專利名稱：一種斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用斑點圖像的相關(guān)來感測位置位移。
許多已知裝置利用斑點圖像和斑點圖像間相關(guān)性來確定形變和/或位移。通過光源照射光學(xué)上的粗糙表面產(chǎn)生斑點圖像。通常，光源為相干光源，更具體的是指激光發(fā)生光源，例如激光器、激光二極管等等。在光學(xué)粗糙表面被光源照射后，從光學(xué)粗糙表面散射的光在光學(xué)傳感器或半導(dǎo)體攝像傳感器陣列等上成像，這些光學(xué)傳感器例如電荷耦合裝置(CCD)，半導(dǎo)體攝像傳感器陣列例如有CMOS圖像傳感器陣列。
在光學(xué)粗糙表面發(fā)生位移或變形之前捕獲并存儲第一斑點圖像。接著，在光學(xué)粗糙表面發(fā)生位移或變形后捕獲并存儲第二斑點圖像。然后一個象素接一個象素地比較在先和在后的斑點圖像。具體是進(jìn)行大量比較。在每次比較中，在先和在后斑點圖像會相對于彼此會發(fā)生偏差，在每次比較中偏差量增加一個圖像元素或象素。在每次比較中，在先圖像中具體象素的圖像值乘以或減去相應(yīng)的在后圖像象素(根據(jù)偏差量)并累計結(jié)果。當(dāng)根據(jù)總的累計值繪制偏差圖時，具有在后和在先圖像間最大相關(guān)性的偏差產(chǎn)生波峰或波谷。
例如，美國專利4794384公開一種鼠標(biāo)，它利用圖像斑點相關(guān)性來確定鼠標(biāo)的二維運動方向。具體的是，在384專利中不需要高速地執(zhí)行斑點圖像相關(guān)，且其精度僅需要在毫米的范圍內(nèi)即可。
美國專利法4967093公開了利用斑點圖像相關(guān)測量物體變形的系統(tǒng)和方法。特別是，在093專利中詳細(xì)描述了許多傳統(tǒng)方法，用于比較兩個斑點圖像和確定用新的參考斑點圖像更新當(dāng)前參考斑點圖像的時間。類似地，已公開的日本專利申請8-271231(1996年10月公開)公開了在基于斑點圖像的位移測量器中避免累計誤差的另外方法。
最后，公開的日本專利5-52517(1993年3月公開)公開了一種基于斑點圖像的位移測量儀，其在狹縫板5中使用了矩形或橢圓形狀的狹縫51。來自激光光源的光束在照射光學(xué)粗糙表面前穿過狹縫51。由此，通過狹縫51使光束定形。定形后的光束能使主位移方向上的位移量得到高敏感度地測量，同時垂直于主位移方向的位移成分不會影響裝置敏感度。
然而，上述傳統(tǒng)斑點圖像相關(guān)系統(tǒng)也能確定斑點圖像的表面位移，以此來分析物體變形和應(yīng)變，其中希望將所有表面運動的斑點效果最大化，以便確定由計算機(jī)鼠標(biāo)或其它低分辨率測量裝置產(chǎn)生的低分辨率運動。特別是，在這些傳統(tǒng)斑點圖像相關(guān)系統(tǒng)中，通常不需要高精確地確定物體沿一個或多個規(guī)定運動軸的運動。
在這些使用高精度斑點圖像相關(guān)的位置編碼器等的現(xiàn)有技術(shù)裝置中，還沒有充分考慮適于商業(yè)適銷形式的、能有效避免高分辨率確定位置的實際問題。特別是，這些現(xiàn)有技術(shù)的高精度位置編碼器等隱含假設(shè)在這些斑點圖像相關(guān)、高精度位置編碼器等的具體實現(xiàn)過程中使用了高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)和高精確度的軸承(bearing)系統(tǒng)。然而，這些高精度機(jī)械系統(tǒng)很昂貴。此外，在本領(lǐng)域商業(yè)上需求的高水平分辨率和準(zhǔn)確度上，由于要在軸承、非平面表面等上工作，因此即使高精度機(jī)械系統(tǒng)也展示出不希望的測量誤差。
本發(fā)明提供了基于斑點圖像相關(guān)的位置傳感器，它能解決一個或多個此類問題。
本發(fā)明通過提供基于斑點圖像相關(guān)的、能高分辨率地測量位置或位移的位置傳感器來解決一個或多個這些問題。
本發(fā)明通過提供基于斑點圖像相關(guān)的、能降低對橫向偏移的敏感度的位置傳感器來解決一個或多個這些問題。
本發(fā)明通過提供基于斑點圖像相關(guān)的位置傳感器來解決一個或多個這些問題，該傳感器能通過設(shè)置一個孔徑來減少對橫向偏移的敏感度，其中與位移方向平行的方向上的孔徑要長于與位移方向垂直的方向上的孔徑。
本發(fā)明通過提供基于斑點圖像相關(guān)的位置傳感器來解決一個或多個此類問題，該傳感器通過在光學(xué)粗糙表面與檢測器之間放置柱面透鏡減小了對橫向偏移的敏感度。
本發(fā)明通過提供基于斑點圖像相關(guān)的位置傳感器來解決一個或多個此類問題，該傳感器減小了對光學(xué)粗糙表面與垂直于光學(xué)粗糙表面方向上的光源和/或檢測器之間間距的敏感度。
本發(fā)明通過提供基于斑點圖像相關(guān)的位置傳感器來解決一個或多個此類問題，該傳感器對光學(xué)粗糙表面與垂直于光學(xué)粗糙表面方向上的光源和/或檢測器之間的相對運動相對不敏感。
本發(fā)明通過提供基于斑點圖像相關(guān)的位置傳感器來解決一個或多個此類問題，該傳感器能測量以相對高速度運動的光學(xué)粗糙物體的位移。
本發(fā)明通過提供基于斑點圖像相關(guān)的位置傳感器來解決一個或多個此類問題，該傳感器在成像裝置的曝光時間內(nèi)選通光源以便穩(wěn)定圖像，從而能確定以相對高速度運動的光學(xué)粗糙物體的位移。
本發(fā)明通過提供基于斑點圖像相關(guān)的位置傳感器來解決一個或多個此類問題，該傳感器具有提高的價格/性能比。
本發(fā)明通過提供基于斑點圖像相關(guān)的位置傳感器來解決一個或多個此類問題，該傳感器具有改進(jìn)的堅固耐用性和經(jīng)濟(jì)性。
在根據(jù)本發(fā)明基于斑點圖像相關(guān)的位置傳感器的各種示例性實施例中，光源向光學(xué)粗糙表面射出光束。由于衍射作用，從光學(xué)粗糙表面散射的光包括光斑或斑點的無規(guī)圖樣。從光學(xué)粗糙表面散射的光在具有二維光敏元件陣列的圖像檢測器上成像。輸出并存儲在圖像檢測器上捕獲的圖像。然后，捕獲并存儲第二圖像。然后基于一個象素接一個象素地比較兩個圖像，首先在特定位移方向上兩個圖像之間沒有任何偏移。然后每次以特定位移方向上的不同偏移比較圖像。具有最高或最低比較值的比較表示光學(xué)粗糙表面相對于光源的位移量，比較是在攝取兩次圖像之間產(chǎn)生的。
特別是，在根據(jù)本發(fā)明的基于斑點圖像相關(guān)的位置傳感器的各種示例性實施例中，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置在光學(xué)粗糙表面與圖像檢測器之間。在各種示例性實施例中，光學(xué)系統(tǒng)包括透鏡和針孔孔徑。在光學(xué)系統(tǒng)的各種示范性實施例中，針孔孔徑為圓形并具有這樣選擇的直徑無規(guī)斑點圖樣的斑點平均尺寸至少約等于(在許多實施例中可大于)圖像檢測器正方形光敏元件的尺寸。
在光學(xué)系統(tǒng)的其它示范性實施例中，減少針孔孔徑在與位移方向垂直的方向上的尺寸。由此，在與位移方向垂直的方向上斑點圖像要大于在該方向上圖像檢測器光敏元件的尺寸。由此，具有這種針孔孔徑的基于斑點圖像相關(guān)的位置傳感器對橫向位移變得相對不敏感。
在光學(xué)系統(tǒng)的又一個其它示范性實施例中，透鏡為柱面透鏡，該透鏡能放大沿位移方向的相對運動，而不會放大橫向垂直于位移方向的方向上的相對運動。在光學(xué)系統(tǒng)的再一個其它示范性實施例中，光學(xué)系統(tǒng)為遠(yuǎn)心的。結(jié)果是，基于斑點圖像相關(guān)的位置傳感器變得對光學(xué)傳感器與光學(xué)粗糙表面之間的間距以及光學(xué)系統(tǒng)與光學(xué)粗糙表面之間的相對運動都相對不敏感。
在根據(jù)本發(fā)明的基于斑點圖像相關(guān)位置傳感器的各種示范性實施例中，調(diào)制光源，使其能避免斑點圖像跨過圖像檢測器的光敏元件陣列時帶來的模糊。特別是，在各種示范性實施例中，將光源選通很短的時間，以便在圖像檢測器曝光時間內(nèi)能有效地穩(wěn)定圖像，其中曝光時間要遠(yuǎn)長于光源的選通時間。
在根據(jù)本發(fā)明基于斑點圖像相關(guān)位置傳感器的各種示范性實施例中，光源、光學(xué)系統(tǒng)和圖像檢測器組成讀出頭，該讀出頭能相對于光學(xué)粗糙表面沿一維位移軸移動。特別是，在光源的各種示范性實施例中，光源為光學(xué)相干光源。特別是，在相干光源的各種示范性實施例中，相干光源為激光器。
在第一示范性實施例中，光源發(fā)出的光束以相對于光學(xué)系統(tǒng)光軸的一定角度發(fā)出。光學(xué)粗糙表面向光學(xué)系統(tǒng)散射斑點圖樣，該光學(xué)系統(tǒng)能使斑點圖像在圖像檢測器上成像。在第二示范性實施例中，由光源發(fā)出的光束以相對于光學(xué)系統(tǒng)光軸的一定角度發(fā)出到分束器上。該分束器可改變發(fā)出光束的方向，由此光束在被光學(xué)粗糙表面散射前是平行于光軸的。光學(xué)粗糙表面將光束沿光軸散射回去，散射光通過包括分束器的光學(xué)系統(tǒng)并到達(dá)圖像檢測器。
