專利名稱：可用于絕對位置轉換器的改進的二維標尺結構與方法
本非臨時申請要求2002年7月16日提交的美國臨時申請No.60/396,022的利益，所述臨時申請的整個內容通過引用包括在這里。
授與Masreliez的美國專利5,886,519，揭示了一種可在2D平面內任一位置提供分辨度和高精度的二維(2D)增量(非絕對)位置編碼器，但該519專利揭示的光柵標尺和讀頭并不適合絕對位置測量。
已知有多種2D條形碼系統，但對高分辨度絕對位置測定而言，此類2D條形碼系統的“信息存貯”結構一般不十分適宜用作2D標尺，而且還不清楚如何將這類代碼排列成連續的2D標尺并可靠地鑒別相鄰的代碼。
這類條形碼圖案尤其不適合高速的高分辨度位置測量。顯然，要把復雜可變的圖案結構的位置測定到高分辨度，一般要求將這類結構與同類復雜可變的樣板或檢測器圖案等作比較。位置測量與運動控制場合通常要求以高分辨度與高速度跟蹤這類圖案相對檢測器的運動，故這樣的比較太耗時間。而且，當多個復雜圖案相互相鄰地排列在2D圖案中而構成連續的2D標尺時，各種獨立圖案的鑒別更增加了信號處理的復雜性，而且更難以高分辨度和高速地測定這類圖案的位置。再者，在延伸的二維區域內產生該區域內獨特的這類圖案，同時把這些圖案對準下面連續的周期性網絡以提供精密而高分辨度的絕對測量標尺，這在技術上很困難，而且/或者成本很高。
試圖通過減小這類圖案的空間分辨度和/或分布來克服上述諸問題，通常劣化了以高分辨度測定這些圖案位置的能力，而這種能力一般依賴于空間頻率或“信息密度”，即位置測量標尺中出現的“轉換密度”。或者，試圖降低圖案復雜性來克服上述問題，將會減小處處可被獨特地識別的總面積，即減小了2D絕對標尺的潛在范圍。
不避免任何一個或多個這樣的缺點的光學絕對位置編碼器是有用的。顯然，一般而言，正是這種特定的2D絕對標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的范圍內作高速位置測量的2D絕對位置測量系統。
本發明提供讀頭尺寸相對小的2D光學絕對位置編碼器。
本發明分別提供可用于光學絕對位置編碼器的2D標尺，其2D整體標尺包括代碼部分與周期部分。
本發明還提供其2D標尺圖案以有利的比例整化周期與代碼兩個部分的2D光學絕對位置編碼器。
本發明分別提供沿二維的每一維具有長標尺長度和高分辨度二者的2D光學絕對位置編碼器。
本發明還提供通過應用2D整體標尺而獲得長標尺長度和高分辨度的2D光學絕對位置編碼器，該2D整體標尺包括沿二維的每一維供長標尺長度使用的代碼部分和高分辨度地測定讀頭與標尺相對位置的周期部分。
本發明還提供一種具有2D整體標尺的2D標尺，其中沿該2D標尺二維的每一維交替出現代碼部分和周期部分。
本發明附帶提供一種2D標尺，其中沿該標尺二維的每一維交替出現的代碼部分和周期部分按二維相互相鄰。
本發明分別提供若干方法，可根據包括非周期代碼部分和周期部分的2D整體整體標尺的圖像，以二維測定光學絕對位置編碼器讀頭相對于該編碼器的2D標尺的絕對位置。
本發明還提供若干方法，通過探測出現在2D標尺的2D圖像內的代碼部分并根據出現在該探測代碼部分里的代碼沿每一維測定第一分辨度2D位置，來測定讀頭沿每一維相對2D標尺的絕對位置。
本發明附帶提供若干方法，通過探測出現在2D標尺的2D圖像內的預定部并根據該預定部分的2D探測，來測定讀頭沿每一維相對該2D標尺的絕對位置。
本發明還提供若干方法，通過測定出現2D圖像內的周期部分與周期參照結構之間沿每一維的偏移距離，并根據至少一個偏移距離沿每一維測定第三分辨度位置，來測定讀頭沿每一維相對2D標尺的絕對位置。
在本發明各種示例性標尺實施例中，標尺包括沿二維延伸的2D整體標尺圖案，該圖案包括一個或多個沿二維的每一維延伸的周期部分，而各周期部分限定多個沿二維的每一維延伸的周期單元。整體標尺圖案還包括非周期代碼部分，它們以二維分布在一個或多個周期部分內和/或之是。各非周期代碼部分包括一組或一群獨特的代碼單元，因而可識別標尺內的特定2D位置，即每組或每群獨特的代碼單元規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定部分。在每一維中，該預定部分可以是具有預定特征的單一單元或空間，或可以是預定的單元圖案。該預定部分可讓標尺代碼部分產生的讀頭信號被迅速地檢出和/或與標尺其它部分產生的讀頭信號相區分。
在本發明其它示例實施例中，諸周期標尺單元沿標尺以每一維安置，以對該連續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，盡管在有些實施例中，周期單元沿該維度的連續性可能在標尺某些區域中被中斷。
在本發明其它實施例中，對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尺單元的寬度。
在本發明其它實施例中，對二維的至少一維而言，根據讀頭檢測器陣列沿該維的范圍和讀頭沿該維對標尺圖像應用的放大率，可將一維代碼單元與相鄰一組代碼單元沿該維隔開到一預定極值。
在各種實施例中，每組代碼單元實際上指示沿局部數據特征每一維的位置或測量值，以提供初步隔開的2D絕對位置值。該局部數據特征對每一維度都與多個周期標尺單元有關聯。在本發明其它實施例中，讀頭檢測器陣列沿兩維的每一維把局部數據特征相對于檢測器陣列的位置測定到更高的分辨度，該分辨度比沿周期標尺單元每一維的周期更精細。在本發明其它實施例中，讀頭檢測器陣列還沿每一維測定至少一些周期標尺單元相對于該檢測器陣列和/或讀頭的位置，以提供最高分辨度的2D絕對位置測量。在本發明其它實施例中，檢測器陣列步距選擇后，沿二維中的至少一維，對該陣列成像的各周期標尺單元有多個檢測器單元。在各種實施例中，檢測器陣列步距選擇后，沿二維中的至少一維，對該陣列成像的各代碼單元有多個檢測器單元。
在本發明各種2D絕對標尺實施例中，成組碼元構成延伸通過2D標尺的碼字2D序列。在本發明其它實施例中，該碼字序列直接指示標尺內相應的2D位置。在本發明其它實施例中，利用譯碼器查表把碼字轉換成沿二維中每一維的絕對位置測量值。
通過以下對本發明各種條例系統與方法實施例的詳述，可明白本發明的種種特征與優點。
具體實施例方式
圖1是本發明可配用2D整體標尺圖案的2D光學絕對位置編碼器100的框圖，可產生2D絕對位置測量值。圖1所示的2D光學絕對位置編碼器100包括讀頭126、信號發生與處理電路200和2D標尺110，2D標尺110包含2D整體標尺圖案300。圖1中，讀頭126諸元件及它們與2D標尺110和2D整體標尺圖案300的關系，以通常對應于下面進一步描述的示例物理結構的布設示意地表示。
尤其把標尺110定位成鄰近讀頭126的照明與接收端，因而當2D標尺110被讀頭126該端的光源130發射的光照射時，發射光被2D標尺110上的2D整體標尺圖案300有選擇地朝位于讀頭126該端的圖像接收光學元件向后發射。2D標尺110通常位于離光源130和裝在讀頭126中的光學系統某一穩定的距離，相對讀頭126沿相對運動的雙軸運動，諸如沿第一測量軸111和第二測量軸方向112運動，如圖1所示。
沿正交于第一與第二測量軸111與112的第三維的相對運動，例如通常受普通導軌或裝到框架的軸承(未示出)的約束，以在讀頭126與標尺110之間保持適當的相對距離或間隙。讀頭126包括一對準特征(未示出)，有助于安裝讀頭126，并且相對安裝框架和/或2D標尺110預期的相對運動軸111與112對準讀頭126的內部元件。
2D標尺110被光源130提供的光波長照射時，應提供反差相對高的2D圖像。在各種實施例中，2D標尺110通常是一種相對反射的構件，在其漫反射表面上形成相對不反射性標尺單元的2D圖案。顯然，2D標尺110相對高的反射率可用任何已知或今后開發的材料和/或結構獲得，例如2D標尺110可以具有合適的漫反射表面結構，且由相對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。相對不反射標尺單元的構成方法包括涂布2D標尺110的表面，有區別地處理2D標尺110表面以降低2D標尺110構成材料的反射率，在2D標尺110表面有選擇地淀積相對不反射材料，或其它方法。
在各種其它實施例中，2D標尺110由相對不反射的材料組成，而2D標尺單元則由合適的漫反射表面結構的相對反射的材料組成。此時，通過涂布或處理2D標尺表面，或者利用任何其它已知或今后開發的工藝沿2D標尺110合適的位置有選擇地減小和/或增大反射率，顯然能讓2D標尺110基于其構成材料呈現出相對不反射性。
在各種實施例中，2D標尺110顯然具有或多或少的鏡面部分。但對這類標尺而言，圖像雙差和/或亮度將對標尺上的對準變動和/或表面沾污呈現更大的敏感性，會降低2D絕對測量系統100的耐用性和測量精度。還應明白，在其它實施例中，2D標尺110和/或其上形成的表面單元包含彩色，用于在光檢測器160檢出的2D標尺110圖像中增大2D標尺單元與2D標尺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標尺110的受照區域對準。在圖1例中，讀頭126還包括針孔孔板150和光檢測器160，前者沿光軸144與透鏡140隔開同透鏡140的焦距一樣的距離，后者沿光軸144與孔板150隔開，如圖1所示。這種遠心結構使光檢測器160上2D整體標尺圖案300的圖像放大作用基本上與透鏡140到2D整體標尺圖案300的目標距離g無關。
在各種實施例中，例如若用精密軸承等充分嚴格地控制目標距離g，就可省去孔板150。光檢測器160可以是任何已知或今后開發類型的光敏材料或裝置，它們能組成獨立與各別光敏元件如相機、電子或數碼相機、CCD陣列、CMOS光敏元件陣列等2D陣列。
下面再描述2D標尺110與讀頭126的一種標例性間隔與定位方法，其中包括透鏡140、孔板150和光檢測器160。可以按小型光學系統結構和/或工業相機結構的常規方法，在讀頭126罩殼里安裝光源130、透鏡140、孔板150和光檢測器160，只要以相對精密與穩定的方式安裝諸元件。
當讀頭126合適地定位于標尺110附近時，光檢測器160捕獲的各圖像將包含2D整體標尺圖案300的2D部分。
光檢測器160的像元162的2D陣列166分別沿兩個對應于兩根測量軸111與112中每一根據隔開一已知間距，該已知間距對對應于兩測量軸111和112的兩個方向可以相同，或對兩方向的每個方向不同。沿兩個分別對應于測量軸111與112的方向中的每個方向的已知間距，為沿測量軸111或112測量投射到光檢測器160的兩幅同類圖像之間或者投射到光檢測器160上的一幅圖像與通常對應于獲得圖像的合成圖像之間的位移或偏移提供了基礎。這樣，沿各測量軸111與112該方向的已知間距，也可沿各測量軸111與112的2D整體標尺圖案的圖像位移測量到像沿測量軸111或112的該已知間距那樣細微或更細的分辨度奠定了基礎。為方便起見，下面討論時也把測量軸111稱為X軸，把測量軸112稱為Y軸。應該明白，X與Y軸針對標尺對準相互限定，并不表示2D光學絕對位置編碼器100在空間的任何具體定向。
在各種實施例中，光檢測器160的像元162顯然按正交的行與列排列，行以對應于獲得圖像中測量軸中的一根的方向對準，而列以對應于另一根測量軸的方向對準。但更一般地，在其它實施例中，光檢測器160的像元162不按對準獲得圖像中測量軸的正交行排列，只要仍可確定像元162沿兩個分別對應于測量軸111與112的方向中每個方向的已知間距就行。此時，沿相應于各自測量軸方向的已知間距，仍為沿該測量軸測量兩幅投射到光檢測器160上的同類圖像之間或者投射到光檢測器160上的一幅圖像與通常對應于某獲得圖像的合成圖像之間的位移成偏移提供了基礎。
此外，讀頭126包括至少一部分信號發生與處理電路200。如圖1的所示，信號線132從信號發生與處理電路200接到光源130，用于控制和/或驅動光源130。信號線164連接光檢測器160和信號發生與處理電路200。尤其是，可逐個訪問陣列166的每個像元162，以便通過信號線164把代表該像元162的光強的值輸出給信號發生與處理電路200。電路200的其它部分可以遠離讀頭126安置，可以遠程操縱和顯示讀頭126的功能。下面參照圖11更詳細地描述信號發生與處理電路200。
如圖1所示，把光源130發出的光束134引導到2D標尺110攜帶的2D整體標尺圖案300上，以照亮一部分2D整體標尺圖案300。結果，根據2D整體標尺圖案300出現在其受照部分的單元，2D整體標尺圖案300受照部分就繞光軸144有選擇地反射光136。
