专利名称：可在绝对位置传感器中使用的改进的定标结构和方法
技术领域：
本发明涉及绝对位置光学位移检测装置。
(2)背景技术绝对位置编码器使用一种标度结构，该结构允许相对于标度确定读出头的位置而不需要沿标度的给定起始点的任何参考。已知多种绝对位置编码器，它们使用沿标度的多个信息轨迹。
在许多传统的电容性和电感性绝对位置编码器中，标度结构包括具有不同周期空间波长的两个或多个轨迹的组合，在有限距离内唯一地识别读出头相对于标度的位置。美国专利5,886,519揭示了这种电感性绝对位置编码器的一个
519专利还揭示一个实施例，该实施例包括具有感测元件的周期性空间布局的轨迹以及分立的、代码、轨迹，它包括安排成伪随机序列的一系列感测元件。尤其，对于位于读出头传感器元件的范围内的这种代码轨迹的感测元件的任何子集，感测元件形成唯一的二进制、三进制或更高模数代码字，所述代码字唯一地识别相对于第一分辨率标度的读出头位置，而具有周期性空间布局的轨迹识别相对于较精确分辨率标度的读出头位置。
与此类似，许多传统光学位置编码器使用沿标度的多个信息轨迹，其中，对于沿标度的每个“位置”，代码轨迹或代码轨迹的组合定义一个唯一的值，该值唯一地识别沿标度的位置。通常，还使用一些方法，这些方法确定周期性轨迹相对于读出头的位置，位置的分辨率小于一个或多个代码轨迹单独提供的分辨率。美国专利3,882,482、5,965,879以及5,279,044揭示了这种多代码轨迹光学编码器，在此引用作为参考。
美国专利4,631,519以及044专利揭示光学绝对位置编码器的实施例，这些实施例把以前提到的代码轨迹功能和周期性轨迹功能组合成单个经组合的轨迹。在这些实施例中，沿轨迹非周期性地安排代码元件，但是安置每个单独的代码元件使之与下面的连续的周期性网格对准。
(3)发明内容本发明的发明人已经确定上述光编码器配置具有许多缺点。多个轨迹的缺点包括需要过分大尺寸的读出头、过分宽的标度以及在至少某些轨迹中的较差的“信息密度”。相反，如果把多个轨迹配置做得较窄，则发生较敏感于静态和/或动态安装对不准和/或需要更复杂的读出头检测或信号处理。以前组合的轨迹光学编码器还具有许多缺点。这些缺点包括如果要求高分辨率则标度长度有限，如果要求较长的标度长度，则分辨率相当低，和/或与使用周期性安排的单元轨迹相比，需要更复杂的读出头检测或信号处理来得到速度、正确度和分辨率。此外，制造具有代码单元序列的标度是相当昂贵的，所述代码单元序列沿标度任何地方都是唯一的，但必须与下面连续的周期性网格精确地对准，以便提供正确的和高分辨率的绝对测量值。可以防止这些缺点中的任何一个或多个的光学绝对位置编码器将是有用的。
本发明提供具有相当小的读出头尺寸和/或相当窄的标度宽度的光学绝对位置编码器。
本发明还提供光学绝对位置编码器，所述光学绝对位置编码器通过使用组合周期性和代码结构两者的经组合标度轨迹来减小读出头尺寸和/或标度的宽度。
本发明独立地提供光学绝对位置编码器，所述光学绝对位置编码器对于在横切测量轴的方向上的静态和动态误对准相当不敏感。
本发明独立地提供具有长的标度长度和高分辨率两者的光学绝对位置编码器。
本发明还提供光学绝对位置编码器，它通过使用经组合的标度轨迹而得到长的标度长度和高分辨率，所述经组合的标度轨迹包括允许长标度长度的代码部分以及允许以高分辨率确定读出头和标度之间的相对位置的周期性部分。
本发明独立地提供光学绝对位置编码器的一种标度，它具有包括代码部分和周期性部分两者的经组合的标度轨迹。
本发明还提供具有经组合标度轨迹的一种标度，其中，沿标度的长度轮流出现代码部分和周期性部分。
本发明另外还提供一种标度轨迹，其中，沿标度轮流出现的代码部分和周期性部分是相互接近的。
本发明独立地提供一些方法，用于确定光学绝对位置编码器的读出头相对于来自经组合的标度轨迹的图象的光学绝对位置编码器的一种标度的绝对位置，所述经组合的标度轨迹包括非周期性部分和周期性部分两者。
本发明还提供一些方法，用于通过对出现在标度的图象中的代码部分定位和根据在经定位的代码部分中出现的代码来确定第一分辨率相对位置而确定读出头相对于标度的绝对位置。
本发明另外还提供一些方法，用于通过对出现在标度的图象中的预定部分定位和根据标度的图象中的预定部分的定位确定第二分辨率相对位置而确定读出头相对于标度的绝对位置。
本发明还提供一些方法，用于通过确定在出现在图象中的周期性部分和周期性参考结构之间的偏移距离和根据偏移距离确定第三分辨率相对位置而确定读出头相对于标度的绝对位置。
在根据本发明的标度的各种示例实施例中，所述标度包括沿测量轴延伸的经组合的标度轨迹。经组合的标度轨迹包括沿测量轴设置的一个或多个周期性部分，其中，每个周期性部分具有多个周期性单元。经组合的标度轨迹还包括设置在周期性部分之间的非周期性代码部分。每个非周期性代码部分是代码单元的唯一的一个集或一组，因此识别沿标度的特定位置。在各种示例实施例中，每个非周期性代码部分包括沿测量轴延伸的一个预定部分。预定部分可以是具有预定特征的单个单元或空间，或是预定型式的单元。在各种其它示例实施例中，在非周期性代码部分的标度上接近一端处，或甚至在两端上，提供沿测量轴延伸的预定部分。在任何情况下，这个预定部分允许从标度的代码部分产生的读出头信号可以快速地与从标度的其它部分产生的读出头信号进行区分。
在根据本发明的各种其它示例实施例中，沿标度设置周期性标度单元使之符合下面的增量间隔，所述增量间隔是连续的，而且在周期性部分之间在空间上是同步的，即使非周期性代码部分中断了沿测量轴的周期性单元的连续性。在根据本发明的各种其它示例实施例中，在沿测量轴的方向上，非周期性代码部分的至少某些个别的代码单元要比周期性标度单元窄。在根据本发明的各种其它示例实施例中，通过读出头的检测器阵列的维数和读出头施加于标度图象的放大倍数，一组代码单元与相邻的一组代码单元的间隔可以达到预定的极限。
在各种示例实施例中，有效的每一组代码单元表示局部数据特征的位置或测量值，以提供粗分辨率绝对位置值。局部数据特征与多个周期性标度单元相关联。在根据本发明的各种其它示例实施例中，读出头的检测器阵列进一步以比周期性标度单元的周期还要精细的更高分辨率来确定局部数据特征相对于检测器阵列的位置。在根据本发明的各种其它示例实施例中，读出头的检测器阵列还确定至少某些周期性标度单元相对于检测器阵列和/或读出头的位置，以提供最高分辨率的绝对位置测量值。在根据本发明的各种其它示例实施例中，选择检测器阵列间隔，致使对于通过阵列成象的每个周期性标度单元存在多个检测器单元。在各种示例实施例中，选择检测器阵列间隔，致使对于通过阵列成象的每个代码单元存在多个检测器单元。
在根据本发明的绝对标度的各种示例实施例中，一些代码单元组形成沿标度的序列代码字。在根据本发明的各种其它示例实施例中，序列代码字直接表示沿标度的对应位置。在根据本发明的各种其它示例实施例中，使用解码器查找表把序列代码字转换成绝对位置测量值。
在根据本发明的各种示例实施例的下列详细说明中描述，并能从其中明白，本发明的这些和其它特征和优点。
(4)


将参考下列附图详细说明本发明的较佳实施例，其中图1是根据本发明的光学位置传感器的方框图；图2是根据本发明漫反射标度的一个示例实施例的侧视图；图3示出根据本发明的一般组合绝对标度的第一示例实施例；图4示出图3所示一般组合绝对标度的一个特定示例实施例中的一部分；图5是曲线图，示出周期性当前图象和参考图象的相关函数结果；
图6是流程图，概括一种方法的一个示例实施例，所述方法用于确定读出头相对于图4所示的组合绝对标度的绝对位置；图7是流程图，更详细地概括了一种方法的一个示例实施例，所述方法用于对出现在根据本发明得到的图象中的非周期性部分进行识别和定位；图8是流程图，更详细地概括一种方法的一个实施例，所述方法基于根据本发明的单个轨迹绝对标度的代码部分来确定读出头对于组合绝对标度的第一分辨率的绝对位置；以及图9是方框图，更详细地概括图1的信号产生和处理电路的一个实施例，可用于从根据本发明的组合绝对标度得到绝对位置测量值。
(5)具体实施方式
图1是可与根据本发明的组合标度一起使用以产生绝对位置测量值的光学绝对位置编码器100的方框图。图1所示的光学绝对位置编码器100包括读出头126、信号产生和处理电路200以及标度110。标度110包括组合标度轨迹300。在图1中，用一般相当于示例物理配置的外形示地示出读出头126的部件以及它们与标度110和组合标度轨迹300的关系，如下更详细地描述。
具体说来，把标度110置于接近读出头126的照明和接收端处，致使当通过光源130从读出头126的该端辐射的光照射标度110时，通过标度110上的组合标度轨迹300选择辐射光使之向放置在读出头126的该端处的图象接收光学单元反射。放置标度110使之离开光源130以及容纳在读出头126中的光学系统的距离一般保持不变。标度110沿相对运动轴(诸如测量轴方向112，如图1所示)相对于读出头126移动。一般，相对运动受到限制，例如，诸如通过安装在框架上的传统的导轨或轴承(未示出)来保持读出头126和标度110之间正确的相对位置。读出头126可以包括对准特征(未示出)，所述对准特征有助于读出头126的安装，以及有助于相对于安装框架和/或标度110的相对运动期望轴112来对准读出头126的内部部件。
当用光源130提供的光波长照射时，标度110应提供对比度相当高的图象。在各种示例实施例中，标度110一般是相当能反射的部件，它具有漫反射表面，在所述表面上形成相对不能反射的标度单元。应该理解，通过任何已知的或最新开发的材料和/或结构可以得到标度110的相当高的反射率。例如，标度110可以具有合适的漫反射的表面纹理，由诸如金属或玻璃，或诸如聚酯薄膜等的聚合物之类相对能反射的材料构成。通过涂覆标度110的表面，通过对标度110表面进行不同处理来降低形成标度110的材料的反射率，通过在标度110的表面上选择地沉积相对不能反射的材料或等等可以形成相对不能反射的标度单元。