在光學(xué)系統(tǒng)的第三個示范性實施例中，光源沿光軸發(fā)出光束。在該第三示范性實施例中，將光學(xué)系統(tǒng)集成在材料塊內(nèi)，在光源發(fā)出的光束波長上該材料塊是光學(xué)透明的。具體地說，光學(xué)系統(tǒng)的透鏡既可與材料塊一起集成地設(shè)置，也可以粘接到材料塊上。另外，在該第三示范性實施例中，不是在不透明材料中設(shè)置針孔孔徑，而是集成光學(xué)系統(tǒng)包括半透明薄膜，該薄膜淀積在穿過光軸的光學(xué)透明材料的一個表面上。
特別是，該半透明薄膜作為反向(reverse)小孔，其中半透明薄膜僅反射與正常通過針孔孔徑的光束一樣多的散射光束。反向小孔的半透明薄膜改變光學(xué)透明材料塊內(nèi)被散射的光束的方向，使該光束到達(dá)光學(xué)透明材料塊背面上形成的全反射薄膜上。然后全反射薄膜將斑點圖像反射到圖像檢測器上。
當(dāng)斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器的讀出頭相對于標(biāo)尺沿至少一個預(yù)期的相對運動軸移動時，讀出頭能測量相對于具有光學(xué)漫射表面的部件的位移，其漫射表面沿至少一個預(yù)期相對運動軸延伸，該傳感器包括相干光源，該光源能發(fā)出照射光學(xué)漫射表面一部分的光束，被照射的光學(xué)漫射表面部分能散射光，圖像檢測器，該檢測器能接收從該光學(xué)漫射表面部分散射的光，其中圖像檢測器包括象元陣列，該象元陣列對散射光敏感，陣列象元至少沿陣列第一方向被分隔開，象元沿第一方向以預(yù)定間隔被隔開，光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)至少包括一個光學(xué)元件，該光學(xué)元件能至少將一部分散射光發(fā)出到圖像檢測器上，以及與圖像檢測器相連的光檢測器接口電路；其中在象元陣列上從光學(xué)漫射表面部分散射的光產(chǎn)生基于被照射的光學(xué)漫射表面部分的強(qiáng)度圖形，被照射的光學(xué)漫射表面部分取決于光學(xué)漫射表面與讀出頭的相對位置，以及至少安裝光學(xué)系統(tǒng)的一個光學(xué)元件來抑制由于光學(xué)漫射表面與讀出頭之間的相對運動(該運動不沿至少一個預(yù)期相對運動軸)引起的強(qiáng)度圖形至少一個特征的變化。
參照以下附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的各示范性實施例，其中

圖1為第一示范性實施例的俯視平面圖，其結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器的位置測量裝置；圖2是光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面的俯視平面圖，該表面可用于根據(jù)本發(fā)明的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器的各種示范性實施例；圖3為第三示范性實施例的分解透視圖，其結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器的位置測量裝置；圖4為第三示范性實施例的透視圖，其結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器的位置測量裝置；圖5為第四示范性實施例的透視圖，其結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器的位置測量裝置；圖6為第五示范性實施例的透視圖，其結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器的位置測量裝置；圖7表示根據(jù)本發(fā)明的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器各種示范性實施例的各元件一般操作與配置；圖8表示根據(jù)本發(fā)明的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器讀出頭第一示范性圖9表示根據(jù)本發(fā)明的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器讀出頭第二示范性圖1是結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明基于斑點圖像的光學(xué)位置傳感器的位置測量裝置第一示范性實施例的俯視圖。如圖1所示，位置測量裝置100包括標(biāo)尺部件102和讀出頭部件106。特別是，標(biāo)尺部件102的光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104位于與讀出頭部件106的開口端面或照射端面相鄰的位置。讀出頭部件106的另一個表面包括多個控制按鈕105和位置或位移值顯示裝置107。
在各示范性實施例中，顯示器107為液晶顯示器。然而，顯示器107可以是任何公知或新近開發(fā)的顯示裝置，它包括LED顯示裝置等?？刂瓢粹o105包括毫米/英寸切換按鈕、開/關(guān)按鈕和零位設(shè)定按鈕。毫米/英寸切換按鈕105可在以毫米或英寸顯示位置或位移之間切換顯示。零位設(shè)定按鈕105重新將讀出頭相對于標(biāo)尺部件的當(dāng)前位置設(shè)為零位。由此，利用位置測量裝置100制成的任何后續(xù)測量將相對于重新設(shè)定的零位進(jìn)行。
圖2更詳細(xì)地示出了標(biāo)尺部件102部分。具體如圖2所示，標(biāo)尺部件102的光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104衍射或散射用于照射光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的光。這樣，當(dāng)光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104被照射并向光檢測裝置(例如攝像機(jī)、電子或數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、CCD陣列、CMOS光敏元件陣列等等)散射光時，被散射的光具有一個區(qū)域，在該區(qū)域光學(xué)散射或光學(xué)粗糙表面104使被衍射的光波正象或負(fù)象地疊加在光檢測裝置的圖像平面中。結(jié)果，由光檢測器捕獲的圖像將包含相對亮斑點或相對暗斑點或光斑的圖形，其中相對亮斑點處的衍射光波正象合并形成波峰，而相對暗斑點處的衍射光波負(fù)象合并從而相互抵消。
由光檢測裝置捕獲的圖像具有強(qiáng)度圖形，該強(qiáng)度圖形主要取決于光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104散射被光檢測裝置捕獲的光的部分和光路特征。特別是，由任何光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的被照射部分產(chǎn)生的強(qiáng)度圖形是無序的。強(qiáng)度圖形的無規(guī)性僅歸因于光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的表面特性。特別是，光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104不需要為產(chǎn)生強(qiáng)度圖形而以任何方式規(guī)定或有意識地形成圖案。由此，任何光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104被照射部分的無序強(qiáng)度圖形不取決于任何需要設(shè)置在表面104上的掩模(mask)。
圖3表示位置測量裝置的第二示范性實施例。如圖3所示，位置測量裝置100包括具有光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的標(biāo)尺部件102。具體地如圖3所示，標(biāo)尺部件102具有形成在標(biāo)尺部件上的溝槽112，該溝槽112接受具有光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的分離插入部件103。由此，如下所述，標(biāo)尺部件102可具有用于斑點圖像相關(guān)型讀出頭的各種不同類型的光學(xué)粗糙插入物件103。標(biāo)尺部件102包括一對臂108和120，它們垂直于光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的測量軸300從標(biāo)尺部件102延伸出來。
讀出頭裝置106包括底座部件124和讀出頭126。特別是，標(biāo)尺部件102可設(shè)置在底座部件124的插槽125中。當(dāng)標(biāo)尺部件102設(shè)置在插槽125中時，光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104面向讀出頭的開口或照射端面。然后將讀出頭126設(shè)置在底座124上，以便牢固地將標(biāo)尺部件102固定在插槽125中，從而將光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104設(shè)置在離光源和光學(xué)系統(tǒng)有普通固定距離的位置，其中光學(xué)系統(tǒng)罩在讀出頭裝置106的讀出頭126內(nèi)。