當光束134的照射角傾斜時，入射光束134與光軸144的夾角使得2D標尺110上相對鏡面將反射入射在遠離讀頭126檢測場的相對鏡面上的光。此時，在各種實施例中，若打算在被檢圖像中提供相對較高亮度的2D標尺110部分做成相對擴散，以便提供接受照射的相對擴散表面部分，這樣是有利的。在各種實施例中，擴散表面部分可能因其表面光潔或材料特性而相對擴散，或通過應用擴散涂料或表面加工結構而得相對擴散。鑒于其擴散特征，這些擴散表面部分就沿光軸144重新引導至少一部分傾斜接收的光。此時，擴散表面部分更趨明亮，而且/或者比不做成相對擴散提供更高的圖像反差。
在一實施例中，擴散表面部分就是標尺單元。在一些此類實施例中，包圍標尺單元的區域為鏡面反射性。在其它實施例中，擴散部分位于包圍相對較暗和/或鏡面反射標尺單元的區域內。在各種實施例中，2D標尺單元通常由2D標尺110正面或反面上的相對薄的材料層形成。
圖2示出一部分2D標尺110一實施例的等角側視圖，當入射光束與光軸的夾角使相對鏡面標尺表面反射相對鏡面的入射光，即遠離讀頭126檢測場的反射光136時，這是有用的。顯然為圖示方便，在圖2中，2D標尺單元115和空間119的垂向尺寸被明顯擴大了。
如圖2所示，2D標尺110的標尺特征一般包括2D標尺單元115和空間119。2D標尺單元115包括沿單一測量軸111延伸的第一標尺單元部分116和沿第二測量軸112延伸并穿過第一標尺單元部分116的第二標尺單元部分117。2D標尺單元115在基片113用于形成2D標尺110的第一表面114上形成，而2D標尺110的定向使得2D標尺110基片113的第二表面114’更接近光束134的源。此時，基片113應對光束134的至少一個波長透明。在第一一面114上或極附近形成或設置一擴散墊片118，從而該擴散墊片118在標尺單元115之間的空間119中提供一漫反射表面化。這一擴散墊片或涂層118光軸144以漫射方式引導光束134的至少部分入射光。
在一實施例中，擴散墊片118是一種漫反射涂料型墊片118A，這是一種噴涂涂料，涂布標尺單元115之間空間119中的表面114。在另一實施例中，擴散墊片118是一種漫反射基片型墊片118B，它盡量緊靠表面114，在標尺單元115之間的空間119中反射光束134。在各種實施例中，將基片型墊片118B設置成安裝構件支持2D標尺110的表面。
顯然，圖2所示2D標尺110實施例若干優點。該例中，2D標尺110容易制作，因為標尺單元115的邊沿有效地限定了2D標尺110擴散部分可工作的范圍與位置，因而2D標尺110的擴散部分不要求作特殊處理以控制這些擴散部分的范圍或位置。而且對圖2所示的2D標尺110定向，第二表面114’上的沾污容易在檢出的2D標尺110圖像中處于焦點外。再者，基片113和/或擴散墊片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提供的光波長照射時，可用任意標尺結構或定向按本發明提供反差相對高的標尺圖像。
于是，從2D整體標尺圖案300到達透鏡140的反射光142被投射到光檢測器160上。在各種實施例中，透鏡140是雙凸面透鏡，直徑約3mm，焦距f約4.5mm。如前所述，在各種實施例中，光142穿過針孔孔板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，使整體標尺圖案300在光檢測器160上的圖像放大基本上與目標距離g無關。
尤其在使用針孔孔板150時，通過針孔152的光154就沿光軸144投射一段距離d而到達光檢測器160的2D陣列166中的2D像元162表面。對這種遠心結構，2D整體標尺圖案300的圖像特征放大作用主要依賴于焦距f與距離d的關系，該關系近似為d/f。
更一般地，對孔徑相對大或者去針孔孔板150的結構，放大作用將隨目標距離g而變化。此時，在從2D整體標尺圖案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，圖像特征的近似放大倍數M為M≈(f+d)/g (1)式中g是目標距離；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。
在各種實施例中，2D光學位置轉換器100的這些參數的典型值包括g≈4.5mm，f＝4。5，d＝28.35mm。因此，近似的相應放大率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系。圖像景深卻是圖像在目標距離g因讀頭間隙失準等而變化時的模糊量。在一實施例中，針孔孔徑152的直徑為0.8mm。在各種實施例中，孔徑152的直徑為0.5-2.0mm。在難以精密計算放大率時，顯然可用實驗方法對給出的位置編碼器設計和規定的工作參數確定有效的放大率，如可以根據像元沿各軸的間距和對各種已知尺度的標尺特征觀測的圖像尺寸，來確定有效放大率。
在2D標尺110的投射圖像中，可對兩個尺度的每一尺度沿測量軸111與112獲得高分辨度，2D整體標尺圖案300中周期部分的周期標尺單元的平均圖像尺寸(也稱為沿該維度的遞增標尺單元)，大于光檢測器160的像元162沿該維度的像素步距最為有利。就是說，周期標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的實施例中，在2D標尺110的投射圖像中，周期部分諸周期標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，信號發生與處理電路200在信號線132上輸出一驅動信號，驅動光源130發射光束134。光束134照射一部分2D整體標尺圖案300，把它成像到光檢測器160的像元162的2D陣列166上。然后，電路200通過信號線164輸入多個信號部分，各信號部分對應于一個或多個獨立像元162所檢測的圖像值。
為測定讀頭相對于2D整體標尺圖案300沿兩維的每一維的當前位移，把信號發生與處理電路200接收自光檢測器160的當前圖像的信號部分輸入并貯存于存儲器。當然應該明白，若能在飛行中計算該數據，則可跳過該步驟。然后分析該當前圖像，確定讀頭126與2D標尺110沿每一維的絕對位置。在各種實施例中，在一部分分析中，選擇一行或一列沿相應于測量軸111和112中至少一個測量軸的方向延伸的像元162或者當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，選出的一個或多個行和列經分析，可探測出現在當前圖像里的某個2D代碼部分。該檢出的2D代碼部分經譯碼，可測定由該部分限定的第一分辨度2D絕對位置。然后，相對當前圖像幀，即相對像元162的2D陣列166，測定該檢出代碼部分成與該檢出代碼部分有關的預定部分的2D位置。
這一相對當前圖像幀測定的2D位置，把讀頭126相對2D整體標尺圖案的2D絕對位置從譯碼的代碼部分指示的第一分辨度2D位置，改進到第二分辨度2D位置。在各種實施例中，該第二分辨度2D位置為像素分辨度，對應于像元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位置對應于實際的像素分辨度。就是說，沿各軸的第二分辨度是一種這樣的分辨度，它將沿該軸的絕對位置測量的不確定性減小到對應于讀頭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維度的一二個像素步距增量。當然，若應用內推或基于矩心的測定方法，第二分辨度顯然優于像素步距。
但更一般地，第二分辨度2D位置將把相對讀頭126的2D標尺110定位沿2D整體標尺圖案300中2D周期部分各根X與Y軸的特定周期長度Px與Py以內。沿2D整體標尺圖案300中2D周期部分各軸的這些特征周期Px與Py也稱為X與Y遞增步距，在長充上各自等于周期安置的遞增標尺單元之一和沿各自一根軸的相鄰空間。
至少一部分當前圖像還按逐個像素的原則與若干偏移位置的每個位置的參考圖像作比較，以將讀頭與標尺的絕對位置測定到第三分辨度。在各種實施例中，第三分辨度對應于對陣列160上的圖像作像素分辨度位置測定。正如美國專利申請09/731,671所詳細揭示的那樣，一系列比較跨越至少一個相關曲線的峰和/或谷，該申請通過引用包括在這里。
就是說，參考圖像和當前圖像處理后可產生相關函數值點。在一實施例中，在包括某一使在前一次探測的特定周期附近兩幅圖像的圖案最接近對準的偏移的偏移或空間平移位置的范圍內，當前圖像以數字方式相對參考圖像偏移。相關函數值點指示圖案對準度，因而也指示在圖像以數字方式偏移時使這兩幅圖像對準所需的偏移量。該偏移可用于把讀頭126相對2D標尺110的絕對位置從第二分辨度提高到第三分辨度，而第三分辨度相當于遠遠小于沿陣列166任一軸或兩根軸的一個像素步距增量除以讀頭100提供的放大率。
在各種實施例中，參考圖像是2D整體標尺圖案300中周期部分的合成圖像。在其它實施例中，參考圖像是利用讀頭126從2D整體標尺圖案300中捕獲的代表性圖像。
應該明白，比較參考圖像與當前圖像有若干不同的技術。如在第一示例技術中，當把按逐個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生單個相關值時，可使用當前“被顯示”圖像幀的整個區域。此時，把那些在參考與當前圖像區內同其它當前參考與顯示圖像區不重疊的像素，同具有默認比較值的像素進行比較，或對它們分配一默認比較值等。在其它示例技術中，比較局部圖像。在任一種情況中，每次比較后，通過沿相對參考圖像的合適方向把當前圖像移動一個或多個像素，產生一系列批昧相關峰和/或谷的相關值。
圖3示出本發明2D整體標尺圖案300第一示例實施例300’的框圖布設。如圖3所示，2D整體標尺圖案300’包括多個2D周期部分310和多個2D非周期部分330。按照本發明原理，在2D整體標尺圖案300’幾乎相當于下面詳述的檢測窗340尺寸的每個局部區域內，該2D整體標尺圖案300’的多個2D周期部分310和多個2D非周期部分330共用或被“整化”。
圖3所示的整體標尺圖案300’，在本發明沿兩根測量軸111與112每一根延伸的2D標尺300的整個區域延伸，即多個2D周期部分310和多個2D非周期部分330各自沿兩根軸的每一根有一范圍。在各種實施例中，在2D標尺110整個區域內，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序列排列。另在一些實施例中，各2D非周期部分330包含一下面詳述的預定特征320。
應該明白，在2D整體標尺圖案300的每個局部區域內，通過把2D周期部分310與2D非周期部分330二者整化成單個一體化結構，則在2D整體標尺圖案300邊界內位于2D整體標尺圖案300任何地方的一組檢測單元，諸如光檢測器160的一組像元162，就能用來檢測在標尺110相對讀頭126沿測量軸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，對應于整體標尺圖案300’作為單幅圖像被光檢測器160捕獲的部分的檢測窗340，在至少一部分2D整體標尺圖案300內沿2D標尺110以二維延伸。應該明白，在本發明諸實施例中，鑒于本發明2D整體標尺圖案300的結構，檢測窗340在整體標尺圖案300內沿Y軸的寬度并非特別關鍵，只要檢測窗340通常至少像任意兩個相鄰非周期部分相應邊界之間沿Y軸的距離一樣寬就行，如下面詳述的那樣。同樣應明白，鑒于本發明2D整體標尺圖案300的結構，檢測窗340在整體標尺圖案300內沿X軸的長度也不是關鍵，如下面詳述的那樣，只要檢測窗340通常至少像任意兩個相鄰非周期部分相應邊界之間沿X軸的距離一樣寬就行。
顯然在諸實施例中，光檢測器160的尺寸和讀頭126的光學元件140-152提供的放大率，在一2D周期部分310和2D非周期部分330沿測量軸111與112的范圍共同操作時，使檢測窗340沿測量軸111與112充分延伸，保證完整的2D非周期部分330出現在檢測窗340內，與讀頭126在2D標尺110區域內的位置無關。若檢測窗340至少這么長和寬，則相對某些讀頭126位置造成兩個或多個出現在檢測窗340內的不完整2D非周期部分330的情況，就明顯簡化了完整2D非周期部分330的譯碼。即在有些實施例中，對檢測窗340大小的唯一實際要求，就是要求它的長和寬足以保證至少一個2D非周期部分330全部位于檢測窗340內。