在各种其它示例实施例中，相对不能反射的材料构成标度110，而具有合适漫反射的表面纹理的相对能反射的材料构成标度单元。应该理解，在这种情况下，根据材料可以改变标度110的相对不能反射，所述材料是通过对标度110的表面进行涂覆或其它处理，或使用任何已知或最新开发的过程，在沿标度110的适当的位置中选择地降低和/或增加反射率而形成的。应该理解，在各种实施例中，标度110可以有更多或更少的镜面表面部分。然而，对于这种标度，图象对比度和/或强度对于调整变量和/或标度上的表面杂质将展现更敏感，这可能降低绝对测量系统的耐用性和测量正确度。还应该理解，在各种其它示例实施例中，标度110和/或在标度110上形成的表面单元可以包括颜色，所述颜色增强了通过光检测器160检测到的标度单元和标度110的图象中的其余标度之间的对比度。
如在图1中所示，接收读出头126的图象接收光学单元包括放置于读出头组件106的照射和接收端处的透镜140，致使透镜140的光轴144一般对准标度110的照射区。在图1所示的实施例中，读出头126进一步包括针孔孔径板150，它沿光轴144与透镜140的间距与透镜140的焦距重合，而光检测器160沿光轴144与孔径板150隔开，如在图1中所示。这种远心结构使光检测器160上的组合标度轨迹300的图象的放大近似地与从透镜140到组合标度轨迹300的物体距离g有关。
在各种实施例中，例如，如果诸如通过正确的轴承等对物体距离g控制得足够好，则可以省略孔径板150。光检测器160可以是任何已知的或最新开发的光敏材料或可以组成独立的和单独的光敏元件的阵列的装置，诸如照相机、电子或数字照相机、CMOS光敏元件的CCD阵列等等。
下面进一步描述标度110和读出头126，包括透镜140、孔径板150以及光检测器160，的示例的间隔和位置。如果按照精确和不变的方式来安装部件，则可以根据小型光学系统结构和/或工业照相机结构的传统方法来完成光源130、透镜140、孔径板150和光检测器160在读出头126的外壳中的安装。
当合适地使读出头126放置在标度110的邻近处时，光检测器160捕获的每个图象将包含组合标度轨迹300的一部分。
光检测器160具有图象单元162的阵列166，所述图象单元162沿至少一个轴按已知的间隔隔开。已知间隔提供测量投射到光检测器160上的两个相似图象之间、或投射到光检测器160上的一个图象和一般相应于所得到图象的合成图象之间的位移或偏移的基础。因此，已知间隔还提供测量组合标度轨迹300的图象位移的基础，其分辨率象已知间隔一样精确或更精确。
此外，读出头126包括至少一部分信号产生和处理电路200。如在图1中所示，来自信号产生和处理电路200的信号线132连接到光源130，以控制和/或驱动光源130。信号线164连接光检测器160和信号产生和处理电路200。尤其，可以对阵列166的每个图象单元162独立地寻址，在信号线164上把表示该图象单元162上的光强度的值输出到信号产生和处理电路200。可以把信号产生和处理电路200的另外部分放置在远离读出头126处，可以在远处操作和显示读出头126的功能。下面相对于图9更详细地描述信号产生和处理电路200。
如在图1中所示，光源130辐射光束134，并引导到标度110携带的组合标度轨迹300上，使之照射组合标度轨迹300的一部分。结果，根据在组合标度轨迹300的经照射部分出现的组合标度轨迹300的图案，组合标度轨迹300在光轴144的周围选择地反射光136。
当光束134的照射角倾斜时，入射光束134和光轴144之间的夹角可以是如此的，致使读出头126检测到从标度110上的相当镜面化的表面反射的、入射在相当镜面化的表面现场的光。在该情况中，在各种示例实施例中，如果在检测到的图象中，打算提供相当高强度的标度110的一些部分是制造得相当散射以提供接收照射的相当散射的表面部分，则这是有用的。在各种示例实施例中，由于散射表面的加工或材料特征，散射表面部分可以是相当散射的，或可以通过施加散射涂层或表面纹理而把它们制造得相当散射，或之类的情况。由于这些散射表面部分的散射特性，它们至少再引导某些沿光轴144倾斜地接收到的光。既然是这样，散射表面部分将趋向于更亮和/或比没有把它们制造得相当散射时提供更高的图象对比度。
在一个实施例中，散射表面部分是标度单元。在某些如此的实施例中，围绕标度单元的区域是镜面反射的。在其它示例实施例中，散射部分位于围绕相当暗和/或镜面反射标度单元的区域中。
图2示出标度110的一部分的一个示例实施例的侧视图，当入射光束134和光轴144之间的夹角使得相当镜面的标度表面将反射入射在相当镜面的表面上的光时，这是有用的，即，读出头126检测到离开现场的反射光136。应该理解，为了说明的目的，在图2中，标度单元116的大小和在垂直方向上的间隔119是经过较大夸大的。在各种示例实施例中，一般在标度110的表面上通过相当薄的材料层来形成标度单元116。
如在图2中所示，在用于形成标度110的衬底114的第一表面115上形成标度单元116，同时使标度110定向，致使标度110的衬底114的第二表面与光束134的源较接近。既然是这样，衬底114应该对于光束134的至少一个波长是透明的。在第一表面115上或与其极接近处形成或提供散射背衬118，致使散射背衬118在标度单元116之间的间隔119中提供漫反射表面。散射背衬或涂层118漫反射光束134的至少某些入射光作为沿光轴144的光136。
在一个示例实施例中，散射背衬118是漫反射的涂层型背衬118A，它是喷涂的涂层，涂覆标度单元116之间的间隔119中的表面115。在另一个示例实施例中，散射背衬118是漫反射的衬底型背衬118B，它尽可能地靠近表面115，并反射标度单元116之间的间隔119中的光束134。在各种示例实施例中，提供衬底型背衬118B作为保持标度110的安装部件的表面。
应该理解，图2中示出的标度110的示例实施例提供几个优点。在这个示例实施例中，标度110的制造是方便的，通过标度单元116的边缘有效地定义标度110的散射部分的可操作的延伸和位置。因此，标度110的散射部分不要求特殊处理来控制这些散射部分的延伸或位置。此外，对于图2所示的标度110的取向，在表面117上的杂质将趋向于标度的检测图象的焦点范围之外。此外，通过靠近表面115的衬底114和/或散射背衬118和/或可能的外部安装单元来保护表面115不受损伤。然而，如上所述，一般可以使用任何标度配置或取向，当通过光源130提供的光波长照射时，提供根据本发明的相当高对比度的标度图象。
然后把来自组合标度轨迹300的被照射部分的、到达透镜140的反射光142投射到光检测器160上。在各种示例实施例中，透镜140可以是具有约3mm直径和约4.5mm焦距的双凸透镜。如上所述，在各种示例实施例中，光142通过针孔孔径板150上的针孔孔径152。透镜140与针孔孔径板150隔开的距离等于透镜140的焦距f，使光检测器160上的组合标度轨迹300的图象的放大倍数大致与物体距离g无关。
尤其，当使用针孔孔径板150时，通过针孔152的光154接着就沿光轴144投射一个距离d，投射到光检测器160的阵列166的图象单元162的表面上。对于这种焦阑配置，组合标度轨迹300的图象特征的放大倍数因此主要与焦距f和距离d之间的关系有关，并且约等于d/f。
更一般地，对于孔径相当大或省略针孔孔径板150的配置，放大倍数将随物体距离g而变化。既然是这样，在从组合标度轨迹300的被照射部分到图象单元162的阵列166反射的光的检测部分中的图象特征的近似放大倍数M为M≈(f+d)/g其中g是物体距离；f是透镜140的焦距；以及d是超过透镜140的焦距、到阵列166的表面的距离。
在各种示例实施例中，光学位置传感器100的这些参数的典型值包括g≈4.5mm、f＝4.5mm以及d＝28.35mm。结果，近似的相应放大倍数M是7.3。应该理解，在选择针孔孔径152的大小中，在组合标度轨迹300的图象场的深度(即，当改变目标距离g时由于读出头间隙未对准等而引起的图象模糊的量)和阵列166的强度之间还需要折衷。在一个示例实施例中，针孔孔径152具有0.8mm的直径。在各种其它示例实施例中，针孔孔径152的直径在0.5和2.0mm之间。在精确计算放大倍数有困难的情况下，还应该理解，对于给定的位置编码器设计和指定的操作参数，还可以通过实验来确定有效放大倍数。
为了得到高分辨率，在标度的投影图象中，周期性部分的周期性标度单元的平均尺寸(也称为增量标度单元)最实用的是大于光检测器160的图象单元162的象素间距，即，周期性标度单元的尺寸乘以读出头提供的投影图象的放大倍数最实用是大于象素间距。此外，在读出头126的各种实施例中，在标度的投影图象中，周期性部分的周期性标度单元的平均尺寸约为图象单元162的象素间距的两倍到十倍。
为了捕获图象，信号产生和处理电路200在信号线132上输出驱动信号以驱动光源130使之辐射光束134。光束134照射一部分组合标度轨迹300，使之成象到光检测器160的图象单元162的阵列166上。然后信号产生和处理电路200在信号线164上输出多个信号部分，每个信号部分对应于一个或多个独立的图象单元162检测到的图象值。
为了确定读出头相对于组合标度轨迹300的当前位移，输出通过信号产生和处理电路200从光检测器160接收到的当前图象的信号部分，并存储在存储器中。然后，分析当前图象来确定读出头和标度之间的绝对位置。在各种示例实施例中，选择当前图象在相应于测量轴方向112的方向上延伸的图象单元162的一行，或最多少数几行来进行分析。如下更详细地描述，分析所选择的一行或多行，以对出现在当前图象中的代码部分进行定位。然后对代码部分进行解码，以确定经定位的代码部分定义的第一分辨率绝对位置。然后，相对于当前图象帧，即，相对于图象单元162的阵列166，确定经定位的代码部分的位置，或与经定位的代码部分相关联的预定部分的位置。
