专利名称：可用于绝对位置转换器的改进的二维标尺结构与方法
本非临时申请要求2002年7月16日提交的美国临时申请No.60/396,022的利益，所述临时申请的整个内容通过引用包括在这里。
授与Masreliez的美国专利5,886,519，揭示了一种可在2D平面内任一位置提供分辨度和高精度的二维(2D)增量(非绝对)位置编码器，但该519专利揭示的光栅标尺和读头并不适合绝对位置测量。
已知有多种2D条形码系统，但对高分辨度绝对位置测定而言，此类2D条形码系统的“信息存贮”结构一般不十分适宜用作2D标尺，而且还不清楚如何将这类代码排列成连续的2D标尺并可靠地鉴别相邻的代码。
这类条形码图案尤其不适合高速的高分辨度位置测量。显然，要把复杂可变的图案结构的位置测定到高分辨度，一般要求将这类结构与同类复杂可变的样板或检测器图案等作比较。位置测量与运动控制场合通常要求以高分辨度与高速度跟踪这类图案相对检测器的运动，故这样的比较太耗时间。而且，当多个复杂图案相互相邻地排列在2D图案中而构成连续的2D标尺时，各种独立图案的鉴别更增加了信号处理的复杂性，而且更难以高分辨度和高速地测定这类图案的位置。再者，在延伸的二维区域内产生该区域内独特的这类图案，同时把这些图案对准下面连续的周期性网络以提供精密而高分辨度的绝对测量标尺，这在技术上很困难，而且/或者成本很高。
试图通过减小这类图案的空间分辨度和/或分布来克服上述诸问题，通常劣化了以高分辨度测定这些图案位置的能力，而这种能力一般依赖于空间频率或“信息密度”，即位置测量标尺中出现的“转换密度”。或者，试图降低图案复杂性来克服上述问题，将会减小处处可被独特地识别的总面积，即减小了2D绝对标尺的潜在范围。
不避免任何一个或多个这样的缺点的光学绝对位置编码器是有用的。显然，一般而言，正是这种特定的2D绝对标尺图案编排提供了一种能以高分辨度和精度并以适中的成本在很长的范围内作高速位置测量的2D绝对位置测量系统。
本发明提供读头尺寸相对小的2D光学绝对位置编码器。
本发明分别提供可用于光学绝对位置编码器的2D标尺，其2D整体标尺包括代码部分与周期部分。
本发明还提供其2D标尺图案以有利的比例整化周期与代码两个部分的2D光学绝对位置编码器。
本发明分别提供沿二维的每一维具有长标尺长度和高分辨度二者的2D光学绝对位置编码器。
本发明还提供通过应用2D整体标尺而获得长标尺长度和高分辨度的2D光学绝对位置编码器，该2D整体标尺包括沿二维的每一维供长标尺长度使用的代码部分和高分辨度地测定读头与标尺相对位置的周期部分。
本发明还提供一种具有2D整体标尺的2D标尺，其中沿该2D标尺二维的每一维交替出现代码部分和周期部分。
本发明附带提供一种2D标尺，其中沿该标尺二维的每一维交替出现的代码部分和周期部分按二维相互相邻。
本发明分别提供若干方法，可根据包括非周期代码部分和周期部分的2D整体整体标尺的图像，以二维测定光学绝对位置编码器读头相对于该编码器的2D标尺的绝对位置。
本发明还提供若干方法，通过探测出现在2D标尺的2D图像内的代码部分并根据出现在该探测代码部分里的代码沿每一维测定第一分辨度2D位置，来测定读头沿每一维相对2D标尺的绝对位置。
本发明附带提供若干方法，通过探测出现在2D标尺的2D图像内的预定部并根据该预定部分的2D探测，来测定读头沿每一维相对该2D标尺的绝对位置。
本发明还提供若干方法，通过测定出现2D图像内的周期部分与周期参照结构之间沿每一维的偏移距离，并根据至少一个偏移距离沿每一维测定第三分辨度位置，来测定读头沿每一维相对2D标尺的绝对位置。
在本发明各种示例性标尺实施例中，标尺包括沿二维延伸的2D整体标尺图案，该图案包括一个或多个沿二维的每一维延伸的周期部分，而各周期部分限定多个沿二维的每一维延伸的周期单元。整体标尺图案还包括非周期代码部分，它们以二维分布在一个或多个周期部分内和/或之是。各非周期代码部分包括一组或一群独特的代码单元，因而可识别标尺内的特定2D位置，即每组或每群独特的代码单元规定了沿二维的第一维的第一位置和沿第二维的第二位置。
在各种示例实施例中，各非周期代码部分包括一沿二维的每一维有一宽度的预定部分。在每一维中，该预定部分可以是具有预定特征的单一单元或空间，或可以是预定的单元图案。该预定部分可让标尺代码部分产生的读头信号被迅速地检出和/或与标尺其它部分产生的读头信号相区分。
在本发明其它示例实施例中，诸周期标尺单元沿标尺以每一维安置，以对该连续的维度与下面递增的步距符并在周期部分之是沿该维度在空间上同步，尽管在有些实施例中，周期单元沿该维度的连续性可能在标尺某些区域中被中断。
在本发明其它实施例中，对二维的至少一维而言，非周期代码部分中至少二些各别的代码单元沿该维度的宽度窄于各别周期标尺单元的宽度。
在本发明其它实施例中，对二维的至少一维而言，根据读头检测器阵列沿该维的范围和读头沿该维对标尺图像应用的放大率，可将一维代码单元与相邻一组代码单元沿该维隔开到一预定极值。
在各种实施例中，每组代码单元实际上指示沿局部数据特征每一维的位置或测量值，以提供初步隔开的2D绝对位置值。该局部数据特征对每一维度都与多个周期标尺单元有关联。在本发明其它实施例中，读头检测器阵列沿两维的每一维把局部数据特征相对于检测器阵列的位置测定到更高的分辨度，该分辨度比沿周期标尺单元每一维的周期更精细。在本发明其它实施例中，读头检测器阵列还沿每一维测定至少一些周期标尺单元相对于该检测器阵列和/或读头的位置，以提供最高分辨度的2D绝对位置测量。在本发明其它实施例中，检测器阵列步距选择后，沿二维中的至少一维，对该阵列成像的各周期标尺单元有多个检测器单元。在各种实施例中，检测器阵列步距选择后，沿二维中的至少一维，对该阵列成像的各代码单元有多个检测器单元。
在本发明各种2D绝对标尺实施例中，成组码元构成延伸通过2D标尺的码字2D序列。在本发明其它实施例中，该码字序列直接指示标尺内相应的2D位置。在本发明其它实施例中，利用译码器查表把码字转换成沿二维中每一维的绝对位置测量值。
通过以下对本发明各种条例系统与方法实施例的详述，可明白本发明的种种特征与优点。
具体实施例方式
图1是本发明可配用2D整体标尺图案的2D光学绝对位置编码器100的框图，可产生2D绝对位置测量值。图1所示的2D光学绝对位置编码器100包括读头126、信号发生与处理电路200和2D标尺110，2D标尺110包含2D整体标尺图案300。图1中，读头126诸元件及它们与2D标尺110和2D整体标尺图案300的关系，以通常对应于下面进一步描述的示例物理结构的布设示意地表示。
尤其把标尺110定位成邻近读头126的照明与接收端，因而当2D标尺110被读头126该端的光源130发射的光照射时，发射光被2D标尺110上的2D整体标尺图案300有选择地朝位于读头126该端的图像接收光学元件向后发射。2D标尺110通常位于离光源130和装在读头126中的光学系统某一稳定的距离，相对读头126沿相对运动的双轴运动，诸如沿第一测量轴111和第二测量轴方向112运动，如图1所示。
沿正交于第一与第二测量轴111与112的第三维的相对运动，例如通常受普通导轨或装到框架的轴承(未示出)的约束，以在读头126与标尺110之间保持适当的相对距离或间隙。读头126包括一对准特征(未示出)，有助于安装读头126，并且相对安装框架和/或2D标尺110预期的相对运动轴111与112对准读头126的内部元件。
2D标尺110被光源130提供的光波长照射时，应提供反差相对高的2D图像。在各种实施例中，2D标尺110通常是一种相对反射的构件，在其漫反射表面上形成相对不反射性标尺单元的2D图案。显然，2D标尺110相对高的反射率可用任何已知或今后开发的材料和/或结构获得，例如2D标尺110可以具有合适的漫反射表面结构，且由相对反射的材料如金属或玻璃或者聚酯薄膜等聚合物或其它材料组成。相对不反射标尺单元的构成方法包括涂布2D标尺110的表面，有区别地处理2D标尺110表面以降低2D标尺110构成材料的反射率，在2D标尺110表面有选择地淀积相对不反射材料，或其它方法。
在各种其它实施例中，2D标尺110由相对不反射的材料组成，而2D标尺单元则由合适的漫反射表面结构的相对反射的材料组成。此时，通过涂布或处理2D标尺表面，或者利用任何其它已知或今后开发的工艺沿2D标尺110合适的位置有选择地减小和/或增大反射率，显然能让2D标尺110基于其构成材料呈现出相对不反射性。
在各种实施例中，2D标尺110显然具有或多或少的镜面部分。但对这类标尺而言，图像双差和/或亮度将对标尺上的对准变动和/或表面沾污呈现更大的敏感性，会降低2D绝对测量系统100的耐用性和测量精度。还应明白，在其它实施例中，2D标尺110和/或其上形成的表面单元包含彩色，用于在光检测器160检出的2D标尺110图像中增大2D标尺单元与2D标尺110其余部分之间的反差。
如图1所示，读头126的图像接收光学元件包括位于读头组件106的照射与接收端的透镜140，从而透镜140的光轴144通常与2D标尺110的受照区域对准。在图1例中，读头126还包括针孔孔板150和光检测器160，前者沿光轴144与透镜140隔开同透镜140的焦距一样的距离，后者沿光轴144与孔板150隔开，如图1所示。这种远心结构使光检测器160上2D整体标尺图案300的图像放大作用基本上与透镜140到2D整体标尺图案300的目标距离g无关。
在各种实施例中，例如若用精密轴承等充分严格地控制目标距离g，就可省去孔板150。光检测器160可以是任何已知或今后开发类型的光敏材料或装置，它们能组成独立与各别光敏元件如相机、电子或数码相机、CCD阵列、CMOS光敏元件阵列等2D阵列。
下面再描述2D标尺110与读头126的一种标例性间隔与定位方法，其中包括透镜140、孔板150和光检测器160。可以按小型光学系统结构和/或工业相机结构的常规方法，在读头126罩壳里安装光源130、透镜140、孔板150和光检测器160，只要以相对精密与稳定的方式安装诸元件。
当读头126合适地定位于标尺110附近时，光检测器160捕获的各图像将包含2D整体标尺图案300的2D部分。
光检测器160的像元162的2D阵列166分别沿两个对应于两根测量轴111与112中每一根据隔开一已知间距，该已知间距对对应于两测量轴111和112的两个方向可以相同，或对两方向的每个方向不同。沿两个分别对应于测量轴111与112的方向中的每个方向的已知间距，为沿测量轴111或112测量投射到光检测器160的两幅同类图像之间或者投射到光检测器160上的一幅图像与通常对应于获得图像的合成图像之间的位移或偏移提供了基础。这样，沿各测量轴111与112该方向的已知间距，也可沿各测量轴111与112的2D整体标尺图案的图像位移测量到像沿测量轴111或112的该已知间距那样细微或更细的分辨度奠定了基础。为方便起见，下面讨论时也把测量轴111称为X轴，把测量轴112称为Y轴。应该明白，X与Y轴针对标尺对准相互限定，并不表示2D光学绝对位置编码器100在空间的任何具体定向。
在各种实施例中，光检测器160的像元162显然按正交的行与列排列，行以对应于获得图像中测量轴中的一根的方向对准，而列以对应于另一根测量轴的方向对准。但更一般地，在其它实施例中，光检测器160的像元162不按对准获得图像中测量轴的正交行排列，只要仍可确定像元162沿两个分别对应于测量轴111与112的方向中每个方向的已知间距就行。此时，沿相应于各自测量轴方向的已知间距，仍为沿该测量轴测量两幅投射到光检测器160上的同类图像之间或者投射到光检测器160上的一幅图像与通常对应于某获得图像的合成图像之间的位移成偏移提供了基础。
此外，读头126包括至少一部分信号发生与处理电路200。如图1的所示，信号线132从信号发生与处理电路200接到光源130，用于控制和/或驱动光源130。信号线164连接光检测器160和信号发生与处理电路200。尤其是，可逐个访问阵列166的每个像元162，以便通过信号线164把代表该像元162的光强的值输出给信号发生与处理电路200。电路200的其它部分可以远离读头126安置，可以远程操纵和显示读头126的功能。下面参照图11更详细地描述信号发生与处理电路200。
如图1所示，把光源130发出的光束134引导到2D标尺110携带的2D整体标尺图案300上，以照亮一部分2D整体标尺图案300。结果，根据2D整体标尺图案300出现在其受照部分的单元，2D整体标尺图案300受照部分就绕光轴144有选择地反射光136。
