2D標(biāo)尺間的第一分辨度2D絕對(duì)位置。操作再繼續(xù)到步驟S700。
在步驟S700,根據(jù)局部數(shù)據(jù)與出現(xiàn)在得到圖像中已識(shí)別非周期部分相關(guān)聯(lián)的位置,測(cè)定讀頭與標(biāo)尺的第二分辨度2D相對(duì)位置。顯然在諸實(shí)施例中,局部數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)在得到圖像中與已識(shí)別非周期部分相鄰的周期部分內(nèi)。反之,在其它實(shí)施例中,局部數(shù)據(jù)出現(xiàn)在已識(shí)別非周期部分內(nèi)。然后在步驟S800,根據(jù)一條或多條生成的相關(guān)曲線,測(cè)定讀頭與標(biāo)尺的第三分辨度2D相對(duì)位置。在諸實(shí)施例中,讀頭與標(biāo)尺的第三分辨度2D相對(duì)位置,以一組高分辨度的X與Y遞增偏移位置為基礎(chǔ)。操作再進(jìn)到步驟S900。
在步驟S900,讀頭與標(biāo)尺的第一、第二和第三分辨度2D相對(duì)位置經(jīng)組合,產(chǎn)生讀頭與對(duì)應(yīng)于得到圖像的2D標(biāo)尺相對(duì)位置的第三分辨度2D絕對(duì)測(cè)量值。然后在步驟S1000,輸出基于組合測(cè)量測(cè)定的讀頭相對(duì)標(biāo)尺的2D第三分辨度絕對(duì)位置。操作再進(jìn)到步驟S1100,停止該方法操作。
圖7與8的流程圖詳述一例可用于圖4所示示例標(biāo)尺實(shí)施例的方法,用于按本發(fā)明比較得到的圖像與一個(gè)或多個(gè)參考圖像,以生成至少一組X與Y遞增偏移位置。如圖7所示,該方法在步驟S300開(kāi)始操作并進(jìn)到步驟S305,選出第一或下一行得到的圖像像素。然后在步驟S310,判斷所選的行是否以一系列對(duì)應(yīng)于圖像中X軸步距的轉(zhuǎn)換開(kāi)始,若是,操作跳到步驟S315,否則操作返回步驟S305,可以選下一行。
在步驟S315,選一部分所選行含一系列轉(zhuǎn)換的像素作分析。接著在步驟S300,對(duì)所選行的選擇部分生成相關(guān)函數(shù)值。具體而言,比較所選部分與單行含亮暗部分的參考圖像,生成各相關(guān)函數(shù)值,這些亮暗部分對(duì)應(yīng)于第二標(biāo)尺單元部分與空間的交替圖案。在對(duì)應(yīng)于第二標(biāo)尺單元部分沿第一測(cè)量軸的一個(gè)遞增步距的范圍內(nèi),相對(duì)單行參考圖像移動(dòng)所選部分,生成該相關(guān)曲線。操作再進(jìn)到步驟S325。
在步驟S325,根據(jù)生成的相關(guān)函數(shù)值點(diǎn),測(cè)定第二標(biāo)尺單元部分沿第一測(cè)量軸的X軸遞增偏移。然后在步驟S330,根據(jù)測(cè)定的X軸圖像偏移,選擇得到圖像的初列像素。接著在步驟S335,判斷所選的列是否以一系列對(duì)應(yīng)于圖像中Y軸步距的轉(zhuǎn)換開(kāi)始,若是,操作跳到步驟S345,否則操作進(jìn)到步驟S340。在步驟S340,根據(jù)圖像中的X軸步距選擇下列,操作再返回步驟S335。
當(dāng)然,如上所述,在其它實(shí)施例中,在步驟S310,判斷可以包括或代之以判斷所選的行是延伸通過(guò)預(yù)定部分還是非周期部分,同樣在步驟S335,判斷可包括或代之以判斷所選的列是延伸通過(guò)預(yù)定部分還是非周期部分。
在步驟S345,選擇一部分所選列的像素。然后在步驟S450,對(duì)所選部分的所選列生成相關(guān)函數(shù)值。具體而言,比較所選部分與單列含亮暗部分的參考圖像,生成這些Y軸相關(guān)函數(shù)值的各相關(guān)點(diǎn)。這些亮暗部分對(duì)應(yīng)于第一標(biāo)尺單元部分與空間的交替圖案。在對(duì)應(yīng)于圖像中一個(gè)Y軸步距增量的范圍內(nèi),相對(duì)單列參考圖像移動(dòng)所選部分,生成相關(guān)函數(shù)值。操作再進(jìn)到步驟S355。
在步驟S355,根據(jù)生成的相關(guān)函數(shù)值點(diǎn),測(cè)定第一標(biāo)尺單元部分遞增步距內(nèi)所選列沿第二測(cè)量軸的Y軸遞增偏移。然后在步驟S360,在對(duì)應(yīng)于先前測(cè)定的X與Y軸遞增偏移值的偏移點(diǎn)周?chē)?,生成一組更高分辨度的X與Y相關(guān)函數(shù)值。通常,為測(cè)定該第三條相關(guān)曲線,要求只對(duì)該偏移點(diǎn)及其周?chē)鷰讉€(gè)點(diǎn)測(cè)定該相關(guān)函數(shù)。操作再進(jìn)到步驟S365,控制返回步驟S400。
圖9的流程圖詳述一例步驟S600的方法,該法根據(jù)已識(shí)別的非周期部分代碼,把讀頭與2D整體絕對(duì)標(biāo)尺的2D絕對(duì)位置測(cè)定到第一2D分辨度。如圖9所示,該方法在步驟S600開(kāi)始操作并進(jìn)到S610,選擇得到圖像中非周期部分代碼的若干行像素。然后在步驟S620,根據(jù)非周期部分代碼的所選行像素,分析該非周期部分的代碼單元序列。通常,這包括分析出現(xiàn)在所選一行或多行內(nèi)的相對(duì)亮暗像素的序列或相對(duì)亮暗像素間的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換。操作再進(jìn)到步驟S630。