或者如圖3所示，在諸實施例中，使用的檢測窗340能沿兩根測量軸111與112的每一根充分延伸，并可根據若干2D非周期部分330的兩個或多個分離的片斷“重構”相當于完整非周期部分330的信息，同讀頭126與2D標尺110的相對位置無關。為滿足該條件，檢測窗340通常沿兩根測量軸111與112的每一根延伸的量，等于或略大于沿測量軸111或112從2D標尺110一個非周期部分330的邊緣到相鄰2D非周期部分330邊緣的距離。該距離在大多數可能的標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，這種檢測窗340通常也足以包括一個完整的至少被若干2D周期部分310的標尺單元定界的2D非周期部分330。在任何情況下，對于沿兩根測量軸111和112之一或二者具有這類范圍的檢測窗340，必須根據預定的重構技術選擇2D非周期部分330圖案，如可將圖案選成待續的二進制數代碼，或按照已知的偽隨機“鏈”碼技術等。應該理解，在諸實施例中可以簡化有關的重構操作，而且/或者做得更耐用或更快速，在2D非周期部分330中包含預定的特征320。
在圖3所示2D整體標尺圖案300’的第一實施例中，預定部分320位于2D非周期部分330一側，但應明白，在其它實施例中，預定部分320沿2D非周期部分330頂部位于各2D非周期部分330的兩個或多個邊緣。此時，沿非周期部分330一個邊緣排列的預定部分320，同沿該非周期部分330另一邊緣的預定部分320不同。在其它實施例中，預定部分320更向非周期部分330的中心設置。
預定部分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兩容易區分。如這類特征包括但不限于沿測量軸111具有獨特長度和/或沿測量軸112具有獨特長度的亮或暗標尺特征、沿測量軸11和/或112獨特的亮和/或暗標尺特征圖案，或者一個或多個其獨特的顏色或強度可被光檢測器160的像元162檢測的標尺特征。在諸實施例中，所有的預定部分320都相同。
根據應用的信號處理算法，可省略預定部分320。但應明白，為了迅速可靠地識別和檢測檢測窗340內的2D非周期部分330，應用這類預定部分320可簡化所使用的信號處理算法。
不管是否包含預定部分320，每個2D非周期部分330都含有不同和/或獨特的圖案或碼元碼組。這種不同和/或獨特的碼元圖案，使至少一個位置值與出現在檢測窗340內準備確切測定的一2D非周期部分330有關。由于2D標尺110內各特定2D非周期部分330的2D位置被預先規定或可以算出，所以通過測定該非周期部分330特定不同和/或獨特的碼元圖案來識別出現在檢測窗340中的2D非周期部分330，使得檢測窗340和讀頭126相對2D標尺110的2D絕對位置以第一分辨度作初步測定，而第一分辨度類似于檢測窗340的大小和/或2D非周期部分330的間距。
就是說，雖然2D標尺110內某指定2D非周期部分330相對指定原點的2D位置可掌握到高的精度與精密度，但是根據簡單地測定該2D非周期部分330出現在檢測窗340的碼值的操作，未必掌握2D非周期部分330和一個或多個周圍2D周期部分310相對檢測窗340的2D位置。尤其是，一個或多個2D周期部分310和2D非周期部分330可能位于2D檢測窗340內的任何地方。
如上所述，沿兩根測量軸111和112的每一根對應于任一特定2D非周期部分330的測量值，可用不同和/或獨特的代碼圖案預先規定，或可以算出，或根據不同和/或獨特的代碼圖案測定。即在諸實施例中，不同和/或獨特的代碼圖案貯存在查表里，該查表還存貯了2D標尺110上對應于包含該不同和/或獨特圖案的2D非周期部分330的標稱2D位置沿兩根測量軸111與112中每一根的測量值。此時，在諸實施例中，不同和/或獨特的圖案以任何期望的次序順序出現，在相鄰的2D非周期部分3330的不同和/或獨特圖案之間無需存在相互關系。此時，該不同和/或獨特的圖案能在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/或獨特圖案之間的區別。
在其它實施例中，不同和/或獨特的圖案能以某種方式客觀地對應于含這些圖案的2D非周期部分330的2D位置。于是，可用這種相依性直接測定或計算2D標尺110內該2D非周期部分330的絕對位置，以及檢測窗340和讀頭126相對2D標尺110的絕對位置。在諸實施例中，2D非周期部分330在2D標尺110內以分別沿各X與Y軸規定的各自方距或間距排列。
在獨特的圖案或碼字中，特定2D非周期部分330不同和/或獨特的圖案，限定了至少一個二進制數或更高的模數，如兩個各別的X與Y二進制數或更高模數。在規定了各別X與Y二進制數或更高模數的諸實施例中，被2D非周期部分330指示為沿2D標尺110各測量軸111或112連續的各X與Y數，各自限定了沿各測量軸111或112的特定序列。
因而在這類實施例中，例如沿任一各別軸，這類沿該軸延伸的2D非周期部分330序列中的第一2D非周期部分330，具有沿各軸在某個規定的數字序列中限定各自第一數的不同和/或獨特的圖案，然后對沿該軸的該序列中的每個連續的2D非周期部分330，將該數提高一個增量。
顯然，在使用數或碼字序列時，尤其可根據成像在檢測窗340左和/或上部的一個2D非周期部分330中數或碼字的后片段和成像在檢測窗340右和/或下部的至少一個相鄰2D非周期部分330中數或碼字的前片段，迅速兩方便地重構一完整的碼字。這樣，當希望檢測窗340相對2D整體標尺圖案300’的跨度為最小可用尺寸時，即小于確保至少一個完整不間斷的2D非周期部分330包括在2D標尺110每幅可能的圖像內的尺寸，就可具體應用數或碼字序列。當然，為使不同和/或獨特圖案與包含這些圖案的2D非周期部分330的2D位置相關，可使用更復雜與不規則的結構、配置和方法。
顯然，雖然各特定2D非周期部分330在沿兩根測量軸111與112延伸的2D區域內分布，但是它們們仍獨特地對應于或識別沿每根測量軸111與112與2D標尺110區內某特定點有關的測量值。應該明白，對2D標尺110區內對應于沿特定2D非周期部分330指示的兩根測量軸111與112的測量值的各特定點，該點指局部數據。
一般而言，局部數據可以是沿邊緣規定的點，各邊緣或特征中心X與Y坐標的組合，區域中心點，或者可相對檢測客340定位的2D非周期部分330中一個或多個專門可識別亮和/或音標尺特征的任何其它可局部化特征。顯然，根據本發明，局部數據不一定是必須特地加到2D整體標尺圖案300中的獨立特征或特點。相反地，與2D整體標尺圖案300的圖像有關的信號處理，可以不明顯地把2D整體標尺圖案300的任何專門可識別可局部化的特征或特點選用為局部數據。
在一實施例中，把局部數據方便地選為2D非周期部分330中2D標尺特征的特性而該部分300直接鄰近2D非周期部分330指示與該局部數據有關的X與Y測量值的部分。在另一實施例中，局部數據便于選為與非周期部分330相關的預定部分320的特性，指示與代碼位置指示符等局部數據有關的X與Y測量值，下面再詳述。這類實施例可以簡化在檢測窗340內迅速可靠地識別和檢測該局部數據所需的信號處理算法。
通常，在分析出現在檢測窗340內的2D非周期部分330以測定第一分辨度和/或第三分辨度的2D絕對位置之前、期間或以后，局部數據可相對檢測窗340定位。例如，根據應用于與各種像元162有關的圖像亮度值的眾所周知的邊緣或矩心查找等技術，可識別和/或探測局部數據。在任何情況下，可用局部數據相對檢測窗340的2D位置，將2D絕對位置測定法的分辨度改進到比前述第一分辨度更精細的第二分辨度。
在諸實施例中，為把局部數據相對檢測窗340的位置測定到第二分辨度，應用本發明的2D整體標尺圖案300，顯然只要求分析行列數有限的沿測量軸承111延伸的像元162。因此，應用本發明的2D整體標尺圖案300的系統能作快速信號處理。
通常，第二分辨度2D位置測定必須是充分可靠、耐用的，而且精確的比2D周期部分310沿每個各自的測量軸111與112的各別遞增步距值的約1/2更精細的分辨度，這樣將確保第二分辨度2D位置測定的不確定性在2D周期部分310分別沿各測量軸111與112的遞增步距的一個這樣的增量內。此時，包括基于檢測窗340內一個或多個周期部分310的分析而進一步改進分辨度的2D位置測定將是明確的，即便周期部分310中的諸標尺特征通常難以沿X與Y軸相互區分。
還應明白，運用2D標尺110投射到光檢測器160上的圖像，把局部數據沿兩根測量軸111與112相對檢測窗340的位置測定到某一分辨度，使之比2D周期部分310的標尺單元投射到光檢測器160上的圖像沿其中相應一條測量軸111或112的步距的1/2還細微，既必要又充分。這樣容易確保局部數據沿兩根測量軸111與112的位置不確定性在光檢測器160上沿測量軸111或112保持在一個這樣的步距增量內。
在諸實施例中，選擇的遞增步距和透鏡140提供的放大率，使2D周期部分310標尺單元投射在光檢測器160上的圖像沿兩根測量軸111與112中每一根的步距，至少是像元162沿每根測量軸111與112的像素步距的三倍。相應地，要求把局部數據相對檢測窗340的2D位置測定到不優于像元162沿每根測量軸111與112的一個像素步距的分辨度。
在其它諸實施例中，例如可根據像素亮度值轉變而沿每根測量軸111與112選用某種耐用而簡便的數據探測技術，如分辨度為一個像素步距或更大的邊緣查找法。然后應用該期望的簡便數據探測技術，對有關期望的標尺特征與實際的失準、沾污等，通過實驗確定或讓實用軸找各自的像步距表示的可實現的局部數據定位分辨度。最后，沿兩根測量軸111與112選擇用于2D周期部分310的遞增步距，使得在各種實際實驗條件下，局部數據沿兩根測量軸111與112可獲得的2D定位分辨度不大于2D周期部分310的標尺單元在光檢測器160上投射圖像沿測量軸111或112的步距的3/8。這類結構很可靠，而且信號處理簡單而快速。
可用一個或多個2D周期部分310把2D標尺相對于檢測窗340和讀頭126的2D絕對位置測定提高到第三分辨度。第三分辨度沿兩根測量軸111與112的精度，至少比沿各別測量軸111與112的各別遞增步距精細若干倍。該第三分辨度相當于沿兩根測量軸把2D標尺110相對檢測窗340投射的圖像探測到亞像素分辨度。
如前面參照圖2所述，2D標尺110一般包括若干標尺特征，其中包括第一和第二標尺單元部分116與117，2D空間119由第一與第二標尺單元部分116與117分開。在諸實施例中，在各2D周期部分310中，第一與第二標尺單元部分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，均沿測量軸112或111按各軸各自的基本遞增步距排列。
對各第一與第二測量軸111與112，沿測量軸111或112的一個遞增步距相當于一個第一或第二標尺單元部分116或117沿測量軸111或112和一個空間119的尺寸。在諸實施例中，空間119和第一標尺單元部分116沿第二測量軸方向盤12為同尺寸，但它們要求不等。同樣地，在諸實施例中，空間119和第二標尺單元部分117沿第一測量軸方向111為同尺寸，但它們也要求不等。在諸例中，第一標尺單元部分116沿第二測量軸112的尺寸與第二標尺單元部分117沿第一測量軸111的尺寸一樣，但它們也要求不等。
在諸實施例中，根據與第一和第二測量軸111與112有關的基本遞增步距，一個或多個2D周期部分310的每一個都包括最大可能數量的第一與第二標尺單元部分116與117以及可以包含在一個或多個2D周期部分310內的空間119。但在其它實施例中，比該最大可能數量少的第一與第二標尺單元部分116與117包含在一個或多個2D周期部分310內。在另一些實施例中，偶數個“奇數尺寸”或“錯位”的第一和/或第二標尺單元部分116和/或117可以包含在一個或多個2D周期部分310內，只要“規則”的第一和/或第二標尺單元部分116和/或117的數量和這類第一和/或第二標尺單元部分116和/或117相對于相應基本步距的安置精度，是以使一個或多個2D周期部分310相對于檢測窗340的投射圖像的2D位置測定到亞像素分辨率。
如在一實施例中，包含在一個或多個2D周期部分310內的“規則”第一和/或第二標尺單元部分116和/或117的數量，是以確定其峰值或谷值指示相對良好相關性的相關曲線，如下詳述。在諸實施例中，在圖像行和/或列沿圖像內相應測量軸延伸的情況下，通過將至少一部分對應于一個或多個2D周期部分310的當前圖像的某些或全部行和/或列同包含至少類似周期部分的參考圖像作逐個像素的比較，并通過把當前和參考圖像相互相對偏移一個像素而產生各比較值，就能產生諸相關函數值和/或相關曲線。
應該明白，在第二分辨度對應于一個像素步距分辨度的諸實施例中，為獲得亞像素分辨度，至少部分產生相關函數值和/或相關曲線。被引用的671申請揭示的各種方法，可根據峰或谷周圍相對少的相關函數值點，把相關函數峰或谷的像素和/或亞像素位置測定到高精度。顯然，任何這類技術或其它已知的或今后開發的技術，都能用于把2D標尺110的投射圖像相對于檢測窗340的偏移位置測定到像素和/或亞像素分辨度。因此，可把2D標尺110相對于讀頭126的位置測定到第三分辨度與精度，至少比與各第一和第二測量軸111與1124有關的遞增步距細若干倍。