当光束134的照射角倾斜时，入射光束134与光轴144的夹角使得2D标尺110上相对镜面将反射入射在远离读头126检测场的相对镜面上的光。此时，在各种实施例中，若打算在被检图像中提供相对较高亮度的2D标尺110部分做成相对扩散，以便提供接受照射的相对扩散表面部分，这样是有利的。在各种实施例中，扩散表面部分可能因其表面光洁或材料特性而相对扩散，或通过应用扩散涂料或表面加工结构而得相对扩散。鉴于其扩散特征，这些扩散表面部分就沿光轴144重新引导至少一部分倾斜接收的光。此时，扩散表面部分更趋明亮，而且/或者比不做成相对扩散提供更高的图像反差。
在一实施例中，扩散表面部分就是标尺单元。在一些此类实施例中，包围标尺单元的区域为镜面反射性。在其它实施例中，扩散部分位于包围相对较暗和/或镜面反射标尺单元的区域内。在各种实施例中，2D标尺单元通常由2D标尺110正面或反面上的相对薄的材料层形成。
图2示出一部分2D标尺110一实施例的等角侧视图，当入射光束与光轴的夹角使相对镜面标尺表面反射相对镜面的入射光，即远离读头126检测场的反射光136时，这是有用的。显然为图示方便，在图2中，2D标尺单元115和空间119的垂向尺寸被明显扩大了。
如图2所示，2D标尺110的标尺特征一般包括2D标尺单元115和空间119。2D标尺单元115包括沿单一测量轴111延伸的第一标尺单元部分116和沿第二测量轴112延伸并穿过第一标尺单元部分116的第二标尺单元部分117。2D标尺单元115在基片113用于形成2D标尺110的第一表面114上形成，而2D标尺110的定向使得2D标尺110基片113的第二表面114’更接近光束134的源。此时，基片113应对光束134的至少一个波长透明。在第一一面114上或极附近形成或设置一扩散垫片118，从而该扩散垫片118在标尺单元115之间的空间119中提供一漫反射表面化。这一扩散垫片或涂层118光轴144以漫射方式引导光束134的至少部分入射光。
在一实施例中，扩散垫片118是一种漫反射涂料型垫片118A，这是一种喷涂涂料，涂布标尺单元115之间空间119中的表面114。在另一实施例中，扩散垫片118是一种漫反射基片型垫片118B，它尽量紧靠表面114，在标尺单元115之间的空间119中反射光束134。在各种实施例中，将基片型垫片118B设置成安装构件支持2D标尺110的表面。
显然，图2所示2D标尺110实施例若干优点。该例中，2D标尺110容易制作，因为标尺单元115的边沿有效地限定了2D标尺110扩散部分可工作的范围与位置，因而2D标尺110的扩散部分不要求作特殊处理以控制这些扩散部分的范围或位置。而且对图2所示的2D标尺110定向，第二表面114’上的沾污容易在检出的2D标尺110图像中处于焦点外。再者，基片113和/或扩散垫片118和/或紧靠表面114的外装元件可防止表面114受损。但如前所述，通常在用光源130提供的光波长照射时，可用任意标尺结构或定向按本发明提供反差相对高的标尺图像。
于是，从2D整体标尺图案300到达透镜140的反射光142被投射到光检测器160上。在各种实施例中，透镜140是双凸面透镜，直径约3mm，焦距f约4.5mm。如前所述，在各种实施例中，光142穿过针孔孔板150中的针孔孔径152，透镜140与针孔孔板150的间隔距离约等于透镜140的焦距f，使整体标尺图案300在光检测器160上的图像放大基本上与目标距离g无关。
尤其在使用针孔孔板150时，通过针孔152的光154就沿光轴144投射一段距离d而到达光检测器160的2D阵列166中的2D像元162表面。对这种远心结构，2D整体标尺图案300的图像特征放大作用主要依赖于焦距f与距离d的关系，该关系近似为d/f。
更一般地，对孔径相对大或者去针孔孔板150的结构，放大作用将随目标距离g而变化。此时，在从2D整体标尺图案300受照射部分反射到像元162的2D阵列166上的光的检出部分内，图像特征的近似放大倍数M为M≈(f+d)/g (1)式中g是目标距离；f是透镜140的焦距；而d是到2D阵列166表面的距离，超出透镜140的焦距。
在各种实施例中，2D光学位置转换器100的这些参数的典型值包括g≈4.5mm，f＝4。5，d＝28.35mm。因此，近似的相应放大率M为7.3。显然，在挑选针孔孔径152的尺寸方面，在2D整体标尺图案300的图像景深与阵列166上图像亮度之间还有一种折衷关系。图像景深却是图像在目标距离g因读头间隙失准等而变化时的模糊量。在一实施例中，针孔孔径152的直径为0.8mm。在各种实施例中，孔径152的直径为0.5-2.0mm。在难以精密计算放大率时，显然可用实验方法对给出的位置编码器设计和规定的工作参数确定有效的放大率，如可以根据像元沿各轴的间距和对各种已知尺度的标尺特征观测的图像尺寸，来确定有效放大率。
在2D标尺110的投射图像中，可对两个尺度的每一尺度沿测量轴111与112获得高分辨度，2D整体标尺图案300中周期部分的周期标尺单元的平均图像尺寸(也称为沿该维度的递增标尺单元)，大于光检测器160的像元162沿该维度的像素步距最为有利。就是说，周期标尺单元沿指定维度的尺寸乘上读头沿该维度提供的投射图像放大率，大于沿该维度的像素步距最有利。而且在各种读头126的实施例中，在2D标尺110的投射图像中，周期部分诸周期标尺单元沿每一维的平均尺寸，大致是像元162沿该维度的像素步距的2倍到10倍。
为获取图像，信号发生与处理电路200在信号线132上输出一驱动信号，驱动光源130发射光束134。光束134照射一部分2D整体标尺图案300，把它成像到光检测器160的像元162的2D阵列166上。然后，电路200通过信号线164输入多个信号部分，各信号部分对应于一个或多个独立像元162所检测的图像值。
为测定读头相对于2D整体标尺图案300沿两维的每一维的当前位移，把信号发生与处理电路200接收自光检测器160的当前图像的信号部分输入并贮存于存储器。当然应该明白，若能在飞行中计算该数据，则可跳过该步骤。然后分析该当前图像，确定读头126与2D标尺110沿每一维的绝对位置。在各种实施例中，在一部分分析中，选择一行或一列沿相应于测量轴111和112中至少一个测量轴的方向延伸的像元162或者当前图像中至多少量行或列作分析。
如下面详述的那样，在一部分分析中，选出的一个或多个行和列经分析，可探测出现在当前图像里的某个2D代码部分。该检出的2D代码部分经译码，可测定由该部分限定的第一分辨度2D绝对位置。然后，相对当前图像帧，即相对像元162的2D阵列166，测定该检出代码部分成与该检出代码部分有关的预定部分的2D位置。
这一相对当前图像帧测定的2D位置，把读头126相对2D整体标尺图案的2D绝对位置从译码的代码部分指示的第一分辨度2D位置，改进到第二分辨度2D位置。在各种实施例中，该第二分辨度2D位置为像素分辨度，对应于像元162沿二维的每一维或2D阵列166的各轴的像素间距或步距。
显然，可获得的最高第二分辨度2D位置对应于实际的像素分辨度。就是说，沿各轴的第二分辨度是一种这样的分辨度，它将沿该轴的绝对位置测量的不确定性减小到对应于读头126提供的沿该维的放大率的分辨度，但不大于沿该2D阵列166维度的一二个像素步距增量。当然，若应用内推或基于矩心的测定方法，第二分辨度显然优于像素步距。
但更一般地，第二分辨度2D位置将把相对读头126的2D标尺110定位沿2D整体标尺图案300中2D周期部分各根X与Y轴的特定周期长度Px与Py以内。沿2D整体标尺图案300中2D周期部分各轴的这些特征周期Px与Py也称为X与Y递增步距，在长充上各自等于周期安置的递增标尺单元之一和沿各自一根轴的相邻空间。
至少一部分当前图像还按逐个像素的原则与若干偏移位置的每个位置的参考图像作比较，以将读头与标尺的绝对位置测定到第三分辨度。在各种实施例中，第三分辨度对应于对阵列160上的图像作像素分辨度位置测定。正如美国专利申请09/731,671所详细揭示的那样，一系列比较跨越至少一个相关曲线的峰和/或谷，该申请通过引用包括在这里。
就是说，参考图像和当前图像处理后可产生相关函数值点。在一实施例中，在包括某一使在前一次探测的特定周期附近两幅图像的图案最接近对准的偏移的偏移或空间平移位置的范围内，当前图像以数字方式相对参考图像偏移。相关函数值点指示图案对准度，因而也指示在图像以数字方式偏移时使这两幅图像对准所需的偏移量。该偏移可用于把读头126相对2D标尺110的绝对位置从第二分辨度提高到第三分辨度，而第三分辨度相当于远远小于沿阵列166任一轴或两根轴的一个像素步距增量除以读头100提供的放大率。
在各种实施例中，参考图像是2D整体标尺图案300中周期部分的合成图像。在其它实施例中，参考图像是利用读头126从2D整体标尺图案300中捕获的代表性图像。
应该明白，比较参考图像与当前图像有若干不同的技术。如在第一示例技术中，当把按逐个像素原则选出的一行或多行与整帧参考图像的宽度作比较而产生单个相关值时，可使用当前“被显示”图像帧的整个区域。此时，把那些在参考与当前图像区内同其它当前参考与显示图像区不重叠的像素，同具有默认比较值的像素进行比较，或对它们分配一默认比较值等。在其它示例技术中，比较局部图像。在任一种情况中，每次比较后，通过沿相对参考图像的合适方向把当前图像移动一个或多个像素，产生一系列批昧相关峰和/或谷的相关值。
图3示出本发明2D整体标尺图案300第一示例实施例300’的框图布设。如图3所示，2D整体标尺图案300’包括多个2D周期部分310和多个2D非周期部分330。按照本发明原理，在2D整体标尺图案300’几乎相当于下面详述的检测窗340尺寸的每个局部区域内，该2D整体标尺图案300’的多个2D周期部分310和多个2D非周期部分330共用或被“整化”。
图3所示的整体标尺图案300’，在本发明沿两根测量轴111与112每一根延伸的2D标尺300的整个区域延伸，即多个2D周期部分310和多个2D非周期部分330各自沿两根轴的每一根有一范围。在各种实施例中，在2D标尺110整个区域内，2D周期部分310与2D非周期部分330都沿两根轴的每一根以重复序列排列。另在一些实施例中，各2D非周期部分330包含一下面详述的预定特征320。
应该明白，在2D整体标尺图案300的每个局部区域内，通过把2D周期部分310与2D非周期部分330二者整化成单个一体化结构，则在2D整体标尺图案300边界内位于2D整体标尺图案300任何地方的一组检测单元，诸如光检测器160的一组像元162，就能用来检测在标尺110相对读头126沿测量轴111与112任一组合位置的包含在2D周期部分310和2D非周期部分330里的信息。
如图3所示，对应于整体标尺图案300’作为单幅图像被光检测器160捕获的部分的检测窗340，在至少一部分2D整体标尺图案300内沿2D标尺110以二维延伸。应该明白，在本发明诸实施例中，鉴于本发明2D整体标尺图案300的结构，检测窗340在整体标尺图案300内沿Y轴的宽度并非特别关键，只要检测窗340通常至少像任意两个相邻非周期部分相应边界之间沿Y轴的距离一样宽就行，如下面详述的那样。同样应明白，鉴于本发明2D整体标尺图案300的结构，检测窗340在整体标尺图案300内沿X轴的长度也不是关键，如下面详述的那样，只要检测窗340通常至少像任意两个相邻非周期部分相应边界之间沿X轴的距离一样宽就行。
显然在诸实施例中，光检测器160的尺寸和读头126的光学元件140-152提供的放大率，在一2D周期部分310和2D非周期部分330沿测量轴111与112的范围共同操作时，使检测窗340沿测量轴111与112充分延伸，保证完整的2D非周期部分330出现在检测窗340内，与读头126在2D标尺110区域内的位置无关。若检测窗340至少这么长和宽，则相对某些读头126位置造成两个或多个出现在检测窗340内的不完整2D非周期部分330的情况，就明显简化了完整2D非周期部分330的译码。即在有些实施例中，对检测窗340大小的唯一实际要求，就是要求它的长和宽足以保证至少一个2D非周期部分330全部位于检测窗340内。