在步驟S630,處理已分析的代碼單元,確定一個(gè)或多個(gè)碼字,這些碼字可用來(lái)測(cè)定沿各第一與第二測(cè)量軸的第一分辨度2D絕對(duì)位置測(cè)量值。顯然在諸實(shí)施例中,編碼的標(biāo)尺標(biāo)記限定一二進(jìn)制碼字,其中暗像素對(duì)應(yīng)于一個(gè)二進(jìn)制值,亮像素對(duì)應(yīng)于另一個(gè)二進(jìn)制值。當(dāng)然應(yīng)明白,可以應(yīng)用非二進(jìn)制編碼法,如三元或更高級(jí)方法。
接著在步驟S640,處理一個(gè)或多個(gè)碼字,測(cè)定一對(duì)第一分辨度2D絕對(duì)位置測(cè)量值,這些值沿各第一與第二測(cè)量軸,把標(biāo)尺在得到圖像中的該部分和/或2D位置因而也是2D標(biāo)尺相對(duì)讀頭的位置指示到第一分辨度。操作再進(jìn)到步驟S650,該方法的操作返回步驟S700。
顯然,在諸實(shí)施例中,把一個(gè)或多個(gè)碼字用作查表的一個(gè)或多個(gè)輸入地址,把這些碼字轉(zhuǎn)換成第一分辨度位置測(cè)量值。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)碼字指示的一個(gè)或多個(gè)地址,查表輸出指示相應(yīng)的第一分辨度位置測(cè)量值。相比之下,在其它實(shí)施例中,一個(gè)或多個(gè)碼字沿各測(cè)量軸在標(biāo)尺原點(diǎn)與讀頭相對(duì)標(biāo)尺的當(dāng)前位置之間限定了若干第一分辨度周期d0與d1。因此,第一分辨度周期d0與d1各自乘以碼字或數(shù)值,就得到沿相應(yīng)測(cè)量軸的第一分辨度距離測(cè)量值。在其它實(shí)施例中,兩個(gè)碼字各自限定的數(shù)本身就是沿測(cè)量軸之一的第一分辨度距離測(cè)量值。
圖10的流程圖詳述一例按本發(fā)明在圖像中測(cè)定滿意的代碼位置指示符與局部數(shù)據(jù)的位置。如圖10所示,操作在步驟S400開(kāi)始并進(jìn)到S405,根據(jù)步驟S355測(cè)定的Y軸偏移,選擇初像素行。然后在步驟S410,判斷所選行是否包含對(duì)應(yīng)于出現(xiàn)在預(yù)定部分中由代碼單元與空碼區(qū)組成的圖案的可靠主系列轉(zhuǎn)換。若是,操作跳到步驟S440。否則操作進(jìn)到步驟S415,根據(jù)碼區(qū)沿第二測(cè)量軸的大小和/或預(yù)定部分與第一標(biāo)尺單元部分的關(guān)系,選擇下一行。操作再返回步驟S410。
在步驟S420,測(cè)定主系列轉(zhuǎn)換的行數(shù),即步驟S410選擇的主行。接著在步驟S425,判斷測(cè)定的主系列轉(zhuǎn)換的行數(shù)是否大于第一閾值,若大于,操作就跳到步驟S455,否則操作進(jìn)到步驟S430,選擇某一行,該行是所選主行下面預(yù)定的行數(shù),而且肯定位于圖像中下一預(yù)定部分的上面。然后在步驟S435,判斷所選行是否包含一系列可靠的對(duì)應(yīng)于預(yù)定部分中代碼單元與空碼區(qū)圖案的二次轉(zhuǎn)換。若包含,操作跳到步驟S445,否則操作進(jìn)到S440,根據(jù)碼區(qū)沿第二測(cè)量軸的大小和/或預(yù)定部分與第一標(biāo)尺單元部分的關(guān)系,選下一行。操作再返回步驟S435。
在步驟S445,判斷對(duì)所選第二行測(cè)定的行數(shù)是否大于第二閾值。若是,操作跳到步驟S455,否則操作進(jìn)到S450,把第二系列轉(zhuǎn)換的位置用作滿意的代碼位置指示符和局部數(shù)據(jù)。操作再跳到步驟S460。
反之,在步驟S455,把主系列轉(zhuǎn)換的位置用作滿意的代碼位置指示符和局部數(shù)據(jù)。操作再進(jìn)到步驟S460,在此返回步驟S500。
圖11的流程圖詳述一例可用于圖5所示實(shí)施例的方法,用于按本發(fā)明測(cè)定圖像中滿意的代碼位置指示符和局部數(shù)據(jù)的位置。如圖11所示,該方法在步驟S400開(kāi)始并進(jìn)到S470,選擇得到圖像的任一行。然后在步驟S475,分析所選的行,探測(cè)造成獨(dú)特預(yù)定轉(zhuǎn)換圖案的區(qū)域或任何數(shù)量的一組獨(dú)特預(yù)定的轉(zhuǎn)換圖案,其中至少一個(gè)圖案出現(xiàn)在圖像每一行中。在諸實(shí)施例中,這樣一組獨(dú)特預(yù)定的轉(zhuǎn)換圖案,包括一種對(duì)應(yīng)于“遺失的”第二標(biāo)尺單元部分的轉(zhuǎn)換圖案。接著在步驟S480,根據(jù)探測(cè)的預(yù)定轉(zhuǎn)換圖案,按其位置選一列。操作再進(jìn)到步驟S485。
在步驟S485,分析所選的列,確定基于所選列分析肯定能定位的滿足的代碼位置指示符和局部數(shù)據(jù)的位置。然后在步驟S490,分析局部數(shù)據(jù)的位置,沿各第一與第二測(cè)量軸對(duì)與探測(cè)的預(yù)定部分相關(guān)聯(lián)的局部數(shù)據(jù)測(cè)定在圖像中的偏移距離d2與d3。操作再進(jìn)到步驟S495,在此返回步驟S500。
顯然,相對(duì)于步驟S700,通過(guò)測(cè)定局部數(shù)據(jù)在得到圖像中的位置,可以相對(duì)在有關(guān)信號(hào)處理操作中隱含的局部數(shù)據(jù)的參考位置而測(cè)定第二分辨度相對(duì)位置。前述任一類(lèi)局部數(shù)據(jù)都可以應(yīng)用。
