CN105723179B - 主动式位置编码器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种主动式位置编码器，包括：显示装置，该显示装置用于显示至少第一图案；读取装置，该读取装置包括至少第一读头，该第一读头用于读取该第一图案以获得图像信号；以及信号处理装置，该信号处理装置对该第一读头的图像信号执行信号处理以确定该第一读头相对于该显示装置的单维位置。

Description

主动式位置编码器及其操作方法
技术领域
本发明涉及位置编码器，尤其涉及一种主动式位置编码器及其操作方法。
背景技术
位置编码器是一种用于测量长度、角度、位置等物理量的传感器，广泛应用于位置测量领域。现阶段大部分的高精度多自由度位移平台都是使用多个直线光栅叠加起来作为位置反馈系统。这样的位置反馈系统有很明显的缺陷，其中平台自由度之间的垂直度和平行度会影响机器最终的位置精度，其称之为阿贝误差。由于控制系统不是闭环反馈，所以零件受温度或者应力变形导致的误差同样无法被消除。
为了解决上述问题，很多研发部门和公司开始研制平面编码器作为位置反馈系统。平面编码器需要使用平面光栅来进行测量，这种编码器可以获得多自由度位置测量，同时可以消除阿贝误差，实现闭环控制。平面编码器中的光栅通常刻有二维的周期图案，其最后反馈的位置分辨率可以达到纳米级别。但是由于光栅制造工艺的复杂性，大平面光栅制造成本非常高，尤其需要获得高精度的位置时光栅的加工工艺就会更加复杂。
因此，本领域亟需一种新型的位置编码器。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
根据本发明的一方面，提供了一种主动式位置编码器，包括：显示装置，该显示装置用于显示至少第一图案；读取装置，该读取装置包括至少第一读头，该第一读头用于读取该第一图案以获得图像信号；以及信号处理装置，该信号处理装置对该第一读头的图像信号执行信号处理以确定该第一读头相对于该显示装置的单维位置。
在一实例中，该第一图案是在第一方向上周期变化的第一周期性图案，该第一读头读取该第一周期性图案以获得第一方向上的部分周期性图案的该图像信号，以及该信号处理装置对该第一读头的该图像信号执行该信号处理以确定该第一读头相对于该显示装置在该第一方向的单维位置。
在一实例中，该信号处理装置确定该第一读头所处周期的周期信息以及在所处周期内的周期内位置信息；以及基于该周期信息和该周期内位置信息来确定该单维位置。
在一实例中，该显示装置显示沿该第一方向延伸的编码图案，其中该第一读头读取该编码图案以获得该周期信息。
在一实例中，该信号处理装置通过周期计数法获取该周期信息。
在一实例中，该信号处理装置：对该第一读头的图像信号执行频域变换；
提取该图像信号的基频分量的相位信息；以及基于该相位信息确定该第一读头的该周期内位置信息。
在一实例中，该信号处理装置首先对该第一读头的图像信号执行预处理，并且对经预处理的图像信号执行该频域变换。
在一实例中，该预处理包括使用窗函数对该图像信号进行加窗处理。
在一实例中，该窗函数包括汉宁窗函数或标准窗函数。
在一实例中，该显示装置将该第一周期性图案的周期变化方向从该第一方向改为第二方向，其中，该第一读头读取该第一周期性图案以获得该第二方向上的部分周期性图案的图像信号，以及该信号处理装置对该第一读头的图像信号执行信号处理以确定该第一读头相对于该显示装置在该第二方向上的单维位置。
在一实例中，该显示装置还用于显示附加的周期性图案，该读取装置还包括附加的读头，各个读头读取相应的周期性图案以获得相应的图像信号，该信号处理装置对各个读头的图像信号进行分析处理以确定各个读头相对于该显示装置的单维位置，并基于各个读头相对于该显示装置的单维位置确定运动系统的平面位置信息。