在本發明諸2D整體標尺實施例中，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的周期部分310，與一個或多個非周期部分330在圖像中的位置無關。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方向查找相關峰所需的X與Y偏差范圍有限，因而本發明的2D整體標尺可在各個X與Y遞增步距內高速地作高分辨度的2D位置測定，支持整個高分辨與高速的2D絕對位置測量。
顯然，當2D整體標尺圖案300包括一個或多個可預測的2D周期部分，諸如本發明整體標尺圖案300’的一個或多個2D周期部分310時，則相對通過鋪設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技術就特別簡便、快速和精密。
如在對高分辨度位置測定應用革于軟件和/或硬件的相關技術的實施例中，參考圖像或硬件檢測器結構可以是單一的固定周期結構。由于一個或多個周期部分的所有圖像都相似且可預測，所以無須修改硬件檢測器結構或者把參考圖像理發成與當前圖像匹配等。再者，基于軟件或硬件檢測幾乎完整周期圖像或圖像部分位置的精度，對讀頭失準等造成的圖像模糊不很敏感。
圖4示出與圖3中2D整體標尺圖案300’相對應的2D整體絕對標尺400的第一實施例。如圖4所示，該2D整體絕對標尺400具有一個或多個2D周期部分400和多個沿測量軸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。
顯然，觀察圖4的2D整體標尺400有兩種不同的方法，按照一種觀察方法，2D整體標尺400只包括沿第一與第二測量軸111與112按基本X與Y遞增步距連續延伸的第一“背景”2D周期部分410，因而多個2D非周期部分430在單一2D周期部分410內作二維分布。此時，把多個2D非周期部分430插入2D整體絕對標尺400，“代替”單一2D周期部分410在多個2D非周期部分430諸位置的部分。
按2D整體絕對標尺400的第二種觀察方法，2D整體絕對標尺400通過鋪設一單位小區而形成，該小區包括多個2D非周期部分430之一。一例這樣的單位小區411示于圖4，一2D周期部分410填充單位小區411在該2D非周期部分430之外的其余部分。這樣，2D整體絕對標尺400就含有多個2D周期部分410。但應明白，不論如何觀察家D整體絕對標尺400，2D整體絕對標尺400的結構無實質性差異。
讀頭126相對整體標尺400沿測量軸方向112移動。一個或多個周期部分410包括的一種標尺單元412的圖案，會有沿第一測量軸111即X軸延伸的第一標尺單元部分414和沿第二測量軸112即Y軸延伸的第二標尺單元部分416。各第一標尺單元部分414沿Y軸有一窄尺寸，而各第二標尺單元部分416沿X軸有窄尺寸，因而第一與第二標尺單元部分414與416限定了多個空間418。空間418在一個或多個周期部分410內作二維分布。
在圖4的例中，第一與第二標尺單元部分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，在諸實施例中，第一和第二標尺單元部分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，即此時的空間418為矩形。
顯然，對一個或多個包含第一與第二標尺單元部分414與416以及空間418圖案的周期部分410，還有其它方法。根據第一觀察法，第一標尺單元部分414通常是排列在引一周期標尺單元區里的連續遞增的標尺特征，而第一周期標尺單元區沿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，第二標尺單元部分416通常是排列在第二周期標尺單元區里的連續遞增的標尺特征，而所述單元區沿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尺單元區之外，由“默認”造成。
按第二觀察法，空間418和標尺單元部分416的片斷是遞增的標尺特征，它們以某種特征化交替配置沿第一周期標尺單元區交錯，而所述單元區沿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和標尺單元部分414的片斷都是遞增的標尺特征，它們以某種特征化交替配置沿第二周期標尺單元區交錯，所述單元區沿X軸向周期性排列并沿Y軸向延伸。按第二觀察法，標尺單元部分414和416的其它片斷通常在第一與第二周期標尺單元區之外，由“默認”造成。但應明白，無論如何觀察一個或多個周期部分410，它們的結構無實質性差異。
在諸實施例中，整體標尺400的非周期部分430包括多個碼區，圖4中用非周期部分430中的邊界線矩陣表示。出現在各碼區內的碼元432或空間434，在各非周期部分430中提供碼元與空間不同和/或獨特的圖案，如上所述。在諸實施例中，各碼區沿第一測量軸111的范圍小于第二標尺單元部分416沿第一測量軸111的范圍。同樣地，各碼區沿第二測量軸112的范圍小于第一標尺單元部分414沿第二測量軸112的范圍。
因而在此類實施例中，即使在各個碼元432或空間414沿一個或多個第一與第二測量軸111與112接近邊界或邊緣而無法區分的代碼實施例中，相應的各個碼元432和空間434沿第一與第二測量軸111與112都比第二和第一標尺單元部分416與414更窄。在諸實施例中，各碼區范圍便于做成相同。但在其它實施例中，各碼區范圍可以不同，此時，相應的信號處理算法可適應這種變化。
沿每根據第一與第二測量軸111與112，一個非周期部分430與相鄰的非周期部分430分開一個或多個周期部分410的區域。對每根第一與第二測量軸111與112而言，各非周期部分430指示沿與局部數據436有關的第一與第二測量軸11與112的測量值。如前所述，局部數據436不一定是2D整體標尺400獨立的特征或特性。相反地，與2D整體標尺400有關的信號處理把2D整體標尺400的任何專門可識別的局部化特征或特性的隱選為局部數據436。
在圖4所示3D整體標尺400的第一實施例中，便于把局部數據436選作預定部分420中碼區439的左上角。但應明白，如上所述，這一選法有點隨意。或者，局部數據436可以是周期部分410中特性獨特的可識別位置，如空間438的右上角。
在圖4的例中，各局部數據436沿第一測量軸111與相鄰局部數據436隔開距離d0。同樣在圖4的例中，各局部數據436沿第二測量軸112與相鄰局部數據436隔開距離d1。在諸實施例中，距離d0與d1還針對讀頭126的特性選擇，因而在檢測窗440內總有至少一個完整的非周期部分430。
在諸實施例中，碼元436是相對反射的元件，而空間434在沒有碼元432時是相對不反射的。具體而言，若把具有相對反射碼元432的碼區譯為二進制1，則把空碼區即空間434譯為二進制0。這樣，碼區里碼元432和空間434的圖案就構成一二進制數或碼字，經譯碼，可將局部數據點436沿第一與第二測量軸111與112的測量值識別到第一分辨度。因此，可將檢測窗440和讀頭126相對于2D標尺沿第一與第二測量軸111與112的位置測定到第一分辨度。
如圖4所示，示例的預定部分420應用了非周期部分430頂部的第一行碼區和非周期部分430左邊的第一列碼區。如圖4所示，示例的預定部分420相同，與其沿第一和第二測量軸111與112的位置無關。顯然，這些預定部分420的作用主要是使在檢測窗440內搜索非周期部分430的信號處理變得簡單、快速而可靠。例如，單一填充的碼區435和沿預定部分420左部延伸的空間434，總是以其左方的第二周期標尺單元部分416為界。碼區沿該行的預定部分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，由對應于3×5矩形碼區內15個碼區的諸二進制位值限定唯一碼。在2D整體標尺400的一實施例中，標尺單元412和空間418各自沿每根第一與第二測量軸111與112的范圍為20μm，所以沿每要第一與第二測量軸111與112限定了40μm的遞增步距。碼區沿每根第一與第二測量軸111與112的范圍為10μm。在非周期部分320上相應點之間沿第一測量軸111的間距d0為320μm，是遞增步距的8倍。在非周期部分320上相應點之間沿第二測量軸112的間距d1為280μm是遞增步距的7倍。
在諸實施例中，檢測窗440對應的光檢測器160，例如沿對應于第一測量軸111的方向有約352個像素，沿對應于第二測量軸112的方向有約288個像素，因而標尺110上11μm區域在光檢測器160上投射一幅相當于約10個像素的圖像。因此，在具有這類尺寸的諸實施例中，排列在非周期部分430中的15位碼使2D絕對位置測量區約達3000平方毫米，這將使2D絕對標尺110具有側邊約54mm的方形2D整體標尺400。
同時在諸實施例中，多個非周期部分占用2D整體標尺400的不足3％，因而在諸實施例中，面積超過90％的整體標尺400用于一個或多個周期部分410，提高了高分辨度位置測定的速度與精度，如上所述，發明人已應用類似的標尺參數和密微的讀頭作過可靠的亞微米測量，因此按本發明原理制作的小而實用的絕對位置測量裝置，尤其有用地結合了高分辨度、速度和2D絕對測量區范圍。
關于圖4的結構，顯然在這些實施例中，不管標尺110與讀頭126之間的空隙中有沾污、缺隔和靜動態變化，總能見到相對較大的標尺單元412與空間418，提高了有關高分辨度位置測定的耐用性與精度。相反地，不管標尺110與讀頭126之間空隙中的沾污、缺隔和靜動態變化，都適宜見到相對更細的代碼空間434與碼元432，但通過以小比例的標尺長充/面積設置大量位數，可細微得允許大的絕對區域范圍，從而可將更大的標尺長度/面積專用于周期部分410里的信息，增強高分辨度位置測定。當然，碼區可相對粗略些，如其大小接近標尺單元412和空間418的大小，但在這種情況下，對于指定讀頭尺寸內數量減少的可讀碼位，非周期部分430變得細長較長，讀頭126的相應長度相對增大，而且/或者最大絕對區域范圍相對減小。
還應明白，制造含本發明整體標尺圖案的標尺特別容易而且經濟，因為只在一個或多個周期部分410要求以同等期望的總體標尺精度作精密的安裝與制作。例如，使用普通高精度遞增標尺常用的光刻膠曝光法，可用已知的高度精密的連續步進與重復曝光步驟限定標尺單元412，或者使用這種步驟制作的面積相對大的掩膜。在任一場合下，在這一初制階段，非周期部分430內的步驟不曝光或不處理。
因此，由于本發明的非周期部分430不要求特別精密的定位制作，所以其獨特的圖案以后可用可編程的高速掃描激光曝光系統等曝光。顯然，最精密的操作由此得以簡化并可更經濟和精密地執行，同時獨特的編碼操作因更加靈活、快速而經濟，也放寬了其精度。
對圖4的實施例，操作時，對應于圖7的檢測窗捕獲2D整體標尺400的圖像。然后分析捕獲的圖像，定位一部分出現在其中的周期部分410。接著從該部分的周期部分獲得一相關函數，至少明確地檢測最上面一個第一標尺單元部分414的垂直位置。應該明白，可以使用已引用的671申請和任一這里引用且包括在這里的美國專利申請09/860,636、09/921,889中揭示的任一相關技術。在諸實施例中，如下述那樣，確定的相關函數還用于沿各第一與第二測量軸111與112測定絕對位置測量值中的第三分辨度部分。
然后分析捕獲的圖像，識別出現在檢測窗440內的預定部分420的位置。由于事先知道了標尺400的2D結構，一旦確定了最上面一個第一標尺單元部分414的垂直位置，就難得搜索與第一測量軸111對準的諸行，以定位出現在檢測窗440內的預定部分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，該圖案對應于出現在各預定部分420頂部的碼元432與空間434的預定圖案。
當然應明白，分析時可應用列而不用行。此時檢測最左邊一個第二標尺單元的水平位置，然后難得搜索對準第二測量軸112的諸列，檢測捕獲圖像的亮暗部分圖案，該圖案對應于出現在各預定部分420左部的碼元432與空間434的預定圖案。
對圖4的2D整體標尺400實施例，依次從檢測器160輸入每行像素，檢測周期部分410部分。分析第一行，判斷該行是否包含來自亮區到暗區或相關的任何轉換。若元轉換，則將該行對準一個第一標尺單元部分414，故不可用于生成相關函數。此時，按勞取酬同樣方法選擇和分析后面的每一行，直到發現這樣的轉換。