不管用何種特征或特性來(lái)限定局部數(shù)據(jù),在諸實(shí)施例中,當(dāng)局部數(shù)據(jù)的參考位置是得到圖像的邊緣時(shí),通過(guò)沿測(cè)量軸統(tǒng)計(jì)限定局部數(shù)據(jù)的特征與得到圖像相應(yīng)邊緣之間的像素?cái)?shù),就可沿各測(cè)量軸測(cè)定局部數(shù)據(jù)到得到圖像該邊緣的距離。但應(yīng)明白,局部數(shù)據(jù)特征的像素位置和局部數(shù)據(jù)特征與得到圖像邊緣之間的距離d2與d3,通常有某種不確定性,其量級(jí)為幾個(gè)像素。
圖12的框圖詳述一例圖1所示的信號(hào)發(fā)生處理電路200。如圖12所示,該電路200包括控制器205、光源驅(qū)動(dòng)器220、光檢測(cè)器接口225、存儲(chǔ)器230、部分定位電路240、譯碼電路250、測(cè)距電路260、比較電路270、比較結(jié)果累計(jì)275、內(nèi)插電路280、位置累加器290、顯示驅(qū)動(dòng)器201和任選的輸入接口203。
控制器205經(jīng)信號(hào)線206接光源驅(qū)動(dòng)器220,經(jīng)信號(hào)線207接光檢測(cè)器接口225,經(jīng)信號(hào)線208接存儲(chǔ)器230。同樣地,控制器205經(jīng)信號(hào)線209-215分別接部分定位電路240、譯碼電路250、測(cè)距電路260、比較電路270、比較結(jié)果累加器275、內(nèi)插電路280和位置累加器290。最后,控制器205經(jīng)信號(hào)線216接顯示驅(qū)動(dòng)器201,若有的話,經(jīng)信號(hào)線217接輸入接口203。存儲(chǔ)器230包括當(dāng)前圖像部分232、參考圖像部分234和相關(guān)部分236。
操作時(shí),控制器205經(jīng)信號(hào)線206向光源驅(qū)動(dòng)器220輸出控制信號(hào)。作為響應(yīng),光源驅(qū)動(dòng)器220經(jīng)信號(hào)線132向光源130輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。接著,控制器205經(jīng)信號(hào)線207與208向光檢測(cè)器接口225和存儲(chǔ)器230輸出控制信號(hào),把經(jīng)信號(hào)線164接收自對(duì)應(yīng)于各像元162的光檢測(cè)器160的信號(hào)部分存入當(dāng)前圖像部分232。具體而言,在對(duì)應(yīng)于陣列166內(nèi)各像元162位置的當(dāng)前圖像部分232的2D陣列中,存貯來(lái)自各像元162的像值。
將得到的或當(dāng)前工作的圖像存入當(dāng)前圖像部分232后,當(dāng)前圖像經(jīng)信號(hào)線238輸出給部分定位電路240。于是根據(jù)控制器205經(jīng)信號(hào)線209輸出的控制信號(hào),部分定位電路240分析貯存在當(dāng)前圖像部分232里一個(gè)或多個(gè)行和列的得到圖像,以對(duì)預(yù)定部分320和/或非周期部分330定位。具體而言,根據(jù)圖4和5所示在2D標(biāo)尺110中實(shí)施的具體結(jié)構(gòu)之一,該分析可應(yīng)用以上對(duì)圖4和5描述的相應(yīng)技術(shù)。因而在諸實(shí)施例中,部分定位電路240可以結(jié)合比較電路270與比較結(jié)果累加器275操作。然后根據(jù)經(jīng)信號(hào)線210來(lái)自控制器205的控制信號(hào),譯碼電路250從存儲(chǔ)器230的當(dāng)前圖像部分232中輸入由部分定位電路240定位的出現(xiàn)在得到圖像內(nèi)的非周期部分。
于是,譯碼電路250應(yīng)用上述技術(shù)之一,把得到圖像被定位部分中的亮暗像素圖案轉(zhuǎn)換成一個(gè)或多個(gè)碼字,并把該一個(gè)或多個(gè)碼字轉(zhuǎn)換成一對(duì)第一分辨度絕對(duì)位置測(cè)量值。譯碼電路250經(jīng)信號(hào)線252向位置累加器290輸出這些第一分辨度絕對(duì)位置測(cè)量值。
接著,根據(jù)部分定位電路240定位的預(yù)定部分或非周期部分,控制器205經(jīng)信號(hào)線211向測(cè)距電路260輸出控制信號(hào)。作為響應(yīng),測(cè)距電路260從存儲(chǔ)器230的當(dāng)前圖像部分232中輸入全部或部分得到的圖像,至少包括局部數(shù)據(jù)的參考位置,諸如得到圖像的邊緣和測(cè)定局部數(shù)據(jù)位置所需的得到圖像部分。然后,測(cè)路電路260分析該輸入的得到圖像部分,以根據(jù)局部數(shù)據(jù)與其相應(yīng)參考位置的距離,對(duì)讀頭相對(duì)2D標(biāo)尺的2D相對(duì)位置測(cè)定第二分辨度距離測(cè)量值。測(cè)距電路260再經(jīng)信號(hào)線262向位置累加器290輸出這些第二分辨度距離測(cè)量值。
然后,控制器205在信號(hào)線209上向比較電路270輸出信號(hào),執(zhí)行以上對(duì)圖4和5描述的有關(guān)相關(guān)技術(shù)。在諸實(shí)施例中,對(duì)有關(guān)行列部分的有關(guān)偏移確定諸一維相關(guān)曲線或相關(guān)函數(shù)值。相應(yīng)地,如以上對(duì)涉及圖4示例標(biāo)尺的操作所指示的那樣,運(yùn)用操縱比較電路270與比較結(jié)果累加器275的控制器205并結(jié)合操縱部分定位電路的控制器205,像對(duì)圖4描述的那樣對(duì)有關(guān)行列部分定位,產(chǎn)生相關(guān)函數(shù)值。