與標(biāo)尺部件102類似，底座部件124包括一對臂116和118，這對臂相對于測量軸300垂直于底座部件124延伸。特別是，臂108和116在其側(cè)面114上彼此對立。由此，臂108和116特別適用于測量被測量物體的外部尺寸。相反，臂118和120具有彼此相背的測量表面122。由此，臂118和120特別適用于測量物體的內(nèi)部尺寸，例如孔、孔隙等。
圖1和3表示作為成套裝置的讀出頭部件106，其具有操作控制按鈕和顯示器。然而，在其它示范性實施例中，讀出頭126可獨立于導(dǎo)向底座部件124和底座部件102單獨使用。
圖4-6表示位置測量裝置的第三一第五示范性實施例。圖4-6表示光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104作為獨立存在的機(jī)件的完整表面，可通過遠(yuǎn)程電子設(shè)備操作并顯示讀出頭126的運行操作。圖5表示讀出頭126可用于測量旋轉(zhuǎn)表面沿正切方向的運動。由此，讀出頭126可用于推斷旋轉(zhuǎn)表面或磁盤的旋轉(zhuǎn)位移。類似地，圖6表示讀出頭可用于測量旋轉(zhuǎn)柱面沿正切方向的運動。由此，讀出頭126可用于推斷旋轉(zhuǎn)柱面或軸的旋轉(zhuǎn)位移。
另外，如圖4-6所示，讀出頭部件106不需要與特別設(shè)計或設(shè)置的標(biāo)尺部件102物理結(jié)合。相反地，讀出頭126可安裝在機(jī)器或裝置400的第一部件410上。特別是，機(jī)器或裝置400包括第一部件410和第二部件420，第二部件420可沿著或圍繞至少一條旋轉(zhuǎn)或正切軸相對于第一部件410移動。當(dāng)然，可以理解的是這意味著在某一坐標(biāo)系內(nèi)第一和第二部件410和420中的一個是靜止不動的，而第一和第二部件410和420中的另一個可沿或圍繞該坐標(biāo)系中的至少一條旋轉(zhuǎn)或平移軸運動。
特別是，在圖4-6中，第二部件420具有光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙部分422，該部分422位于罩在讀出頭126內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)的視域中。也就是，第二部件420的光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙部分422構(gòu)成了上面參照圖1-3和下面參照圖7-14所述的光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104。
如圖4所示，第二部件420通常設(shè)有平面421，該平面421包括光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙部分422。在圖4所示的示范性實施例中，機(jī)器或裝置400可以是機(jī)床，例如具有平臺的視覺系統(tǒng)或具有平面X-Y工作臺的銑床，要銑削的工件可在該銑床的X-Y工作臺上定位。在該情況下，第二部件420通常為平臺或工作臺。通常，該一般為平面的第二部件420能相對于讀出頭部件106沿一條或兩條正交軸401和403平移。
在圖4中，讀出頭126安裝在機(jī)器或裝置400的表面402上。該表面402可以是機(jī)器或裝置400或所附加固定架的主要部分。在圖4所示的示范性實施例中，表面402與光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙部分422的預(yù)期運動軸平行對齊。表面402也可以包括平行于光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙部分422對齊設(shè)置的凸緣(未示出)或刻度。
與表面402鄰接的讀出頭126的定位表面127是這樣設(shè)置的當(dāng)表面402被校準(zhǔn)以平行于光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙部分422的相對運動軸時，在相對運動過程中讀出頭126圖像檢測器中的成象元件陣列上由于從光學(xué)漫射或粗糙部分422散射的光而產(chǎn)生的強(qiáng)度圖形將在相應(yīng)于成像陣列元件已知預(yù)定間隔的方向上平移過陣列。也就是，校準(zhǔn)表面127用于從外部實現(xiàn)對讀出頭126內(nèi)部部件的相對于被測量預(yù)期相對運動的預(yù)期校準(zhǔn)。應(yīng)當(dāng)注意的是內(nèi)部光路可彎曲或“扭曲”。在該情況下，成像陣列自身不需要在物理上校準(zhǔn)以平行于外部校準(zhǔn)表面128。
相對于表面402定位的校準(zhǔn)表面127實現(xiàn)了對讀出頭126的最嚴(yán)格校準(zhǔn)。然而，校準(zhǔn)表面127不能確保讀出頭126從垂直于光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙部分422的方向準(zhǔn)確地觀察。然而，當(dāng)讀出頭126從垂直與光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙部分422的方向準(zhǔn)確觀察時，可獲得對大多數(shù)讀出頭126實施例的最穩(wěn)固和最正確的校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。因此，如圖4所示，讀出頭126可進(jìn)一步包括第二校準(zhǔn)表面128?？善叫杏诠鈱W(xué)漫射或光學(xué)粗糙部分422并平行于光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙部分422的預(yù)期移動軸設(shè)置校準(zhǔn)部件406。當(dāng)校準(zhǔn)第二校準(zhǔn)表面128以使其平行于校準(zhǔn)部件406時，就能實現(xiàn)對讀出頭126的校準(zhǔn)，由比讀出頭就能以垂直于光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙部分422的方向進(jìn)行觀察。
在圖4所示基于斑點圖像相關(guān)的讀出頭126的各個示范性實施例中，光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104成為現(xiàn)有機(jī)器導(dǎo)向部件的組成部分。例如，機(jī)器導(dǎo)向部件可以是車床的移動工作臺，該工作臺能向一個方向移動。可選擇的是，機(jī)器的導(dǎo)向部件可以是顯微鏡的X-Y移動工作臺，該工作臺能平行于由表面104限定的平面移動?？梢岳斫獾氖牵颂幟枋龅睦贸上駲z測器中單個方向測量表面沿第一軸位移的位移測量方法也可以沿成像檢測器中的第二正交方向?qū)嵤?，由此可沿垂直于第一軸的第二軸測量同一表面。可利用兩個分離并垂直的1-維成像檢測器陣列、利用兩個正交方向的2維成像檢測器陣列、或利用兩個分離的2維檢測器陣列實現(xiàn)目的，其中每個檢測器陣列都可以測量兩個垂直方向中的一個方向上的位移。
相反，如圖5所示，第二部件420具有近似通常為圓形并通常為平面的表面，該表面包括光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙部分422。在圖5所示的示范性實施例中，機(jī)器或裝置400可以是發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)編碼器、或任何其它公知或新近開發(fā)的能相對于讀出頭126圍繞轉(zhuǎn)動軸403轉(zhuǎn)動的元件。也可以理解的是，在其它各示范性實施例中，讀出頭126和第一部件410是能在特定坐標(biāo)系中圍繞軸403轉(zhuǎn)動的裝置。在該情況下，第二部件420和光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面422可具有任何所希望的形狀，并不特別需要成為圓形，只要當(dāng)讀出頭126圍繞旋轉(zhuǎn)軸403轉(zhuǎn)動時讀出頭部件106掃過的環(huán)形視域基本上保持在光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙部分422的邊界范圍內(nèi)。
如圖6所示，與第三和第四示范性實施例相反的是，在第五示范性實施例中，第二部件420可具有近似圓柱形的形狀，通常該圓柱形表面包括光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面422。在圖6所示的示范性實施例中，機(jī)器或裝置400可以是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)編碼器、皮帶輪或皮帶輪上的皮帶、或任何其它已知或新近開發(fā)的能相對于讀出頭126圍繞旋轉(zhuǎn)軸403旋轉(zhuǎn)的元件。也可以理解的是，在其它各示范性實施例中，讀出頭126和第一部件410可以是在特定坐標(biāo)系中圍繞軸403旋轉(zhuǎn)的裝置。在該情況下，第二部件420、光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙部分422所占據(jù)區(qū)域的外部可具有任何希望的形狀，并不特別需要成為圓柱形，只要當(dāng)讀出頭圍繞旋轉(zhuǎn)軸403轉(zhuǎn)動時光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙部分422為圓柱形，讀出頭部件106將基本上與光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙部分422保持固定距離。