在諸實施例中，一旦發現了第一個轉換，就分析該行，判斷第二個轉換離第一個轉換是否接近20個像素。第二個轉換離第一個轉換顯然接近20個像素，因為第二標尺單元部分416和空間418沿第一測量軸111的范圍為20μm，而在諸例中，捕獲圖像的20個像素在2D整體標尺400的約20μm內延伸。因此，若第二標尺單元部分416與空間418沿第一測量軸111的范圍不同，則不同的范圍形成了第二與第一個轉換的像素間隔的基礎。
若第二轉換的像素間隔不接近20個像素，則該行對準預定部分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換，而且第三轉換離第二轉換的20個像素，第四轉換離第三轉換離第二轉換約20個像素，第四轉換離第三轉換約20個像素。找出這種行時，該行就為與20微米周期參考圖案或圖像的良好相關性奠定了基礎。此時，選擇包括約180個像素的前一半確定的行生成第一個一維相關函數。在其它例中，若第二轉換不在約20個像素內，則在相當于約遞增步距的范圍內，用該行從離結束約114行開始的一半生成第一一維相關函數。
這樣，確定行的選用部分就延伸通過若干空間418與第二標尺單元部分416。比較所選的確定行部分和相應的參考圖像，生成第一一維相關函數。如引用的671申請所述，將所述確定行部分各像素與參考圖像的逐個像素比較，生成該相關函數的第一點。將所選確定行部分在40個像素范圍內對各點移一個像素，生成該相關函數的其它各點。在諸例中，這40個像素范圍相當于第二標尺單元部分416與空間418沿第一測量軸111范圍的總和。若第二標尺單元部分416與空間418沿第一測量軸111的范圍不同，將改變為形成相關函數而偏移所選確定行部分的范圍。
第一相關函數一生成，就用已引用的671、636、711和/或889申請揭示的任一技術作分析，以找出相關峰，并可在相關峰周圍的點之間作內插，確定實際的峰偏移位置，這樣就確定了第二標尺單元部分416相對檢測窗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，應用上述兩實施例之一作分析，求出能用于第二一維相關函數的列的一部分。
具體地說，若所選列的開始部分元正確間隔的第一到第四轉換，則在一實施例中，就選擇所選列右邊40個列的一列作分析。如此反復進行，直到找出具有正確間隔的第一到第四轉換的列。然后選擇包括約40個像素的該列的前半部分，用于生成第二一維相關函數。在另一實施例中，如對第一相關函數所述那樣，初選列的一半，從該列結束開始約1/4列，用于生成第二一維相關函數。第二相關函數一生成，就用已引用的671,636,711和/或889申請揭示的任一技術分析，找出相關峰，并可在相關峰周圍諸點之間作內插，以確定實際的峰偏移位置，這樣就確定了第一標尺單元部分414相對檢測窗440頂邊的位置。
在諸實施例中，在該點對第一與第二測量軸111與112測定第三分辨度測量值。此時根據第一和第二相關函數的峰偏移位置，對相應于這些峰偏移位置的峰2D位置和其周圍的若干二維位置，如相當于各方向遞增步距的范圍內，確定二維相關函數。在諸例中，對該峰位置及其周圍的若干其它位置，用整幅捕獲的圖像生成該相關函數，不用所選行的選擇部分或甚至所選的行。
但在諸實施例中，第一與第二相關函數的峰偏移位置足夠精確，因而只用2D峰位置周圍的大約四個其它2D位置來生成其它相關函數。諸例中，這四個其它位置代表與2D峰位置分別偏移(0，-1)、(-1，0)、(0，1)和(1，0)。在其它例中，這四個其它位置代表與2D峰位置分別偏移(-1，-1)、(-1，1)和(1，1)。當然應該明白，可延續分析的該第三分辨度部分，直到第一與第二分辨度部分結束以后。
然后難得地搜索捕獲圖像的諸行，找出通過形成預定部分420的碼區的行。由于現在基于前面的相關性知道了第一標尺單元部分414與檢測窗440頂部的相對位置，而且事先知道了預定部分420與第一標尺單元414的定位關系，所以可知道能貫穿碼區中心的檢測窗440的諸行，并以像素行之間“10微米”步進作搜索而迅速定位預定部分420。
在諸實施例中，在檢測窗440中把離最上方第一標尺單元部分414約“5μm”的一行選為初始行。之所以選擇離最上方第一標尺單元部分414的頂部為5μm距離，是因為預定部分420的碼區沿第二測量軸112延伸約10μm，因而5μm距離對應于將通過碼區中心附近的某一行。該例中，標尺上的一微米對應于圖像中一個像素步距。所以，分析初始行，可判斷它是否包含一系列隔開約10個像素的轉換。因預定部分420的碼區沿第一測量軸111約延伸10μm，故選擇10像素間隔。
若初始行不含一系列隔開約10個像素的轉換，就選朝檢測窗440移動的各第五行分析，直到檢測出含一系列隔開約10個像素的行。
在其它實施例中，甚至可以更稀疏地搜索諸行。在圖4的例中，預定部分420對準一個第一標尺單元部分414的上半部。該例中，第一標尺單元部分414在捕獲的圖像中隔開約40個像素或行，因而初始行一經確定，如上所述，若該行不含一系列隔開約10個像素的轉換，就選朝檢測窗440移動的各第40行分析，直到檢測出含一系列隔開約10個像素的轉換的行。
在諸實施例中，顯然要對包含預定部分420的行作附加的定位分析，以確保檢測的預定部分420和相應的非周期部分430完全落在檢測窗440內。通常，若使用完全落在檢測窗440內的單個非周期部分430，不應用兩個非周期部分430在檢測窗440之外延伸的部分，可簡化該處理。
在諸實施例中，為確保使用完全落在檢測窗440內的單個非周期部分430，一旦檢測出明顯含預定部分420的行，就將位于檢出行與檢測窗440頂部之間的若干行與一對閾值作比較。若行數大于第一閾值而小于第二閾值，則檢出的預定部分420和相應的非周期部分430就全落在檢測窗440內。
然而，若行數小于第一閾值，就可能出現含預定部分的行是通過非周期部分的“匹配”碼延伸的行的情況。此時，就選位于檢出行下面預定行數的一行作進一步分析。在諸實施例中，若預定部分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，若檢測窗約為288像素高，則把預定數定為對應于“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應于比整個非周期部分430在圖像底限上方的垂直跨度更大的距離。
以檢出行下面預定行數的新行開始，像上述那樣分析每第5(或第40)行，找出含第二預定部分420的第二行。鑒于預定數的值，第二行肯定包含一“實際的”第二預定部分420。若該行也高于第二閾值，則第二預定部分420“令人滿意”，相應的非周期部分430肯定全落在檢測窗440內。或者，第一視在預定部分420位于實際滿意的預定部分420附近，而相應的非周期部分430肯定全落在檢測窗440內。
還應明白，可用任何其它合適的預定部分420檢測技術代替上述諸技術檢測預定部分420。
一旦檢出了貫穿出現在捕獲圖像中滿意的預定部分420的中央行，就知道非周期部分430的代碼部分相對于該檢出行中預定轉換系列出現在預定的2D位置中，因而該預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像素行的步距出現在預定部分420下面，其右邊界對準預定部分420的右邊界。對應于出現在檢出預定部分420相鄰非周期部分430里碼區中的碼元432與未占用空間，測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，用于測定局部數據沿各一與第二測量軸111與112的X與Y絕對位置測量值。這些測量值把檢測窗440和讀頭126相對2D標尺110沿各第一與第二測量軸111與112的定位指示到沿各第一與第二測量軸111與112的第一分辨度。沿各測量軸111與112的第一分辨度接近相當于局部數據436和/或非周期部分430分別沿第一與第二測量軸111與112的間距d0與d1。在圖4的例中，出現在檢測窗440中被分析非周期部分430附近的檢出預定部分420的一指定特征，用作局部數據436。
或者，若2D整體標尺400沿第一與第二測量軸中至少一根軸的整個范圍是相應間距d0和/或d1沿該第一和/或第二測量軸111和/或112的2的次方倍，則可將碼元432和空間434限定的二進制碼分成兩個碼字，如2D整體標尺400沿第一測量軸111的范圍可能是2nd0。于是該2D整體標尺400沿第一測量軸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中的碼區數。
此時，一個碼字具有至少n碼區，因此對任一指定的非周期部分430而言，可對沿第一測量軸111的第一分辨度絕對位置測量值用一個碼字限定多個間距d0。同樣地，對沿第二測量軸112的第一分辨絕對位置測量值，另一碼字限定多個間距d1。通過將間距d0和d1乘上相應的倍數，可從這兩個碼字直接得到沿第一與第二測量軸111與112的絕對位置測量值。
在其它實施例中，假定2D整體標尺400的總面積允許對非周期部分430中限定的碼字省略足夠數量可能的值，則即使沿2D整體標尺400第一與第二測量軸111與112的范圍都不是相應間距d0與d1的2的次方倍，也可應用該實施例。
為進一步提高沿第一測量軸111的絕對位置測量分辨度，求出局部數據點436相對檢測窗440左邊緣442或右邊緣444的位置，既方便又足夠了。當檢測窗440左邊緣442相對局部數據點436用作參考點時，如圖4所示，就便于把對應于局部數據點436與左邊緣442的偏移距離d2的像素數測定到一個或n個像素以內，并根據已知的光檢測器160的幾何特性和讀頭126的放大倍數，可將該像素距離轉換為實際偏移距離d2。
同樣地，為再提高沿第二測量軸112的絕對位置測量分辨度，求出局部數據點436相對檢測窗440頂緣446或底緣448的位置，既方便又足夠了。當檢測窗440的頂緣446相對局部數據點436用作參考點時，如圖4所示，便于把對應于局部數據點436與頂緣446的偏移距離d3的像素數測定到一個或幾個像素，并根據已知的光檢測器160的幾何特性與讀頭126的放大倍數，把該像素距離轉換成實際偏移距離d3。
當把偏移距離d2與d3分別加到局部數據436的代碼測定的絕對測量X與Y絕對位置測量值里時，可把讀頭126相對2D標尺110沿第一與第二測量軸111與112的2D絕對位置分辨到第二分辨度，這比周期部分410相應于各第一和第二測量軸111與112的一半遞增步距還精細，近似相當于對應像素步距除以讀頭126放大倍數的一倍或幾倍。
顯然，上述的相對較低分辨度位置測定操作，應用相對少的檢測窗440現有的位置信息。為再改進讀頭126與2D標尺110間的絕對位置測量，要應用檢測窗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定。
具體而言，希望根據部分或全部檢測窗440中出現的一個或多個周期部分410中至少一部分產生的信息和/或信號作位置測定，如像前述的相關操作一樣對第一和第二測量軸111與112提供第二分辨度測量值。實際上，目的在于精煉前述偏移距離d2與d3的估值。對于局部數據與建立的參考位置相符的圖像，可用X與Y軸的實際峰或谷偏差值與其期望的偏差值之差來提高估算偏移距離d2與d3以及最終絕對位置測定的分辨度與精度。
例如，一般可將前一次估算的偏移距離d2與d3細分出一部分，它等于遞增步距沿各自X與Y軸的整數倍加或減一附加量，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，對于局部數據與其2D參考位置相符的圖像，舍去該附加量，代之以X與Y軸的實際峰或谷偏差值與它們各自期望的偏差值之差。
在其它實施例中，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曲線值，可像671申請描述的那樣用來把峰或谷的像素偏差值識別到可能的最佳分辨度，對一些有用的應用場合而言，精度仍足夠了。
在任何情況下，應該明白，根據上述操作，偏差距離d2與d3的初估值常常精密得小于與相應一根第一與第二測量軸111與112有關聯的相應遞增步距增量的一半。相應地，為精煉各維度的絕對位置測量，對于局部數據436與其參考位置相符的圖像，只需根據應用的相關類型測定任何一個或多個幅值高得多的谷或峰相對一個或多個相應期望的偏差位置的偏差位置，以便執行前述操作而把估算的偏差距離d2與d3以及最終的絕對位置測定的分辨度與精度提高到高分辨度等級。