或者如图3所示，在诸实施例中，使用的检测窗340能沿两根测量轴111与112的每一根充分延伸，并可根据若干2D非周期部分330的两个或多个分离的片断“重构”相当于完整非周期部分330的信息，同读头126与2D标尺110的相对位置无关。为满足该条件，检测窗340通常沿两根测量轴111与112的每一根延伸的量，等于或略大于沿测量轴111或112从2D标尺110一个非周期部分330的边缘到相邻2D非周期部分330边缘的距离。该距离在大多数可能的标尺位置一般包括一完整的2D非周期部分330。在读头126的某些位置，这种检测窗340通常也足以包括一个完整的至少被若干2D周期部分310的标尺单元定界的2D非周期部分330。在任何情况下，对于沿两根测量轴111和112之一或二者具有这类范围的检测窗340，必须根据预定的重构技术选择2D非周期部分330图案，如可将图案选成待续的二进制数代码，或按照已知的伪随机“链”码技术等。应该理解，在诸实施例中可以简化有关的重构操作，而且/或者做得更耐用或更快速，在2D非周期部分330中包含预定的特征320。
在图3所示2D整体标尺图案300’的第一实施例中，预定部分320位于2D非周期部分330一侧，但应明白，在其它实施例中，预定部分320沿2D非周期部分330顶部位于各2D非周期部分330的两个或多个边缘。此时，沿非周期部分330一个边缘排列的预定部分320，同沿该非周期部分330另一边缘的预定部分320不同。在其它实施例中，预定部分320更向非周期部分330的中心设置。
预定部分320可以是任一特征或组合的特征，能同2D周期部分310和/或2D非周期部分330的其它图案特征可靠两容易区分。如这类特征包括但不限于沿测量轴111具有独特长度和/或沿测量轴112具有独特长度的亮或暗标尺特征、沿测量轴11和/或112独特的亮和/或暗标尺特征图案，或者一个或多个其独特的颜色或强度可被光检测器160的像元162检测的标尺特征。在诸实施例中，所有的预定部分320都相同。
根据应用的信号处理算法，可省略预定部分320。但应明白，为了迅速可靠地识别和检测检测窗340内的2D非周期部分330，应用这类预定部分320可简化所使用的信号处理算法。
不管是否包含预定部分320，每个2D非周期部分330都含有不同和/或独特的图案或码元码组。这种不同和/或独特的码元图案，使至少一个位置值与出现在检测窗340内准备确切测定的一2D非周期部分330有关。由于2D标尺110内各特定2D非周期部分330的2D位置被预先规定或可以算出，所以通过测定该非周期部分330特定不同和/或独特的码元图案来识别出现在检测窗340中的2D非周期部分330，使得检测窗340和读头126相对2D标尺110的2D绝对位置以第一分辨度作初步测定，而第一分辨度类似于检测窗340的大小和/或2D非周期部分330的间距。
就是说，虽然2D标尺110内某指定2D非周期部分330相对指定原点的2D位置可掌握到高的精度与精密度，但是根据简单地测定该2D非周期部分330出现在检测窗340的码值的操作，未必掌握2D非周期部分330和一个或多个周围2D周期部分310相对检测窗340的2D位置。尤其是，一个或多个2D周期部分310和2D非周期部分330可能位于2D检测窗340内的任何地方。
如上所述，沿两根测量轴111和112的每一根对应于任一特定2D非周期部分330的测量值，可用不同和/或独特的代码图案预先规定，或可以算出，或根据不同和/或独特的代码图案测定。即在诸实施例中，不同和/或独特的代码图案贮存在查表里，该查表还存贮了2D标尺110上对应于包含该不同和/或独特图案的2D非周期部分330的标称2D位置沿两根测量轴111与112中每一根的测量值。此时，在诸实施例中，不同和/或独特的图案以任何期望的次序顺序出现，在相邻的2D非周期部分3330的不同和/或独特图案之间无需存在相互关系。此时，该不同和/或独特的图案能在2D非周期部分330之间以任何期望的方式分布，如加大相邻2D非周期部分330的不同和/或独特图案之间的区别。
在其它实施例中，不同和/或独特的图案能以某种方式客观地对应于含这些图案的2D非周期部分330的2D位置。于是，可用这种相依性直接测定或计算2D标尺110内该2D非周期部分330的绝对位置，以及检测窗340和读头126相对2D标尺110的绝对位置。在诸实施例中，2D非周期部分330在2D标尺110内以分别沿各X与Y轴规定的各自方距或间距排列。
在独特的图案或码字中，特定2D非周期部分330不同和/或独特的图案，限定了至少一个二进制数或更高的模数，如两个各别的X与Y二进制数或更高模数。在规定了各别X与Y二进制数或更高模数的诸实施例中，被2D非周期部分330指示为沿2D标尺110各测量轴111或112连续的各X与Y数，各自限定了沿各测量轴111或112的特定序列。
因而在这类实施例中，例如沿任一各别轴，这类沿该轴延伸的2D非周期部分330序列中的第一2D非周期部分330，具有沿各轴在某个规定的数字序列中限定各自第一数的不同和/或独特的图案，然后对沿该轴的该序列中的每个连续的2D非周期部分330，将该数提高一个增量。
显然，在使用数或码字序列时，尤其可根据成像在检测窗340左和/或上部的一个2D非周期部分330中数或码字的后片段和成像在检测窗340右和/或下部的至少一个相邻2D非周期部分330中数或码字的前片段，迅速两方便地重构一完整的码字。这样，当希望检测窗340相对2D整体标尺图案300’的跨度为最小可用尺寸时，即小于确保至少一个完整不间断的2D非周期部分330包括在2D标尺110每幅可能的图像内的尺寸，就可具体应用数或码字序列。当然，为使不同和/或独特图案与包含这些图案的2D非周期部分330的2D位置相关，可使用更复杂与不规则的结构、配置和方法。
显然，虽然各特定2D非周期部分330在沿两根测量轴111与112延伸的2D区域内分布，但是它们们仍独特地对应于或识别沿每根测量轴111与112与2D标尺110区内某特定点有关的测量值。应该明白，对2D标尺110区内对应于沿特定2D非周期部分330指示的两根测量轴111与112的测量值的各特定点，该点指局部数据。
一般而言，局部数据可以是沿边缘规定的点，各边缘或特征中心X与Y坐标的组合，区域中心点，或者可相对检测客340定位的2D非周期部分330中一个或多个专门可识别亮和/或音标尺特征的任何其它可局部化特征。显然，根据本发明，局部数据不一定是必须特地加到2D整体标尺图案300中的独立特征或特点。相反地，与2D整体标尺图案300的图像有关的信号处理，可以不明显地把2D整体标尺图案300的任何专门可识别可局部化的特征或特点选用为局部数据。
在一实施例中，把局部数据方便地选为2D非周期部分330中2D标尺特征的特性而该部分300直接邻近2D非周期部分330指示与该局部数据有关的X与Y测量值的部分。在另一实施例中，局部数据便于选为与非周期部分330相关的预定部分320的特性，指示与代码位置指示符等局部数据有关的X与Y测量值，下面再详述。这类实施例可以简化在检测窗340内迅速可靠地识别和检测该局部数据所需的信号处理算法。
通常，在分析出现在检测窗340内的2D非周期部分330以测定第一分辨度和/或第三分辨度的2D绝对位置之前、期间或以后，局部数据可相对检测窗340定位。例如，根据应用于与各种像元162有关的图像亮度值的众所周知的边缘或矩心查找等技术，可识别和/或探测局部数据。在任何情况下，可用局部数据相对检测窗340的2D位置，将2D绝对位置测定法的分辨度改进到比前述第一分辨度更精细的第二分辨度。
在诸实施例中，为把局部数据相对检测窗340的位置测定到第二分辨度，应用本发明的2D整体标尺图案300，显然只要求分析行列数有限的沿测量轴承111延伸的像元162。因此，应用本发明的2D整体标尺图案300的系统能作快速信号处理。
通常，第二分辨度2D位置测定必须是充分可靠、耐用的，而且精确的比2D周期部分310沿每个各自的测量轴111与112的各别递增步距值的约1/2更精细的分辨度，这样将确保第二分辨度2D位置测定的不确定性在2D周期部分310分别沿各测量轴111与112的递增步距的一个这样的增量内。此时，包括基于检测窗340内一个或多个周期部分310的分析而进一步改进分辨度的2D位置测定将是明确的，即便周期部分310中的诸标尺特征通常难以沿X与Y轴相互区分。
还应明白，运用2D标尺110投射到光检测器160上的图像，把局部数据沿两根测量轴111与112相对检测窗340的位置测定到某一分辨度，使之比2D周期部分310的标尺单元投射到光检测器160上的图像沿其中相应一条测量轴111或112的步距的1/2还细微，既必要又充分。这样容易确保局部数据沿两根测量轴111与112的位置不确定性在光检测器160上沿测量轴111或112保持在一个这样的步距增量内。
在诸实施例中，选择的递增步距和透镜140提供的放大率，使2D周期部分310标尺单元投射在光检测器160上的图像沿两根测量轴111与112中每一根的步距，至少是像元162沿每根测量轴111与112的像素步距的三倍。相应地，要求把局部数据相对检测窗340的2D位置测定到不优于像元162沿每根测量轴111与112的一个像素步距的分辨度。
在其它诸实施例中，例如可根据像素亮度值转变而沿每根测量轴111与112选用某种耐用而简便的数据探测技术，如分辨度为一个像素步距或更大的边缘查找法。然后应用该期望的简便数据探测技术，对有关期望的标尺特征与实际的失准、沾污等，通过实验确定或让实用轴找各自的像步距表示的可实现的局部数据定位分辨度。最后，沿两根测量轴111与112选择用于2D周期部分310的递增步距，使得在各种实际实验条件下，局部数据沿两根测量轴111与112可获得的2D定位分辨度不大于2D周期部分310的标尺单元在光检测器160上投射图像沿测量轴111或112的步距的3/8。这类结构很可靠，而且信号处理简单而快速。
可用一个或多个2D周期部分310把2D标尺相对于检测窗340和读头126的2D绝对位置测定提高到第三分辨度。第三分辨度沿两根测量轴111与112的精度，至少比沿各别测量轴111与112的各别递增步距精细若干倍。该第三分辨度相当于沿两根测量轴把2D标尺110相对检测窗340投射的图像探测到亚像素分辨度。
如前面参照图2所述，2D标尺110一般包括若干标尺特征，其中包括第一和第二标尺单元部分116与117，2D空间119由第一与第二标尺单元部分116与117分开。在诸实施例中，在各2D周期部分310中，第一与第二标尺单元部分116与117分别沿X与Y轴的范围以及各空间119的X与Y范围，均沿测量轴112或111按各轴各自的基本递增步距排列。
对各第一与第二测量轴111与112，沿测量轴111或112的一个递增步距相当于一个第一或第二标尺单元部分116或117沿测量轴111或112和一个空间119的尺寸。在诸实施例中，空间119和第一标尺单元部分116沿第二测量轴方向盘12为同尺寸，但它们要求不等。同样地，在诸实施例中，空间119和第二标尺单元部分117沿第一测量轴方向111为同尺寸，但它们也要求不等。在诸例中，第一标尺单元部分116沿第二测量轴112的尺寸与第二标尺单元部分117沿第一测量轴111的尺寸一样，但它们也要求不等。
在诸实施例中，根据与第一和第二测量轴111与112有关的基本递增步距，一个或多个2D周期部分310的每一个都包括最大可能数量的第一与第二标尺单元部分116与117以及可以包含在一个或多个2D周期部分310内的空间119。但在其它实施例中，比该最大可能数量少的第一与第二标尺单元部分116与117包含在一个或多个2D周期部分310内。在另一些实施例中，偶数个“奇数尺寸”或“错位”的第一和/或第二标尺单元部分116和/或117可以包含在一个或多个2D周期部分310内，只要“规则”的第一和/或第二标尺单元部分116和/或117的数量和这类第一和/或第二标尺单元部分116和/或117相对于相应基本步距的安置精度，是以使一个或多个2D周期部分310相对于检测窗340的投射图像的2D位置测定到亚像素分辨率。
如在一实施例中，包含在一个或多个2D周期部分310内的“规则”第一和/或第二标尺单元部分116和/或117的数量，是以确定其峰值或谷值指示相对良好相关性的相关曲线，如下详述。在诸实施例中，在图像行和/或列沿图像内相应测量轴延伸的情况下，通过将至少一部分对应于一个或多个2D周期部分310的当前图像的某些或全部行和/或列同包含至少类似周期部分的参考图像作逐个像素的比较，并通过把当前和参考图像相互相对偏移一个像素而产生各比较值，就能产生诸相关函数值和/或相关曲线。