相对于当前图象帧确定的位置使读出头126的绝对位置精确到第二分辨率，所述读出头126的绝对位置是相对于来自通过经解码的代码部分表示的第一分辨率的标度轨迹300的。在各种示例实施例中，所述第二分辨率是象素分辨率，并且相应于真的象素分辨率，即，这个分辨率是使绝对位置测量值的不确定性降低到相应于读出头126提供的放大倍数而且不大于阵列166的一到两个象素间距增量的一个分辨率。然而，更一般地说，第二分辨率使标度相对于读出头126的定位在组合标度轨迹300的周期性部分的长度p的特定周期范围内。组合标度轨迹300的周期性部分的特征周期p，也称之为增量间距，在长度上等于周期性地放置的增量标度单元和相邻间隔中之一。
然后，在一个象素一个象素的基础上对至少一部分当前图象和许多偏移位置中的每一个偏移位置的参考图象进行比较，以确定读出头对于标度的、按第三分辨率的绝对位置。在各种示例实施例中，第三分辨率相应于阵列160上的图象的子象素分辨率定位。一系列的比较产生至少一个相关曲线峰，如在美国专利申请09/731,671中揭示的那样，这里为了完整性而结合作为参考。
即，处理参考图象和当前图象以产生相关函数。在一个示例实施例中，在偏移范围上，或在包括偏移(所述偏移导致以前定位的特定周期附近的两个图象的图案对准得最接近)的空间转换位置上，使当前图象相对于参考图象进行数字化的偏移。相关函数表示图案的对准程度，因此，表示当使图象数字化地偏移时使两个图象对准所需要的偏移量。然后使用这个偏移使读出头126相对于标度110的绝对位置从第二分辨率精确到第三分辨率，所述第三分辨率相当于大大地小于阵列166的一个象素间距增量除以读出头100提供的放大倍数。
在各种示例实施例中，参考图象是组合标度轨迹300的周期性部分的合成图象。在各种其它示例实施例中，参考图象是使用读出头126从组合标度轨迹300捕获的代表图象。
应该理解，有许多不同的技术可用于比较参考图象和当前图象。例如，在第一示例技术中，当在一个象素一个象素的基础上对所选择的一行或多行和参考图象的整个帧的宽度进行比较以产生多个相关值时，可以使用当前图象的帧的整个长度。既然是这样，对在和其它参考图象和位移图象区域不重合的参考图象和当前图象区域中的那些象素与具有缺省比较值的、或分配缺省比较值等的象素进行比较。在其它示例技术中，比较部分图象。在每种情况中，在执行每次比较之后，通过使当前图象相对于参考图象偏移一个或多个象素而产生表示相关峰的一系列相关值。
图3示出标度110以及根据本发明的组合标度轨迹300的第一实施例300’的方框图布局。如在图3中所示，组合标度轨迹300’包括多个周期性部分310以及多个非周期性部分330。多个周期性部分310和多个非周期性部分330共享或组合成单个标度轨迹300，具有沿测量轴方向112延伸的单个轨迹宽度350，如在图3中所示。即，多个周期性部分310和多个非周期性部分330中的每一个以轨迹宽度350充分地向测量轴方向延伸。在各种示例实施例中，把部分310和330安排成沿整个标度110长度的重复序列。任意地，非周期性部分的某些示例实施例包括预定特征320。
应该理解，通过把周期性部分310和非周期性部分330两者组合成轨迹宽度350，可用检测元件检测包含在相对于沿测量轴方向112的读出头126的标度110的各个部分处的周期性部分310和/或非周期性部分330中的信息，所述检测元件位于轨迹宽度350中的单个组合标度轨迹300上的任何地方，诸如光检测器160的图象单元162。相反，在横切测量轴方向112的方向上，组合标度轨迹300和读出头126的对准是不严格的，这使得设置方便，并使测量操作更健全和/或执行得更快，如下所述。此外，可以减小标度110和读出头126的总宽度。
如在图3中所示，一个检测窗340沿标度110伸展，并横切标度110上的组合标度轨迹300的至少某个宽度350，所述检测窗340对应于可以通过光检测器160捕获作为单个图象的组合标度轨迹300部分。应该理解，由于根据本发明的组合标度轨迹300的配置，横切组合标度轨迹300中测量轴112的检测窗340的宽度是不严格的，由于沿检测窗340的测量轴方向112伸展的图象单元162的每行实质上包含相同的信息。然而，当增加检测窗340的宽度使之接近组合标度轨迹300’的宽度350时，一般能提高测量系统的信噪比。
应该理解，在各种示例实施例中，光检测器160的尺寸和读出头126的光学装置140-152提供的放大倍数使得结合了部分310和330沿测量轴方向112的延伸，检测窗340充分地沿测量轴方向112延伸，保证在检测窗340中出现完整的非周期性部分330而与读出头126沿标度110的位置无关。如果检测窗340至少为这个长度，则相对于读出头126的某些位置导致在检测窗340中出现两个不完整的非周期性部分330的情况，可大大地简化对完整的非周期性部分330的解码。
另一方面，近似地如图3所示，在各种示例实施例中，检测窗340充分地沿测量轴方向112延伸，可以从排序非周期性部分330的两个分立分段“再构成”等效于完整非周期性部分330的信息，而不管读出头126和标度110的相对位置。为了满足这种条件，检测窗340一般沿测量轴方向延伸一个量，所述量等于或稍微大于从标度110的一个非周期性部分330的边缘到相邻非周期性部分330的对应边缘的距离。在读出头126的某些位置处，这种检测窗340一般还满足于包括一个完整的位于中心的非周期性部分330，它至少由比通常包括在周期性部分310中的标度单元的数目要少的周期性部分310的许多完整的标度单元所围绕。
在任何情况中，对于检测窗340的这种延伸，必须按照指定的再构成技术来选择排序非周期性部分330的图案。例如，可以选择图案作为排序的二进制数代码或根据已知的伪随机“链”代码技术等。应该理解，在包括非周期性部分330中的预定特征320的示例实施例中，可以简化相关联的再构成操作和/或进行得更健全或更快。
在图3所示的组合标度轨迹300’的第一示例实施例中，在非周期性部分330的一侧查找预定特征320。然而，应该理解，在各种其它示例实施例中，在每个非周期性部分330的两侧查找预定特征320。既然是这样，在非周期性部分330的一端处的预定特征320可以与在非周期性部分330的另一端处的预定特征320区分。在各种其它示例实施例中，向非周期性部分330的更中心处查找预定特征320。
预定部分320可以是任何特征或一些特征的组合，所述一些特征可以可靠地和容易地与周期性部分310和/或非周期性部分330的其它图案特征区分。例如，这些特征包括，但是不限于，沿测量轴方向112具有唯一长度的亮条或暗条、沿测量轴方向112的亮条和/或暗条的唯一的图案、和/或具有唯一颜色或强度的、可通过光检测器160的图象单元162检测到的一个或多个条。在各种示例实施例中，所有的预定特征320是相同的。
可以根据所采用的信号处理算法而省略预定特征320。然而，应该理解，使用这种预定特征320可以使所采用的信号处理算法简化，在检测窗340中对非周期性部分330进行快速和健全的识别和定位。
不管是否包括预定部分320，每个非周期性部分330包括一个可区别的和/或唯一的代码单元图案。可区分的和/或唯一的代码单元图案允许确定地判定出现在检测窗340中的特定非周期性部分330。由于预定或可以计算沿标度110的每个特定非周期性部分330的位置，所以通过确定该非周期性部分330的代码单元的特定区别和/或唯一的图案而识别哪个非周期性部分330出现在检测窗340中允许按相似于非周期性部分330之间的间隔的第一分辨率来粗略地确定检测窗340，因此也是读出头126，相对于标度110的绝对位置。
即，当可能按高的正确度或精确度已知在标度110上给定非周期性部分330相对于给定原始点的位置时，根据简单地确定出现在检测窗340中的非周期性部分330’的代码值的操作，不是必须知道非周期性部分330和周期性部分310相对于检测窗340的位置。尤其，部分310和330的位置可以在检测窗340中的任何地方。
如上所述，通过区别和/或唯一的图案可以预先确定对应于任何特定非周期性部分330的测量值，或可以从区别和/或唯一的图案计算。即，在各种示例实施例中，把区别和/或唯一的图案存储在查找表中，该查找表还存储对应于包含该区别和/或唯一的图案的非周期性部分330的、在标度110上的标称位置的测量值。既然是这样，在各种示例实施例中，区别和/或唯一的图案可以按任何要求的次序或排序出现，不需要表示在相邻的非周期性部分330的区别和/或唯一的图案之间的关系。既然是这样，例如，可以按任何要求的方式在非周期性部分330中分配区别和/或唯一的图案，诸如，以增加相邻非周期性部分的区别和/或唯一的图案之间的区别。
在各种其它示例实施例中，区别和/或唯一的图案可以客观地对应于以某种方式包含它们的非周期性部分330的位置。然后，可以使用这种对应性直接确定或计算非周期性部分330沿标度110的绝对位置，因此是检测窗340的绝对位置以及因此是读出头126的绝对位置。在各种示例实施例中，按沿标度110有规则的间距或间隔来安排非周期性部分330。特定非周期性部分330的区别和/或唯一的图案定义二进制数或较高模数的数作为唯一的图案或代码字。由沿标度110排序的非周期性部分330表示的数也是排序的。
因此，例如，第一排序非周期性部分330将具有定义数“1”的区别和/或唯一的图案。然后，对于每个接着的排序非周期性部分330，可以以1为增量而增加所述数。在各种示例实施例中，如果所述数从1开始，并以1为增量而递增，则当使特定数乘以标度110上的非周期性部分330的间距或间隔时，就知道了非周期性部分330离开原始点的绝对位置。