響應(yīng)來(lái)自控制器205準(zhǔn)備對(duì)各有關(guān)軸產(chǎn)生一特定相關(guān)曲線或相關(guān)函數(shù)值的控制信號(hào),比較電路270經(jīng)信號(hào)線238對(duì)特定像素輸入來(lái)自貯存在當(dāng)前圖像部分232里相應(yīng)當(dāng)前圖像部分的像值,并根據(jù)當(dāng)前偏移,經(jīng)信號(hào)線238對(duì)相應(yīng)像素輸入來(lái)自貯存在參考圖像部分234里有關(guān)參考圖像的像值。然后,比較電路270應(yīng)用相關(guān)算法測(cè)定比較結(jié)果。根據(jù)當(dāng)前偏移,比較電路220可用任一已知或以后開(kāi)發(fā)的合適相關(guān)技術(shù),以逐個(gè)像素的原則比較貯存在當(dāng)前圖像部分232里的當(dāng)前圖像與貯存在參考圖像部分234里的參考圖像。比較電路270在信號(hào)線272上向比較結(jié)果累加器275輸出當(dāng)前相關(guān)偏移的比較結(jié)果。
一旦比較電路270對(duì)特定相關(guān)曲線或相關(guān)函數(shù)值為來(lái)自當(dāng)前圖像部分232的各像元162提取和比較了該像值,并將它們與貯存在參考圖像部分234里的相應(yīng)像值作了比較,而且應(yīng)用該相關(guān)技術(shù)把比較結(jié)果輸出給比較結(jié)果累加器275,則貯存在比較結(jié)果累加275里的該值就以預(yù)定單位限定了對(duì)應(yīng)于當(dāng)前2D即X或Y偏移的相關(guān)值。于是,控制器205經(jīng)信號(hào)線213向比較結(jié)果累加器275輸出信號(hào),并經(jīng)信號(hào)線208向存儲(chǔ)器230輸出信號(hào),因而將貯存在比較結(jié)果累加器275里的相關(guān)值結(jié)果輸出并存貯在存儲(chǔ)器230的相關(guān)部分236中,位置對(duì)應(yīng)于當(dāng)前2D即X或Y偏移。
然后,控制器205在信號(hào)線213上輸出信號(hào),清除結(jié)果累加器275。比較電路270對(duì)特定相關(guān)曲線或相關(guān)函數(shù)值在貯存在當(dāng)前圖像部分232里的當(dāng)前圖像與貯存在參考圖像部分234的參考圖像之間所有期望的偏移作了比較,而且其結(jié)果在控制器205控制下被比較結(jié)果累加器275累加并存入相關(guān)部分236之后,控制器205就經(jīng)信號(hào)線214向內(nèi)插電路280輸出控制信號(hào)和/或經(jīng)信號(hào)線209向部分定位電路240輸出控制信號(hào)。
對(duì)于比較電路270和比較結(jié)果累加器275生成的2D相關(guān)曲線,在控制器205控制下,把貯存在存儲(chǔ)器230相關(guān)部分236里的被存2D相關(guān)曲線輸出給內(nèi)插電路。即內(nèi)插電路280經(jīng)信號(hào)線238對(duì)2D相關(guān)曲線或相關(guān)函數(shù)值輸入貯存在相關(guān)部分236里的相關(guān)結(jié)果,并用該相關(guān)函數(shù)峰/谷附近選擇的一個(gè)個(gè)相關(guān)函數(shù)值點(diǎn)作內(nèi)插,沿X與Y方向以亞像素分辨度測(cè)定峰偏移值或圖像位移值。然后經(jīng)信號(hào)線214在來(lái)自控制器205的信號(hào)的控制下,內(nèi)插電路280在信號(hào)線282上向位置累加器290輸出測(cè)定的亞像素第三分辨度測(cè)量值。
內(nèi)插電路280應(yīng)用任一已知或以后開(kāi)發(fā)的技術(shù),如引用的671專(zhuān)利揭示的任一技術(shù),把2D相關(guān)函數(shù)或相關(guān)函數(shù)值所選峰的實(shí)際位置求解到亞像素分辨度。內(nèi)插電路280再經(jīng)信號(hào)線282向位置累加器290輸出這一亞像素分辨度的遞增偏移位置信息。
位置累加器290把各個(gè)譯碼電路250、測(cè)距電路260和內(nèi)插電路280輸出的2D位置或距離測(cè)量值組合起來(lái),產(chǎn)生指示讀頭相對(duì)于標(biāo)尺位置的第三分辨度2D絕對(duì)位置測(cè)量值。位置累加器290經(jīng)信號(hào)線292向控制器205輸出該2D絕對(duì)位置測(cè)量值,控制器205再經(jīng)信號(hào)線216向顯示驅(qū)動(dòng)器201輸出測(cè)定的絕對(duì)位置測(cè)量值,而顯示驅(qū)動(dòng)器201經(jīng)信號(hào)線202輸出控制信號(hào)而驅(qū)動(dòng)顯示器(未示出)輸出測(cè)定的絕對(duì)位置測(cè)量值。
作為響應(yīng),控制器205經(jīng)信號(hào)線217向設(shè)置的顯示驅(qū)動(dòng)器201輸出修正的2D位置值,于是顯示驅(qū)動(dòng)器201經(jīng)信號(hào)線202向顯示裝置107輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào),以顯示當(dāng)前位移值。
若設(shè)置一條或多條信號(hào)線204,就可在操作員或協(xié)作系統(tǒng)與控制器210之間聯(lián)接。設(shè)置的話,輸入接口203可以緩沖或變換輸入信號(hào)或命令,并對(duì)控制器205發(fā)送有關(guān)信號(hào)。