如上所述，在諸實施例中，相關函數的生成方法是將捕獲的對應于檢測窗440的圖像與所述的參考圖像作比較，使標尺單元412的結構與出現在檢測窗400里的空間418匹配。參考圖像可以是取自標尺110的實際圖像或合成圖像。對參考圖像唯一的要求是其周期部分對應于一個或多個周期部分410的結構，尺寸是以生成合適的2D相關曲線。如在諸實施例中，參考圖像沿一根或兩根測量軸111和/或112比2D標尺110整幅檢測的圖像更短，使它只包括若干連續的一個個標尺單元部分414和/或416，而這些部分分別沿第二和/或第一測量軸112和/或111肯定連續出現在2D標尺110任一被檢測的圖像內。
顯然，在其它實施例中，若使用合成圖像，則它可能只包括標尺單元412和一個或多個周期部分410延伸穿過該合成圖像全長的空間414的結構。或者，合成圖像包括至少一個周期部分410，至少一個預定部分420和至少一個代表性非周期部分430的至少一部分。同樣地，取自2D標尺110自身的參考圖像，一般包括至少一個周期部分410、至少一個預定部分420和至少一個非周期部分430的至少一部分。但應明白，其中任一類參考圖像的一段有關圖像，可以對應于非周期部分430在相關操作期間被“刪除”或跳過的位置。對于實際的參考圖像，如可根據上述任一碼區定位法測定至少一個非周期430的位置。
還應明白，若讀頭126相對2D標尺110裝得迎角失準，則2D標尺110的實際圖像將相對理想地對準的2D標尺110的參考圖像轉動，但這種失準造成的有限的圖像轉動通常是相容的，與讀頭126沿2D標尺110的位置無關。因此，這種圖像轉動產生的誤差在各位置幾乎一樣，所以在諸實施例中都予以忽略。
在其它實施例中，在校正操作期間，應用已知或以后開發的旋轉相關法，測定實際圖像與理想地對準的參考圖像之間的旋轉失準量。然后在正常操作期間出現的信號處理之前或期間，把參考或實際圖像以計算方法轉到對準，提高相關操作精度和位置測定精度。在另一些實施例中，從包含相容旋轉失準的實際圖像中導出參考圖像，此時，參考圖像與后續的實際圖像固有地旋轉對準。
圖5示出第二實施例的2D整體絕對標尺500，對應于圖3所示的2D整體標尺圖案300。如圖5所示，標尺500有一個或多個2D周期部分410和多個沿測量軸111與112排列的2D非周期部分430。
圖5所示的第二實施例的2D整體絕對標尺500，相對于圖4中第一實施例的2D整體絕對標尺400，還包括多個區域417。在各區域417中，省略了圖4所示出現在第一實施例的2D整體絕對標尺400中的第二標尺單元部分416。同樣地，還省略了在圖4所示第一實施例的2D整體絕對標尺400中延伸穿過區域417的第一標尺單元414部分。
即在第二實施例的2D整體絕對標尺300中，各區域417在一個或多個周期部分410的周期標尺單元412圖案中造成一斷面。顯然，區域417分布在標尺單元412的周期圖案內，因而檢測窗440定位在2D整體絕對標尺500區內任一地點時，保證至少一個區域417出現在檢測窗440內，并從頂緣446到底緣448延伸穿過檢測窗440的整個高度。
圖5所示第二實施例的2D整體絕對標尺500，還應用了不同樣式的預定部分420和非周期部分430。具體而言，在該2D整體絕對標尺500中，預定部分420定位到非周期部分430左側，沿第一和第二測量軸111與112的尺寸等于沿第一或第二測量軸111或112的一個遞增步距。因此，對第一實施例而言，上述尺寸的示例值，預定部分420為寬40μm、寬40μm。
非周期部分430的代碼部分沿第一測量軸111的延伸的是第一測量軸111的遞增步距的1.5倍，沿第二測量軸112的延伸的是第二測量軸112的一個遞增步距。這樣，若碼區沿各測量軸111與112延伸該測量軸111或112的1/4遞增步距，如在圖4的第一實施例中那樣，則非周期部分將包含24個碼區。同樣地，預定部分將含16個潛在碼區。
如圖5所示，預定部分420延伸穿過區域417。圖5還示出一側代碼單元432的圖案和預定部分420中沿成行捕獲圖像建立可檢測的轉換圖案的空間434，與具體的代碼單元432和可能出現在相鄰非周期部分中的空間434的圖案無關。因此應明白，可在檢測窗440內任一行捕獲圖像中容易地在檢測窗440內確定區域417的位置。
例如，每邊與約60個暗像素相接的約20個亮像素的圖案，明確地證實所選的行與一個第一標尺單元部分414對準，20個亮像素對應于區域417。同樣地，每邊與若干隔開約20個像素的轉換相接的約60個亮像素的圖案，明確地證實所選的行對準在兩個第一標尺單元部分414之間，60個亮像素的中間20個像素對應于區域417。
同樣地，對于延伸通過預定部分420和非周期部分430的行，預定部分420的頂部對準一個第一標尺單元，因而一長串暗像素右側和至少10個暗像至少左側的10個亮像素圖案，明確地識別出正在通過預定部分頂部的所選的行。這樣，區域417與緊接這些10個亮像素左側的20個暗像素相關聯。
類似地，對延伸通過預定部分420和非周期部分430的行，預定部分420的底部在兩個第一標尺單元之間對準，因而在間隔開約20個像素的若干轉換的右側和至少10個暗像互左側的50個亮像素圖案，明確地識別出正在通過預定部分底部的所選的行。這樣，區域417就與這50個亮像素中間的像素相關聯。
所以應明白，利用圖5的2D整體絕對標尺500的圖案，通過按前述討論選擇和分析任一行捕獲的圖像，就能在檢測窗440內測定區域417沿第一測量軸111即X軸的位置。一旦測定了區域417的位置，就知道了區域417的中央像素列，然后作上下選擇和掃描，以測定預定部分4個暗碼單元432的頂與底緣出現在區域417內的位置，因為這些代碼單元432只對應于區域417內的暗像素。另在本發明諸實施例中，這些頂緣或底緣與區域417中心像素行的X-Y交點，在第一實施例的2D整體絕對標尺400的討論中，可以用來滿足前面對代碼位置指示符和局部數據所述的函數。因此應明白，應用圖5的2D整體絕對標尺500的圖案，可作特別快速而確定的一系列位置測定操作。
如前所述，局部數據和非周期部分430都與預定部分有一預定的關系，因而確定了預定部分420的2D位置，就很容易測定局部數據436沿各第一與第二測量軸111與112的位置和距離d2與d3。同樣地，能容易地探測和分析非周期部分430的代碼部分，以測定非周期部分430出現的二進制值。這樣，上述明確的操作可將檢測窗440以及讀頭126與2D標尺110的2D絕對位置高速地測定到第三分辨度。
應明白，在參照圖3-5的前述諸實施例中，二維整體標尺圖案的標尺單元一般按正交的行列排列，行對準的方向對應于一根測量軸，列對準的方向對應于另一根測量軸。但在其它實施例中，二維整體標尺圖案的標尺單元通常不按正交的行列排列，對準的方向對應于測量軸。如在其它實施例中，前述實施例的二維整體標尺圖案相對測量軸旋轉。
在又一些實施例中，二維整體標尺圖案的標尺單元按非正交的行列排列，對準的方向不一定對應于測量軸。如在示出其它實施例中二維整體標尺圖案實施例的前述附圖中，沿垂向定向的所有邊緣與邊界對垂直方向成一角度定向。結果，“平行四邊形”型標尺單元按水平的行和非正交“傾斜的”對排列，在諸實施例中，這種“傾斜的”列對準的方向不一定對應于測量軸。
但在所有這類“非正交”和/或“不對準”的二維整體標尺圖案中，用數學方法把沿任一特定方向對準的測量值、長度、周期標尺特征步距等變換成沿另一特定方向(如對應于測量軸的方向)對準的相應的測量值、長度、周期標尺特征步距等，顯然不難。另根據本發明原理，這種“非正交”和/或“不對準”的二維整體示尺圖案狀況，仍然提供可與相應的周期參考圖像、樣板或結構作比較或相關的周期部分。因此應明白，制作和使用這類按本發明原理的“非正交”和/或“不對準”的二維整體標尺圖案很簡單。
圖6示出一實施例方法，用于按本發明測定讀頭與2D標尺之間的高分辨度2D絕對位置測量值。該方法在步驟S100開始操作到S200，其中得到一部分2D標尺的圖像。當然，該部分2D標尺的這一圖像要求包括至少一部分一個或多個周期部分和本發明原理等效的一個或多個非周期部分的圖像。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或多個參考圖像作比較而產生足夠的相關函數值點。在諸實施例中，至少一組X與Y遞增偏移位置包括一組根據出現在該圖像或所有得到圖像中相對大部分的周期部分測定的高分辨度X與Y遞增偏差位置。接著在步驟S400，在該圖像中測定滿意的代碼位置指示符和局部數據的位置。操作再繼續到步驟S500。
應明白，在諸實施例中，參考圖像之一可以是對應于以普通方法得到的圖像的合成圖像。如出現在合成圖像里的非周期部分，可以沒有變化，或者近似代表出現在標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際非周期部分之間的差異。在其它實施例中，參考圖像之一可以是只包括對應于一周期部分特征的一般參考圖像。顯然，可以應用能以足夠精度生成相關曲線的任何合成圖像結構。在其它實施例中，把取自標尺的實際圖像用作參考圖像之一。
在步驟S500，根據滿意的代碼位置指示符，測定或定位一系列地址或像素位置，它們對應于非周期部分出現在步驟S200得到的2D標尺部分圖像里的代碼部分信息或數據。接著在步驟S600，根據在一素列對應于被測定或定位代碼部分中的地址或像素位置，測定讀頭與2D標尺間的第一分辨度2D絕對位置。操作再繼續到步驟S700。
在步驟S700，根據局部數據與出現在得到圖像中已識別非周期部分相關聯的位置，測定讀頭與標尺的第二分辨度2D相對位置。顯然在諸實施例中，局部數據可能出現在得到圖像中與已識別非周期部分相鄰的周期部分內。反之，在其它實施例中，局部數據出現在已識別非周期部分內。然后在步驟S800，根據一條或多條生成的相關曲線，測定讀頭與標尺的第三分辨度2D相對位置。在諸實施例中，讀頭與標尺的第三分辨度2D相對位置，以一組高分辨度的X與Y遞增偏移位置為基礎。操作再進到步驟S900。
在步驟S900，讀頭與標尺的第一、第二和第三分辨度2D相對位置經組合，產生讀頭與對應于得到圖像的2D標尺相對位置的第三分辨度2D絕對測量值。然后在步驟S1000，輸出基于組合測量測定的讀頭相對標尺的2D第三分辨度絕對位置。操作再進到步驟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所示示例標尺實施例的方法，用于按本發明比較得到的圖像與一個或多個參考圖像，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開始操作并進到步驟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應于圖像中X軸步距的轉換開始，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換的像素作分析。接著在步驟S300，對所選行的選擇部分生成相關函數值。具體而言，比較所選部分與單行含亮暗部分的參考圖像，生成各相關函數值，這些亮暗部分對應于第二標尺單元部分與空間的交替圖案。在對應于第二標尺單元部分沿第一測量軸的一個遞增步距的范圍內，相對單行參考圖像移動所選部分，生成該相關曲線。操作再進到步驟S325。
在步驟S325，根據生成的相關函數值點，測定第二標尺單元部分沿第一測量軸的X軸遞增偏移。然后在步驟S330，根據測定的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應于圖像中Y軸步距的轉換開始，若是，操作跳到步驟S345，否則操作進到步驟S340。在步驟S340，根據圖像中的X軸步距選擇下列，操作再返回步驟S335。
當然，如上所述，在其它實施例中，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預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預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，對所選部分的所選列生成相關函數值。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軸相關函數值的各相關點。這些亮暗部分對應于第一標尺單元部分與空間的交替圖案。在對應于圖像中一個Y軸步距增量的范圍內，相對單列參考圖像移動所選部分，生成相關函數值。操作再進到步驟S355。
在步驟S355，根據生成的相關函數值點，測定第一標尺單元部分遞增步距內所選列沿第二測量軸的Y軸遞增偏移。然后在步驟S360，在對應于先前測定的X與Y軸遞增偏移值的偏移點周圍，生成一組更高分辨度的X與Y相關函數值。通常，為測定該第三條相關曲線，要求只對該偏移點及其周圍幾個點測定該相關函數。操作再進到步驟S365，控制返回步驟S400。