应该理解，当使用排序数或代码字时，从在检测窗340的左面部分中成象的非周期性部分330的数或代码字的尾迹分段和在检测窗340的右面部分中成象的非周期性部分330的数或代码字的引导分段，可以特别快和容易地再构成完整的代码字。因此，当要求检测窗340相对于组合标度轨迹300’的跨距是可使用的最小尺寸时，排序数或代码字特别实用，所述可使用的最小尺寸是比保证在每个可能的标度图象中包括至少一个完整的未中断的非周期性部分330的尺寸还要小的尺寸。当然，可以使用更复杂的和不规则的构成、格式和方法，使区别和/或唯一的图案和包含这些区别和/或唯一的图案的非周期性部分330的位置有关。
应该理解，虽然在沿测量值方向伸展的一个区域上分配每个特定的非周期性部分330，但是每个特定非周期性部分330唯一地对应于或识别与沿标度110的特定点相关联的测量值。应该理解，对于沿标度(所述标度对应于通过特定非周期性部分310表示的测量值)的每个特定点，可以把该点称为本地数据。
一般，本地数据可以是边缘、中心或其它任何其它本地化的特征，所述其它任何其它本地化的特征是一个或多个特别识别的、在可以相对于检测窗340定位的标度110上的亮条和/或暗条的特征。应该理解，根据本发明，本地数据不必定是必须特别添加到组合标度轨迹300中的独立的特性或特征。相反地，与组合标度轨迹300的图象相关联的信号处理可以隐含地选择和使用组合标度轨迹300的任何特别识别的本地化的特性或特征作为本地数据。
在一个示例实施例中，方便地选择本地数据作为周期性部分310的条的特征，所述周期性部分310是紧紧邻近表示与该本地数据相关联的测量值的非周期性部分330的。在又一个示例实施例中，方便地选择本地数据作为与表示相关联于该本地数据的测量值的非周期性部分330相关联的预定部分320的特征。这种示例实施例可以简化对检测窗340中的本地数据快速和健全地进行识别和定位所要求的信号处理算法。
在已经分析而确定第一分辨率绝对位置的检测窗340中出现非周期性部分330之前、期间或之后，可以相对于检测窗340查找本地数据。例如，可以根据施加于与各种图象单元162相关联的图象强度值的众知的边缘寻找或中心寻找技术等来识别和/或查找本地数据。在任何情况中，使用本地数据相对于检测窗340的位置来使绝对定位的分辨率精确到比以前描述的第一分辨率更精确的第二分辨率。
应该理解，通过使用根据本发明的组合标度轨迹300，只需要分析在一般相应于测量轴方向112的方向上延伸的图象单元162的任何一行，或最多任何数行，就可以按第二分辨率来确定本地数据的位置。因此，相对于横切测量轴方向112的读出头126和标度110的静态和动态未对准，使用根据本发明的组合标度轨迹300的系统可以得到快速信号处理，同时保持非常健全。
一般，可靠、健全和正确地按比周期性部分310的约1/2增量间距更精确的分辨率进行第二分辨率定位是必要和充分的，以保证在第二分辨率定位中的不确定性在增量间距的一个如此的增量之内。在这种情况中，根据检测窗340中的周期性部分310的分析，包括进一步分辨率精确化的定位将变得不模棱两可，即使包括在周期性部分310中的一个周期一般不可与下一个周期区分。
还应该理解，就投射到光检测器160上的标度图象而论，按比光检测器160上的周期性部分310的标度条的投影图象间距的约1/2更精确的分辨率相对于检测窗340确定本地数据的位置是必要和充分的，以保证本地数据位置的不确定性在光检测器160上的一个如此的间距增量之内。在各种示例实施例中，选择增量间距和透镜140提供的放大倍数，致使在光检测器160上的周期性部分310的标度条的投影图象间距至少为图象单元162的象素间距的3倍。因此，需要按不优于图象单元162的约一个象素间距的分辨率相对于检测窗340确定本地数据的位置。
在各种其它示例实施例中，选择健全和简单的数据定位技术，诸如在分辨率等于一个象素间距或更大时的边缘寻找，例如，根据象素强度值变化。然后，使用预先考虑的简单的数据定位技术，对于有关的预先考虑的标度特征和实际的未对准、杂质以及等等，确定按照象素间距可得到的本地数据位置分辨率，或通过实验来确认。最后，选择用于周期性部分310的增量间距，致使在多种实际实验条件下可得到的本地数据位置分辨率不大于光检测器160上的周期性部分310的标度条投影图象间距的约八分之三。这种配置实际健全的，并进一步允许简单和快速的信号处理。
可以使用周期性部分310，使相对于检测窗340的绝对位置标度的确定，因此，读出头126的确定，精确到第三分辨率。第三分辨率具有比增量间距至少精确数倍、以及可以更精确数倍的正确度。第三分辨率相应于相对于检测窗340按子象素分辨率来查找投射的标度图象。
如上参考图2所述，标度110一般包括标度单元116和分隔标度单元的间隔119。在各种示例实施例中，周期性部分310具有按照下面增量间距安排的标度单元116和间隔119的图案。一个增量间距对应于沿一个标度单元116和一个间隔119的测量轴的维数。在各种示例实施例中，间隔119和单元116沿测量轴方向112具有相等的维数，但是它们不是必须相等的。
在各种示例实施例中，周期性部分310包括根据下面的增量间距可以包括在周期性部分310中的标度单元116和间隔119的最大可能数目。然而，在各种其它示例实施例中，在周期性部分310中包括的标度单元116少于该最大可能数目。在仍是其它示例实施例中，假若“正规”标度单元116的数目和相对于下面间距的这种标度单元116的布置的正确度足以按子象素分辨率相对于检测窗340确定周期性部分310的投射标度图象的位置，甚至可以把“奇异尺寸”或“错位”的标度单元包括在周期性部分310中。
例如，在一个示例实施例中，包括在周期性部分310中的“正规”标度单元116的数目是足以确定相关曲线的数目，所述相关曲线具有表示相当好的相关的峰或谷幅度，如下更详细地描述。在各种示例实施例中，当图象行沿图象中的测量轴方向延伸时，在一个象素一个象素的基础上，通过对相应于周期性部分310的当前图象的至少一部分的某些或所有行与包含至少一个相似的周期性部分的参考图象进行比较，以及通过使当前图象和参考图象相互偏移一个象素以创建每个比较值，可以创建相关曲线。
应该理解，在各种示例实施例中，当第二分辨率对应于一个象素间距的分辨率时，创建相关曲线只是得到子象素分辨率。所结合的671申请揭示多种方法，用于以高正确度来确定相关曲线的峰或直通(through)的象素和/或子象素位置。应该理解，可以使用这些技术中的任何一种、或任何其它合适的已知的或最新开发的技术按象素和/或子象素分辨率来确定投射标度图象相对于检测窗340的偏移位置。因此，标度110相对于读出头126的位置的确定是按第三分辨率以及至少更精确少许几倍的、可能是更精确若干倍的正确度的。
应该理解，当经编码的标度轨迹包括诸如根据本发明的组合标度轨迹300’的周期性部分310之类的可预测的周期性部分时，与相关联于诸如伪随机标度轨迹等其它类型的经编码标度轨迹的技术和结果相比较，可用于这种周期性部分的高分辨率或第三分辨率位置检测技术是特别简单、快速和正确的。例如，在使用基于软件和/或硬件的相关技术进行高分辨率定位的实施例中，参考图象或硬件检测器结构可以是单个固定的周期性配置。不需要硬件检测器配置的修改、或更新、或使参考图象或当前图象匹配等，因为所有周期性部分实质上都是相似的和可预测的。此外，实质上周期性的或完全周期性的图象或图象部分的基于软件或硬件的位置检测的正确度趋向于对由于读出头未对准等引起的图象模糊较不敏感。
图4示出相应于图3所示的组合标度轨迹300’的组合绝对标度轨迹400的一个示例实施例。如在图4中所示，组合标度轨迹400具有沿测量轴方向112交替安排的周期性部分410和非周期性部分430。在图4所示的示例实施例中，非周期性部分430包括预定图案部分420。读出头126沿测量轴方向112相对于组合标度轨迹400移动。周期性部分410包括标度单元412，每个标度单元沿测量轴方向112具有相同的延伸，并且通过间隔414使它们彼此隔开。每一个间隔沿测量轴方向112具有相同的延伸，在各种示例实施例中，标度单元412的延伸和间隔414的延伸是相同的，虽然它们不是必相同的。
在各种示例实施例中，组合标度轨迹400的非周期性部分430包括多个代码区域，在图4中通过区域指示线450来表示这些代码区域。每个代码区域中存在或不存在代码单元432，以在每个非周期性部分430中提供代码单元的区别和/或唯一的图案，如上所述。在各种示例实施例中，每个代码区域450沿测量轴方向112的延伸要小于标度单元412的延伸。因此，相应的个别代码单元432沿测量轴方向112要比标度单元412窄，即使在代码实施例中它们相接触和沿测量轴不展现出能分辨的边界或边缘。在各种示例实施例中，方便地使每个代码区域450的延伸相同。然而，在各种其它示例实施例中，各种代码区域450的延伸可以改变。既然是这样，在相应的信号处理算法中容纳这种改变。
一个周期性部分410隔开非周期性部分430。每个非周期性部分430表示与本地数据436相关联的测量值。如上所述，本地数据436不必须是组合标度轨迹400的一个独立的特性或特征。相反地，与组合标度轨迹400相关联的信号处理隐含地选择组合标度轨迹400的任何特定的可识别本地特性或特征作为本地数据436。在图4所示的示例实施例中，方便地选择本地数据436作为周期性部分410的标度单元412的右边缘，所述周期性部分410是紧紧地邻近非周期性部分430的第一代码单元432的左边的。然而，应该理解，这种选择是有些任意的，如上所述。另一方面，本地数据436可以是非周期性部分430中可识别的特征。在图4所示的实施例中，每个本地数据436与相邻的本地数据436隔开距离d0。在各种示例实施例中，选择距离d0，致使检测窗440中始终有一个非周期性部分430。