顯然,前述討論著重于標(biāo)尺110,其中各非周期部分310沿測(cè)量軸方向112有一特征范圍,各周期部分330沿測(cè)量軸方向112也有一特征范圍。但在其它實(shí)施例中,這些范圍在一個(gè)或多個(gè)周期部分330和/或非周期部分330內(nèi)可以不同。不過(guò)在這類(lèi)情況下,各非周期部分330的碼元必須仍指示局部數(shù)據(jù)的測(cè)量值,即使局部數(shù)據(jù)不一定沿標(biāo)尺周期性地出現(xiàn)。
在上述各實(shí)施例中,標(biāo)尺為平面構(gòu)件。但應(yīng)明白,在其它實(shí)施例中,標(biāo)尺是具有轉(zhuǎn)軸的柱形構(gòu)件,或至少限定一部分限定柱軸的柱表面。此時(shí),對(duì)柱形村尺應(yīng)用本發(fā)明的二維整體標(biāo)尺圖案,使第一和第二測(cè)量軸的一根平行于柱軸,另一根沿柱形構(gòu)件或表面的外周安置。這樣,可用本發(fā)明的二維整體標(biāo)尺圖案建立讀頭與柱形表面的絕對(duì)位置。
還應(yīng)明白,雖已圖示和描述了本發(fā)明諸實(shí)施例,但范圍廣泛的其它代碼與檢測(cè)方案可應(yīng)用于非周期部分,而且范圍廣泛的其它軟硬件方案也適用于檢測(cè)周期部分相對(duì)讀頭的位置,以提供符合本發(fā)明原理的第三分辨度測(cè)量值。還要明白,前面討論中為簡(jiǎn)潔地描述軸,諸操作和特征都參照X與Y軸之一作描述。然而,本文相對(duì)任一軸所描述的諸操作和特征,完全適用于本發(fā)明諸實(shí)施例中對(duì)其它軸的各種組合。因此應(yīng)明白,可對(duì)本文所圖示和描述的本發(fā)明諸實(shí)施例作各種變化而不違背本發(fā)明的精神與范圍。
權(quán)利要求
1.一種能用來(lái)沿第一與第二測(cè)量軸測(cè)量第一構(gòu)件相對(duì)第二構(gòu)件位置的二維絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,所述二維絕對(duì)位置檢測(cè)裝置包括讀頭與標(biāo)尺,標(biāo)尺包括沿第一與第二測(cè)量軸延伸的二維整體標(biāo)尺圖案,二維整體標(biāo)尺圖案包括至少一個(gè)周期部分,各周期部分沿第一與第二測(cè)量軸延伸,各周期部分包括在至少第一范圍內(nèi)沿第一方向周期性排列并在至少第二范圍內(nèi)沿第二方向延伸的多個(gè)條狀第一周期標(biāo)尺單元內(nèi),多個(gè)第一周期標(biāo)尺單元區(qū)包括遞增標(biāo)尺特征沿第二方向的特性化第一配置,而且在至少第二范圍內(nèi)沿第二方向周期性排列并在至少第一范圍內(nèi)沿第一方向延伸的多個(gè)版權(quán)法狀第二周期標(biāo)尺單元區(qū),多個(gè)第二周期標(biāo)尺單元區(qū)包括遞增標(biāo)尺特征沿第一方向的特性化第二配置;和多個(gè)分布在二維整體標(biāo)尺圖案內(nèi)的非周期部分,它們沿第一方向隔開(kāi)至少第一距離,第一距離橫跨至少兩個(gè)第一周期標(biāo)尺單元區(qū),包括遞增標(biāo)尺特征沿第二方向的特性化第一配置,并沿第二方向隔開(kāi)至少第二距離,第二距離橫跨至少兩個(gè)第二周期標(biāo)尺單元區(qū),包括遞增標(biāo)尺特征沿第一方向的特性化第二配置,各非周期部分包括多個(gè)限定至少一個(gè)碼字的碼元,至少一個(gè)碼字可用于識(shí)別局部數(shù)據(jù)沿各第一與第二測(cè)量軸的測(cè)量值;其中,配置至少一個(gè)周期部分和多個(gè)非周期部分,使得讀頭沿各第一與第二方向延伸的檢測(cè)窗包括若干足以限定至少一個(gè)碼字的碼元,限定的至少一個(gè)碼字可用來(lái)識(shí)別局部數(shù)據(jù)沿第一與第二測(cè)量軸的測(cè)量值,與檢測(cè)窗在二維整體標(biāo)尺圖案內(nèi)的位置無(wú)關(guān)。
2.如權(quán)利要求1的二維絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中第一距離橫跨至少四個(gè)第一周期標(biāo)尺單元區(qū),包括遞增標(biāo)尺特征沿第二方向的特性化第一配置。
3.如權(quán)利要求2的二維絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中第二距離橫跨至少四個(gè)第二周期標(biāo)尺單元區(qū),包括遞增標(biāo)尺特征沿第一方向的特性化第二配置。
4.如權(quán)利要求1的二維絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中至少有些碼元沿第一方向的長(zhǎng)度比第一周期標(biāo)尺單元區(qū)沿第一方向的長(zhǎng)度更窄。
5.如權(quán)利要求4的二維絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中至少有些碼元沿第二方向的長(zhǎng)度比第二周期標(biāo)尺單元區(qū)沿第二方向的長(zhǎng)度更窄。
6.如權(quán)利要求4的二維絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中至少有些碼元沿第一方向的長(zhǎng)度是第一周期標(biāo)尺單元區(qū)沿第一方向的長(zhǎng)度的約一半。
7.如權(quán)利要求1的二維絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中標(biāo)尺特征沿第二方向的特性化第一配置包括至少下列之一a)沿第二方向延伸而穿過(guò)至少兩個(gè)第二周期標(biāo)尺單元區(qū)的標(biāo)尺單元,b)沿第二方向延伸穿過(guò)至少兩個(gè)第二周期標(biāo)尺單元區(qū)的標(biāo)尺空間,和c)沿第二方向周期性排列且步距與第二周期標(biāo)尺單元區(qū)沿第二方向的步距相同的標(biāo)尺單元與標(biāo)尺空間的交替圖案。