圖7通常表示根據(jù)本發(fā)明基于斑點圖像相關(guān)的位置傳感器的各光學(xué)元件的運行和一般設(shè)置。如圖7所示，光源(未示出)發(fā)出出的光束134入射到光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104上并照射光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的一部分。結(jié)果，被照射的光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104部分在光軸144附近散射并衍射光。
應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在此討論光軸或散射光的方向時，散射光的光軸或方向由散射光的中心射線確定，在此中心射線是通過透鏡140和針孔孔徑152中心的射線。
在光軸144附近從光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的照射部分散射和/衍射的光通過透鏡140。在各示范性實施例中，透鏡140聚集從光學(xué)漫射表面的被照射部分散射的光136，或聚集從光學(xué)粗糙表面104散射的光136。通常，當(dāng)透鏡140聚集了從光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104收集的光136、并當(dāng)限制孔徑152設(shè)置在透鏡140的后焦面上時，光學(xué)系統(tǒng)成為遠(yuǎn)心的。
然后透鏡140將來自光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104照射部分的聚集光142投射到具有針孔孔徑152的小孔平板150上。特別是，透鏡140與具有針孔孔徑的平板150相隔距離f，該距離等于透鏡的焦距。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是具有針孔孔徑152的小孔平板150與光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104照射部分相隔距離h。
特別是，通過將平板150設(shè)置在透鏡140的焦距上，根據(jù)本發(fā)明的基于斑點圖像的光學(xué)位置傳感器的光學(xué)系統(tǒng)成為遠(yuǎn)心的。特別是，在遠(yuǎn)心系統(tǒng)中，光學(xué)系統(tǒng)以及根據(jù)本發(fā)明的基于斑點圖像的光學(xué)位置傳感器變得對間隙距離h的變化相對不敏感。此外，通過利用小孔平板150中的小孔152，斑點圖形的斑點尺寸與放大系數(shù)僅取決于小孔152的尺寸，更特別的是，它們與透鏡140的任何透鏡參數(shù)無關(guān)。
來自透鏡140的聚集光142穿過小孔152。特別是，穿過小孔152的光154沿光軸144投射到光檢測器160的象元162陣列166上。特別是，光檢測器160可以是電荷耦合裝置(CCD)、CMOS光敏元件陣列、或其它任何已知或新近開發(fā)的光敏材料或感光元件，它們可構(gòu)成獨立的和單個的感光元件陣列。特別是，從透鏡140過來的聚集光142的通過部分154投射到光敏元件162陣列166上，這部分光敏元件陣列的表面與平板150相隔距離d。更為特別的是，斑點尺寸僅取決于小孔152尺寸所對的角α和小孔平板150與光檢測器160的象元162陣列166構(gòu)成的表面之間的距離d。
從光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104被照射部分接收的、到達(dá)象元162陣列166上的光檢測部分內(nèi)斑點的近似尺寸D為Dλ/tan(α)＝(λ*d)/w(1)其中，為光束134的波長，以及w為圓形小孔直徑。
在各示范性實施例中，等式1的典型值包括＝0.6微米，d＝10厘米(100，000微米)，w＝1毫米(1,000微米)。結(jié)果，適當(dāng)?shù)陌唿c尺寸為60微米。
圖8表示用于根據(jù)本發(fā)明基于斑點圖像的光學(xué)位置傳感器的讀出頭裝置106的第一示范性實施例。如圖8所示，讀出頭裝置106包括光源130、透鏡140、具有小孔152的小孔板150、和具有象元162陣列166的光檢測器160。讀出頭裝置106還包括信號產(chǎn)生和處理電路200。后面將參照圖12描述信號產(chǎn)生和處理電路200的一個示例性實施例。
如圖8所示，從信號產(chǎn)生與處理電路200接出的信號線132連接到光源130上，該信號線可提供驅(qū)動光源130的驅(qū)動信號。光源130響應(yīng)信號線132上的驅(qū)動信號發(fā)出照射光學(xué)漫射或粗糙表面104一部分的光束134。在各示范性實施例中，光源130可以是白光光源。在該情況下，光將產(chǎn)生被照射部分的圖像，該圖像投影到象元162的陣列166上。然而，當(dāng)該圖像以與斑點圖像相關(guān)的相同方式被相關(guān)時，該圖像不包括通過光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的散射形成的斑點。
在其它各示范性實施例中，光源130為相干光源。通常，相干光源130可以是激光束發(fā)出光源。然而可以利用任何能發(fā)出相干光束的其它已知或新近開發(fā)的相干光源代替激光器。
當(dāng)通過信號線132上的驅(qū)動信號驅(qū)動相干光源130并使其發(fā)出相干光束134時，相干光束134照射光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的一部分，該部分位于沿讀出頭裝置106光學(xué)系統(tǒng)的光軸上。特別是，透鏡140聚集從光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104被照射部分散射的光136。從透鏡140收集到的光142沿光軸144投射到小孔板150上并穿過小孔152。穿過小孔152的部分光154沿光軸144投射到光檢測器160的象元162陣列166上。信號線164連接光檢測器160和信號產(chǎn)生與處理電路200。特別是，陣列160的每個象元162都獨立地尋址以通過信號線164向信號產(chǎn)生與處理電路200輸出代表象元162上的光強(qiáng)的值。
在圖8所示讀出頭裝置160的第一示范性實施例中，從相干光源130發(fā)出的相干光束134以不垂直于光軸144的角度發(fā)出。因為光束134與光軸144具有不垂直的角度，因此如果光束134未布滿光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的有效視域，小孔152與光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104被照射部分之間的間隙距離h的變化有效地改變了光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104部分，該部分實際上有助于將斑點圖形投射到光檢測器160上。該變化與讀入頭裝置106與光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104之間沿測量軸300的相對運動無關(guān)。結(jié)果，如果光束134未布滿光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的有效視域，從光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104散射的光136中的斑點位置將在取決于間隙距離或間距h位置處的象元162陣列166上成像。由此，如果光束134未布滿光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的有效視域，則這些斑點圖形在象元162陣列166上的位移僅歸因于間隙間距或距離h中不希望的變化，該位移將錯誤地轉(zhuǎn)換成讀出頭裝置106和光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104之間的表觀平移。
圖9表示根據(jù)本發(fā)明的基于斑點圖像光學(xué)位置傳感器讀出頭裝置106第二個示范性實施例的設(shè)置和操作。如圖9所示，讀出頭裝置106包括如圖8所示第一示范性實施例中所示的相干光源130、透鏡140、具有小孔152的小孔板150、和具有象元162陣列166的光檢測器160、以及信號產(chǎn)生與處理電路200。讀出頭裝置106還包括信號產(chǎn)生與處理電路200。然而，讀出頭裝置106的第二示范性實施例還包括位于小孔板150與光檢測器160之間的分光束鏡138。
特別是，從相干光源130發(fā)出的相干光束134不再象圖8所示讀出頭裝置106的第一示范性實施例中那樣直接照射光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的被照射部分。相反地，將相干光束134射入分光束鏡138，在光學(xué)光束134照射光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的被照射部分之就該分光束鏡將相干光束134的方向改變，使光束134沿光軸144方向并通過小孔152和透鏡140。