应该明白，在第二分辨度对应于一个像素步距分辨度的诸实施例中，为获得亚像素分辨度，至少部分产生相关函数值和/或相关曲线。被引用的671申请揭示的各种方法，可根据峰或谷周围相对少的相关函数值点，把相关函数峰或谷的像素和/或亚像素位置测定到高精度。显然，任何这类技术或其它已知的或今后开发的技术，都能用于把2D标尺110的投射图像相对于检测窗340的偏移位置测定到像素和/或亚像素分辨度。因此，可把2D标尺110相对于读头126的位置测定到第三分辨度与精度，至少比与各第一和第二测量轴111与1124有关的递增步距细若干倍。
在本发明诸2D整体标尺实施例中，图像的大部分包含了与代表性周期参考图像或图案有效地相关的周期部分310，与一个或多个非周期部分330在图像中的位置无关。再者，由于周期部分310的特征沿图像中X与Y轴的高空间频度，沿X与Y方向查找相关峰所需的X与Y偏差范围有限，因而本发明的2D整体标尺可在各个X与Y递增步距内高速地作高分辨度的2D位置测定，支持整个高分辨与高速的2D绝对位置测量。
显然，当2D整体标尺图案300包括一个或多个可预测的2D周期部分，诸如本发明整体标尺图案300’的一个或多个2D周期部分310时，则相对通过铺设包括较低空间频度的周期特征的2D图案如某些2D周期部分的高分辨度即第三分辨度位置检测技术就特别简便、快速和精密。
如在对高分辨度位置测定应用革于软件和/或硬件的相关技术的实施例中，参考图像或硬件检测器结构可以是单一的固定周期结构。由于一个或多个周期部分的所有图像都相似且可预测，所以无须修改硬件检测器结构或者把参考图像理发成与当前图像匹配等。再者，基于软件或硬件检测几乎完整周期图像或图像部分位置的精度，对读头失准等造成的图像模糊不很敏感。
图4示出与图3中2D整体标尺图案300’相对应的2D整体绝对标尺400的第一实施例。如图4所示，该2D整体绝对标尺400具有一个或多个2D周期部分400和多个沿测量轴111与112排列的2D非周期部分430。另在图4所示的例中，如下面详述的那样，非周期部分430包括预定的图案部分420，它含有始终带图案的顶行和该非周期部分430的左列代码区。
显然，观察图4的2D整体标尺400有两种不同的方法，按照一种观察方法，2D整体标尺400只包括沿第一与第二测量轴111与112按基本X与Y递增步距连续延伸的第一“背景”2D周期部分410，因而多个2D非周期部分430在单一2D周期部分410内作二维分布。此时，把多个2D非周期部分430插入2D整体绝对标尺400，“代替”单一2D周期部分410在多个2D非周期部分430诸位置的部分。
按2D整体绝对标尺400的第二种观察方法，2D整体绝对标尺400通过铺设一单位小区而形成，该小区包括多个2D非周期部分430之一。一例这样的单位小区411示于图4，一2D周期部分410填充单位小区411在该2D非周期部分430之外的其余部分。这样，2D整体绝对标尺400就含有多个2D周期部分410。但应明白，不论如何观察家D整体绝对标尺400，2D整体绝对标尺400的结构无实质性差异。
读头126相对整体标尺400沿测量轴方向112移动。一个或多个周期部分410包括的一种标尺单元412的图案，会有沿第一测量轴111即X轴延伸的第一标尺单元部分414和沿第二测量轴112即Y轴延伸的第二标尺单元部分416。各第一标尺单元部分414沿Y轴有一窄尺寸，而各第二标尺单元部分416沿X轴有窄尺寸，因而第一与第二标尺单元部分414与416限定了多个空间418。空间418在一个或多个周期部分410内作二维分布。
在图4的例中，第一与第二标尺单元部分414与416沿各自的Y与X轴显然有同样的窄尺寸，所以空间418是各自沿X与Y轴具有同样范围的方形。但要明白，在诸实施例中，第一和第二标尺单元部分414与416的窄尺寸不等，因而空间418沿X与Y轴的范围不一样，即此时的空间418为矩形。
显然，对一个或多个包含第一与第二标尺单元部分414与416以及空间418图案的周期部分410，还有其它方法。根据第一观察法，第一标尺单元部分414通常是排列在引一周期标尺单元区里的连续递增的标尺特征，而第一周期标尺单元区沿Y轴方向周期性排列并沿X轴方向延伸。同样在第一观察法中，第二标尺单元部分416通常是排列在第二周期标尺单元区里的连续递增的标尺特征，而所述单元区沿X轴方向周期性排列并沿X轴方向延伸。按第一观察法，空间418一般在第一与第二周期标尺单元区之外，由“默认”造成。
按第二观察法，空间418和标尺单元部分416的片断是递增的标尺特征，它们以某种特征化交替配置沿第一周期标尺单元区交错，而所述单元区沿Y轴方向周期性排列并沿X轴向延伸。同样地，在第二观察法中，空间418和标尺单元部分414的片断都是递增的标尺特征，它们以某种特征化交替配置沿第二周期标尺单元区交错，所述单元区沿X轴向周期性排列并沿Y轴向延伸。按第二观察法，标尺单元部分414和416的其它片断通常在第一与第二周期标尺单元区之外，由“默认”造成。但应明白，无论如何观察一个或多个周期部分410，它们的结构无实质性差异。
在诸实施例中，整体标尺400的非周期部分430包括多个码区，图4中用非周期部分430中的边界线矩阵表示。出现在各码区内的码元432或空间434，在各非周期部分430中提供码元与空间不同和/或独特的图案，如上所述。在诸实施例中，各码区沿第一测量轴111的范围小于第二标尺单元部分416沿第一测量轴111的范围。同样地，各码区沿第二测量轴112的范围小于第一标尺单元部分414沿第二测量轴112的范围。
因而在此类实施例中，即使在各个码元432或空间414沿一个或多个第一与第二测量轴111与112接近边界或边缘而无法区分的代码实施例中，相应的各个码元432和空间434沿第一与第二测量轴111与112都比第二和第一标尺单元部分416与414更窄。在诸实施例中，各码区范围便于做成相同。但在其它实施例中，各码区范围可以不同，此时，相应的信号处理算法可适应这种变化。
沿每根据第一与第二测量轴111与112，一个非周期部分430与相邻的非周期部分430分开一个或多个周期部分410的区域。对每根第一与第二测量轴111与112而言，各非周期部分430指示沿与局部数据436有关的第一与第二测量轴11与112的测量值。如前所述，局部数据436不一定是2D整体标尺400独立的特征或特性。相反地，与2D整体标尺400有关的信号处理把2D整体标尺400的任何专门可识别的局部化特征或特性的隐选为局部数据436。
在图4所示3D整体标尺400的第一实施例中，便于把局部数据436选作预定部分420中码区439的左上角。但应明白，如上所述，这一选法有点随意。或者，局部数据436可以是周期部分410中特性独特的可识别位置，如空间438的右上角。
在图4的例中，各局部数据436沿第一测量轴111与相邻局部数据436隔开距离d0。同样在图4的例中，各局部数据436沿第二测量轴112与相邻局部数据436隔开距离d1。在诸实施例中，距离d0与d1还针对读头126的特性选择，因而在检测窗440内总有至少一个完整的非周期部分430。
在诸实施例中，码元436是相对反射的元件，而空间434在没有码元432时是相对不反射的。具体而言，若把具有相对反射码元432的码区译为二进制1，则把空码区即空间434译为二进制0。这样，码区里码元432和空间434的图案就构成一二进制数或码字，经译码，可将局部数据点436沿第一与第二测量轴111与112的测量值识别到第一分辨度。因此，可将检测窗440和读头126相对于2D标尺沿第一与第二测量轴111与112的位置测定到第一分辨度。
如图4所示，示例的预定部分420应用了非周期部分430顶部的第一行码区和非周期部分430左边的第一列码区。如图4所示，示例的预定部分420相同，与其沿第一和第二测量轴111与112的位置无关。显然，这些预定部分420的作用主要是使在检测窗440内搜索非周期部分430的信号处理变得简单、快速而可靠。例如，单一填充的码区435和沿预定部分420左部延伸的空间434，总是以其左方的第二周期标尺单元部分416为界。码区沿该行的预定部分420总是有交替的码值。
在图4的例中，在非周期部分430的右下角，由对应于3×5矩形码区内15个码区的诸二进制位值限定唯一码。在2D整体标尺400的一实施例中，标尺单元412和空间418各自沿每根第一与第二测量轴111与112的范围为20μm，所以沿每要第一与第二测量轴111与112限定了40μm的递增步距。码区沿每根第一与第二测量轴111与112的范围为10μm。在非周期部分320上相应点之间沿第一测量轴111的间距d0为320μm，是递增步距的8倍。在非周期部分320上相应点之间沿第二测量轴112的间距d1为280μm是递增步距的7倍。
在诸实施例中，检测窗440对应的光检测器160，例如沿对应于第一测量轴111的方向有约352个像素，沿对应于第二测量轴112的方向有约288个像素，因而标尺110上11μm区域在光检测器160上投射一幅相当于约10个像素的图像。因此，在具有这类尺寸的诸实施例中，排列在非周期部分430中的15位码使2D绝对位置测量区约达3000平方毫米，这将使2D绝对标尺110具有侧边约54mm的方形2D整体标尺400。
同时在诸实施例中，多个非周期部分占用2D整体标尺400的不足3％，因而在诸实施例中，面积超过90％的整体标尺400用于一个或多个周期部分410，提高了高分辨度位置测定的速度与精度，如上所述，发明人已应用类似的标尺参数和密微的读头作过可靠的亚微米测量，因此按本发明原理制作的小而实用的绝对位置测量装置，尤其有用地结合了高分辨度、速度和2D绝对测量区范围。
关于图4的结构，显然在这些实施例中，不管标尺110与读头126之间的空隙中有沾污、缺隔和静动态变化，总能见到相对较大的标尺单元412与空间418，提高了有关高分辨度位置测定的耐用性与精度。相反地，不管标尺110与读头126之间空隙中的沾污、缺隔和静动态变化，都适宜见到相对更细的代码空间434与码元432，但通过以小比例的标尺长充/面积设置大量位数，可细微得允许大的绝对区域范围，从而可将更大的标尺长度/面积专用于周期部分410里的信息，增强高分辨度位置测定。当然，码区可相对粗略些，如其大小接近标尺单元412和空间418的大小，但在这种情况下，对于指定读头尺寸内数量减少的可读码位，非周期部分430变得细长较长，读头126的相应长度相对增大，而且/或者最大绝对区域范围相对减小。
还应明白，制造含本发明整体标尺图案的标尺特别容易而且经济，因为只在一个或多个周期部分410要求以同等期望的总体标尺精度作精密的安装与制作。例如，使用普通高精度递增标尺常用的光刻胶曝光法，可用已知的高度精密的连续步进与重复曝光步骤限定标尺单元412，或者使用这种步骤制作的面积相对大的掩膜。在任一场合下，在这一初制阶段，非周期部分430内的步骤不曝光或不处理。
因此，由于本发明的非周期部分430不要求特别精密的定位制作，所以其独特的图案以后可用可编程的高速扫描激光曝光系统等曝光。显然，最精密的操作由此得以简化并可更经济和精密地执行，同时独特的编码操作因更加灵活、快速而经济，也放宽了其精度。
对图4的实施例，操作时，对应于图7的检测窗捕获2D整体标尺400的图像。然后分析捕获的图像，定位一部分出现在其中的周期部分410。接着从该部分的周期部分获得一相关函数，至少明确地检测最上面一个第一标尺单元部分414的垂直位置。应该明白，可以使用已引用的671申请和任一这里引用且包括在这里的美国专利申请09/860,636、09/921,889中揭示的任一相关技术。在诸实施例中，如下述那样，确定的相关函数还用于沿各第一与第二测量轴111与112测定绝对位置测量值中的第三分辨度部分。
然后分析捕获的图像，识别出现在检测窗440内的预定部分420的位置。由于事先知道了标尺400的2D结构，一旦确定了最上面一个第一标尺单元部分414的垂直位置，就难得搜索与第一测量轴111对准的诸行，以定位出现在检测窗440内的预定部分420。即搜索难得选择的每一行，以找出捕获图像的亮暗部分图案，该图案对应于出现在各预定部分420顶部的码元432与空间434的预定图案。
当然应明白，分析时可应用列而不用行。此时检测最左边一个第二标尺单元的水平位置，然后难得搜索对准第二测量轴112的诸列，检测捕获图像的亮暗部分图案，该图案对应于出现在各预定部分420左部的码元432与空间434的预定图案。
对图4的2D整体标尺400实施例，依次从检测器160输入每行像素，检测周期部分410部分。分析第一行，判断该行是否包含来自亮区到暗区或相关的任何转换。若元转换，则将该行对准一个第一标尺单元部分414，故不可用于生成相关函数。此时，按劳取酬同样方法选择和分析后面的每一行，直到发现这样的转换。