8.如權(quán)利要求7的二維絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中標(biāo)尺特征沿第二方向的特性化第二配置包括至少下列之一a)沿第一方向延伸穿過(guò)至少兩個(gè)第一周期標(biāo)尺單元區(qū)的標(biāo)尺單元,b)沿第一方向延伸穿過(guò)至少兩個(gè)第一周期標(biāo)尺單元區(qū)的標(biāo)尺空間,和c)沿第一方向周期性排列且步距與第一周期標(biāo)尺單元區(qū)沿第一方向的步距相同的標(biāo)尺單元與標(biāo)尺空間的交替圖案。
9.如權(quán)利要求1的二維絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中各個(gè)多個(gè)非周期部分預(yù)定的部分包括與各個(gè)多個(gè)非周期部分同樣的圖案。
10.如權(quán)利要求1的二維絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中檢測(cè)窗面積被非周期部分占居的百分比最多為20%,與檢測(cè)窗相對(duì)于至少一個(gè)周期部分和多個(gè)非周期部分沿第一與第二測(cè)量軸的位置無(wú)關(guān)。
11.如權(quán)利要求10的二維絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中百分比最多為10%。
12.如權(quán)利要求1的二維絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中二維整體標(biāo)尺圖案包括至少一個(gè)漫反射表面。
13.如權(quán)利要求12的二維絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中標(biāo)尺含一透明在板,二維整體標(biāo)尺圖案設(shè)置在基板離讀頭最遠(yuǎn)的表面上;和至少一個(gè)漫反射表面包括至少一個(gè)部分設(shè)置在離讀頭最遠(yuǎn)的表面上二維整體標(biāo)尺圖案上的至少一塊擴(kuò)散襯墊。
14.如權(quán)利要求1的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中是以限定被限定的至少一個(gè)碼字的第一部分碼元數(shù),包含在多個(gè)至少部分包含在檢測(cè)窗里的非周期部分的第一個(gè)中,而是以限定被限定的至少一個(gè)碼字的第二部分碼元數(shù),包含在多個(gè)至少部分包含在檢測(cè)窗里的非周期部分的第二個(gè)中。
15.如權(quán)利要求1的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中讀頭檢測(cè)窗包括至少一個(gè)完整的非周期部分,它包含是以限定被限定的至少一個(gè)碼字的碼元數(shù),與檢測(cè)窗在二維整體標(biāo)尺圖案內(nèi)的位置無(wú)關(guān)。
16.如權(quán)利要求1的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中沿第一方向周期性排列的每個(gè)多個(gè)條狀第一周期標(biāo)尺單元區(qū),均按沿第一范圍第一方向連續(xù)周期性的第一基本遞增步距排列。
17.如權(quán)利要求16的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中沿第二方向周期性排列的每個(gè)多個(gè)條狀第二周期標(biāo)尺單元區(qū),均按沿第二范圍第二方向連續(xù)周期性的第二基本遞增步距排列。
18.如權(quán)利要求17的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中第一和第二基本遞增步距為同樣長(zhǎng)度。
19.如權(quán)利要求16的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中第二范圍至少是第一基本遞增步距長(zhǎng)度的10倍。
20.如權(quán)利要求16的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中多個(gè)第一周期標(biāo)尺單元區(qū)包括非周期部分附近以外的所有第一周期標(biāo)尺單元區(qū)。
21.如權(quán)利要求20的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中多個(gè)第二周期標(biāo)尺單元包括非周期部分附近以外的所有第二周期標(biāo)尺單元區(qū)。
22.如權(quán)利要求1的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中讀頭包括光源和能探測(cè)標(biāo)尺與檢測(cè)窗共同擴(kuò)張的圖像的二維檢測(cè)陣列;和多個(gè)碼元和遞增標(biāo)尺特征沿整體標(biāo)尺圖案排列,當(dāng)讀頭相對(duì)標(biāo)尺操作定位時(shí),檢出的標(biāo)尺圖像包括可用作局部數(shù)據(jù)點(diǎn)的特征,與沿二維整體標(biāo)尺圖案的讀頭位置無(wú)關(guān)。
23.如權(quán)利要求22的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中檢出的圖像可用來(lái)沿每個(gè)分別對(duì)應(yīng)于第一與第二測(cè)量軸的兩個(gè)方向,測(cè)定讀頭相對(duì)局部數(shù)據(jù)點(diǎn)偏移的測(cè)量值。