在一实例中，该显示装置还用于显示第二周期性图案，该第二周期性图案在第二方向上周期变化，该读取装置还包括第二读头，该第二读头用于读取该第二周期性图案以获得第二方向上的部分周期性图案的图像信号，该信号处理装置对该第二读头的图像信号执行信号处理以确定该第二读头相对于该显示装置在该第二方向上的单维位置，其中该信号处理装置基于该第一和第二读头的单维位置确定运动系统的平面位置信息。
在一实例中，该读取装置还包括第三读头，该第三读头用于读取该第一周期性图案以获得第一方向上的部分周期性图案的图像信号；以及该信号处理装置对该第三读头的图像信号执行信号处理以确定该第三读头相对于该显示装置在该第一方向上的单维位置，以及其中该信号处理装置基于该第一、第二和第三读头的单维位置确定该运动系统的平面位置信息。
在一实例中，该读取装置还至少包括第四读头，该第四读头用于读取该第二周期性图案以获得第二方向上的部分周期性图案的图像信号，该信号处理装置对该第四读头的图像信号执行信号处理以确定该第四读头相对于该显示装置在该第二方向上的单维位置，其中该信号处理装置基于该第一、第二、第三和第四读头的单维位置确定该运动系统的平面位置信息。
在一实例中，其特征在于，该运动系统与该显示装置的相对移动包括该第一方向、该第二方向上的直线运动以及自旋转运动，该平面位置信息包括该第一方向、该第二方向上的坐标位置以及自旋角度。
在一实例中，该显示装置在每个读头的读取区域显示该读头所应读取的周期性图案，以使每个读头能够获取所需方向的周期性图案。
在一实例中，该显示装置分时地显示各周期性图案，其中，每个读头在该读头所应读取的周期性图案被显示时进行读取。
在一实例中，该显示装置以不同颜色同时显示各周期性图案，其中，每个读头安装有滤镜或者使用彩色感光元件以使得每个读头能够读取该读头所应读取的周期性图案。
在一实例中，该显示装置以不同偏振光同时显示各周期性图案，其中，每个读头安装有相应的偏振片以使得每个读头能够读取该读头所应读取的周期性图案。
在一实例中，每个读头是采用面阵感光元件的多维度读头的一部分，该多维度读头的每一部分相对于该显示装置的单维位置用于获取运动系统的多维度平面位置信息。
在一实例中，每个读头包括感光元件。
在一实例中，该感光元件包括线阵感光芯片、面阵感光芯片、光电二极管中的至少一者。
在一实例中，每个读头还包括光学成像系统。
在一实例中，该光学成像系统包括SLA透镜阵列、微透镜阵列、光学透镜组中的至少一者。
在一实例中，该显示装置是显示屏、投影仪或发光二极管阵列中的至少一者。
在一实例中，该第一周期性图案是包括在第一方向上明暗周期变化的一系列条纹的周期性条纹图案。
在一实例中，该周期性条纹图案是周期性正弦条纹图案。
根据本发明的另一方面，提供了一种操作主动式位置编码器的方法，包括：在显示装置上显示至少第一图案；使用读取装置的第一读头读取该第一图案以获得图像信号；以及对该第一读头的图像信号执行信号处理以确定该第一读头相对于该显示装置的单维位置。
在一实例中，该第一图案是在第一方向上周期变化的第一周期性图案，该方法进一步包括：使用该第一读头读取该第一周期性图案以获得第一方向上的部分周期性图案的该图像信号；以及对该第一读头的该图像信号执行该信号处理以确定该第一读头相对于该显示装置在该第一方向的单维位置。
在一实例中，对该第一读头的图像信号执行信号处理以确定该第一读头相对于该显示装置在该第一方向上的单维位置具体包括：确定该第一读头所处周期的周期信息以及在所处周期内的周期内位置信息；以及基于该周期信息和该周期内位置信息来确定该单维位置。
在一实例中，该方法还包括：显示沿该第一方向延伸的编码图案；以及使用该第一读头读取该编码图案以获得该周期信息。
在一实例中，该方法还包括：通过周期计数法获取该周期信息。
在一实例中，确定该第一读头的周期内位置信息具体包括：对该第一读头的图像信号执行频域变换；提取该图像信号的基频分量的相位信息；以及基于该相位信息确定该第一读头的该周期内位置信息。
在一实例中，该方法还包括：对该第一读头的图像信号执行预处理；以及对经预处理的图像信号执行该频域变换。
在一实例中，该预处理包括使用窗函数对该图像信号进行加窗处理。