在诸实施例中，一旦发现了第一个转换，就分析该行，判断第二个转换离第一个转换是否接近20个像素。第二个转换离第一个转换显然接近20个像素，因为第二标尺单元部分416和空间418沿第一测量轴111的范围为20μm，而在诸例中，捕获图像的20个像素在2D整体标尺400的约20μm内延伸。因此，若第二标尺单元部分416与空间418沿第一测量轴111的范围不同，则不同的范围形成了第二与第一个转换的像素间隔的基础。
若第二转换的像素间隔不接近20个像素，则该行对准预定部分420或非周期部分430。在诸例中，选择后面每一行，直到找出第一与第二转换，而且第三转换离第二转换的20个像素，第四转换离第三转换离第二转换约20个像素，第四转换离第三转换约20个像素。找出这种行时，该行就为与20微米周期参考图案或图像的良好相关性奠定了基础。此时，选择包括约180个像素的前一半确定的行生成第一个一维相关函数。在其它例中，若第二转换不在约20个像素内，则在相当于约递增步距的范围内，用该行从离结束约114行开始的一半生成第一一维相关函数。
这样，确定行的选用部分就延伸通过若干空间418与第二标尺单元部分416。比较所选的确定行部分和相应的参考图像，生成第一一维相关函数。如引用的671申请所述，将所述确定行部分各像素与参考图像的逐个像素比较，生成该相关函数的第一点。将所选确定行部分在40个像素范围内对各点移一个像素，生成该相关函数的其它各点。在诸例中，这40个像素范围相当于第二标尺单元部分416与空间418沿第一测量轴111范围的总和。若第二标尺单元部分416与空间418沿第一测量轴111的范围不同，将改变为形成相关函数而偏移所选确定行部分的范围。
第一相关函数一生成，就用已引用的671、636、711和/或889申请揭示的任一技术作分析，以找出相关峰，并可在相关峰周围的点之间作内插，确定实际的峰偏移位置，这样就确定了第二标尺单元部分416相对检测窗440左边缘的位置。接着用该信息选出位于空间418最左边诸列中央附近的第一列，应用上述两实施例之一作分析，求出能用于第二一维相关函数的列的一部分。
具体地说，若所选列的开始部分元正确间隔的第一到第四转换，则在一实施例中，就选择所选列右边40个列的一列作分析。如此反复进行，直到找出具有正确间隔的第一到第四转换的列。然后选择包括约40个像素的该列的前半部分，用于生成第二一维相关函数。在另一实施例中，如对第一相关函数所述那样，初选列的一半，从该列结束开始约1/4列，用于生成第二一维相关函数。第二相关函数一生成，就用已引用的671,636,711和/或889申请揭示的任一技术分析，找出相关峰，并可在相关峰周围诸点之间作内插，以确定实际的峰偏移位置，这样就确定了第一标尺单元部分414相对检测窗440顶边的位置。
在诸实施例中，在该点对第一与第二测量轴111与112测定第三分辨度测量值。此时根据第一和第二相关函数的峰偏移位置，对相应于这些峰偏移位置的峰2D位置和其周围的若干二维位置，如相当于各方向递增步距的范围内，确定二维相关函数。在诸例中，对该峰位置及其周围的若干其它位置，用整幅捕获的图像生成该相关函数，不用所选行的选择部分或甚至所选的行。
但在诸实施例中，第一与第二相关函数的峰偏移位置足够精确，因而只用2D峰位置周围的大约四个其它2D位置来生成其它相关函数。诸例中，这四个其它位置代表与2D峰位置分别偏移(0，-1)、(-1，0)、(0，1)和(1，0)。在其它例中，这四个其它位置代表与2D峰位置分别偏移(-1，-1)、(-1，1)和(1，1)。当然应该明白，可延续分析的该第三分辨度部分，直到第一与第二分辨度部分结束以后。
然后难得地搜索捕获图像的诸行，找出通过形成预定部分420的码区的行。由于现在基于前面的相关性知道了第一标尺单元部分414与检测窗440顶部的相对位置，而且事先知道了预定部分420与第一标尺单元414的定位关系，所以可知道能贯穿码区中心的检测窗440的诸行，并以像素行之间“10微米”步进作搜索而迅速定位预定部分420。
在诸实施例中，在检测窗440中把离最上方第一标尺单元部分414约“5μm”的一行选为初始行。之所以选择离最上方第一标尺单元部分414的顶部为5μm距离，是因为预定部分420的码区沿第二测量轴112延伸约10μm，因而5μm距离对应于将通过码区中心附近的某一行。该例中，标尺上的一微米对应于图像中一个像素步距。所以，分析初始行，可判断它是否包含一系列隔开约10个像素的转换。因预定部分420的码区沿第一测量轴111约延伸10μm，故选择10像素间隔。
若初始行不含一系列隔开约10个像素的转换，就选朝检测窗440移动的各第五行分析，直到检测出含一系列隔开约10个像素的行。
在其它实施例中，甚至可以更稀疏地搜索诸行。在图4的例中，预定部分420对准一个第一标尺单元部分414的上半部。该例中，第一标尺单元部分414在捕获的图像中隔开约40个像素或行，因而初始行一经确定，如上所述，若该行不含一系列隔开约10个像素的转换，就选朝检测窗440移动的各第40行分析，直到检测出含一系列隔开约10个像素的转换的行。
在诸实施例中，显然要对包含预定部分420的行作附加的定位分析，以确保检测的预定部分420和相应的非周期部分430完全落在检测窗440内。通常，若使用完全落在检测窗440内的单个非周期部分430，不应用两个非周期部分430在检测窗440之外延伸的部分，可简化该处理。
在诸实施例中，为确保使用完全落在检测窗440内的单个非周期部分430，一旦检测出明显含预定部分420的行，就将位于检出行与检测窗440顶部之间的若干行与一对阈值作比较。若行数大于第一阈值而小于第二阈值，则检出的预定部分420和相应的非周期部分430就全落在检测窗440内。
然而，若行数小于第一阈值，就可能出现含预定部分的行是通过非周期部分的“匹配”码延伸的行的情况。此时，就选位于检出行下面预定行数的一行作进一步分析。在诸实施例中，若预定部分420和非周期部分430的高度约为40像素，第一阈值是40。在诸例中，若检测窗约为288像素高，则把预定数定为对应于“上一”非周期部分430底缘与“下一”非周期部分430顶缘之间距离的值，并将第二阈值置成对应于比整个非周期部分430在图像底限上方的垂直跨度更大的距离。
以检出行下面预定行数的新行开始，像上述那样分析每第5(或第40)行，找出含第二预定部分420的第二行。鉴于预定数的值，第二行肯定包含一“实际的”第二预定部分420。若该行也高于第二阈值，则第二预定部分420“令人满意”，相应的非周期部分430肯定全落在检测窗440内。或者，第一视在预定部分420位于实际满意的预定部分420附近，而相应的非周期部分430肯定全落在检测窗440内。
还应明白，可用任何其它合适的预定部分420检测技术代替上述诸技术检测预定部分420。
一旦检出了贯穿出现在捕获图像中满意的预定部分420的中央行，就知道非周期部分430的代码部分相对于该检出行中预定转换系列出现在预定的2D位置中，因而该预定部分就起着满意的“代码位置指示符”的作用。如在图4的例中，非周期部分430的代码部分将以小距离诸如10μm或约10像素行的步距出现在预定部分420下面，其右边界对准预定部分420的右边界。对应于出现在检出预定部分420相邻非周期部分430里码区中的码元432与未占用空间，测定捕获图像亮暗部分的图案与范围，提取被这些图案与范围限定的码字。
于是，提取的码字不是用作输入查表的地址，就是用作公式里的变量，用于测定局部数据沿各一与第二测量轴111与112的X与Y绝对位置测量值。这些测量值把检测窗440和读头126相对2D标尺110沿各第一与第二测量轴111与112的定位指示到沿各第一与第二测量轴111与112的第一分辨度。沿各测量轴111与112的第一分辨度接近相当于局部数据436和/或非周期部分430分别沿第一与第二测量轴111与112的间距d0与d1。在图4的例中，出现在检测窗440中被分析非周期部分430附近的检出预定部分420的一指定特征，用作局部数据436。
或者，若2D整体标尺400沿第一与第二测量轴中至少一根轴的整个范围是相应间距d0和/或d1沿该第一和/或第二测量轴111和/或112的2的次方倍，则可将码元432和空间434限定的二进制码分成两个码字，如2D整体标尺400沿第一测量轴111的范围可能是2nd0。于是该2D整体标尺400沿第一测量轴111的范围就小于或等于2md1，其中n+m小于或等于非周期部分430中的码区数。
此时，一个码字具有至少n码区，因此对任一指定的非周期部分430而言，可对沿第一测量轴111的第一分辨度绝对位置测量值用一个码字限定多个间距d0。同样地，对沿第二测量轴112的第一分辨绝对位置测量值，另一码字限定多个间距d1。通过将间距d0和d1乘上相应的倍数，可从这两个码字直接得到沿第一与第二测量轴111与112的绝对位置测量值。
在其它实施例中，假定2D整体标尺400的总面积允许对非周期部分430中限定的码字省略足够数量可能的值，则即使沿2D整体标尺400第一与第二测量轴111与112的范围都不是相应间距d0与d1的2的次方倍，也可应用该实施例。
为进一步提高沿第一测量轴111的绝对位置测量分辨度，求出局部数据点436相对检测窗440左边缘442或右边缘444的位置，既方便又足够了。当检测窗440左边缘442相对局部数据点436用作参考点时，如图4所示，就便于把对应于局部数据点436与左边缘442的偏移距离d2的像素数测定到一个或n个像素以内，并根据已知的光检测器160的几何特性和读头126的放大倍数，可将该像素距离转换为实际偏移距离d2。
同样地，为再提高沿第二测量轴112的绝对位置测量分辨度，求出局部数据点436相对检测窗440顶缘446或底缘448的位置，既方便又足够了。当检测窗440的顶缘446相对局部数据点436用作参考点时，如图4所示，便于把对应于局部数据点436与顶缘446的偏移距离d3的像素数测定到一个或几个像素，并根据已知的光检测器160的几何特性与读头126的放大倍数，把该像素距离转换成实际偏移距离d3。
当把偏移距离d2与d3分别加到局部数据436的代码测定的绝对测量X与Y绝对位置测量值里时，可把读头126相对2D标尺110沿第一与第二测量轴111与112的2D绝对位置分辨到第二分辨度，这比周期部分410相应于各第一和第二测量轴111与112的一半递增步距还精细，近似相当于对应像素步距除以读头126放大倍数的一倍或几倍。
显然，上述的相对较低分辨度位置测定操作，应用相对少的检测窗440现有的位置信息。为再改进读头126与2D标尺110间的绝对位置测量，要应用检测窗440中更多的信息，从而均化局部制造不精密笥、缺陷、沾污等影响，提供更佳的信噪比和更精密的位置测定。
具体而言，希望根据部分或全部检测窗440中出现的一个或多个周期部分410中至少一部分产生的信息和/或信号作位置测定，如像前述的相关操作一样对第一和第二测量轴111与112提供第二分辨度测量值。实际上，目的在于精炼前述偏移距离d2与d3的估值。对于局部数据与建立的参考位置相符的图像，可用X与Y轴的实际峰或谷偏差值与其期望的偏差值之差来提高估算偏移距离d2与d3以及最终绝对位置测定的分辨度与精度。
例如，一般可将前一次估算的偏移距离d2与d3细分出一部分，它等于递增步距沿各自X与Y轴的整数倍加或减一附加量，而该附加量小于各自递增步距的一半。为精炼前一次估算的偏移距离d2与d3，对于局部数据与其2D参考位置相符的图像，舍去该附加量，代之以X与Y轴的实际峰或谷偏差值与它们各自期望的偏差值之差。
在其它实施例中，前述基于图像的几行与几列等较小部分的不很精密或完整的相关曲线值，可像671申请描述的那样用来把峰或谷的像素偏差值识别到可能的最佳分辨度，对一些有用的应用场合而言，精度仍足够了。
在任何情况下，应该明白，根据上述操作，偏差距离d2与d3的初估值常常精密得小于与相应一根第一与第二测量轴111与112有关联的相应递增步距增量的一半。相应地，为精炼各维度的绝对位置测量，对于局部数据436与其参考位置相符的图像，只需根据应用的相关类型测定任何一个或多个幅值高得多的谷或峰相对一个或多个相应期望的偏差位置的偏差位置，以便执行前述操作而把估算的偏差距离d2与d3以及最终的绝对位置测定的分辨度与精度提高到高分辨度等级。