在各种示例实施例中，代码单元432是相当能反射的单元，而代码区域450在不存在代码单元432时是反射相当小的。尤其，如果把具有相当能反射的代码单元432的代码区域450解码为二进制1，则把空的代码区域450解码为二进制0。因此，在代码区域450中的代码单元432的图案形成可解码而识别本地数据点436的二进制数或代码字，因此，按第一分辨率识别检测窗440和读出头126的位置。
如在图4中所示，示例的预定部分420使用非周期性部分430左边的最前面的两个代码区域450，并且不管预定部分420沿测量轴方向112的位置而是相同的。应该理解，这些预定部分420的功能主要是使在检测窗440中搜索非周期性部分430的信号处理成为简单、快速和健全。例如，在预定部分420左边的空的代码区域450始终以它左边的周期性标度单元412和在预定部分420右边的代码区域450中的代码单元432为界限。
结果，通过分析在检测窗440中的一行象素数据，并从左移动到右，容易地把这个空的代码区域450识别为第一间隔，所述第一间隔所具有的宽度小于在它左边的周期性部分410中的每个周期性标度单元412和间隔414，无需进一步或更复杂的搜索或分析。因此，通过设计进一步知道，跟随在预定部分420后面的、到右边的、特定数目的代码区域450包含唯一的代码，该唯一的代码对应于本地数据436的测量值。如上所述，在各种其它示例实施例中，预定部分使用与图4所示的图案有区别的图案，并位于非周期性部分的右侧，或两侧，以与各种另外的信号处理方法互补。
在图4所示的示例实施例中，定义唯一的代码为二进制位值，所述二进制位值相应于通过线452表示的跨距中的第17代码区域。在非周期性部分430右侧的代码区域424是简单的空的代码区域450，该空的代码区域450提供间隔，以清楚地定义周期性标度单元412到它的右边的边缘。然而，在各种其它示例实施例中，代码区域424可以包括代码单元432，因此可以提供另外的二进制位值来扩展可能的唯一代码数目，它依次增加组合标度轨迹400的潜在的绝对测量范围。
在组合标度轨迹400的一个示例实施例中，标度单元412和间隔414的每一个具有沿测量轴的20μm的延伸，因此确定了40μm的增量间距。代码区域具有5μm的延伸，而d0是320μm，它是增量间距的8倍。检测窗440对应于在相应于测量轴方向112的方向上具有约352个象素的光检测器160，致使在标度110上的5μm区域在光检测器160上投射相应于约4.4个象素的图象。因此，当采取小于组合标度轨迹400的三分之一时，安排在跨距452中的17-位代码允许接近42米的绝对距离。因此，组合标度轨迹400的四分之三区域用于周期性部分410，加强高分辨率定位的速度和正确度，如上所述。发明人已经使用可比较的标度参数和小型读出头而得到可靠的亚微米测量值。因此，根据本发明原理的小型和实用的绝对位置测量装置提供高分辨率和绝对测量距离的惊人的结合。
此外，如图4所示，当空间上排序的17-位代码是排序的二进制数时，它们可以直接表示本地数据的测量值。这排除了对于伪随机代码等以及相关联的存储器电路、查找表和相关联的信号处理的需求。因此，发明人已经发现，与包括伪随机代码等的系统相比，相关联于包括排序的二进制数的组合标度轨迹的信号处理系统一般明显地较快和更经济，特别对于需要较大数目代码的较长测量范围，以及特别当信号处理包括DSP的数字处理能力时。
关于图4所示的配置，应该理解，在如此的实施例中，不管标度110和读出头126之间的间隙中的杂质、缺点、静态和动态变化，可以健全地看到相当大的标度单元412和间隔414，这增强了相关联的高分辨率定位的健全性和正确度。反之，可以适当地看到相当精确的代码区域450和代码单元432而不管标度110和读出头126之间的间隙中的杂质、缺点、静态和动态变化，但是，通过在标度长度/区域的较小部分中提供较多位数而精确到足以允许长的绝对距离，以致可以把更多的标度长度/区域专用于增强高分辨率定位的周期性部分410中的信息。当然，可以把代码区域450做得相当粗糙，例如，使代码区域450的尺寸趋向标度单元412和间隔414的尺寸。然而，在这种情况中，对于在给定读出头尺寸中可读出的减少的代码位数，非周期性部分430变得相对较长，而读出头126的相应长度相对地增加和/或最大绝对距离相对地减少。
应该进一步理解，当所有标度单元412和代码单元432都延伸了组合标度轨迹400的全部宽度350时，横切测量轴方向112的读出头126的对准是不严格的。结果，可以保证使相应于越过检测窗440的宽的中心区域的任何象素行都包含查找本地数据360所需要的信息，并且对相关联的唯一代码进行查找和解码。这个特征允许健全和快速的信号处理，所述信号处理可以排除特别搜索操作或另外需要的为了补偿潜在的未对准的其它2-轴操作。
还应该理解，制造包括根据本发明的组合标度轨迹的标度是特别容易和经济的，因为只有周期性部分410需要与所要求的总的标度正确度相称的正确的布局和制造。例如，使用传统高正确度增量标度经常使用的感光剂曝光方法，可以使用已知和高正确度的连续步骤和重复曝光过程来确定每个标度单元412。另一方面，可以使用通过这种过程制造的相当长的掩模。在每种情况中，在这个初始制造阶段，在非周期性部分430中的步骤不接受曝光或不被处理。
然后，由于根据本发明的非周期性部分430不需要特别正确的定位和制造，所以可以在较晚时候使用可编程高速扫描激光曝光系统等使非周期性部分430的唯一图案曝光。应该理解，因此而简化了最正确的操作使之成为更经济和正确，同时放宽了唯一的编码操作的正确度，使它们可以成为更灵活、快速和经济。
在操作中，对应于图4中所示的检测窗440捕获标度400的图象。然后分析这个图象以识别出现在检测窗440中的预定部分420。因为标度轨迹400的结构是事先已知的，所以一旦查找到预定部分420，就知道代码部分在紧接查找到的预定部分420的右边出现。确定相应于代码单元432的所捕获图象的亮和暗部分的图案和延伸，以及相应于跨距452的代码区域450中的间隔，以取得通过这些图案和延伸确定的代码字。
然后，使用所取得的代码字作为到查找表的地址输入，或作为公式中的变量使用来确定本地数据436的测量值，因此，按近似地对应于本地数据436和/或非周期性部分430的间隔的第一分辨率来确定检测窗440的位置和读出头126相对于标度110的位置。在各种示例实施例中，出现在接近非周期性部分430的检测窗440中的周期性部分410的给定特征的作用是作为本地数据436。
为了使绝对位置测量分辨率进一步精确，寻找本地数据436相对于检测窗440的左边缘442或右边缘444的位置是方便和充分的。如在图4中所示，当使用检测窗440的左边缘442作为相对于左本地数据点436的参考点时，方便地确定对应于偏移距离d1的象素数目在一个或少数几个象素内，根据光检测器160的已知几何特征和读出头126的放大倍数，可以把这个象素距离转换成实际偏移距离d1。
当把偏移距离d1添加到本地数据436的测量值中时，已知的读出头126相对于标度110的绝对位置是按第二分辨率的，它比周期性部分410的增量间距的二分之一更精确，近似地相当于一个或数倍象素间距除于读出头126的放大倍数。应该理解，一般，与相关联的信号处理相一致，可以根据右手的边缘444或左手的边缘442来定义偏移距离d1。
应该理解，到目前为止，上述相对于较低分辨率的定位操作使用了可在检测窗440中得到的相当少的位置信息。为了进一步使读出头126和标度110之间的绝对位置测量值精确，希望使用检测窗440中的更多信息，以致使局部制造的不正确性、缺点、杂质等的作用最终得到平衡，以提供较佳的信噪比和更正确的定位。尤其，希望根据在检测窗440中出现的周期性部分410发生的某些或所有信息和/或信号来进行定位。实际上，目的是使以前描述的偏移距离d1的估计值精确。
在各种示例实施例中，通过对对应于检测窗440的捕获图象和所选择的参考图象进行比较而产生诸如图5所示的相关函数，以使410中的标度单元412和间隔414的结构匹配。参考图象可以是从标度110得到的实际图象，或可以是合成图象。对于参考图象的仅有的要求是参考图象具有相应于周期性部分410的结构的周期性部分，该部分要具有足够的尺寸，以允许产生合适的相关曲线。例如，在各种示例实施例中，参考图象沿测量轴方向可以比完整检测到的标度110的图象短，致使它可能只包括保证在每个检测到的标度110的图象中连续地出现的连续周期性标度单元412。
应该理解，在各种其它示例实施例中，如果使用合成图象，则合成图象可以只包括周期性部分410的标度单元412和间隔414的结构，但是越过合成图象的整个长度而延伸。另一方面，合成图象可以包括周期性部分410、预定部分420和代表性的非周期性部分430。相似地，从标度110本身得到的参考图象将一般包括周期性部分410、预定部分420以及一些非周期性部分430中之一。然而，应该理解，这些类型的参考图象中的任何一种可以具有对应于在相关操作期间“在编辑过程中删除”或跳过的非周期性部分430的位置的图象的合适的分段。例如，根据上述各种代码区域定位方法中的任何一种可以对于真实的参考图象确定非周期性430的位置。