在一实例中，该方法还包括：在该显示装置上将该第一周期性图案的周期变化方向从该第一方向改为第二方向；使用该第一读头读取该第一周期性图案以获得该第二方向上的部分周期性图案的图像信号；以及对该第一读头的图像信号执行信号处理以确定该第一读头相对于该显示装置在该第二方向上的单维位置。
在一实例中，该读取还包括附加的读头，该方法还包括：在该显示装置上还显示附加的周期性图案；使用各个读头读取相应的周期性图案以获得相应的图像信号；对各个读头的图像信号进行分析处理以确定各个读头相对于该显示装置的单维位置；以及基于各个读头相对于该显示装置的单维位置确定运动系统的平面位置信息。
在一实例中，该方法还包括：在该显示装置上还显示第二周期性图案，该第二周期性图案在第二方向上周期变化；使用该读取装置的第二读头读取该第二周期性图案以获得第二方向上的部分周期性图案的图像信号；对该第二读头的图像信号执行信号处理以确定该第二读头相对于该显示装置在该第二方向上的单维位置；以及基于该第一和第二读头的单维位置确定该运动系统的平面位置信息。
在一实例中，该方法还包括：使用该读取装置的第三读头读取该第一周期性图案以获得第一方向上的部分周期性图案的图像信号；对该第三读头的图像信号执行信号处理以确定该第三读头相对于该显示装置在该第一方向上的单维位置；以及基于该第一、第二和第三读头的单维位置确定该运动系统的平面位置信息。
在一实例中，该方法还包括：至少使用该读取装置的第四读头用于读取该第二周期性图案以获得第二方向上的部分周期性图案的图像信号；对该第四读头的图像信号执行信号处理以确定该第四读头相对于该显示装置在该第二方向上的单维位置；以及基于该第一、第二、第三和第四读头的单维位置确定该运动系统的平面位置信息。
在一实例中，该运动系统相对于该显示装置的移动包括该第一方向、该第二方向上的直线运动以及自旋转运动，该平面位置信息包括该第一方向、该第二方向上的坐标位置以及自旋角度。
在一实例中，在该显示装置上显示各周期性图案具体包括：随着每个读头的移动，在该显示装置的对应每个读头的读取区域显示该读头所应读取的周期性图案；或者在该显示装置上分时地显示各周期性图案；或者在该显示装置上以不同颜色或不同偏振光同时显示各周期性图案。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1是示出了根据本发明的一方面的主动式编码器的基本原理的简化示意图；
图2是示出了根据本发明的一方面的读头读取周期性图案的示意图；
图3是示出了根据本发明的一方面的读头读取绝对编码图案的示意图；
图4是示出了根据本发明的一方面的确定读头的周期内位置信息的信号处理方法的流程图；
图5是示出了根据本发明的一方面的读头的成像区域相对于条纹的不同定向的情形的示意图；
图6是示出了根据本发明的一方面的读头确定单维度位置信息的方法的流程图；
图7a、7b是示出了根据本发明的一方面的使用读头的单维位置信息计算自旋角度的几何示意图；
图8a-8f示出了根据本发明的一方面的使用多个读头测量多自由度的示意图；
图9是示出了根据本发明的一方面的采用多个读头的单维位置信息计算多自由度位置信息的几何示意图；
图10是示出了根据本发明的一方面的多维读头的示意图；以及
图11是示出了根据本发明的一方面的主动式位置编码器的框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
本发明提出了一种新型的主动式位置编码器。相比于传统的光栅式位置编码器，本发明的主动式位置编码器利用可控式显示装置作为类似于光栅的位置参考部件。主动式位置编码器使用读头采集显示装置上显示的周期图案，通过图像处理的方法获得测量目标(例如，运动系统)相对于显示装置的位置信息。
传统的光栅式位置编码器除了制造工艺复杂、价格昂贵之外，其光栅图案都是固定不变的，使用过程中不能加以控制，这给位置测量带来了很大的局限性。