如上所述，在诸实施例中，相关函数的生成方法是将捕获的对应于检测窗440的图像与所述的参考图像作比较，使标尺单元412的结构与出现在检测窗400里的空间418匹配。参考图像可以是取自标尺110的实际图像或合成图像。对参考图像唯一的要求是其周期部分对应于一个或多个周期部分410的结构，尺寸是以生成合适的2D相关曲线。如在诸实施例中，参考图像沿一根或两根测量轴111和/或112比2D标尺110整幅检测的图像更短，使它只包括若干连续的一个个标尺单元部分414和/或416，而这些部分分别沿第二和/或第一测量轴112和/或111肯定连续出现在2D标尺110任一被检测的图像内。
显然，在其它实施例中，若使用合成图像，则它可能只包括标尺单元412和一个或多个周期部分410延伸穿过该合成图像全长的空间414的结构。或者，合成图像包括至少一个周期部分410，至少一个预定部分420和至少一个代表性非周期部分430的至少一部分。同样地，取自2D标尺110自身的参考图像，一般包括至少一个周期部分410、至少一个预定部分420和至少一个非周期部分430的至少一部分。但应明白，其中任一类参考图像的一段有关图像，可以对应于非周期部分430在相关操作期间被“删除”或跳过的位置。对于实际的参考图像，如可根据上述任一码区定位法测定至少一个非周期430的位置。
还应明白，若读头126相对2D标尺110装得迎角失准，则2D标尺110的实际图像将相对理想地对准的2D标尺110的参考图像转动，但这种失准造成的有限的图像转动通常是相容的，与读头126沿2D标尺110的位置无关。因此，这种图像转动产生的误差在各位置几乎一样，所以在诸实施例中都予以忽略。
在其它实施例中，在校正操作期间，应用已知或以后开发的旋转相关法，测定实际图像与理想地对准的参考图像之间的旋转失准量。然后在正常操作期间出现的信号处理之前或期间，把参考或实际图像以计算方法转到对准，提高相关操作精度和位置测定精度。在另一些实施例中，从包含相容旋转失准的实际图像中导出参考图像，此时，参考图像与后续的实际图像固有地旋转对准。
图5示出第二实施例的2D整体绝对标尺500，对应于图3所示的2D整体标尺图案300。如图5所示，标尺500有一个或多个2D周期部分410和多个沿测量轴111与112排列的2D非周期部分430。
图5所示的第二实施例的2D整体绝对标尺500，相对于图4中第一实施例的2D整体绝对标尺400，还包括多个区域417。在各区域417中，省略了图4所示出现在第一实施例的2D整体绝对标尺400中的第二标尺单元部分416。同样地，还省略了在图4所示第一实施例的2D整体绝对标尺400中延伸穿过区域417的第一标尺单元414部分。
即在第二实施例的2D整体绝对标尺300中，各区域417在一个或多个周期部分410的周期标尺单元412图案中造成一断面。显然，区域417分布在标尺单元412的周期图案内，因而检测窗440定位在2D整体绝对标尺500区内任一地点时，保证至少一个区域417出现在检测窗440内，并从顶缘446到底缘448延伸穿过检测窗440的整个高度。
图5所示第二实施例的2D整体绝对标尺500，还应用了不同样式的预定部分420和非周期部分430。具体而言，在该2D整体绝对标尺500中，预定部分420定位到非周期部分430左侧，沿第一和第二测量轴111与112的尺寸等于沿第一或第二测量轴111或112的一个递增步距。因此，对第一实施例而言，上述尺寸的示例值，预定部分420为宽40μm、宽40μm。
非周期部分430的代码部分沿第一测量轴111的延伸的是第一测量轴111的递增步距的1.5倍，沿第二测量轴112的延伸的是第二测量轴112的一个递增步距。这样，若码区沿各测量轴111与112延伸该测量轴111或112的1/4递增步距，如在图4的第一实施例中那样，则非周期部分将包含24个码区。同样地，预定部分将含16个潜在码区。
如图5所示，预定部分420延伸穿过区域417。图5还示出一侧代码单元432的图案和预定部分420中沿成行捕获图像建立可检测的转换图案的空间434，与具体的代码单元432和可能出现在相邻非周期部分中的空间434的图案无关。因此应明白，可在检测窗440内任一行捕获图像中容易地在检测窗440内确定区域417的位置。
例如，每边与约60个暗像素相接的约20个亮像素的图案，明确地证实所选的行与一个第一标尺单元部分414对准，20个亮像素对应于区域417。同样地，每边与若干隔开约20个像素的转换相接的约60个亮像素的图案，明确地证实所选的行对准在两个第一标尺单元部分414之间，60个亮像素的中间20个像素对应于区域417。
同样地，对于延伸通过预定部分420和非周期部分430的行，预定部分420的顶部对准一个第一标尺单元，因而一长串暗像素右侧和至少10个暗像至少左侧的10个亮像素图案，明确地识别出正在通过预定部分顶部的所选的行。这样，区域417与紧接这些10个亮像素左侧的20个暗像素相关联。
类似地，对延伸通过预定部分420和非周期部分430的行，预定部分420的底部在两个第一标尺单元之间对准，因而在间隔开约20个像素的若干转换的右侧和至少10个暗像互左侧的50个亮像素图案，明确地识别出正在通过预定部分底部的所选的行。这样，区域417就与这50个亮像素中间的像素相关联。
所以应明白，利用图5的2D整体绝对标尺500的图案，通过按前述讨论选择和分析任一行捕获的图像，就能在检测窗440内测定区域417沿第一测量轴111即X轴的位置。一旦测定了区域417的位置，就知道了区域417的中央像素列，然后作上下选择和扫描，以测定预定部分4个暗码单元432的顶与底缘出现在区域417内的位置，因为这些代码单元432只对应于区域417内的暗像素。另在本发明诸实施例中，这些顶缘或底缘与区域417中心像素行的X-Y交点，在第一实施例的2D整体绝对标尺400的讨论中，可以用来满足前面对代码位置指示符和局部数据所述的函数。因此应明白，应用图5的2D整体绝对标尺500的图案，可作特别快速而确定的一系列位置测定操作。
如前所述，局部数据和非周期部分430都与预定部分有一预定的关系，因而确定了预定部分420的2D位置，就很容易测定局部数据436沿各第一与第二测量轴111与112的位置和距离d2与d3。同样地，能容易地探测和分析非周期部分430的代码部分，以测定非周期部分430出现的二进制值。这样，上述明确的操作可将检测窗440以及读头126与2D标尺110的2D绝对位置高速地测定到第三分辨度。
应明白，在参照图3-5的前述诸实施例中，二维整体标尺图案的标尺单元一般按正交的行列排列，行对准的方向对应于一根测量轴，列对准的方向对应于另一根测量轴。但在其它实施例中，二维整体标尺图案的标尺单元通常不按正交的行列排列，对准的方向对应于测量轴。如在其它实施例中，前述实施例的二维整体标尺图案相对测量轴旋转。
在又一些实施例中，二维整体标尺图案的标尺单元按非正交的行列排列，对准的方向不一定对应于测量轴。如在示出其它实施例中二维整体标尺图案实施例的前述附图中，沿垂向定向的所有边缘与边界对垂直方向成一角度定向。结果，“平行四边形”型标尺单元按水平的行和非正交“倾斜的”对排列，在诸实施例中，这种“倾斜的”列对准的方向不一定对应于测量轴。
但在所有这类“非正交”和/或“不对准”的二维整体标尺图案中，用数学方法把沿任一特定方向对准的测量值、长度、周期标尺特征步距等变换成沿另一特定方向(如对应于测量轴的方向)对准的相应的测量值、长度、周期标尺特征步距等，显然不难。另根据本发明原理，这种“非正交”和/或“不对准”的二维整体示尺图案状况，仍然提供可与相应的周期参考图像、样板或结构作比较或相关的周期部分。因此应明白，制作和使用这类按本发明原理的“非正交”和/或“不对准”的二维整体标尺图案很简单。
图6示出一实施例方法，用于按本发明测定读头与2D标尺之间的高分辨度2D绝对位置测量值。该方法在步骤S100开始操作到S200，其中得到一部分2D标尺的图像。当然，该部分2D标尺的这一图像要求包括至少一部分一个或多个周期部分和本发明原理等效的一个或多个非周期部分的图像。于是在步骤S300，为了确定至少一组X与Y递增偏移位置，把得到的图像与一个或多个参考图像作比较而产生足够的相关函数值点。在诸实施例中，至少一组X与Y递增偏移位置包括一组根据出现在该图像或所有得到图像中相对大部分的周期部分测定的高分辨度X与Y递增偏差位置。接着在步骤S400，在该图像中测定满意的代码位置指示符和局部数据的位置。操作再继续到步骤S500。
应明白，在诸实施例中，参考图像之一可以是对应于以普通方法得到的图像的合成图像。如出现在合成图像里的非周期部分，可以没有变化，或者近似代表出现在标尺上的所有非周期部分，从而尽量减小了合成非周期部分与各实际非周期部分之间的差异。在其它实施例中，参考图像之一可以是只包括对应于一周期部分特征的一般参考图像。显然，可以应用能以足够精度生成相关曲线的任何合成图像结构。在其它实施例中，把取自标尺的实际图像用作参考图像之一。
在步骤S500，根据满意的代码位置指示符，测定或定位一系列地址或像素位置，它们对应于非周期部分出现在步骤S200得到的2D标尺部分图像里的代码部分信息或数据。接着在步骤S600，根据在一素列对应于被测定或定位代码部分中的地址或像素位置，测定读头与2D标尺间的第一分辨度2D绝对位置。操作再继续到步骤S700。
在步骤S700，根据局部数据与出现在得到图像中已识别非周期部分相关联的位置，测定读头与标尺的第二分辨度2D相对位置。显然在诸实施例中，局部数据可能出现在得到图像中与已识别非周期部分相邻的周期部分内。反之，在其它实施例中，局部数据出现在已识别非周期部分内。然后在步骤S800，根据一条或多条生成的相关曲线，测定读头与标尺的第三分辨度2D相对位置。在诸实施例中，读头与标尺的第三分辨度2D相对位置，以一组高分辨度的X与Y递增偏移位置为基础。操作再进到步骤S900。
在步骤S900，读头与标尺的第一、第二和第三分辨度2D相对位置经组合，产生读头与对应于得到图像的2D标尺相对位置的第三分辨度2D绝对测量值。然后在步骤S1000，输出基于组合测量测定的读头相对标尺的2D第三分辨度绝对位置。操作再进到步骤S1100，停止该方法操作。
图7与8的流程图详述一例可用于图4所示示例标尺实施例的方法，用于按本发明比较得到的图像与一个或多个参考图像，以生成至少一组X与Y递增偏移位置。如图7所示，该方法在步骤S300开始操作并进到步骤S305，选出第一或下一行得到的图像像素。然后在步骤S310，判断所选的行是否以一系列对应于图像中X轴步距的转换开始，若是，操作跳到步骤S315，否则操作返回步骤S305，可以选下一行。
在步骤S315，选一部分所选行含一系列转换的像素作分析。接着在步骤S300，对所选行的选择部分生成相关函数值。具体而言，比较所选部分与单行含亮暗部分的参考图像，生成各相关函数值，这些亮暗部分对应于第二标尺单元部分与空间的交替图案。在对应于第二标尺单元部分沿第一测量轴的一个递增步距的范围内，相对单行参考图像移动所选部分，生成该相关曲线。操作再进到步骤S325。
在步骤S325，根据生成的相关函数值点，测定第二标尺单元部分沿第一测量轴的X轴递增偏移。然后在步骤S330，根据测定的X轴图像偏移，选择得到图像的初列像素。接着在步骤S335，判断所选的列是否以一系列对应于图像中Y轴步距的转换开始，若是，操作跳到步骤S345，否则操作进到步骤S340。在步骤S340，根据图像中的X轴步距选择下列，操作再返回步骤S335。
当然，如上所述，在其它实施例中，在步骤S310，判断可以包括或代之以判断所选的行是延伸通过预定部分还是非周期部分，同样在步骤S335，判断可包括或代之以判断所选的列是延伸通过预定部分还是非周期部分。
在步骤S345，选择一部分所选列的像素。然后在步骤S450，对所选部分的所选列生成相关函数值。具体而言，比较所选部分与单列含亮暗部分的参考图像，生成这些Y轴相关函数值的各相关点。这些亮暗部分对应于第一标尺单元部分与空间的交替图案。在对应于图像中一个Y轴步距增量的范围内，相对单列参考图像移动所选部分，生成相关函数值。操作再进到步骤S355。
在步骤S355，根据生成的相关函数值点，测定第一标尺单元部分递增步距内所选列沿第二测量轴的Y轴递增偏移。然后在步骤S360，在对应于先前测定的X与Y轴递增偏移值的偏移点周围，生成一组更高分辨度的X与Y相关函数值。通常，为测定该第三条相关曲线，要求只对该偏移点及其周围几个点测定该相关函数。操作再进到步骤S365，控制返回步骤S400。