还应该理解，如果读出头126安装得相对于标度110具有越出航线(yaw)的未对准，则来自标度110的实际图象将相对于标度110的理想地对准的参考图象旋转。然而，一般，由于未对准引起的这种有限的图象旋转是一致的，与读出头126沿标度110的位置无关。因此，这种图象旋转将产生一个误差，该误差在每个位置上是近似地相同的，因此，在各种示例实施例中可以忽略。在各种示例实施例中，在定标过程期间使用任何已知或最新开发的旋转相关方法等确定实际图象和理想地对准的参考图象之间的旋转未对准量。然后，在正常操作期间发生的信号处理期间，通过计算而旋转参考图象或实际图象使之对准，以增强相关操作的正确度以及定位的正确度。在再另外的示例实施例中，从包括一致的旋转未对准的实际图象得到参考图象。既然是这样，使参考图象固有地旋转而对准接着的实际图象。
图5示出，当除了周期性部分410的标度单元412和间隔414的结构之外参考图象还包括代表性的非周期性部分430时，得到的相关曲线490。结果，当参考图象和对应于检测窗440的捕获图象导致参考图象的非周期性部分430与捕获图象的非周期性部分430对准时，相关曲线490的峰和谷达到它们最大的幅度。对比之下，当参考图象和捕获图象之间的偏移使图象中之一的周期性部分410与其它图象的非周期性部分430对准时，相关曲线的峰和谷的幅度达到最小。然而，对应于周期性部分410的增量间距，在整个相关曲线490上保持可看到相关曲线上的相邻峰之间、或相邻谷之间的总的周期性，不管是否出现非周期性部分。
应该理解，根据上述操作，偏移距离d1的初始估计值肯定是正确到小于增量的间距增量的二分之一。因此，为了使绝对位置测量值精确，一般只需要根据所使用的相关的类型，相对于它预期的图象偏移位置(其中本地数据436符合它的参考位置)来确定任何一个或多个更高的幅度波谷或波峰。
一般，为了产生较快信号处理的相关曲线，起初只分析单个行或少数几行。在各种示例实施例中，在相关曲线分析的第一部分期间继续这样进行，通过只使用图象的单个行或只使用少数几行而产生原始的相关曲线，以查找使位置估计值精确要使用的至少一个峰或谷的近似位置。一般，这可以是任何峰或谷，所述任何峰或谷具有表示相当好的相关的幅度，在某些示例实施例中，这可以是相关曲线的任何峰或谷。
一旦识别了这种合适的峰或谷，在相关处理的第二部分，就对围绕所选择的峰或谷附近的每个象素偏移值产生相关曲线。这允许对要执行的参考图象和捕获图象的所有行进行更费时间的完全一个象素一个象素的分析，但是只对偏移位置在所识别的峰或谷附近的那些，所识别的峰或谷将用于使所识别的峰或谷的位置精确，以确定实际偏移位置。在这个高正确度的相关处理的第二部分期间所使用的象素的行的数目与所要求的正确度有关。对于最高的正确度，使用包括在检测窗440中的所有行。
一旦在峰或谷的附近产生了这个较高正确度的相关曲线，就可以使用在结合的671申请中确定的各种方法中的任何一种方法以按子象素分辨率来识别峰或谷的象素偏移值。对于本地数据符合它的参考位置的图象，可以使用实际峰或谷的偏移值和它的预期偏移值之间的差异使估计的偏移距离d1的、以及所产生的绝对定位的分辨率和正确度精确。
例如，一般，以前估计的偏移距离d1一般可以分解成一个部分，该部分等于一个整数乘以增量间距加或减小于增量间距的二分之一的一个附加量。为了使以前估计的偏移距离d1精确，对于本地数据符合它的参考位置的图象，把所述附加量截短，并用实际峰或谷偏移值和它的预期偏移值之间的差异来代替。
在各种其它示例实施例中，可以省略相关处理的第二部分。既然是这样，可以使用正确度较差或完整的相关曲线值，以可能的最佳分辨率来识别峰或谷的象素偏移值，如在671申请中所概述，而且该正确度对于许多有用的应用还是足够的。
图6概述一种方法的一个实施例，所述方法用于确定根据本发明的读出头和标度之间的高分辨率绝对位置测量值。在步骤S100处开始，所述方法的操作继续进行到步骤S200，在该步骤中得到一部分标度的图象。当然，标度的这部分的图象需要包括一个或多个周期性标度单元中的每一个的图象以及可以有效地组合以确定包括在完整的非周期性部分中的信息的一个或多个非周期性部分或两个非周期性部分的分段的图象。然后，在步骤S300中，识别在步骤S200中得到的这部分标度的图象中出现的非周期性部分作为非周期性部分。接着，在步骤S400中，根据包括在所识别的来确定读出头和标度之间的第一分辨率绝对位置。然后，操作继续进行到步骤S500。
在步骤S500中，根据与所识别的、出现在所得到图象中的非周期性部分相关联的本地数据的位置来确定读出头和标度之间的第二分辨率相对位置。应该理解，在各种示例实施例中，本地数据可以出现或发生在与所识别的非周期性部分相邻的、所得到图象的周期性部分中。对比之下，在各种其它示例实施例中，本地数据出现在所识别的非周期性部分中。
接着，在步骤S600中，对所得到图象和参考图象进行比较以产生相关曲线。应该理解，在各种示例实施例中，参考图象是对应于按一般方式得到图象的合成图象的。例如，出现在合成图象中的非周期性部分可以是没有变量的、或近似地表示所有出现在标度中的非周期性部分，致使尽可能地减少合成非周期性部分和每个实际非周期性部分之间的差异。在各种其它示例实施例中，一般的参考图象可能只包括对应于周期性部分的特征。应该理解，可以使用允许所产生的相关曲线具有足够正确度的合成图象的任何结构。在各种其它示例实施例中，使用从标度得到的实际图象作为参考图象。然后，在步骤S700中，根据所产生的相关曲线来确定读出头和标度之间的第三分辨率相对位置。然后，操作继续进行到步骤S800。
在步骤S800中，组合读出头和标度之间的第一、第二和第三分辨率相对位置，以产生对应于所得到图象的读出头和标度之间的相对位置的高分辨率绝对测量值。然后，在步骤S900中，输出根据经组合的测量值确定的、相对于标度的读出头输出位置。然后，操作继续进行到步骤S1000，在该步骤中，所述方法的操作停止。
图7是流程图，更详细地概述方法的一个实施例，所述方法用于识别出现在步骤S300中所得到图象中的非周期性部分。如在图7中所示，所述方法的操作在步骤S300中开始，并继续进行到步骤S310，在该步骤中，选择沿所得到图象的测量轴方向延伸的一个或多个行的一个组来进行分析。当然，应该理解，所选择的行的组可能是所得到图象的所有行。然后，在步骤S320中，分析所选择的一个或多个行来识别相当亮的和相当暗的象素的排序，已知这些象素对应于形成在标度上的标度轨迹的、容易识别的预定部分的结构。接着，在步骤S330中，根据在所得到图象的一个或多个选择行的组中的预定部分的识别位置，按照非周期性部分代码信息相对于所识别的预定部分的位置的先验知识，识别图象象素，所述图象象素对应于要用于确定读出头和标度之间的相对位置的非周期性部分。然后，操作继续进行到步骤S340，在该步骤中，所述方法的操作返回到步骤S400。
图8是流程图，更详细地概述一个实施例，用于根据步骤S400中识别的非周期性部分按第一分辨率确定读出头相对于标度的绝对位置。如在图8中所示，所述方法的操作在步骤S400中开始，并继续进行到步骤S410，在该步骤中，选择所得到图象的许多行。应该理解，在步骤S410中选择的行数可以是步骤S310中所选择和使用的行的相同组。另一方面，在各种其它示例实施例中，如果已经执行步骤S310，则可以省略步骤S410，致使在步骤S400中使用如步骤S300中所用的一个或多个选择行的相同组。
然后，在步骤S420中，根据在一个或多个选择行中的非周期性部分中的象素的识别位置，对出现在所选择的一个或多个象素行中的该非周期性部分的代码单元的排序进行分析。一般，这包括分析出现在所选择的一个或多个行中的相当亮的和相当暗的象素的排序。接着，在步骤S430中，对相应于代码单元的象素的经分析的排序进行处理以确定可以用于确定测量值的一个代码字。应该理解，在各种示例实施例中，经编码的标度标记定义一个二进制代码字，其中，暗的象素对应于二进制值中的一个值，而亮的象素对应于二进制值中的另一个值。当然，应该理解，可以使用诸如三进制或更高阶的方案之类的非二进制编码方案。然后，操作继续进行到步骤S440。
在步骤S440中把代码字转换成第一分辨率距离测量值，它表示在所得到图象中按第一分辨率的标度的部分和/或位置。因此，是标度相对于读出头的位置。应该理解，在各种示例实施例中，使用代码字作为到一个查找表的输入地址而把代码字转换成第一分辨率距离测量值。根据代码字表示的地址，查找表的输出表示相应的第一分辨率距离测量值。对比之下，在各种其它示例实施例中，代码字定义标度上的原始点和读出头相对于标度的当前位置之间的许多第一分辨率周期d0。因此，把第一分辨率周期d0乘以代码字的值或数以得到第一分辨率距离测量值。在各种其它示例实施例中，代码字定义一个数，该数本身是第一分辨率距离测量值。然后，操作继续进行到步骤S450，在该步骤中，所述方法的操作返回到步骤S500。
应该理解，相对于步骤S500，可以通过确定在所得到图象中隐含在有关的信号处理操作中的本地数据相对于本地数据的参考位置的位置而确定第二分辨率相对位置。可以使用任何以前描述的本地数据类型。
不管使用什么特性或特征来定义本地数据，在各种示例实施例中，当本地数据的参考位置是所得到图象的边缘时，通过对在定义本地数据的特性和所得到图象的边缘之间的象素数目进行计数而确定本地数据到所得到图象边缘的距离。然而，应该理解，一般预期在本地数据特性的象素位置中的少数几个象素的排序，因此是本地数据特性和所得到图象边缘之间的距离d1中，会有某些不确定性。
图9是方框图，更详细地概述图1所示的信号产生和处理电路200的一个示例实施例。如在图9中所示，信号产生和处理电路200包括控制器205，光源驱动器220、光检测器接口225、存储器230、部分查找电路240，解码电路250、距离确定电路260、比较电路270、比较结果累加275、内插电路280、位置累加器290、显示驱动器201以及任选的输入接口203。