象圖8所示的讀出頭裝置106的第一示范性實施例中那樣，光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的被照射部分將光136散射到透鏡140上。透鏡140引導(dǎo)穿過透鏡140的聚集光142到達(dá)小孔板150上。小孔152使一部分光154通過并將其入射到象元162陣列166上。
特別是，在讀出頭裝置106的第二示范性實施例中，該讀出頭裝置106通常比圖8所示讀出頭裝置106第一示范性實施例更緊湊。另外，在各示范性實施例中，因為第二示范性實施例的讀出頭裝置106能夠產(chǎn)生比圖8所示第一示范性實施例讀出頭裝置106更高對比度的斑點，因此它能為斑點帶來更好的特征。
同樣，因為在改變方向的相干光束134照射光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的被照射部分之前相干光束134沿象軸144投射，因此光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的被照射部分與小孔板150之間的間隙間距或距離h的變化不會象圖8所示讀出頭裝置106的第一示范性實施例中那樣引起被相干光束134實際照射的光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104部分產(chǎn)生移動。因此圖9所示第二示范性實施例的讀出頭裝置106的容易在大范圍的間隙h上運行，并且該實施例更加與間隙h和可能在圖像捕獲操作中產(chǎn)生的間隙間距或距離h中的各種變化無關(guān)。
最后，因為分光束鏡138將相干光束134的方向改變?yōu)檠毓廨S方向，因此可容易地校準(zhǔn)讀出頭裝置106的光學(xué)元件并容易獲得來自透鏡140的聚集光142。然而，由于在分光束鏡138改變光束134的方向后對補(bǔ)充元件和精確地將光束134與光軸144對準(zhǔn)的需要，第二示范性實施例的讀出頭裝置106比圖8所示第一示范性實施例的讀出頭裝置106的裝配更復(fù)雜，且制造成本更高。
圖10表示用于根據(jù)本發(fā)明的基于斑點圖像光學(xué)位置傳感器的讀出頭裝置106的第三示范性實施例。如圖10所示，用整體或組合光學(xué)系統(tǒng)170代替上面所述的光學(xué)系統(tǒng)，上面所述的光學(xué)系統(tǒng)包括在物理上獨立的透鏡140、在物理上獨立的小孔板150、可選擇的在物理上獨立的分光束鏡138。
特別是，讀出頭裝置106包括相干光源130、光學(xué)系統(tǒng)170、反向小孔金屬膜172、以及反射金屬膜174，其中光學(xué)系統(tǒng)170包括整體形成或用其它方法設(shè)置的透鏡140，這些部件都整體地與材料塊176一起構(gòu)成，或在材料塊上形成，或以其它方式安裝到材料塊上，材料塊176對于相干光源130發(fā)出的特定波長的相干光束是光學(xué)透明的。圖10所示第三示范性實施例的讀出頭裝置106還包括具有象元162陣列166的光檢測器160和信號產(chǎn)生與處理電路200。
在圖10所示第三示范性實施例的讀出頭裝置106的運行操作過程中，由相干光源130發(fā)出的相干光束134在發(fā)出時與光軸144對準(zhǔn)。相干光束134通過淀積在光學(xué)透明材料塊176一個側(cè)面上的半透明金屬膜172，并通過半透明金屬膜172和透鏡140照射到光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的被照射部分上。在其它各示范性實施例中，金屬膜可以是全反射的，它包括一個很小的開口或孔，光束134能穿過該孔。
從光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的被照射部分散射的光136穿過透鏡140，然后投射到半透明金屬膜172上。特別是，透鏡140與光學(xué)透明材料塊176整體地形成。可選擇的是，透鏡140可以是獨立形成的元件，該元件隨后被設(shè)置到光學(xué)透明材料塊176上。在各示范性實施例中透鏡140可粘接在光學(xué)透明材料塊176上。然而應(yīng)明確的是，可以使用任何其它公知或新近開發(fā)的將獨立形成的透鏡140設(shè)置在光學(xué)透明材料塊176上的方法。
半透明金屬膜172作為反向小孔172，其中半透明金屬膜172將來自透鏡140的光142反射到反射金屬膜174上，半透明金屬膜172的反射光與圖8和9所示第一和第二示范性實施例的讀出頭裝置106中通過小孔板150上小孔152的光一樣多。即，在圖8和9所示第一和第二示范性實施例的讀出頭裝置106中，小孔板150阻擋了絕大部分通過透鏡140投射到小孔板150上的光142。小孔152僅能使投射到小孔板150上的聚集光142中的部分光154通過。
類似地，半透明金屬膜172僅有效地將來自透鏡140的光142中的一部分反射到反射金屬膜174上。特別是，不被半透明金屬膜172反射到反射金屬膜174上的那部分聚集光142離開光學(xué)透明材料塊176。由此消除這部分光142，該方式與第一和第二示范性實施例中讀出頭裝置106消除被小孔板150阻擋的那部分聚集光142的方式相同。這樣半透明膜172作為“反向”小孔。
被半透明金屬膜172反射的那部分光173入射到反射金屬層174上。反射金屬層174再將這部分光173射出光學(xué)透明材料塊176并將其投射到光檢測器160的象元162陣列166上。
特別是，在第三示范性實施例的讀出頭裝置106中，由光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104散射的那部分光136折疊以縮小讀出頭裝置106的尺寸。該結(jié)構(gòu)的讀出頭裝置106部件不僅更加緊湊，而且由于該結(jié)構(gòu)的讀出頭裝置106對溫度變化的敏感性更加不如圖8和9所示第一或第二示范性實施例的讀出頭裝置106，因此它更加穩(wěn)定。
不管在根據(jù)本發(fā)明的具體基于斑點圖像的光學(xué)位置傳感器中實施哪一個讀出頭裝置106的示范性實施例，信號產(chǎn)生與處理電路200的運行基本上相同。特別是，信號產(chǎn)生與處理電路200通過信號線132輸出驅(qū)動信號驅(qū)動相干光源130發(fā)出相干光束134。光束134照射光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的一部分。被光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的被照射部分散射或衍射的光在光檢測器160的象元162陣列166上成象。然后信號產(chǎn)生與處理電路200通過信號線164輸入大量信號部分，其中每個信號部分對應(yīng)于一個單獨象元162檢測的圖像值。然后信號產(chǎn)生與處理電路200從光檢測器160接收的具體圖像的信號部分存儲在存儲器中。
短時間后，信號產(chǎn)生與處理電路200再次驅(qū)動相干光源130，并通過信號線162從光檢測器106輸入圖像信號。在各示范性實施例中，在獲得先前圖像約100微秒的時間內(nèi)產(chǎn)生并捕獲在后圖像。然而，可以理解的是，可以使用任何適當(dāng)?shù)牟东@在前與在后圖像之間的時間段。特別是，適當(dāng)?shù)臅r間段取決于陣列166的尺寸，特別是陣列166沿測量軸300方向的尺寸、讀出頭裝置106的光學(xué)系統(tǒng)對投射到陣列166上的圖像的放大倍數(shù)、以及在讀出頭裝置106與光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104之間的相對位移速度。特別是，必需在足夠短的時間內(nèi)產(chǎn)生并采集第二圖像，這樣在前與在后的圖像能充分重疊，由此能夠確定兩個圖像間的相關(guān)性。
特別是，處理在后與在前圖像以產(chǎn)生相關(guān)函數(shù)。實際上，在后圖像相對于在前圖像在數(shù)位上偏移一定范圍的偏差，該偏差包括能引起兩個圖像對準(zhǔn)的偏差。相關(guān)函數(shù)僅是對當(dāng)圖像數(shù)位偏移時將兩個圖像對準(zhǔn)所需的偏差量的測量?？梢岳斫獾氖强梢岳萌魏喂蛐陆l(fā)展的算法確定在后與在前圖像之間的相關(guān)函數(shù)。
回來簡單參照圖4-6，可通過電纜430將來自讀出頭裝置106的位置信號傳送到遠(yuǎn)程信號處理電子設(shè)備。可以理解的是，在對應(yīng)于圖4-6所示第三到第五示范性實施例的各示范性實施例中，讀出頭裝置106包括信號產(chǎn)生與處理電路200。在該情況下，通過電纜430向遠(yuǎn)程信號處理電子設(shè)備輸出位置值信號。與此相反，在與圖4-6所示第三到第五示范性實施例對應(yīng)的其它各示范性實施例中，讀出頭裝置106去掉了除下面所討論的光檢測器接口230之外的信號產(chǎn)生與處理電路200。在該情況下通過電纜430向遠(yuǎn)程信號處理電子設(shè)備輸出來自光檢測器160的圖像信號。此時遠(yuǎn)程信號處理電子設(shè)備包括從讀出頭裝置106中去掉的信號產(chǎn)生與處理電路200的部分。