图9的流程图详述一例步骤S600的方法，该法根据已识别的非周期部分代码，把读头与2D整体绝对标尺的2D绝对位置测定到第一2D分辨度。如图9所示，该方法在步骤S600开始操作并进到S610，选择得到图像中非周期部分代码的若干行像素。然后在步骤S620，根据非周期部分代码的所选行像素，分析该非周期部分的代码单元序列。通常，这包括分析出现在所选一行或多行内的相对亮暗像素的序列或相对亮暗像素间的强度转换。操作再进到步骤S630。
在步骤S630，处理已分析的代码单元，确定一个或多个码字，这些码字可用来测定沿各第一与第二测量轴的第一分辨度2D绝对位置测量值。显然在诸实施例中，编码的标尺标记限定一二进制码字，其中暗像素对应于一个二进制值，亮像素对应于另一个二进制值。当然应明白，可以应用非二进制编码法，如三元或更高级方法。
接着在步骤S640，处理一个或多个码字，测定一对第一分辨度2D绝对位置测量值，这些值沿各第一与第二测量轴，把标尺在得到图像中的该部分和/或2D位置因而也是2D标尺相对读头的位置指示到第一分辨度。操作再进到步骤S650，该方法的操作返回步骤S700。
显然，在诸实施例中，把一个或多个码字用作查表的一个或多个输入地址，把这些码字转换成第一分辨度位置测量值。根据一个或多个码字指示的一个或多个地址，查表输出指示相应的第一分辨度位置测量值。相比之下，在其它实施例中，一个或多个码字沿各测量轴在标尺原点与读头相对标尺的当前位置之间限定了若干第一分辨度周期d0与d1。因此，第一分辨度周期d0与d1各自乘以码字或数值，就得到沿相应测量轴的第一分辨度距离测量值。在其它实施例中，两个码字各自限定的数本身就是沿测量轴之一的第一分辨度距离测量值。
图10的流程图详述一例按本发明在图像中测定满意的代码位置指示符与局部数据的位置。如图10所示，操作在步骤S400开始并进到S405，根据步骤S355测定的Y轴偏移，选择初像素行。然后在步骤S410，判断所选行是否包含对应于出现在预定部分中由代码单元与空码区组成的图案的可靠主系列转换。若是，操作跳到步骤S440。否则操作进到步骤S415，根据码区沿第二测量轴的大小和/或预定部分与第一标尺单元部分的关系，选择下一行。操作再返回步骤S410。
在步骤S420，测定主系列转换的行数，即步骤S410选择的主行。接着在步骤S425，判断测定的主系列转换的行数是否大于第一阈值，若大于，操作就跳到步骤S455，否则操作进到步骤S430，选择某一行，该行是所选主行下面预定的行数，而且肯定位于图像中下一预定部分的上面。然后在步骤S435，判断所选行是否包含一系列可靠的对应于预定部分中代码单元与空码区图案的二次转换。若包含，操作跳到步骤S445，否则操作进到S440，根据码区沿第二测量轴的大小和/或预定部分与第一标尺单元部分的关系，选下一行。操作再返回步骤S435。
在步骤S445，判断对所选第二行测定的行数是否大于第二阈值。若是，操作跳到步骤S455，否则操作进到S450，把第二系列转换的位置用作满意的代码位置指示符和局部数据。操作再跳到步骤S460。
反之，在步骤S455，把主系列转换的位置用作满意的代码位置指示符和局部数据。操作再进到步骤S460，在此返回步骤S500。
图11的流程图详述一例可用于图5所示实施例的方法，用于按本发明测定图像中满意的代码位置指示符和局部数据的位置。如图11所示，该方法在步骤S400开始并进到S470，选择得到图像的任一行。然后在步骤S475，分析所选的行，探测造成独特预定转换图案的区域或任何数量的一组独特预定的转换图案，其中至少一个图案出现在图像每一行中。在诸实施例中，这样一组独特预定的转换图案，包括一种对应于“遗失的”第二标尺单元部分的转换图案。接着在步骤S480，根据探测的预定转换图案，按其位置选一列。操作再进到步骤S485。
在步骤S485，分析所选的列，确定基于所选列分析肯定能定位的满足的代码位置指示符和局部数据的位置。然后在步骤S490，分析局部数据的位置，沿各第一与第二测量轴对与探测的预定部分相关联的局部数据测定在图像中的偏移距离d2与d3。操作再进到步骤S495，在此返回步骤S500。
显然，相对于步骤S700，通过测定局部数据在得到图像中的位置，可以相对在有关信号处理操作中隐含的局部数据的参考位置而测定第二分辨度相对位置。前述任一类局部数据都可以应用。
不管用何种特征或特性来限定局部数据，在诸实施例中，当局部数据的参考位置是得到图像的边缘时，通过沿测量轴统计限定局部数据的特征与得到图像相应边缘之间的像素数，就可沿各测量轴测定局部数据到得到图像该边缘的距离。但应明白，局部数据特征的像素位置和局部数据特征与得到图像边缘之间的距离d2与d3，通常有某种不确定性，其量级为几个像素。
图12的框图详述一例图1所示的信号发生处理电路200。如图12所示，该电路200包括控制器205、光源驱动器220、光检测器接口225、存储器230、部分定位电路240、译码电路250、测距电路260、比较电路270、比较结果累计275、内插电路280、位置累加器290、显示驱动器201和任选的输入接口203。
控制器205经信号线206接光源驱动器220，经信号线207接光检测器接口225，经信号线208接存储器230。同样地，控制器205经信号线209-215分别接部分定位电路240、译码电路250、测距电路260、比较电路270、比较结果累加器275、内插电路280和位置累加器290。最后，控制器205经信号线216接显示驱动器201，若有的话，经信号线217接输入接口203。存储器230包括当前图像部分232、参考图像部分234和相关部分236。
操作时，控制器205经信号线206向光源驱动器220输出控制信号。作为响应，光源驱动器220经信号线132向光源130输出驱动信号。接着，控制器205经信号线207与208向光检测器接口225和存储器230输出控制信号，把经信号线164接收自对应于各像元162的光检测器160的信号部分存入当前图像部分232。具体而言，在对应于阵列166内各像元162位置的当前图像部分232的2D阵列中，存贮来自各像元162的像值。
将得到的或当前工作的图像存入当前图像部分232后，当前图像经信号线238输出给部分定位电路240。于是根据控制器205经信号线209输出的控制信号，部分定位电路240分析贮存在当前图像部分232里一个或多个行和列的得到图像，以对预定部分320和/或非周期部分330定位。具体而言，根据图4和5所示在2D标尺110中实施的具体结构之一，该分析可应用以上对图4和5描述的相应技术。因而在诸实施例中，部分定位电路240可以结合比较电路270与比较结果累加器275操作。然后根据经信号线210来自控制器205的控制信号，译码电路250从存储器230的当前图像部分232中输入由部分定位电路240定位的出现在得到图像内的非周期部分。
于是，译码电路250应用上述技术之一，把得到图像被定位部分中的亮暗像素图案转换成一个或多个码字，并把该一个或多个码字转换成一对第一分辨度绝对位置测量值。译码电路250经信号线252向位置累加器290输出这些第一分辨度绝对位置测量值。
接着，根据部分定位电路240定位的预定部分或非周期部分，控制器205经信号线211向测距电路260输出控制信号。作为响应，测距电路260从存储器230的当前图像部分232中输入全部或部分得到的图像，至少包括局部数据的参考位置，诸如得到图像的边缘和测定局部数据位置所需的得到图像部分。然后，测路电路260分析该输入的得到图像部分，以根据局部数据与其相应参考位置的距离，对读头相对2D标尺的2D相对位置测定第二分辨度距离测量值。测距电路260再经信号线262向位置累加器290输出这些第二分辨度距离测量值。
然后，控制器205在信号线209上向比较电路270输出信号，执行以上对图4和5描述的有关相关技术。在诸实施例中，对有关行列部分的有关偏移确定诸一维相关曲线或相关函数值。相应地，如以上对涉及图4示例标尺的操作所指示的那样，运用操纵比较电路270与比较结果累加器275的控制器205并结合操纵部分定位电路的控制器205，像对图4描述的那样对有关行列部分定位，产生相关函数值。
响应来自控制器205准备对各有关轴产生一特定相关曲线或相关函数值的控制信号，比较电路270经信号线238对特定像素输入来自贮存在当前图像部分232里相应当前图像部分的像值，并根据当前偏移，经信号线238对相应像素输入来自贮存在参考图像部分234里有关参考图像的像值。然后，比较电路270应用相关算法测定比较结果。根据当前偏移，比较电路220可用任一已知或以后开发的合适相关技术，以逐个像素的原则比较贮存在当前图像部分232里的当前图像与贮存在参考图像部分234里的参考图像。比较电路270在信号线272上向比较结果累加器275输出当前相关偏移的比较结果。
一旦比较电路270对特定相关曲线或相关函数值为来自当前图像部分232的各像元162提取和比较了该像值，并将它们与贮存在参考图像部分234里的相应像值作了比较，而且应用该相关技术把比较结果输出给比较结果累加器275，则贮存在比较结果累加275里的该值就以预定单位限定了对应于当前2D即X或Y偏移的相关值。于是，控制器205经信号线213向比较结果累加器275输出信号，并经信号线208向存储器230输出信号，因而将贮存在比较结果累加器275里的相关值结果输出并存贮在存储器230的相关部分236中，位置对应于当前2D即X或Y偏移。
然后，控制器205在信号线213上输出信号，清除结果累加器275。比较电路270对特定相关曲线或相关函数值在贮存在当前图像部分232里的当前图像与贮存在参考图像部分234的参考图像之间所有期望的偏移作了比较，而且其结果在控制器205控制下被比较结果累加器275累加并存入相关部分236之后，控制器205就经信号线214向内插电路280输出控制信号和/或经信号线209向部分定位电路240输出控制信号。
对于比较电路270和比较结果累加器275生成的2D相关曲线，在控制器205控制下，把贮存在存储器230相关部分236里的被存2D相关曲线输出给内插电路。即内插电路280经信号线238对2D相关曲线或相关函数值输入贮存在相关部分236里的相关结果，并用该相关函数峰/谷附近选择的一个个相关函数值点作内插，沿X与Y方向以亚像素分辨度测定峰偏移值或图像位移值。然后经信号线214在来自控制器205的信号的控制下，内插电路280在信号线282上向位置累加器290输出测定的亚像素第三分辨度测量值。
内插电路280应用任一已知或以后开发的技术，如引用的671专利揭示的任一技术，把2D相关函数或相关函数值所选峰的实际位置求解到亚像素分辨度。内插电路280再经信号线282向位置累加器290输出这一亚像素分辨度的递增偏移位置信息。
位置累加器290把各个译码电路250、测距电路260和内插电路280输出的2D位置或距离测量值组合起来，产生指示读头相对于标尺位置的第三分辨度2D绝对位置测量值。位置累加器290经信号线292向控制器205输出该2D绝对位置测量值，控制器205再经信号线216向显示驱动器201输出测定的绝对位置测量值，而显示驱动器201经信号线202输出控制信号而驱动显示器(未示出)输出测定的绝对位置测量值。
作为响应，控制器205经信号线217向设置的显示驱动器201输出修正的2D位置值，于是显示驱动器201经信号线202向显示装置107输出驱动信号，以显示当前位移值。
若设置一条或多条信号线204，就可在操作员或协作系统与控制器210之间联接。设置的话，输入接口203可以缓冲或变换输入信号或命令，并对控制器205发送有关信号。
显然，前述讨论着重于标尺110，其中各非周期部分310沿测量轴方向112有一特征范围，各周期部分330沿测量轴方向112也有一特征范围。但在其它实施例中，这些范围在一个或多个周期部分330和/或非周期部分330内可以不同。不过在这类情况下，各非周期部分330的码元必须仍指示局部数据的测量值，即使局部数据不一定沿标尺周期性地出现。
在上述各实施例中，标尺为平面构件。但应明白，在其它实施例中，标尺是具有转轴的柱形构件，或至少限定一部分限定柱轴的柱表面。此时，对柱形村尺应用本发明的二维整体标尺图案，使第一和第二测量轴的一根平行于柱轴，另一根沿柱形构件或表面的外周安置。这样，可用本发明的二维整体标尺图案建立读头与柱形表面的绝对位置。
还应明白，虽已图示和描述了本发明诸实施例，但范围广泛的其它代码与检测方案可应用于非周期部分，而且范围广泛的其它软硬件方案也适用于检测周期部分相对读头的位置，以提供符合本发明原理的第三分辨度测量值。还要明白，前面讨论中为简洁地描述轴，诸操作和特征都参照X与Y轴之一作描述。然而，本文相对任一轴所描述的诸操作和特征，完全适用于本发明诸实施例中对其它轴的各种组合。因此应明白，可对本文所图示和描述的本发明诸实施例作各种变化而不违背本发明的精神与范围。