控制器205通过信号线206连接到光源驱动器220、通过信号线207连接到光检测器接口225以及通过信号线208连接到存储器230。相似地，控制器205分别通过信号线209-215连接到部分查找电路240、解码电路250、距离确定电路260、比较电路270、比较结果累加275、内插电路280以及位置累加器290。最后，控制器205通过信号线216连接到显示驱动器201，如果提供的话，通过信号线217连接到输入接口203。存储器230包括当前图象部分232、参考图象部分234以及相关部分236。
在操作中，控制器205在信号线206上把控制信号输出到光源驱动器220。作为响应，光源驱动器220在信号线132上把驱动信号输出到光源130。接着，控制器205在信号线207和208上把控制信号输出到光检测器接口225和存储器230，把在信号线164上接收到的来自对应于每个图象单元162的光检测器160的信号部分存储到当前图象部分232中。尤其，把来自个别图象单元162的图象值存储在当前图象部分232(对应于阵列166中的个别图象单元162的一些部分)的两维阵列中。
在把所得到图象的图象或当前图象存储在当前图象部分232中之后，在信号线238上把当前图象输出到部分查找电路240。然后，根据在信号线209上来自控制器205的控制信号输出，部分查找电路240分析存储在当前图象部分232中的所得到图象的一个或多个行，以查找预定部分320和/或非周期性部分330。然后，根据在信号线210上来自控制器205的控制信号，解码电路250从存储器230的当前图象部分232输入通过部分查找电路240查找的、出现在所得到图象中的非周期性部分。
然后，使用上面概述的各种技术中的一种技术，解码电路250把在所得到图象的经查找部分中的亮的和暗的象素图案转换成代码字，并把代码字转换成第一分辨率距离测量值。解码电路250在信号线252上把这个第一分辨率距离测量值输出到位置累加器290。
接着，根据通过部分查找电路240查找的预定部分或非周期性部分，控制器205在信号线211上把控制信号输出到距离确定电路260。作为响应，距离确定电路260输入包括至少本地数据的参考位置的所有或部分所得到图象，所述本地数据诸如所得到图象的边缘之一以及为了确定来自存储器230的当前图象部分232的本地数据的位置所需要的所得到图象的一部分。然后，距离确定电路260分析所得到图象的这个输入部分，根据本地数据到本地数据的参考位置的距离来确定读出头相对于标度的相对位置的第二分辨率距离测量值。距离确定电路260在信号线262上把这个第二分辨率距离测量值输出到位置累加器290。
然后，控制器205在信号线209上把信号输出到比较电路270。作为响应，比较电路270在信号线238上输入来自存储在当前图象部分232中的当前图象所选择部分的特定象素的图象值，并根据当前偏移在信号线238上输入来自参考图象部分234的对应象素的图象值。然后，比较电路270应用相关算法来确定比较结果。比较电路220可以使用已知的或最新开发的任何合适的相关技术，根据当前偏移，在一个象素一个象素的基础上，对存储在当前图象部分232中的当前图象和存储在参考图象部分234中的参考图象进行比较。比较电路270在信号线272上把当前相关偏移的比较结果输出到比较结果累加器275。
一旦比较电路270已经取得和比较来自当前图象部分232的每个图象单元162的图象值，并对它们和存储在参考图象部分234中的对应图象值进行比较，以及应用相关技术和把比较结果输出到比较结果累加器275，存储在比较结果累加器275中的值定义按预定单位的、相应于当前偏移的相关值，如在图5中所示例。然后，控制器205在信号线213上把信号输出到比较结果累加器275和在信号线208上把信号输出到存储器230。结果，输出存储在比较结果累加器275中的相关值结果，并存储在存储器230的相关部分236中对应于当前偏移的位置处。
然后，控制器205在信号线213上输出信号以对比较结果累加器275清零。一旦比较电路270已经执行存储在当前图象部分232中的当前图象和存储在参考图象部分234中的参考图象之间所需要偏移的所有比较，并且在控制器205控制下比较结果累加器275对结果进行累加和存储在相关部分236中，控制器205就在信号线214上把控制信号输出到内插电路280。
然后，在控制器205控制下，把存储在相关部分236中的存储相关曲线输出到内插电路280。即，内插电路280在信号线238上输入存储在相关部分236中的相关结果，并确定符合相关函数的峰或谷的相关值，并使用所选择的在相关函数的峰/谷附近的相关函数值点按子象素分辨率确定峰偏移值或图象位移值。然后，在来自控制器205的信号线214上的信号的控制下，内插电路280在信号线282上把确定的子象素第三分辨率测量值输出到位置累加器290。
内插电路280首先识别要使用的相关函数的所选择峰或谷来识别读出头和标度之间的绝对位置的第三分辨率距离测量值，其中，初始相关函数是内插电路280要使用的，内插电路280使用任何已知或最新开发的技术，诸如在所结合的671申请中揭示的技术中的任何一种，按子象素分辨率寻找相关函数的所选择峰的实际位置。内插电路280在信号线282上把子象素分辨率距离输出到位置累加器290。
对比之下，在各种其它示例实施例中，一旦内插电路280已经识别所选择的峰或谷，比较电路270和比较结果累加器275就对整个得到的图象和参考图象执行完整的一个象素一个象素的比较，以产生高正确度相关曲线，但是只对于内插电路280选择的、紧紧围绕所选择相关曲线峰或谷的区域。把这个附加的相关曲线也存储在相关部分236中。然后，在控制器205的控制下，内插电路280输入这个第二相关曲线，并使用任何已知或最新开发的内插技术，在相关曲线值之间进行内插，以按第三分辨率识别所选择的峰或谷的实际峰或谷偏移。再有，在信号线282上把这个第三分辨率距离测量值输出到位置累加器290。
位置累加器290组合解码电路250、距离确定电路260、以及内插电路280中的每一个输出的距离测量值，以产生表示读出头相对于标度的位置的高分辨率绝对位置测量值。位置累加器290在信号线292上把这个绝对位置测量值输出到控制器205。然后，控制器205在信号线216上把所确定的绝对位置测量值输出到显示驱动器201。显示驱动器201通过在信号线202上输出控制信号而驱动显示器(未示出)，以输出所确定的绝对位置测量值。
作为响应，控制器205可以在信号线217上把更新的位移值输出到显示驱动器201，如果提供的话。然后，显示驱动器201在信号线202上把驱动信号输出到显示装置107，以显示当前位移值。
如果提供的话，一根或多根信号线204允许操作者或合作系统和控制器210之间的一个接口。如果提供的话，输入接口203可以缓冲或变换输入信号或命令，并把合适的信号发送到控制器205。
应该理解，上述讨论着重于标度110，其中，非周期性部分310的每一个具有沿测量轴方向112延伸的特征，而周期性部分330的每一个具有沿测量轴方向112延伸的特征。然而，在各种其它示例实施例中，延伸可以在一个或多个周期性部分330和/或一个或多个非周期性部分330变化。但是，在这种情况中，每个非周期性部分330的代码单元必须仍表示本地数据的测量值，即使本地数据不必须沿标度周期性地出现。
还应该理解，在各种应用中，有利的是对根据本发明的经组合的标度轨迹和与其它类型标度轨迹相关联的位置检测方法进行组合。例如，已知使用具有数量级为几个微米或更少的间距极精确的增量标度的增量测量系统，以按纳米的数量级产生分辨率和正确度。还应该理解，当把根据本发明的经组合的标度轨迹和系统与这种精确的间距增量系统合适地组合时，经组合的标度轨迹和系统所提供的绝对测量值的正确度在精确的间距增量系统的一个特定周期内。
因此可以组合两种系统的结果以产生具有结合精确间距增量系统的分辨率和正确度的经组合的绝对测量系统，应该进一步理解，在这种具有精确增量标度轨迹的经组合的标度轨迹系统中，本发明提供的高速信号处理属性、未对准的健全性、分辨率相对于距离优点和宽度优点的特定组合具有极大的实用性。
还应该理解，在已经说明和描述本发明的各种示例实施例的同时，对于非周期性部分可以使用范围较广的多种另外的代码和检测方案，并且还可应用范围较广的多种另外的硬件和软件方案来检测相对于读出头的周期性部分的位置，以提供根据本发明的原理的第三分辨率测量值。因此，应该理解，对这里已经说明和描述的本发明的各种示例实施例可以作出这些和其它各种变化而不偏离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种绝对位置检测装置，可用于测量两个单元之间的相对位置，所述绝对位置检测装置包括读出头和标度，所述标度包括沿测量轴延伸的经组合的标度轨迹，所述经组合的标度轨迹包括放置在沿测量轴的经组合的标度轨迹中的多个周期性部分，每个周期性部分包括沿测量轴的多个N个连续周期标度单元，其中，N是大于或等于3的整数；以及放置在沿经组合的标度轨迹的测量轴方向与周期性部分交错的经组合的标度轨迹中的多个非周期性部分，每个非周期性部分包括多个定义代码字的代码单元，所述代码字可用于识别沿测量轴的本地数据的测量值；其中，配置多个周期性部分和多个非周期性部分，致使沿经组合的标度轨迹的测量轴方向，读出头的检测窗包括许多足以定义可用于识别本地数据的测量值的代码字的许多代码单元，并进一步包括至少N-1个完整的周期性标度单元而不管沿测量轴的检测窗的位置如何。
2.如权利要求1所述的绝对位置检测装置，其特征在于，沿至少某些代码单元的测量轴的长度比沿测量轴的周期性标度单元的长度更短。
3.如权利要求2所述的绝对位置检测装置，其特征在于，N大于或等于5。
4.如权利要求2所述的绝对位置检测装置，其特征在于，沿每个代码单元的测量轴的长度比沿测量轴的周期性标度单元的长度的二分之一要短。
5.如权利要求2所述的绝对位置检测装置，其特征在于，沿每个代码单元的测量轴的长度比沿测量轴的周期性标度单元的长度的三分之一要短。