24.如權(quán)利要求22的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中二維檢測(cè)器陣列包括多個(gè)沿相應(yīng)于第一測(cè)量軸的方向按檢測(cè)器元件第一步距排列的檢測(cè)器元件;讀頭還包括至少一個(gè)光學(xué)元件,來(lái)自標(biāo)尺的光通過(guò)該至少一個(gè)光學(xué)元件,從而放大檢測(cè)器陣列檢出的標(biāo)尺圖像,對(duì)檢出圖像給予讀大放大作用,和各碼元沿第一測(cè)量軸的長(zhǎng)度為L(zhǎng)c,因而長(zhǎng)度Lc乘上讀頭放大倍數(shù)至少是檢測(cè)器元件第一步距的3倍。
25.如權(quán)利要求1的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中每個(gè)至少一個(gè)碼字可直接用于沿每根第一與第二測(cè)量軸測(cè)定局部數(shù)據(jù)的測(cè)量值而不用參照查表。
26.如權(quán)利要求1的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其特征在于還包括信號(hào)處理單元,其中當(dāng)可操作定位的讀頭檢測(cè)標(biāo)尺圖像時(shí),信號(hào)處理單元可根據(jù)包含在檢出圖像中足夠的碼元數(shù),測(cè)定局部數(shù)據(jù)沿各第一與第二測(cè)量軸的絕對(duì)測(cè)量值。
27.如權(quán)利要求26的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中信號(hào)處理單元還可至少部分地根據(jù)包含在檢出圖像中的多個(gè)遞增標(biāo)尺特征,測(cè)定讀頭相對(duì)局部數(shù)據(jù)點(diǎn)沿每個(gè)分別對(duì)應(yīng)于第一與第二測(cè)量軸的兩個(gè)方向的偏移測(cè)量值。
28.如權(quán)利要求27的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中信號(hào)處理單元還可組合局部數(shù)據(jù)點(diǎn)沿第一測(cè)量軸的絕對(duì)測(cè)量值和讀頭相對(duì)局部數(shù)據(jù)點(diǎn)沿第一測(cè)量軸的偏移測(cè)量值,以確定沿第一測(cè)量軸的絕對(duì)位置測(cè)量。
29.如權(quán)利要求28的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中信號(hào)處理單元還可組合局部數(shù)據(jù)點(diǎn)沿第二測(cè)量軸的絕對(duì)測(cè)量值和讀頭相對(duì)局部數(shù)據(jù)點(diǎn)沿第二測(cè)量軸的偏移測(cè)量值,以確定沿第二測(cè)量軸的絕對(duì)位置測(cè)量。
30.如權(quán)利要求1的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中第一方向平行于第一測(cè)量軸,第二方向平行于第二測(cè)量軸,而且第一與第二測(cè)量軸相互正交。
31.如權(quán)利要求30的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中標(biāo)尺為柱形,第一與第二測(cè)量軸中的一根平行于柱體軸線,另一根沿柱體周邊定位。
32.如權(quán)利要求1的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中二維整體標(biāo)尺圖案還包括多個(gè)條狀區(qū),它們對(duì)至少第一范圍沿第一方向延伸并沿第二方向隔開(kāi),因而檢測(cè)窗中沿第二方向的任何直線都延伸穿過(guò)其中至少一個(gè)條狀區(qū),各條狀區(qū)都含有標(biāo)尺特征,使沿第二方向的任何直線包括一種能沿第二方向?qū)⒃摋l狀區(qū)相對(duì)檢測(cè)窗定位的標(biāo)尺特征圖案,各條狀區(qū)還包括多個(gè)沿一條沿第一方向延伸的直線定位的指示符標(biāo)尺特征,各指示符標(biāo)尺特征指示與其有關(guān)聯(lián)的非周期部分至少一個(gè)碼元的位置。
33.如權(quán)利要求32的絕對(duì)位置檢測(cè)裝置,其中能沿第二方向相對(duì)檢測(cè)窗定位條狀區(qū)的標(biāo)尺特征圖案,包括獨(dú)特安置的標(biāo)尺空間。
34.一種沿二維絕對(duì)標(biāo)尺測(cè)定二維檢測(cè)器陣列高分辨度位置的方法,其中二維絕對(duì)標(biāo)尺包括沿第一與第二測(cè)量軸延伸的二維整體標(biāo)尺圖案,所述二維整體標(biāo)尺圖案包括至少一個(gè)周期部分,各周期部分沿第一與第二測(cè)量延伸,各周期部分包括沿第一方向按至少第一范圍的基本第一遞增步距周期性排列而且沿至少第二范圍的第二方向延伸的多個(gè)條狀第一周期標(biāo)尺單元區(qū),多個(gè)第一周期標(biāo)尺單元區(qū)沿第二方向包括遞增標(biāo)尺特征的特性化第一配置,和沿第二方向按至少第二范圍的基本第二遞增步距周期性排列而且沿至少第一范圍的第一方向延伸的多個(gè)條狀第二周期標(biāo)尺單元區(qū),多個(gè)第二周期標(biāo)尺單元區(qū)沿第一方向包括遞增標(biāo)尺特征的特性化第二配置;和分布在二維整體標(biāo)尺圖案內(nèi)沿第一方向隔開(kāi)至少第一距離并沿第二方向隔開(kāi)至少