权利要求
1.一种能用来沿第一与第二测量轴测量第一构件相对第二构件位置的二维绝对位置检测装置，所述二维绝对位置检测装置包括读头与标尺，标尺包括沿第一与第二测量轴延伸的二维整体标尺图案，二维整体标尺图案包括至少一个周期部分，各周期部分沿第一与第二测量轴延伸，各周期部分包括在至少第一范围内沿第一方向周期性排列并在至少第二范围内沿第二方向延伸的多个条状第一周期标尺单元内，多个第一周期标尺单元区包括递增标尺特征沿第二方向的特性化第一配置，而且在至少第二范围内沿第二方向周期性排列并在至少第一范围内沿第一方向延伸的多个版权法状第二周期标尺单元区，多个第二周期标尺单元区包括递增标尺特征沿第一方向的特性化第二配置；和多个分布在二维整体标尺图案内的非周期部分，它们沿第一方向隔开至少第一距离，第一距离横跨至少两个第一周期标尺单元区，包括递增标尺特征沿第二方向的特性化第一配置，并沿第二方向隔开至少第二距离，第二距离横跨至少两个第二周期标尺单元区，包括递增标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个限定至少一个码字的码元，至少一个码字可用于识别局部数据沿各第一与第二测量轴的测量值；其中，配置至少一个周期部分和多个非周期部分，使得读头沿各第一与第二方向延伸的检测窗包括若干足以限定至少一个码字的码元，限定的至少一个码字可用来识别局部数据沿第一与第二测量轴的测量值，与检测窗在二维整体标尺图案内的位置无关。
2.如权利要求1的二维绝对位置检测装置，其中第一距离横跨至少四个第一周期标尺单元区，包括递增标尺特征沿第二方向的特性化第一配置。
3.如权利要求2的二维绝对位置检测装置，其中第二距离横跨至少四个第二周期标尺单元区，包括递增标尺特征沿第一方向的特性化第二配置。
4.如权利要求1的二维绝对位置检测装置，其中至少有些码元沿第一方向的长度比第一周期标尺单元区沿第一方向的长度更窄。
5.如权利要求4的二维绝对位置检测装置，其中至少有些码元沿第二方向的长度比第二周期标尺单元区沿第二方向的长度更窄。
6.如权利要求4的二维绝对位置检测装置，其中至少有些码元沿第一方向的长度是第一周期标尺单元区沿第一方向的长度的约一半。
7.如权利要求1的二维绝对位置检测装置，其中标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过至少两个第二周期标尺单元区的标尺单元，b)沿第二方向延伸穿过至少两个第二周期标尺单元区的标尺空间，和c)沿第二方向周期性排列且步距与第二周期标尺单元区沿第二方向的步距相同的标尺单元与标尺空间的交替图案。
8.如权利要求7的二维绝对位置检测装置，其中标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)沿第一方向延伸穿过至少两个第一周期标尺单元区的标尺单元，b)沿第一方向延伸穿过至少两个第一周期标尺单元区的标尺空间，和c)沿第一方向周期性排列且步距与第一周期标尺单元区沿第一方向的步距相同的标尺单元与标尺空间的交替图案。
9.如权利要求1的二维绝对位置检测装置，其中各个多个非周期部分预定的部分包括与各个多个非周期部分同样的图案。
10.如权利要求1的二维绝对位置检测装置，其中检测窗面积被非周期部分占居的百分比最多为20％，与检测窗相对于至少一个周期部分和多个非周期部分沿第一与第二测量轴的位置无关。
11.如权利要求10的二维绝对位置检测装置，其中百分比最多为10％。
12.如权利要求1的二维绝对位置检测装置，其中二维整体标尺图案包括至少一个漫反射表面。
13.如权利要求12的二维绝对位置检测装置，其中标尺含一透明在板，二维整体标尺图案设置在基板离读头最远的表面上；和至少一个漫反射表面包括至少一个部分设置在离读头最远的表面上二维整体标尺图案上的至少一块扩散衬垫。
14.如权利要求1的绝对位置检测装置，其中是以限定被限定的至少一个码字的第一部分码元数，包含在多个至少部分包含在检测窗里的非周期部分的第一个中，而是以限定被限定的至少一个码字的第二部分码元数，包含在多个至少部分包含在检测窗里的非周期部分的第二个中。
15.如权利要求1的绝对位置检测装置，其中读头检测窗包括至少一个完整的非周期部分，它包含是以限定被限定的至少一个码字的码元数，与检测窗在二维整体标尺图案内的位置无关。
16.如权利要求1的绝对位置检测装置，其中沿第一方向周期性排列的每个多个条状第一周期标尺单元区，均按沿第一范围第一方向连续周期性的第一基本递增步距排列。
17.如权利要求16的绝对位置检测装置，其中沿第二方向周期性排列的每个多个条状第二周期标尺单元区，均按沿第二范围第二方向连续周期性的第二基本递增步距排列。
18.如权利要求17的绝对位置检测装置，其中第一和第二基本递增步距为同样长度。
19.如权利要求16的绝对位置检测装置，其中第二范围至少是第一基本递增步距长度的10倍。
20.如权利要求16的绝对位置检测装置，其中多个第一周期标尺单元区包括非周期部分附近以外的所有第一周期标尺单元区。
21.如权利要求20的绝对位置检测装置，其中多个第二周期标尺单元包括非周期部分附近以外的所有第二周期标尺单元区。
22.如权利要求1的绝对位置检测装置，其中读头包括光源和能探测标尺与检测窗共同扩张的图像的二维检测阵列；和多个码元和递增标尺特征沿整体标尺图案排列，当读头相对标尺操作定位时，检出的标尺图像包括可用作局部数据点的特征，与沿二维整体标尺图案的读头位置无关。
23.如权利要求22的绝对位置检测装置，其中检出的图像可用来沿每个分别对应于第一与第二测量轴的两个方向，测定读头相对局部数据点偏移的测量值。
24.如权利要求22的绝对位置检测装置，其中二维检测器阵列包括多个沿相应于第一测量轴的方向按检测器元件第一步距排列的检测器元件；读头还包括至少一个光学元件，来自标尺的光通过该至少一个光学元件，从而放大检测器阵列检出的标尺图像，对检出图像给予读大放大作用，和各码元沿第一测量轴的长度为Lc，因而长度Lc乘上读头放大倍数至少是检测器元件第一步距的3倍。
25.如权利要求1的绝对位置检测装置，其中每个至少一个码字可直接用于沿每根第一与第二测量轴测定局部数据的测量值而不用参照查表。
26.如权利要求1的绝对位置检测装置，其特征在于还包括信号处理单元，其中当可操作定位的读头检测标尺图像时，信号处理单元可根据包含在检出图像中足够的码元数，测定局部数据沿各第一与第二测量轴的绝对测量值。
27.如权利要求26的绝对位置检测装置，其中信号处理单元还可至少部分地根据包含在检出图像中的多个递增标尺特征，测定读头相对局部数据点沿每个分别对应于第一与第二测量轴的两个方向的偏移测量值。
28.如权利要求27的绝对位置检测装置，其中信号处理单元还可组合局部数据点沿第一测量轴的绝对测量值和读头相对局部数据点沿第一测量轴的偏移测量值，以确定沿第一测量轴的绝对位置测量。
29.如权利要求28的绝对位置检测装置，其中信号处理单元还可组合局部数据点沿第二测量轴的绝对测量值和读头相对局部数据点沿第二测量轴的偏移测量值，以确定沿第二测量轴的绝对位置测量。
30.如权利要求1的绝对位置检测装置，其中第一方向平行于第一测量轴，第二方向平行于第二测量轴，而且第一与第二测量轴相互正交。
31.如权利要求30的绝对位置检测装置，其中标尺为柱形，第一与第二测量轴中的一根平行于柱体轴线，另一根沿柱体周边定位。
32.如权利要求1的绝对位置检测装置，其中二维整体标尺图案还包括多个条状区，它们对至少第一范围沿第一方向延伸并沿第二方向隔开，因而检测窗中沿第二方向的任何直线都延伸穿过其中至少一个条状区，各条状区都含有标尺特征，使沿第二方向的任何直线包括一种能沿第二方向将该条状区相对检测窗定位的标尺特征图案，各条状区还包括多个沿一条沿第一方向延伸的直线定位的指示符标尺特征，各指示符标尺特征指示与其有关联的非周期部分至少一个码元的位置。
33.如权利要求32的绝对位置检测装置，其中能沿第二方向相对检测窗定位条状区的标尺特征图案，包括独特安置的标尺空间。
34.一种沿二维绝对标尺测定二维检测器阵列高分辨度位置的方法，其中二维绝对标尺包括沿第一与第二测量轴延伸的二维整体标尺图案，所述二维整体标尺图案包括至少一个周期部分，各周期部分沿第一与第二测量延伸，各周期部分包括沿第一方向按至少第一范围的基本第一递增步距周期性排列而且沿至少第二范围的第二方向延伸的多个条状第一周期标尺单元区，多个第一周期标尺单元区沿第二方向包括递增标尺特征的特性化第一配置，和沿第二方向按至少第二范围的基本第二递增步距周期性排列而且沿至少第一范围的第一方向延伸的多个条状第二周期标尺单元区，多个第二周期标尺单元区沿第一方向包括递增标尺特征的特性化第二配置；和分布在二维整体标尺图案内沿第一方向隔开至少第一距离并沿第二方向隔开至少第二距离的多个代码组，所述第一距离横跨至少两个沿第二方向包括递增标尺特征特性化第一配置的第一周期标尺单元区，所述第二距离横跨至少两个沿第一方向包括递增标尺特征特性化第二配置的第二周期标尺单元区，各代码组包含多个限定至少一个码字的码元，至少一个码字能用来识别局部数据沿各第一与第二测量轴的测量值；所述方法包括用检测器阵列检测一部分对应于当前位置的二维整体标尺图案的图像；根据包括在检出图像中的至少一个代码组，测定局部数据沿各第一与第二测量轴的测量值；至少部分地根据多个包括在检出图像中的递增标尺特征，测定检测器阵列沿各第一与第二测量轴相对局部数据偏移的测量值；和组合局部数据沿各第一与第二测量轴的测量值和检测器阵列沿各第一与第二测量轴相对局部数据偏移的测量值，测定检测器阵列沿二维绝对标尺的第一与第二测量轴的高分辨度位置。
35.如权利要求34的方法，其中各代码组包括一预定部分；和根据至少一个代码组测定局部数据沿各第一与第二测量轴的测量值包括测定包括在至少一个代码组中至少一个里的预定部分的位置，根据测定的预定部分位置，测定诸码元在检出图像中的位置，和处理对应于码元位置的检出图像，测定码元出现在检出图像的码元值；和测定局部数据的测量值，包括根据测定的码元值，测定局部数据沿各第一与第二测量轴的测量值。
36.如权利要求34的方法，其中检测器阵列包括多个在至少一行内沿对应于第一测量轴方向的方向延伸的检测器元件，诸检测器元件沿至少一行按检测器元件第一步距隔开；检测器阵列包括多个在至少一列内沿对应于第二测量轴方向的方向延伸的检测器元件，诸检测器元件沿至少一列按检测器元件第二步距隔开；和沿各第一与第二测量轴测定检测器阵列相对局部数据偏移的测量值包括把局部数据特性相对检测器阵列沿第一测量轴方向的偏移估算到某一分辨度，它在检测出图像中比对应于检出图像中基本第一递增步距的一半的距离还精细，把多个递增标尺特征相对检测器阵列沿第一测量轴方向的偏移估算到某一分辨度，它在检出图像中至少像检测器元件第一步距那样精细，把局部数据特性相对检测器阵列沿第二测量轴方向的偏移估算到某一分辨度，它在检出图像中比对应于检出图像中基本第二递增步距一半内距离更精细，把多个递增标尺特征相对检测器阵列沿第二测量轴方向的偏移估算到某一分辨度，它在检出图像中至少像检测器元件第二步距那样精细，至少部分地根据局部数据特性相对检测器阵列沿第一测量轴偏移的估值和至少部分地根据多个递增标尺单元相对检测器阵列沿第一测量轴偏移的估值，测定检测器阵列相对局部数据沿第一测量轴偏移的测量值，和至少部分根据局部数据特性相对检测器阵列沿第二测量轴偏移的估值和至少部分根据多个递增标尺单元相对检测器阵列沿第二测量轴偏移的估值，测定检测器阵列相对局部数据沿第二测量轴偏移的测量值。
全文摘要
一种2D绝对位置检测装置可用来测量两元件的相对位置。2D绝对标尺包括在2D标尺区内沿标尺各测量轴延伸的2D整体绝对标尺图案，该图案包括多个沿各轴与多个非周期部分交错的周期部分。各周期部分包括多个周期性安置的标尺单元，各非周期部分包括多个指示绝对测量值的码元，诸码元沿各测量轴的长度比周期标尺单元沿各测量轴的长度更窄。周期性安置的单元相对该装置读头的偏移与绝对测量值相结合，可测量绝对位置。
文档编号G01D5/36GK1479076SQ0317873
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, P·A·雷纳尔茨, A·M·茨维林, K·W·阿瑟顿, M 内厄姆, 琼斯, 茨维林, 阿瑟顿, 雷纳尔茨 申请人:株式会社三丰