圖9的流程圖詳述一例步驟S600的方法，該法根據已識別的非周期部分代碼，把讀頭與2D整體絕對標尺的2D絕對位置測定到第一2D分辨度。如圖9所示，該方法在步驟S600開始操作并進到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，這包括分析出現在所選一行或多行內的相對亮暗像素的序列或相對亮暗像素間的強度轉換。操作再進到步驟S630。
在步驟S630，處理已分析的代碼單元，確定一個或多個碼字，這些碼字可用來測定沿各第一與第二測量軸的第一分辨度2D絕對位置測量值。顯然在諸實施例中，編碼的標尺標記限定一二進制碼字，其中暗像素對應于一個二進制值，亮像素對應于另一個二進制值。當然應明白，可以應用非二進制編碼法，如三元或更高級方法。
接著在步驟S640，處理一個或多個碼字，測定一對第一分辨度2D絕對位置測量值，這些值沿各第一與第二測量軸，把標尺在得到圖像中的該部分和/或2D位置因而也是2D標尺相對讀頭的位置指示到第一分辨度。操作再進到步驟S650，該方法的操作返回步驟S700。
顯然，在諸實施例中，把一個或多個碼字用作查表的一個或多個輸入地址，把這些碼字轉換成第一分辨度位置測量值。根據一個或多個碼字指示的一個或多個地址，查表輸出指示相應的第一分辨度位置測量值。相比之下，在其它實施例中，一個或多個碼字沿各測量軸在標尺原點與讀頭相對標尺的當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各自乘以碼字或數值，就得到沿相應測量軸的第一分辨度距離測量值。在其它實施例中，兩個碼字各自限定的數本身就是沿測量軸之一的第一分辨度距離測量值。
圖10的流程圖詳述一例按本發明在圖像中測定滿意的代碼位置指示符與局部數據的位置。如圖10所示，操作在步驟S400開始并進到S405，根據步驟S355測定的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應于出現在預定部分中由代碼單元與空碼區組成的圖案的可靠主系列轉換。若是，操作跳到步驟S440。否則操作進到步驟S415，根據碼區沿第二測量軸的大小和/或預定部分與第一標尺單元部分的關系，選擇下一行。操作再返回步驟S410。
在步驟S420，測定主系列轉換的行數，即步驟S410選擇的主行。接著在步驟S425，判斷測定的主系列轉換的行數是否大于第一閾值，若大于，操作就跳到步驟S455，否則操作進到步驟S430，選擇某一行，該行是所選主行下面預定的行數，而且肯定位于圖像中下一預定部分的上面。然后在步驟S435，判斷所選行是否包含一系列可靠的對應于預定部分中代碼單元與空碼區圖案的二次轉換。若包含，操作跳到步驟S445，否則操作進到S440，根據碼區沿第二測量軸的大小和/或預定部分與第一標尺單元部分的關系，選下一行。操作再返回步驟S435。
在步驟S445，判斷對所選第二行測定的行數是否大于第二閾值。若是，操作跳到步驟S455，否則操作進到S450，把第二系列轉換的位置用作滿意的代碼位置指示符和局部數據。操作再跳到步驟S460。
反之，在步驟S455，把主系列轉換的位置用作滿意的代碼位置指示符和局部數據。操作再進到步驟S460，在此返回步驟S500。
圖11的流程圖詳述一例可用于圖5所示實施例的方法，用于按本發明測定圖像中滿意的代碼位置指示符和局部數據的位置。如圖11所示，該方法在步驟S400開始并進到S470，選擇得到圖像的任一行。然后在步驟S475，分析所選的行，探測造成獨特預定轉換圖案的區域或任何數量的一組獨特預定的轉換圖案，其中至少一個圖案出現在圖像每一行中。在諸實施例中，這樣一組獨特預定的轉換圖案，包括一種對應于“遺失的”第二標尺單元部分的轉換圖案。接著在步驟S480，根據探測的預定轉換圖案，按其位置選一列。操作再進到步驟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據的位置。然后在步驟S490，分析局部數據的位置，沿各第一與第二測量軸對與探測的預定部分相關聯的局部數據測定在圖像中的偏移距離d2與d3。操作再進到步驟S495，在此返回步驟S500。
顯然，相對于步驟S700，通過測定局部數據在得到圖像中的位置，可以相對在有關信號處理操作中隱含的局部數據的參考位置而測定第二分辨度相對位置。前述任一類局部數據都可以應用。
不管用何種特征或特性來限定局部數據，在諸實施例中，當局部數據的參考位置是得到圖像的邊緣時，通過沿測量軸統計限定局部數據的特征與得到圖像相應邊緣之間的像素數，就可沿各測量軸測定局部數據到得到圖像該邊緣的距離。但應明白，局部數據特征的像素位置和局部數據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，其量級為幾個像素。
圖12的框圖詳述一例圖1所示的信號發生處理電路200。如圖12所示，該電路200包括控制器205、光源驅動器220、光檢測器接口225、存儲器230、部分定位電路240、譯碼電路250、測距電路260、比較電路270、比較結果累計275、內插電路280、位置累加器290、顯示驅動器201和任選的輸入接口203。
控制器205經信號線206接光源驅動器220，經信號線207接光檢測器接口225，經信號線208接存儲器230。同樣地，控制器205經信號線209-215分別接部分定位電路240、譯碼電路250、測距電路260、比較電路270、比較結果累加器275、內插電路280和位置累加器290。最后，控制器205經信號線216接顯示驅動器201，若有的話，經信號線217接輸入接口203。存儲器230包括當前圖像部分232、參考圖像部分234和相關部分236。
操作時，控制器205經信號線206向光源驅動器220輸出控制信號。作為響應，光源驅動器220經信號線132向光源130輸出驅動信號。接著，控制器205經信號線207與208向光檢測器接口225和存儲器230輸出控制信號，把經信號線164接收自對應于各像元162的光檢測器160的信號部分存入當前圖像部分232。具體而言，在對應于陣列166內各像元162位置的當前圖像部分232的2D陣列中，存貯來自各像元162的像值。
將得到的或當前工作的圖像存入當前圖像部分232后，當前圖像經信號線238輸出給部分定位電路240。于是根據控制器205經信號線209輸出的控制信號，部分定位電路240分析貯存在當前圖像部分232里一個或多個行和列的得到圖像，以對預定部分320和/或非周期部分330定位。具體而言，根據圖4和5所示在2D標尺110中實施的具體結構之一，該分析可應用以上對圖4和5描述的相應技術。因而在諸實施例中，部分定位電路240可以結合比較電路270與比較結果累加器275操作。然后根據經信號線210來自控制器205的控制信號，譯碼電路250從存儲器230的當前圖像部分232中輸入由部分定位電路240定位的出現在得到圖像內的非周期部分。
于是，譯碼電路250應用上述技術之一，把得到圖像被定位部分中的亮暗像素圖案轉換成一個或多個碼字，并把該一個或多個碼字轉換成一對第一分辨度絕對位置測量值。譯碼電路250經信號線252向位置累加器290輸出這些第一分辨度絕對位置測量值。
接著，根據部分定位電路240定位的預定部分或非周期部分，控制器205經信號線211向測距電路260輸出控制信號。作為響應，測距電路260從存儲器230的當前圖像部分232中輸入全部或部分得到的圖像，至少包括局部數據的參考位置，諸如得到圖像的邊緣和測定局部數據位置所需的得到圖像部分。然后，測路電路260分析該輸入的得到圖像部分，以根據局部數據與其相應參考位置的距離，對讀頭相對2D標尺的2D相對位置測定第二分辨度距離測量值。測距電路260再經信號線262向位置累加器290輸出這些第二分辨度距離測量值。
然后，控制器205在信號線209上向比較電路270輸出信號，執行以上對圖4和5描述的有關相關技術。在諸實施例中，對有關行列部分的有關偏移確定諸一維相關曲線或相關函數值。相應地，如以上對涉及圖4示例標尺的操作所指示的那樣，運用操縱比較電路270與比較結果累加器275的控制器205并結合操縱部分定位電路的控制器205，像對圖4描述的那樣對有關行列部分定位，產生相關函數值。
響應來自控制器205準備對各有關軸產生一特定相關曲線或相關函數值的控制信號，比較電路270經信號線238對特定像素輸入來自貯存在當前圖像部分232里相應當前圖像部分的像值，并根據當前偏移，經信號線238對相應像素輸入來自貯存在參考圖像部分234里有關參考圖像的像值。然后，比較電路270應用相關算法測定比較結果。根據當前偏移，比較電路220可用任一已知或以后開發的合適相關技術，以逐個像素的原則比較貯存在當前圖像部分232里的當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在信號線272上向比較結果累加器275輸出當前相關偏移的比較結果。
一旦比較電路270對特定相關曲線或相關函數值為來自當前圖像部分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里的相應像值作了比較，而且應用該相關技術把比較結果輸出給比較結果累加器275，則貯存在比較結果累加275里的該值就以預定單位限定了對應于當前2D即X或Y偏移的相關值。于是，控制器205經信號線213向比較結果累加器275輸出信號，并經信號線208向存儲器230輸出信號，因而將貯存在比較結果累加器275里的相關值結果輸出并存貯在存儲器230的相關部分236中，位置對應于當前2D即X或Y偏移。
然后，控制器205在信號線213上輸出信號，清除結果累加器275。比較電路270對特定相關曲線或相關函數值在貯存在當前圖像部分232里的當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，而且其結果在控制器205控制下被比較結果累加器275累加并存入相關部分236之后，控制器205就經信號線214向內插電路280輸出控制信號和/或經信號線209向部分定位電路240輸出控制信號。
對于比較電路270和比較結果累加器275生成的2D相關曲線，在控制器205控制下，把貯存在存儲器230相關部分236里的被存2D相關曲線輸出給內插電路。即內插電路280經信號線238對2D相關曲線或相關函數值輸入貯存在相關部分236里的相關結果，并用該相關函數峰/谷附近選擇的一個個相關函數值點作內插，沿X與Y方向以亞像素分辨度測定峰偏移值或圖像位移值。然后經信號線214在來自控制器205的信號的控制下，內插電路280在信號線282上向位置累加器290輸出測定的亞像素第三分辨度測量值。
內插電路280應用任一已知或以后開發的技術，如引用的671專利揭示的任一技術，把2D相關函數或相關函數值所選峰的實際位置求解到亞像素分辨度。內插電路280再經信號線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把各個譯碼電路250、測距電路260和內插電路280輸出的2D位置或距離測量值組合起來，產生指示讀頭相對于標尺位置的第三分辨度2D絕對位置測量值。位置累加器290經信號線292向控制器205輸出該2D絕對位置測量值，控制器205再經信號線216向顯示驅動器201輸出測定的絕對位置測量值，而顯示驅動器201經信號線202輸出控制信號而驅動顯示器(未示出)輸出測定的絕對位置測量值。
作為響應，控制器205經信號線217向設置的顯示驅動器201輸出修正的2D位置值，于是顯示驅動器201經信號線202向顯示裝置107輸出驅動信號，以顯示當前位移值。
若設置一條或多條信號線204，就可在操作員或協作系統與控制器210之間聯接。設置的話，輸入接口203可以緩沖或變換輸入信號或命令，并對控制器205發送有關信號。
顯然，前述討論著重于標尺110，其中各非周期部分310沿測量軸方向112有一特征范圍，各周期部分330沿測量軸方向112也有一特征范圍。但在其它實施例中，這些范圍在一個或多個周期部分330和/或非周期部分330內可以不同。不過在這類情況下，各非周期部分330的碼元必須仍指示局部數據的測量值，即使局部數據不一定沿標尺周期性地出現。
在上述各實施例中，標尺為平面構件。但應明白，在其它實施例中，標尺是具有轉軸的柱形構件，或至少限定一部分限定柱軸的柱表面。此時，對柱形村尺應用本發明的二維整體標尺圖案，使第一和第二測量軸的一根平行于柱軸，另一根沿柱形構件或表面的外周安置。這樣，可用本發明的二維整體標尺圖案建立讀頭與柱形表面的絕對位置。
還應明白，雖已圖示和描述了本發明諸實施例，但范圍廣泛的其它代碼與檢測方案可應用于非周期部分，而且范圍廣泛的其它軟硬件方案也適用于檢測周期部分相對讀頭的位置，以提供符合本發明原理的第三分辨度測量值。還要明白，前面討論中為簡潔地描述軸，諸操作和特征都參照X與Y軸之一作描述。然而，本文相對任一軸所描述的諸操作和特征，完全適用于本發明諸實施例中對其它軸的各種組合。因此應明白，可對本文所圖示和描述的本發明諸實施例作各種變化而不違背本發明的精神與范圍。