可選擇的是，在其它各示范性實施例中，遠(yuǎn)程信號處理電子設(shè)備能輸入來自光檢測器接口230的圖像信號或來自信號產(chǎn)生與處理電路200的位置信號，并輸出與司服系統(tǒng)兼容的信號，例如數(shù)控機(jī)床等等。
對于讀出頭裝置106相對于固定的第二部件420轉(zhuǎn)動的這些示范性實施例，可用無線電線路代替電纜430，以便使讀出頭裝置與遠(yuǎn)程信號處理電子設(shè)備相連通。在各示范性實施例中，無線電線路可以是紅外發(fā)出機(jī)、無線電頻率發(fā)射機(jī)(例如數(shù)字或模擬蜂窩電話發(fā)射機(jī))、或任何其它公知或新近發(fā)展的無線電線路。在該情況下，無線接收機(jī)可直接與遠(yuǎn)程信號處理電子設(shè)備相連，或通過分布式網(wǎng)絡(luò)和/或接入的電話交換網(wǎng)與遠(yuǎn)程信號處理電子設(shè)備相連。
圖11表示一個相關(guān)函數(shù)的示范性實施例。特別是，相關(guān)函數(shù)包括多個離散數(shù)據(jù)點，這些數(shù)據(jù)點相隔預(yù)定距離。該距離取決于沿測量軸300的方向上單個象元162之間的中心到中心的有效距離和讀出頭裝置106的光學(xué)系統(tǒng)對光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104位移的放大倍數(shù)。
例如，如果沿測量軸方向象元162的中心到中心的有效距離為10微米，讀出頭裝置106的光學(xué)系統(tǒng)使表面位移放大10X，這樣光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104被照射部分的1微米位移在象元162上被放大成10微米的斑點圖形位移。
通過將在后圖像相對于在先圖像沿測量軸300的方向數(shù)字地平移象元162的中心對中心的有效間距來產(chǎn)生每個數(shù)據(jù)點。在該情況下，因為象元162的中心對中心的有效距離對應(yīng)于光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104的1微米位移，因此在該情況下離散數(shù)據(jù)點間隔約1微米的距離。特別是，圖11以任意單位顯示的相關(guān)函數(shù)在每個在先和在后圖像的圖像、或強(qiáng)度、圖像對準(zhǔn)處的位移值上具有波峰或波谷。在圖11所示的示范性實施例中，該峰出現(xiàn)在約20象素或象元162的位移處。
然后利用實際峰值搜索算法以亞象素精度確定實際峰值。特別是，該峰值搜索算法為內(nèi)插法程序，該程序?qū)⒍A或更高階的曲線擬合到相關(guān)函數(shù)。通常，在該峰值搜索算法中只使用離散數(shù)據(jù)點，該離散數(shù)據(jù)點基本上高于背景噪聲電平。
在信號產(chǎn)生與處理電路200的各示范性實施例中，象在前圖像那樣存儲在后圖像，采集第三圖像(新的在后圖像)并將其與存儲的在前圖像比較，然后確定位移。然后連續(xù)重復(fù)該處理過程。與此相反的是，在信號產(chǎn)生與處理電路200的其它各示范性實施例中，僅當(dāng)兩個圖像間的位移高于預(yù)定位移的閾值量時存儲在后圖像以代替在前圖像。
圖12是略述信號產(chǎn)生與處理電路200的一個示范性實施例的方框圖。如圖12所示，信號產(chǎn)生與處理電路200包括控制器210、光源驅(qū)動器220、光檢測器接口230、存儲器240、比較電路250、比較結(jié)果累加器260、插值電路270、位置累加器280、顯示驅(qū)動器290、和任選的輸入接口295。
控制器210通過控制線211與光源驅(qū)動器220相連，通過信號線212與圖像檢測器接口230相連，并通過信號線213與存儲器240相連。類似地，控制器210通過信號線214-217分別與比較電路250、比較結(jié)果累加器260、插值電路270和位置累加器280相連。最后，控制器通過控制線218與顯示驅(qū)動器290相連，并通過輸入信號線219與輸入接口295(如果設(shè)置的話)。存儲器240包括在前圖像部分242、當(dāng)前或在后圖像部分244、以及相關(guān)部分246。
在運行過程中，控制器210通過信號線211向光源驅(qū)動器220輸出控制信號。作為響應(yīng)，光源驅(qū)動器220通過信號線132向相干光源130輸出驅(qū)動信號。接著，控制器210通過信號線212和213向圖像檢測器接口230和存儲器240輸出控制信號，以便將通過信號線164從光檢測器160接收的、對應(yīng)于每個象元162的信號部分存儲到在前圖像部分242或當(dāng)前圖像部分244中。特別是，來自獨立象元162的圖像值存儲在先前圖像部分242和當(dāng)前圖像部分244中的二維陣列中，這些圖像值與陣列166中的單個象元162的位置對應(yīng)。
一旦第一圖像存儲在在前圖像部分242中，控制器210等待預(yù)定的短暫時間，然后再次通過信號線211向光源驅(qū)動器220輸出控制信號，以便再次驅(qū)動相干光源130。然后利用信號線212和213上的信號控制圖像檢測器接口230和存儲器240，以便將綜合圖像存儲在當(dāng)前圖像部分244中。
然后，控制器210通過信號線214向比較電路250輸出信號。作為響應(yīng)，比較電路250通過信號線252從在前圖像部分242輸入特定象元的圖像值，并根據(jù)當(dāng)前偏移通過信號線252從當(dāng)前圖像部分244輸出對應(yīng)象元的圖像值。然后比較電路250運行具體相關(guān)算法以確定比較結(jié)果。比較電路250通過信號線254向比較結(jié)果累加器260輸出當(dāng)前相關(guān)偏移的比較結(jié)果。
如圖11所示，一旦比較電路250已經(jīng)選取并比較了來自在前圖像部分242的每個象元162的圖像值，并將它們比作當(dāng)前圖像部分244中存儲的對應(yīng)圖像值，運行相關(guān)算法并向比較結(jié)果累加器260輸出比較結(jié)果，在比較結(jié)果累加器260中存儲的數(shù)值以絕對單位確定相關(guān)值。然后控制器210通過信號線215向比較結(jié)果累加器260和通過信號線213向存儲器240輸出信號。結(jié)果，在比較結(jié)果累加器260中存儲的相關(guān)算法結(jié)果輸出并存儲在存儲器240的相關(guān)部分246中與當(dāng)前偏移相對應(yīng)的位置。
然后控制器210通過信號線215輸出清除結(jié)果累加器260的信號。一旦比較電路250已經(jīng)完成了在前圖像部分242中存儲的在前圖像與當(dāng)前圖像部分244中存儲的當(dāng)前圖像之間所有希望偏差的所有比較，在控制器210的控制下比較結(jié)果累加器260通過信號線262累加了結(jié)果，并已經(jīng)將累加結(jié)果存儲在相關(guān)部分246中，控制器210就通過信號線216向內(nèi)插電路270輸出控制信號。
作為響應(yīng)，內(nèi)插電路270通過信號線252輸入相關(guān)部分246中存儲的相關(guān)結(jié)果并確定相關(guān)函數(shù)波峰或波谷的位置，對周圍和包括相關(guān)函數(shù)波峰/波谷的數(shù)據(jù)點進(jìn)行插值，以將曲線擬合到相關(guān)函數(shù)的波峰/波谷，由此確定了實際亞象素的位移。然后在信號控制器210通過信號線216輸出的信號的控制下，插值電路270通過信號線272向位置累加器280輸出經(jīng)確定的實際亞象素位移值。在信號控制器210通過信號線217輸出的信號的控制下，位置累加器280通過信號線272將位移值加到位置累加器280中存儲的累加位移上。然后位置累加器280通過信號線282向控制器210輸出經(jīng)更新的位置位移。作為響應(yīng)，控制器通過信號線218向顯示驅(qū)動器290輸出經(jīng)更新的位移值。然后顯示驅(qū)動器290通過信號線292向顯示裝置107輸出驅(qū)動信號以顯示當(dāng)前位移值。
輸入接口295(如果設(shè)置的話)設(shè)置接口，其通過信號線296設(shè)置毫米/英寸按鈕105，通過信號線297設(shè)置on/off按鈕105，并通過信號線298設(shè)置零位設(shè)定按鈕105。輸入接口295提供了這些按鈕105與控制器210之間的接口，并通過一條或多條信號線219向控制器210輸出從按鈕105輸出的控制信號。然而，可以理解的是輸入接口295連同信號線219都可以省略。在該情況下，讀出頭裝置106上從各個按鈕105引出的信號線296-298可直接與控制器210連接。
如上所述，比較電路250可利用任何方便的或適當(dāng)?shù)墓蛐陆l(fā)展的相關(guān)算法根據(jù)當(dāng)前偏移對在先圖像部分242中存儲的在先圖像與當(dāng)前圖像部分244中存儲的當(dāng)前圖像一個象素接一個象素地作比較。特別是，每個在先和當(dāng)前或在后圖像包括以二維陣列排列的M×N個象素，其中陣列有M行象素和N列象素。一個方便的相關(guān)算法為R(p)=Σq=1(Σm=1I1(m)*I2(p+m))/M-----(2)]]>其中p為象素中的當(dāng)前位移或偏移值；R(p)為當(dāng)前位移值的相關(guān)值；q為當(dāng)前行的計數(shù)；m為當(dāng)前行的當(dāng)前象素計數(shù)；I1為在先圖像中當(dāng)前象素的圖像值；以及I2為在后或第二圖像的圖像值。