第二距離的多個(gè)代碼組,所述第一距離橫跨至少兩個(gè)沿第二方向包括遞增標(biāo)尺特征特性化第一配置的第一周期標(biāo)尺單元區(qū),所述第二距離橫跨至少兩個(gè)沿第一方向包括遞增標(biāo)尺特征特性化第二配置的第二周期標(biāo)尺單元區(qū),各代碼組包含多個(gè)限定至少一個(gè)碼字的碼元,至少一個(gè)碼字能用來(lái)識(shí)別局部數(shù)據(jù)沿各第一與第二測(cè)量軸的測(cè)量值;所述方法包括用檢測(cè)器陣列檢測(cè)一部分對(duì)應(yīng)于當(dāng)前位置的二維整體標(biāo)尺圖案的圖像;根據(jù)包括在檢出圖像中的至少一個(gè)代碼組,測(cè)定局部數(shù)據(jù)沿各第一與第二測(cè)量軸的測(cè)量值;至少部分地根據(jù)多個(gè)包括在檢出圖像中的遞增標(biāo)尺特征,測(cè)定檢測(cè)器陣列沿各第一與第二測(cè)量軸相對(duì)局部數(shù)據(jù)偏移的測(cè)量值;和組合局部數(shù)據(jù)沿各第一與第二測(cè)量軸的測(cè)量值和檢測(cè)器陣列沿各第一與第二測(cè)量軸相對(duì)局部數(shù)據(jù)偏移的測(cè)量值,測(cè)定檢測(cè)器陣列沿二維絕對(duì)標(biāo)尺的第一與第二測(cè)量軸的高分辨度位置。
35.如權(quán)利要求34的方法,其中各代碼組包括一預(yù)定部分;和根據(jù)至少一個(gè)代碼組測(cè)定局部數(shù)據(jù)沿各第一與第二測(cè)量軸的測(cè)量值包括測(cè)定包括在至少一個(gè)代碼組中至少一個(gè)里的預(yù)定部分的位置,根據(jù)測(cè)定的預(yù)定部分位置,測(cè)定諸碼元在檢出圖像中的位置,和處理對(duì)應(yīng)于碼元位置的檢出圖像,測(cè)定碼元出現(xiàn)在檢出圖像的碼元值;和測(cè)定局部數(shù)據(jù)的測(cè)量值,包括根據(jù)測(cè)定的碼元值,測(cè)定局部數(shù)據(jù)沿各第一與第二測(cè)量軸的測(cè)量值。
36.如權(quán)利要求34的方法,其中檢測(cè)器陣列包括多個(gè)在至少一行內(nèi)沿對(duì)應(yīng)于第一測(cè)量軸方向的方向延伸的檢測(cè)器元件,諸檢測(cè)器元件沿至少一行按檢測(cè)器元件第一步距隔開(kāi);檢測(cè)器陣列包括多個(gè)在至少一列內(nèi)沿對(duì)應(yīng)于第二測(cè)量軸方向的方向延伸的檢測(cè)器元件,諸檢測(cè)器元件沿至少一列按檢測(cè)器元件第二步距隔開(kāi);和沿各第一與第二測(cè)量軸測(cè)定檢測(cè)器陣列相對(duì)局部數(shù)據(jù)偏移的測(cè)量值包括把局部數(shù)據(jù)特性相對(duì)檢測(cè)器陣列沿第一測(cè)量軸方向的偏移估算到某一分辨度,它在檢測(cè)出圖像中比對(duì)應(yīng)于檢出圖像中基本第一遞增步距的一半的距離還精細(xì),把多個(gè)遞增標(biāo)尺特征相對(duì)檢測(cè)器陣列沿第一測(cè)量軸方向的偏移估算到某一分辨度,它在檢出圖像中至少像檢測(cè)器元件第一步距那樣精細(xì),把局部數(shù)據(jù)特性相對(duì)檢測(cè)器陣列沿第二測(cè)量軸方向的偏移估算到某一分辨度,它在檢出圖像中比對(duì)應(yīng)于檢出圖像中基本第二遞增步距一半內(nèi)距離更精細(xì),把多個(gè)遞增標(biāo)尺特征相對(duì)檢測(cè)器陣列沿第二測(cè)量軸方向的偏移估算到某一分辨度,它在檢出圖像中至少像檢測(cè)器元件第二步距那樣精細(xì),至少部分地根據(jù)局部數(shù)據(jù)特性相對(duì)檢測(cè)器陣列沿第一測(cè)量軸偏移的估值和至少部分地根據(jù)多個(gè)遞增標(biāo)尺單元相對(duì)檢測(cè)器陣列沿第一測(cè)量軸偏移的估值,測(cè)定檢測(cè)器陣列相對(duì)局部數(shù)據(jù)沿第一測(cè)量軸偏移的測(cè)量值,和至少部分根據(jù)局部數(shù)據(jù)特性相對(duì)檢測(cè)器陣列沿第二測(cè)量軸偏移的估值和至少部分根據(jù)多個(gè)遞增標(biāo)尺單元相對(duì)檢測(cè)器陣列沿第二測(cè)量軸偏移的估值,測(cè)定檢測(cè)器陣列相對(duì)局部數(shù)據(jù)沿第二測(cè)量軸偏移的測(cè)量值。
全文摘要
一種2D絕對(duì)位置檢測(cè)裝置可用來(lái)測(cè)量?jī)稍南鄬?duì)位置。2D絕對(duì)標(biāo)尺包括在2D標(biāo)尺區(qū)內(nèi)沿標(biāo)尺各測(cè)量軸延伸的2D整體絕對(duì)標(biāo)尺圖案,該圖案包括多個(gè)沿各軸與多個(gè)非周期部分交錯(cuò)的周期部分。各周期部分包括多個(gè)周期性安置的標(biāo)尺單元,各非周期部分包括多個(gè)指示絕對(duì)測(cè)量值的碼元,諸碼元沿各測(cè)量軸的長(zhǎng)度比周期標(biāo)尺單元沿各測(cè)量軸的長(zhǎng)度更窄。周期性安置的單元相對(duì)該裝置讀頭的偏移與絕對(duì)測(cè)量值相結(jié)合,可測(cè)量絕對(duì)位置。
文檔編號(hào)G01D5/36GK1479076SQ0317873
公開(kāi)日2004年3月3日 申請(qǐng)日期2003年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月16日
發(fā)明者M·內(nèi)厄姆, B·K·瓊斯, P·A·雷納爾茨, A·M·茨維林, K·W·阿瑟頓, M 內(nèi)厄姆, 瓊斯, 茨維林, 阿瑟頓, 雷納爾茨 申請(qǐng)人:株式會(huì)社三豐