權利要求
1.一種能用來沿第一與第二測量軸測量第一構件相對第二構件位置的二維絕對位置檢測裝置，所述二維絕對位置檢測裝置包括讀頭與標尺，標尺包括沿第一與第二測量軸延伸的二維整體標尺圖案，二維整體標尺圖案包括至少一個周期部分，各周期部分沿第一與第二測量軸延伸，各周期部分包括在至少第一范圍內沿第一方向周期性排列并在至少第二范圍內沿第二方向延伸的多個條狀第一周期標尺單元內，多個第一周期標尺單元區包括遞增標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沿第二方向周期性排列并在至少第一范圍內沿第一方向延伸的多個版權法狀第二周期標尺單元區，多個第二周期標尺單元區包括遞增標尺特征沿第一方向的特性化第二配置；和多個分布在二維整體標尺圖案內的非周期部分，它們沿第一方向隔開至少第一距離，第一距離橫跨至少兩個第一周期標尺單元區，包括遞增標尺特征沿第二方向的特性化第一配置，并沿第二方向隔開至少第二距離，第二距離橫跨至少兩個第二周期標尺單元區，包括遞增標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限定至少一個碼字的碼元，至少一個碼字可用于識別局部數據沿各第一與第二測量軸的測量值；其中，配置至少一個周期部分和多個非周期部分，使得讀頭沿各第一與第二方向延伸的檢測窗包括若干足以限定至少一個碼字的碼元，限定的至少一個碼字可用來識別局部數據沿第一與第二測量軸的測量值，與檢測窗在二維整體標尺圖案內的位置無關。
2.如權利要求1的二維絕對位置檢測裝置，其中第一距離橫跨至少四個第一周期標尺單元區，包括遞增標尺特征沿第二方向的特性化第一配置。
3.如權利要求2的二維絕對位置檢測裝置，其中第二距離橫跨至少四個第二周期標尺單元區，包括遞增標尺特征沿第一方向的特性化第二配置。
4.如權利要求1的二維絕對位置檢測裝置，其中至少有些碼元沿第一方向的長度比第一周期標尺單元區沿第一方向的長度更窄。
5.如權利要求4的二維絕對位置檢測裝置，其中至少有些碼元沿第二方向的長度比第二周期標尺單元區沿第二方向的長度更窄。
6.如權利要求4的二維絕對位置檢測裝置，其中至少有些碼元沿第一方向的長度是第一周期標尺單元區沿第一方向的長度的約一半。
7.如權利要求1的二維絕對位置檢測裝置，其中標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至少兩個第二周期標尺單元區的標尺單元，b)沿第二方向延伸穿過至少兩個第二周期標尺單元區的標尺空間，和c)沿第二方向周期性排列且步距與第二周期標尺單元區沿第二方向的步距相同的標尺單元與標尺空間的交替圖案。
8.如權利要求7的二維絕對位置檢測裝置，其中標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至少兩個第一周期標尺單元區的標尺單元，b)沿第一方向延伸穿過至少兩個第一周期標尺單元區的標尺空間，和c)沿第一方向周期性排列且步距與第一周期標尺單元區沿第一方向的步距相同的標尺單元與標尺空間的交替圖案。
9.如權利要求1的二維絕對位置檢測裝置，其中各個多個非周期部分預定的部分包括與各個多個非周期部分同樣的圖案。
10.如權利要求1的二維絕對位置檢測裝置，其中檢測窗面積被非周期部分占居的百分比最多為20％，與檢測窗相對于至少一個周期部分和多個非周期部分沿第一與第二測量軸的位置無關。
11.如權利要求10的二維絕對位置檢測裝置，其中百分比最多為10％。
12.如權利要求1的二維絕對位置檢測裝置，其中二維整體標尺圖案包括至少一個漫反射表面。
13.如權利要求12的二維絕對位置檢測裝置，其中標尺含一透明在板，二維整體標尺圖案設置在基板離讀頭最遠的表面上；和至少一個漫反射表面包括至少一個部分設置在離讀頭最遠的表面上二維整體標尺圖案上的至少一塊擴散襯墊。
14.如權利要求1的絕對位置檢測裝置，其中是以限定被限定的至少一個碼字的第一部分碼元數，包含在多個至少部分包含在檢測窗里的非周期部分的第一個中，而是以限定被限定的至少一個碼字的第二部分碼元數，包含在多個至少部分包含在檢測窗里的非周期部分的第二個中。
15.如權利要求1的絕對位置檢測裝置，其中讀頭檢測窗包括至少一個完整的非周期部分，它包含是以限定被限定的至少一個碼字的碼元數，與檢測窗在二維整體標尺圖案內的位置無關。
16.如權利要求1的絕對位置檢測裝置，其中沿第一方向周期性排列的每個多個條狀第一周期標尺單元區，均按沿第一范圍第一方向連續周期性的第一基本遞增步距排列。
17.如權利要求16的絕對位置檢測裝置，其中沿第二方向周期性排列的每個多個條狀第二周期標尺單元區，均按沿第二范圍第二方向連續周期性的第二基本遞增步距排列。
18.如權利要求17的絕對位置檢測裝置，其中第一和第二基本遞增步距為同樣長度。
19.如權利要求16的絕對位置檢測裝置，其中第二范圍至少是第一基本遞增步距長度的10倍。
20.如權利要求16的絕對位置檢測裝置，其中多個第一周期標尺單元區包括非周期部分附近以外的所有第一周期標尺單元區。
21.如權利要求20的絕對位置檢測裝置，其中多個第二周期標尺單元包括非周期部分附近以外的所有第二周期標尺單元區。
22.如權利要求1的絕對位置檢測裝置，其中讀頭包括光源和能探測標尺與檢測窗共同擴張的圖像的二維檢測陣列；和多個碼元和遞增標尺特征沿整體標尺圖案排列，當讀頭相對標尺操作定位時，檢出的標尺圖像包括可用作局部數據點的特征，與沿二維整體標尺圖案的讀頭位置無關。
23.如權利要求22的絕對位置檢測裝置，其中檢出的圖像可用來沿每個分別對應于第一與第二測量軸的兩個方向，測定讀頭相對局部數據點偏移的測量值。
24.如權利要求22的絕對位置檢測裝置，其中二維檢測器陣列包括多個沿相應于第一測量軸的方向按檢測器元件第一步距排列的檢測器元件；讀頭還包括至少一個光學元件，來自標尺的光通過該至少一個光學元件，從而放大檢測器陣列檢出的標尺圖像，對檢出圖像給予讀大放大作用，和各碼元沿第一測量軸的長度為Lc，因而長度Lc乘上讀頭放大倍數至少是檢測器元件第一步距的3倍。
25.如權利要求1的絕對位置檢測裝置，其中每個至少一個碼字可直接用于沿每根第一與第二測量軸測定局部數據的測量值而不用參照查表。
26.如權利要求1的絕對位置檢測裝置，其特征在于還包括信號處理單元，其中當可操作定位的讀頭檢測標尺圖像時，信號處理單元可根據包含在檢出圖像中足夠的碼元數，測定局部數據沿各第一與第二測量軸的絕對測量值。
27.如權利要求26的絕對位置檢測裝置，其中信號處理單元還可至少部分地根據包含在檢出圖像中的多個遞增標尺特征，測定讀頭相對局部數據點沿每個分別對應于第一與第二測量軸的兩個方向的偏移測量值。
28.如權利要求27的絕對位置檢測裝置，其中信號處理單元還可組合局部數據點沿第一測量軸的絕對測量值和讀頭相對局部數據點沿第一測量軸的偏移測量值，以確定沿第一測量軸的絕對位置測量。
29.如權利要求28的絕對位置檢測裝置，其中信號處理單元還可組合局部數據點沿第二測量軸的絕對測量值和讀頭相對局部數據點沿第二測量軸的偏移測量值，以確定沿第二測量軸的絕對位置測量。
30.如權利要求1的絕對位置檢測裝置，其中第一方向平行于第一測量軸，第二方向平行于第二測量軸，而且第一與第二測量軸相互正交。
31.如權利要求30的絕對位置檢測裝置，其中標尺為柱形，第一與第二測量軸中的一根平行于柱體軸線，另一根沿柱體周邊定位。
32.如權利要求1的絕對位置檢測裝置，其中二維整體標尺圖案還包括多個條狀區，它們對至少第一范圍沿第一方向延伸并沿第二方向隔開，因而檢測窗中沿第二方向的任何直線都延伸穿過其中至少一個條狀區，各條狀區都含有標尺特征，使沿第二方向的任何直線包括一種能沿第二方向將該條狀區相對檢測窗定位的標尺特征圖案，各條狀區還包括多個沿一條沿第一方向延伸的直線定位的指示符標尺特征，各指示符標尺特征指示與其有關聯的非周期部分至少一個碼元的位置。
33.如權利要求32的絕對位置檢測裝置，其中能沿第二方向相對檢測窗定位條狀區的標尺特征圖案，包括獨特安置的標尺空間。
34.一種沿二維絕對標尺測定二維檢測器陣列高分辨度位置的方法，其中二維絕對標尺包括沿第一與第二測量軸延伸的二維整體標尺圖案，所述二維整體標尺圖案包括至少一個周期部分，各周期部分沿第一與第二測量延伸，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條狀第一周期標尺單元區，多個第一周期標尺單元區沿第二方向包括遞增標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條狀第二周期標尺單元區，多個第二周期標尺單元區沿第一方向包括遞增標尺特征的特性化第二配置；和分布在二維整體標尺圖案內沿第一方向隔開至少第一距離并沿第二方向隔開至少第二距離的多個代碼組，所述第一距離橫跨至少兩個沿第二方向包括遞增標尺特征特性化第一配置的第一周期標尺單元區，所述第二距離橫跨至少兩個沿第一方向包括遞增標尺特征特性化第二配置的第二周期標尺單元區，各代碼組包含多個限定至少一個碼字的碼元，至少一個碼字能用來識別局部數據沿各第一與第二測量軸的測量值；所述方法包括用檢測器陣列檢測一部分對應于當前位置的二維整體標尺圖案的圖像；根據包括在檢出圖像中的至少一個代碼組，測定局部數據沿各第一與第二測量軸的測量值；至少部分地根據多個包括在檢出圖像中的遞增標尺特征，測定檢測器陣列沿各第一與第二測量軸相對局部數據偏移的測量值；和組合局部數據沿各第一與第二測量軸的測量值和檢測器陣列沿各第一與第二測量軸相對局部數據偏移的測量值，測定檢測器陣列沿二維絕對標尺的第一與第二測量軸的高分辨度位置。
35.如權利要求34的方法，其中各代碼組包括一預定部分；和根據至少一個代碼組測定局部數據沿各第一與第二測量軸的測量值包括測定包括在至少一個代碼組中至少一個里的預定部分的位置，根據測定的預定部分位置，測定諸碼元在檢出圖像中的位置，和處理對應于碼元位置的檢出圖像，測定碼元出現在檢出圖像的碼元值；和測定局部數據的測量值，包括根據測定的碼元值，測定局部數據沿各第一與第二測量軸的測量值。
36.如權利要求34的方法，其中檢測器陣列包括多個在至少一行內沿對應于第一測量軸方向的方向延伸的檢測器元件，諸檢測器元件沿至少一行按檢測器元件第一步距隔開；檢測器陣列包括多個在至少一列內沿對應于第二測量軸方向的方向延伸的檢測器元件，諸檢測器元件沿至少一列按檢測器元件第二步距隔開；和沿各第一與第二測量軸測定檢測器陣列相對局部數據偏移的測量值包括把局部數據特性相對檢測器陣列沿第一測量軸方向的偏移估算到某一分辨度，它在檢測出圖像中比對應于檢出圖像中基本第一遞增步距的一半的距離還精細，把多個遞增標尺特征相對檢測器陣列沿第一測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器元件第一步距那樣精細，把局部數據特性相對檢測器陣列沿第二測量軸方向的偏移估算到某一分辨度，它在檢出圖像中比對應于檢出圖像中基本第二遞增步距一半內距離更精細，把多個遞增標尺特征相對檢測器陣列沿第二測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器元件第二步距那樣精細，至少部分地根據局部數據特性相對檢測器陣列沿第一測量軸偏移的估值和至少部分地根據多個遞增標尺單元相對檢測器陣列沿第一測量軸偏移的估值，測定檢測器陣列相對局部數據沿第一測量軸偏移的測量值，和至少部分根據局部數據特性相對檢測器陣列沿第二測量軸偏移的估值和至少部分根據多個遞增標尺單元相對檢測器陣列沿第二測量軸偏移的估值，測定檢測器陣列相對局部數據沿第二測量軸偏移的測量值。
全文摘要
一種2D絕對位置檢測裝置可用來測量兩元件的相對位置。2D絕對標尺包括在2D標尺區內沿標尺各測量軸延伸的2D整體絕對標尺圖案，該圖案包括多個沿各軸與多個非周期部分交錯的周期部分。各周期部分包括多個周期性安置的標尺單元，各非周期部分包括多個指示絕對測量值的碼元，諸碼元沿各測量軸的長度比周期標尺單元沿各測量軸的長度更窄。周期性安置的單元相對該裝置讀頭的偏移與絕對測量值相結合，可測量絕對位置。
文檔編號G01D5/36GK1479076SQ0317873
公開日2004年3月3日 申請日期2003年7月16日 優先權日2002年7月16日
發明者M·內厄姆, B·K·瓊斯, P·A·雷納爾茨, A·M·茨維林, K·W·阿瑟頓, M 內厄姆, 瓊斯, 茨維林, 阿瑟頓, 雷納爾茨 申請人:株式會社三豐