可以理解的是假設(shè)為循環(huán)邊界條件(cyclical boundary conditions)。
如等式2所示，獲得并總計每一行的相關(guān)性。然后將總和在M行上求平均值，以便獲得平均值和減小噪聲的相關(guān)函數(shù)。該平均相關(guān)函數(shù)對于保證數(shù)據(jù)點對于通過插值相關(guān)函數(shù)峰值獲得的近似分辨率的穩(wěn)定是合乎需要的。由此，當(dāng)每個數(shù)據(jù)點約表示1微米時，為通過內(nèi)插相關(guān)峰值獲得近似納米的分辨率，需要數(shù)據(jù)點大致穩(wěn)定到所希望的納米分辨率值。
為達(dá)到該亞象素的分辨率和精度，函數(shù)f(x)數(shù)值擬合到峰值數(shù)據(jù)點和峰值數(shù)據(jù)點周圍的數(shù)據(jù)點，而在峰值數(shù)據(jù)點周圍的數(shù)據(jù)點大大高于噪聲電平310。接著，為找出數(shù)據(jù)擬合函數(shù)f(x)的實際位移峰值，即，為找出數(shù)值擬合函數(shù)f(x)的絕對極大值或極小值，對數(shù)值擬合函數(shù)f(x)求微分以確定f(x)的斜度等于零時的位移值x。
在各示范性實施例中，數(shù)值擬合函數(shù)f(x)為二次函數(shù)。然而，可以理解的是，也可以使用其它函數(shù)。還可以理解的是該方法不僅可適用于等式2所示的相關(guān)法，還可適用于其它方法。例如，可通過減去偏移圖像并找出最后所得相關(guān)函數(shù)中的最小值來確定位移。
如上所示，在斑點相關(guān)過程中，在發(fā)生位移之前和之后采集在先和在后斑點圖像。然后將在先和在后斑點圖像相關(guān)以確定位移。為獲得高分辨率，重要的是使斑點尺寸約等于或大于光檢測器160象元162的象素尺寸。此外，在根據(jù)本發(fā)明讀出頭126的各示范性實施例中，平均斑點尺寸應(yīng)大于象元162的象素尺寸，而其它示范性實施例中平均斑點尺寸可達(dá)象元162的象素尺寸的三到四倍。對于線性編碼器，它們僅沿信號測量軸300移動，其為每一行確定線性相關(guān)。然后，正如上面等式2所概述的，將所有行的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行平均。
由于斑點尺寸約等于或大于象素尺寸，在采集在后和在先圖像之間產(chǎn)生的與測量方向300垂直的橫向位移導(dǎo)致被比較的斑點圖形中顯著的不相關(guān)性。這將導(dǎo)致產(chǎn)生實際位置誤差。物體平面(即光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104平面)上與測量方向垂直的斑點尺寸約等于與測量軸300垂直的方向上除以由垂直于測量軸300方向的放大倍數(shù)的單個象元162尺寸。由此，任何大于該斑點尺寸的橫向移動有效地導(dǎo)致在先與在后圖形之間的完全不相關(guān)性。
在根據(jù)本發(fā)明基于斑點圖像的光學(xué)位置傳感器讀出頭裝置106的各示范性實施例中，修改小孔板150上的小孔152以便這樣形成斑點垂直于測量軸300方向上的斑點基本上相對于垂直于測量軸160方向上被相應(yīng)的放大倍數(shù)值劃分的象元162尺寸被拉長。因此，當(dāng)光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104在垂直于測量軸的方向上橫向移動時，通過給定行對相同的斑點分布進(jìn)行取樣。
特別是，可通過小孔縫隙152的形狀和尺寸確定斑點的形狀和尺寸。按照慣例，只使用圓形小孔。這種圓形小孔產(chǎn)生圖13所示的斑點圖形。在沿著或垂直于測量軸300的方向上這種圓形小孔產(chǎn)生統(tǒng)計學(xué)上近似等長寬的斑點。與此相反的是，通過形成不再為圓形的小孔152形成如圖14所示的斑點。特別是，圖14的斑點是利用方形小孔152產(chǎn)生的，其中方形小孔152的長邊沿測量軸300延伸。特別是，該方形小孔152具有大的長寬比。圖14清楚地示出斑點在垂直于測量軸300的方向上被拉長。由此，即使光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104在垂直于測量軸300的方向上橫向移動一個或多個象素，也可通過給定行對相同的斑點分布進(jìn)行取樣。這樣，相關(guān)性和精度就不會受到該橫向位移的影響。
在上面所述的各示范性實施例中，特別是在圖1和3所示位置測量裝置100的示范性實施例中，可沿測量軸300以相對高的速度相對于標(biāo)尺部件102移動讀出頭裝置106。然而，因為由光檢測器160捕獲的斑點圖像在單個象元162的陣列166是很模糊，因此該讀出頭裝置106與標(biāo)尺部件102間的這種高速相對運動存在問題。這與攝影機(jī)中產(chǎn)生的效果一樣，當(dāng)視野中的物體移動很大距離同時攝影機(jī)快門時打開時，在膠片上的圖象變得模糊。
如上所示，在根據(jù)本發(fā)明基于斑點圖像的光學(xué)位置傳感器中，讀出頭裝置106的光學(xué)系統(tǒng)可這樣設(shè)計斑點具有投射到象元162陣列166上的圖像尺寸，該尺寸約等于或大于象元162尺寸的尺寸。相反地，在光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104平面上的斑點具有因讀出頭裝置106光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)值而較小的尺寸。
如果操縱圖像陣列使其具有曝光時間τ，而讀出頭沿測量軸300相對于光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104以速率v移動，這樣斑點在曝光時間τ內(nèi)將移過距離Δx＝v*τ。例如，對于位置測量裝置100的多種應(yīng)用，讀出頭裝置106沿測量軸300相對于光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104以1m/s的速率v移動。此外，在不同的實例性的實施例中，光檢測器160的曝光時間τ大約為100微秒。在該情況下，距離Δx將為100微米，該距離大約等于或大于物體平面上的斑點尺寸。結(jié)果，在這些速率上，根據(jù)本發(fā)明基于斑點圖像的光學(xué)位置傳感器將不起作用。
為避免該問題，在根據(jù)本發(fā)明基于斑點圖像的光學(xué)位置傳感器的各示范性實施例中，將相關(guān)光源130選通(strobe)很短的時間τ’，該時間遠(yuǎn)小于光檢測器160的曝光時間τ。這將有效地穩(wěn)定光檢測器160的較長曝光時間τ中光學(xué)漫射或光學(xué)粗糙表面104被照射部分的圖像。例如，如果速率v為1m/s，選通時間τ’為0.1us，則距離Δx為0.1微米。因為該距離遠(yuǎn)小于物體平面上的斑點和象素尺寸，因此僅產(chǎn)生極微的拖尾。
此外，通過將光源130選通很短的選通時間τ’，通過將它偏置在高得多的功率電平就可以從光源130獲得更高的峰值功率。
權(quán)利要求
1.一種斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器讀出頭，當(dāng)讀出頭相對于標(biāo)尺部件沿至少一個期望相對運動軸運動時，它能測量相對于具有光學(xué)漫射表面并沿該至少一個期望相對運動軸延伸的部件的位移，讀出頭包括相干光源，它發(fā)出光束照射光學(xué)漫射表面的一部分，光學(xué)漫射表面的被照射部分反射光，圖像檢測器，它能接收從光學(xué)漫射表面那部分散射的光，該檢測器包括象元陣列，該象元對散射光敏感，陣列的象元沿至少第一陣列方向被分隔開，沿第一方向以預(yù)定間隔分隔象元，光學(xué)系統(tǒng)，它包括至少一個光學(xué)元件，光學(xué)系統(tǒng)將至少一部分散射光發(fā)射到圖像檢測器上，以及與圖像檢測器相接的光檢測器接口電路；其中從光學(xué)漫射表面的那部分散射的光在象元陣列上產(chǎn)生基于光學(xué)漫射表面被照射部分的強(qiáng)度圖形，光學(xué)漫射表面的被照射部分取決于光學(xué)漫射表面與讀出頭的相對位置；以及光學(xué)系統(tǒng)的至少一個象元設(shè)置成能消除強(qiáng)度圖形特征中的至少一個變化，該變化是由于光學(xué)漫射表面與不沿至少一個期望相對運動軸的讀出頭之間的相對運動產(chǎn)生的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中至少一個強(qiáng)度圖形特征為至少一個下列特征強(qiáng)度圖形的擴(kuò)大系數(shù)、在平行于至少一個期望相對運動軸方向上的強(qiáng)度圖形的平移、在不平行于至少一個期望相對運動軸方向上的強(qiáng)度圖形的平移、強(qiáng)度圖形的旋轉(zhuǎn)、以及強(qiáng)度圖形的圖形構(gòu)象中的變化。
3.根據(jù)在前任一項權(quán)利要求中所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中至少一個光學(xué)元件設(shè)置限制孔徑，該孔徑能決定圖像檢測器所接收的散射光。