6.如权利要求1所述的绝对位置检测装置，其特征在于，多个非周期性部分的每一个的预定部分包括一个图案，所述图案对于多个非周期性部分中的每一个是相同的。
7.如权利要求1所述的绝对位置检测装置，其特征在于，包括非周期性部分的检测窗区域的百分数最多是50％，不管沿测量轴的检测窗相对于多个周期性部分和多个非周期性部分的位置如何。
8.如权利要求7所述的绝对位置检测装置，其特征在于，所述百分数最多是35％。
9.如权利要求1所述的绝对位置检测装置，其特征在于，读出头包括多个在沿对应于测量轴方向的方向上的至少一行中延伸的多个成象单元，当所述读出头相对于标度可操作地定位时，所述读出头检测窗的延伸对应于通过多个成象单元接收的标度的投影图象的延伸。
10.如权利要求9所述的绝对位置检测装置，其特征在于，在垂直于测量轴的方向上的读出头的检测窗的宽度小于垂直于每个周期性部分和非周期性部分的测量轴的宽度。
11.如权利要求9所述的绝对位置检测装置，其特征在于，多个成象单元具有沿至少一行的象素间距，并且每个代码单元具有沿测量轴的长度Lc，致使长度Lc乘以标度的投影图象的读出头放大倍数至少是象素间距的3倍。
12.如权利要求11所述的绝对位置检测装置，其特征在于，每个周期性标度单元具有沿测量轴的长度Lp，致使长度Lp乘以标度的投影图象的读出头放大倍数至少是象素间距的6倍。
13.如权利要求1所述的绝对位置检测装置，其特征在于，所述经组合的标度轨迹包括至少一个漫反射表面。
14.如权利要求13所述的绝对位置检测装置，其特征在于标度包括透明的衬底，在离读出头最远的衬底表面上提供经组合的标度轨迹；以及所述至少一个漫反射表面包括在经组合的标度轨迹上提供的或经过经组合的标度轨迹提供的至少一个散射背衬的至少一部分。
15.如权利要求1所述的绝对位置检测装置，其特征在于，a)至少某些标度单元和代码单元，以及b)标度单元和代码单元之间的间隔，由此二项中的至少一项定义散射表面。
16.如权利要求15所述的绝对位置检测装置，其特征在于，所述标度包括透明衬底，在离所述读出头最远的衬底表面上提供经组合的标度轨迹；以及所述散射表面是在离读出头最远的衬底表面上提供的或经过衬底表面提供的涂覆部分。
17.一种绝对位置检测装置，可用于测量两个单元之间的相对位置，所述绝对位置检测装置包括读出头和绝对标度，所述绝对标度包括沿测量轴延伸的经组合的标度轨迹，所述经组合的标度轨迹包括多个代码组，可用于识别沿标度的各个绝对测量值，每个代码组具有沿经组合的标度轨迹放置的多个独立代码单元，每个代码单元在沿垂直于测量轴的方向上延伸而实质上越过所有的经组合的标度轨迹；以及安排成对应于下面的增量间距的多个增量标度单元，对于至少3个代码组的距离跨度，所述增量间距沿测量轴是连续周期性的，每个增量标度单元在沿垂直于测量轴的方向上延伸而实质上越过所有的经组合的标度轨迹；其中在沿经组合的标度轨迹的代码组之间使多个增量标度单元交错；以及至少某些独立的代码单元具有的宽度在沿测量轴的方向上要比沿测量轴的方向中的增量单元的宽度窄。
18.如权利要求17所述的绝对位置检测装置，其特征在于，把经交错的增量标度单元安排在代码组之间的标度部分中的子多个中；以及沿测量轴的代码组之间的标度部分的长度大于沿测量轴的代码组的长度。
19.如权利要求18所述的绝对位置检测装置，其特征在于，代码组之间的至少一个标度部分包括最大数目的完整的增量标度单元，它根据下面的增量间距可以在该相应的标度部分中查找所述增量标度单元。
20.如权利要求17所述的绝对位置检测装置，其特征在于所述读出头包括光源和可用于检测标度的图象的检测器阵列；以及沿经组合的标度轨迹安排多个独立的代码单元以及多个增量标度单元，致使当读出头相对于标度可操作地定位时，不管读出头沿经组合的标度轨迹的位置如何，所述标度的所检测图象包括特征可用作为本地数据点；以及足够数目的代码单元，以确定本地数据点的测量值。
21.如权利要求20所述的绝对位置检测装置，其特征在于，可使用所检测图象来确定所述读出头相对于本地数据点的偏移的测量值。
22.如权利要求20所述的绝对位置检测装置，其特征在于所述检测器阵列包括根据沿对应于测量轴的方向的检测器单元间距排列的多个检测器单元；所述读出头进一步包括至少一个光学单元，来自标度的光通过至少一个光学单元，致使放大了通过检测器阵列检测到的标度的图象，因此把读出头放大倍数赋予所检测的图象；以及每个代码单元具有沿测量轴的长度Lc，致使长度Lc乘以读出头放大倍数至少是检测器单元间距的3倍。
23.如权利要求17所述的绝对位置检测装置，其特征在于，每个代码组包括预定的图案，而且对于多个代码组中的每一个，所述预定图案是相同的。
24.如权利要求17所述的绝对位置检测装置，其特征在于，沿标度的多个排序的代码组包括多个排序的、沿标度排序的多个数据位。
25.如权利要求24所述的绝对位置检测装置，其特征在于，可直接使用每个排序的多数据位来确定本地数据点的测量值而无需参考查找表。
26.如权利要求17所述的绝对位置检测装置，其特征在于，进一步包括信号处理单元，其中，当可操作地定位的读出头检测到标度的图象时，可根据包括在所检测图象中的一个或多个代码组，使用信号处理单元来确定本地数据的测量值。
27.如权利要求26所述的绝对位置检测装置，其特征在于，可进一步使用信号处理单元，可至少部分地根据包括在所检测图象中的多个代码组来确定读出头相对于本地数据的偏移的测量值。
28.如权利要求27所述的绝对位置检测装置，其特征在于，可进一步使用信号处理单元来组合本地数据点的测量值和读出头相对于本地数据点的偏移的测量值，以确定位置测量值。
29.如权利要求17所述的绝对位置检测装置，其特征在于，经组合的标度轨迹包括至少一个漫反射表面。
30.如权利要求29所述的绝对位置检测装置，其特征在于，绝对标度包括透明的衬底，在离读出头最远的衬底表面上提供经组合的标度轨迹；以及至少一个漫反射表面包括在经组合的标度轨迹上提供的或经过经组合的标度轨迹提供的至少一个散射背衬的至少一部分。
31.如权利要求17所述的绝对位置检测装置，其特征在于，a)至少某些标度单元和代码单元，以及b)标度单元和代码单元之间的间隔，由此二项中的至少一项定义散射表面。
32.如权利要求31所述的绝对位置检测装置，其特征在于标度包括透明衬底，在离读出头最远的衬底表面上提供经组合的标度轨迹；以及散射表面是在离读出头最远的衬底表面上提供的或经过衬底表面提供的涂覆部分。
33.一种用于测量沿绝对标度的检测器阵列的高分辨率位置的方法，其特征在于，所述绝对标度包括沿测量轴延伸的经组合的标度轨迹，所述经组合的标度轨迹包括多个代码组，可用于识别沿所述标度的各个绝对测量值，每个代码组具有沿经组合的标度轨迹放置的多个独立代码单元，并且每个代码单元在垂直于测量轴的方向上具有越过经组合的标度轨迹的延伸部分，所述延伸部分大体上大于在沿测量轴的方向上的代码单元的延伸部分；以及安排成对应于下面的增量间距的多个增量标度单元，其中，在沿经组合的标度轨迹的代码组之间，使多个增量标度单元交错，而每个增量标度单元具有在垂直于测量轴的方向上越过经组合的标度轨迹的延伸部分，所述延伸部分大体上大于沿测量轴的方向上的增量标度单元的延伸部分；所述方法包括使用检测器阵列检测对应于当前位置的经组合的标度轨迹的图象；根据包括在所检测图象中的至少一个代码组确定本地数据的测量值；至少部分地根据包括在所检测图象中的多个增量标度单元来确定检测器阵列相对于本地数据的检测器阵列的偏移的测量值；以及组合本地数据点的测量值和相对于本地数据的检测器阵列偏移的测量值，以确定沿绝对标度的检测器阵列的高分辨率定位。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于每个编码组包括一个预定部分；以及根据至少一个代码组确定本地数据的测量值包括确定包括在至少一个至少一个代码组中的预定部分的位置；根据所确定的预定部分的位置，确定在所检测图象中的代码单元的位置；以及处理对应于代码单元的位置的所检测的图象，以确定出现在所检测的图象中的代码单元的代码单元值；以及根据所确定的代码单元值确定本地数据的测量值。
35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，检测器阵列包括在沿对应于测量轴方向的方向上的至少一行中延伸的多个检测器单元，所述检测器单元根据检测器单元间距而隔开；以及确定相对于本地数据的检测器阵列偏移的测量值包括按一种分辨率估计相对于检测器阵列的本地数据特征的偏移，所述分辨率在所检测图象中比一个距离更为精确，所述距离对应于所检测图象中下面的增量间距的二分之一；按一种分辨率估计相对于检测器阵列的多个增量标度单元的偏移，在所检测图象中的所述分辨率至少如检测器单元间距的分辨率那么精确；以及至少部分根据相对于检测器阵列的本地数据特征的偏移的估计值，以及至少部分根据相对于检测器阵列的多个增量标度单元的偏移的估计值，确定相对于本地数据的检测器阵列偏移的测量值。
全文摘要
一种绝对位置检测装置，可用于测量两个单元的相对位置。绝对标度包括沿标度的测量轴延伸的经组合的轨迹。经组合的轨迹包括与多个非周期性部分交错的多个周期性部分。每个周期性部分包括多个周期性地放置的标度单元。每个非周期性部分包括多个代码单元，这些代码单元表示绝对测量值。代码单元可以具有长度，所述长度沿测量轴方向要比周期性标度单元的长度小。使相对于装置的读出头的周期性地放置的单元的偏移与绝对测量值进行组合，以确定绝对位置。
文档编号G01D5/30GK1479077SQ0317872
公开日2004年3月3日 申请日期2003年7月16日 优先权日2002年7月16日
发明者M·内厄姆, B·K·琼斯, A·M·茨维林, M 内厄姆, 琼斯, 茨维林 申请人:株式会社三丰