4.根據(jù)在前任一項權(quán)利要求中所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中至少一個光學(xué)元件包括針孔孔徑以控制穿過光學(xué)漫射表面到達(dá)圖像檢測器的散射光。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中至少一個光學(xué)元件進(jìn)一步包括設(shè)置在光學(xué)漫射表面與針孔孔徑之間的放大透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中放大透鏡設(shè)置在距離針孔孔徑的固定距離F處，其中F等于透鏡焦距。
7.根據(jù)權(quán)利要求4～6中任一項所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中針孔孔徑設(shè)置在距離圖像檢測器的固定距離d處。
8.根據(jù)權(quán)利要求4～7中任一項所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中孔徑平面中針孔孔徑沿第一期望相對運動軸的尺寸W范圍為λ(d/P)＞W(wǎng)＞λ(d/20P)，其中λ為相干光源的波長；以及P為陣列象元沿第一方向的預(yù)定間隔。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中針孔孔徑的尺寸W范圍為λ(d/2P)＞W(wǎng)＞λ(d/6P)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4～9中任一項所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中在孔徑平面上針孔孔徑以尺寸K和垂直于第一期望相對運動軸為特征，在孔徑平面上它以尺寸W和沿第一期望相對運動軸為特征，選擇尺寸K和W以滿足關(guān)系(1/10)W＜K＜W。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中選擇尺寸K和W，使其滿足關(guān)系(1/8)W＜K＜(1/2)W。
12.根據(jù)在前任一項權(quán)利要求所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中在垂直于光學(xué)漫射表面被照射部分的方向上限制孔徑的尺寸對光學(xué)漫射表面與光源和圖像檢測器中至少一個之間的間距不敏感。
13.根據(jù)權(quán)利要求3或12所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中至少一個光學(xué)元件至少包括聚集光束的準(zhǔn)直透鏡，限制孔徑?jīng)Q定了光學(xué)漫射表面被照射部分的尺寸。
14.根據(jù)在前任一項權(quán)利要求所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中光源、圖像檢測器、以及至少一個光學(xué)元件可這樣設(shè)置當(dāng)讀出頭以規(guī)定方向相對于光學(xué)漫射表面設(shè)置時，圖像檢測器能接到平面的散射光，其中該平面垂直于光學(xué)漫射表面并垂直于至少一個期望相對運動軸設(shè)置。
15.根據(jù)在前任一項權(quán)利要求所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中光源、圖像檢測器、以及至少一個光學(xué)元件可這樣設(shè)置當(dāng)讀出頭以規(guī)定方向相對于光學(xué)漫射表面設(shè)置時，光束與讀出頭所接收的散射光通常是沿某一線共線的，該線沿垂直于光學(xué)漫射表面被照射部分的軸定位。
16.根據(jù)在前任一項權(quán)利要求所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中至少一個光學(xué)元件包括設(shè)置在光學(xué)漫射表面與圖像檢測器之間的柱型透鏡，由此可放大強(qiáng)度圖形沿第一方向的相對運動，而不會放大強(qiáng)度圖形垂直于第一方向的相對運動。
17.根據(jù)在前任一項權(quán)利要求所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中光源、圖像檢測器、以及至少一個光學(xué)元件可這樣設(shè)置圖像檢測器所接收的光來自光學(xué)漫射表面的一個區(qū)域，該區(qū)域小于并包含在光學(xué)漫射表面的被照射部分之內(nèi)。
18.根據(jù)在前任一項權(quán)利要求所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中至少一個期望相對運動軸包括具有沿第一和第二正交軸成分的相對運動；陣列的象元沿第一和第二預(yù)定的正交軸分別以第一和第二預(yù)定間隔被間隔開；沿正交的第一和第二期望相對運動軸的相對運動分別引起強(qiáng)度圖形沿正交的第一和第二預(yù)定軸平移；以及斑點圖形相關(guān)性光學(xué)位置傳感器可用于監(jiān)控標(biāo)尺部件的光學(xué)漫射表面在由正交的第一和第二期望相對運動軸確定的平面上的位置。
19.根據(jù)在前任一項權(quán)利要求所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中至少一個期望相對運動軸正切于具有軸的柱面；以及斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器可用于監(jiān)控圍繞圓柱軸的相對轉(zhuǎn)動。
20.根據(jù)在前任一項權(quán)利要求所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中至少一個期望相對運動軸正切于磁盤表面上的環(huán)形磁道，該磁盤具有垂直于磁盤表面的軸；以及斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器可用于監(jiān)控圍繞磁盤軸的相對轉(zhuǎn)動。
21.根據(jù)在前任一項權(quán)利要求所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中圖像檢測器上強(qiáng)度圖形的放大對與漫射表面被照射部分垂直的方向上的相對運動不敏感。
22.根據(jù)在前任一項權(quán)利要求所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中光檢測器接口電路從象元陣列的至少一些象元中輸出信號值，該信號值表示散射光在這些象元上的圖像強(qiáng)度。
23.根據(jù)在前任一項權(quán)利要求所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，進(jìn)一步至少一個另外的信號產(chǎn)生與處理電路元件，該元件輸入通過光檢測器接口輸出的信號值。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中至少一個另外的信號產(chǎn)生與處理電路元件包括信號處理控制器。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，其中至少一個另外的信號產(chǎn)生與處理電路元件基于象元陣列的信號值存儲第一強(qiáng)度圖形，其對應(yīng)于沿至少一個期望相對運動軸第一相對位置處的光學(xué)漫射表面被照射部分；至少一個另外的信號產(chǎn)生與處理電路元件基于象元陣列的信號值采集第二強(qiáng)度圖形，其對應(yīng)于沿至少一個期望相對運動軸第二相對位置處的光學(xué)漫射表面被照射部分；以及根據(jù)第一與第二強(qiáng)度圖形以及陣列象元沿至少一個陣列方向的預(yù)定間隔，信號處理控制器確定標(biāo)尺部件與讀出頭之間沿至少一個期望相對運動軸的相對位移。
26.根據(jù)在前任一項權(quán)利要求所述的斑點圖像相關(guān)的光學(xué)位置傳感器，進(jìn)一步包括至少一個外部校準(zhǔn)表面，其中，當(dāng)外部校準(zhǔn)表面以規(guī)定方位相對于至少一個期望相對運動軸被設(shè)置時，強(qiáng)度圖形沿第一方向在陣列上平移。
全文摘要
斑點讀出頭包括向光學(xué)粗糙表面發(fā)出光的光源。從該表面散射的光包含斑點。散射光在圖像檢測器上成象,并被捕獲和存儲。接著,捕獲并存儲第二圖像。在位移方向上以不同偏移反復(fù)地比較這兩個圖像。具有最高值的比較表示兩次取象間產(chǎn)生的讀出頭與表面之間的位移量。讀出頭的光學(xué)系統(tǒng)包括透鏡和孔徑?？讖娇梢詾閳A形,選擇其直徑使斑點的平均尺寸約等于或大于圖像檢測器元件的尺寸。垂直于位移方向的方向上的孔徑尺寸可以減小。由此,該方向上成象的斑點將大于該方向上圖像檢測器元件的尺寸。這樣的讀出頭對橫向偏移不敏感。透鏡可以是柱形透鏡,該透鏡能放大位移方向上的相對運動,但不會放大垂直于位移方向的方向上的相對運動。光學(xué)系統(tǒng)也可以是遠(yuǎn)心的。由此,讀出頭對讀出頭與表面之間的相對運動和間距不敏感。調(diào)整光源以避免斑點在圖像檢測器上產(chǎn)生的拖尾?？蛇x通光源以穩(wěn)定圖像。
文檔編號G01D5/26GK1334439SQ0112318
公開日2002年2月6日 申請日期2001年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月1日
發(fā)明者M·內(nèi)厄姆, K·G·馬斯雷里茲 申請人:株式會社三豐