本发明的主动式位置编码器的显示装置可以使用程序主动变换显示的图案。由于图案可以变换，系统就可以根据所需的测量分辨率和测量速度来动态地显示所需的周期图案。主动式编码器还可以动态切换到绝对编码的图案，从而实现绝对位置的测量。另外，由于图案可以变换，主动式位置编码器还能够实现运动系统大角度旋转情况下的位置测量。这些都是现阶段光栅编码器无法做到的。
主动式位置编码器由于可以使用市场上现有的显示装置，例如，显示屏(诸如，LCD、OLED屏)、投影仪、发光二极管等等，所有拥有着巨大的价格优势。因此，该主动式位置编码器相比普通的光栅编码器有更大的价格和技术上的优势。
图1是示出了根据本发明的一方面的主动式位置编码器100的基本原理的简化示意图。如图1所示，主动式位置编码器100可包括显示装置120和读头110。读头110附连于运动系统A。运动系统A可相对于显示装置120作平面运动。随着运动系统A的平面移动，读头110也在显示装置120上方作完全一致的相应移动。注意，图中示出的是运动系统A移动，显示装置120不动，但是这只是为了显示两者的相对运动。实践中，可能运动系统A不同，而是显示装置120移动，或者两者皆运动。例如，运动系统A和读头110安装在定子上，显示装置120安装在动子上；或者反之；或者运动系统A和读头110、与显示装置120皆安装在动子上。
另外，图1中示出了读头110附连于运动系统A，读头110和运动系统A两者一起与显示装置120作相对运动，然而在其他示例中也可以显示装置120附连于运动系统A，运动系统A和显示装置120一起与读头110作相对运动。这些具体情形并不限制本发明的保护范围。
显示装置120上可显示参考图案。这里的显示装置120可以是显示屏、投影仪、发光二极管阵列等任何能够显示图案的合适设备。
如图1所示，读头110可读取显示装置120上位于读头110的视野内的图案。读头110可包括感光元件111和光学成像系统112。显示装置120上的图案通过光学成像系统112传到感光元件111上成像，感光元件111再将成像信息传输到处理器(未示出)进行信号处理。
感光元件可以采用面阵感光芯片、线阵感光芯片或者感光二极管。感光芯片可以是例如CCD传感器。面阵感光芯片的感光像素点较多，采集的信息较多，所以能达到较高的位置分辨率，但是由于信息较多，在信号处理和传输上会较慢，影响编码器的测量速度。线阵感光芯片只有一条感光像素阵列，像素点相比面阵感光芯片会少很多，信号处理和传输上会较快，但是测量的位置分辨率相比较差。光电二极管单个感光像素的尺寸相比感光大，所以有更高的感光灵敏度，在曝光中只需要很短的时间就可以获取显示装置上的信号，所以速度较快。但是感光像素点较少，最后编码器的位置分辨率也较差。
图1中示出了读头110包括光学成像系统112。但是这不是必需的，读头110也可不使用光学成像系统112直接采集显示装置120的信号。例如，感光元件111可直接采集投影仪投下的图案而不使用光学成像系统112。又例如感光元件111可以直接贴在显示屏表面上进行信号采集。
不使用光学成像系统可以大大减少系统复杂度，但是成像会较为模糊，最后的位置分辨率也会较差。如果使用光学成像系统，则常用的光学成像系统112可包括使用SLA(自聚焦)透镜阵列、微透镜阵列或者光学透镜组来实现光学成像。使用光学成像系统112会使得成像更为清晰，最后的位置分辨率也会更好。
读头110在随运动系统A运动的过程中，所捕捉到的显示装置120的图案也会相应变化。由此，通过对读头110所采集的图像信号进行信号分析可以获得读头110相对于显示装置110的位置，进而计算出运动系统A的平面运动位置信息。
根据本发明，显示装置120显示的图案可以使用控制器进行动态变换，从而针对运动系统所需的测量分辨率和测量速度来主动地显示所需的图案。特别地，显示装置120可以动态切换到编码图案，使得读头110可以读取编码信息从而实现绝对位置的测量。而且，通过周期图案的条纹变化方向的切换，可以实现运动系统A的大角度自旋情况下的位置测量，如下文详述的。
下文以读头测量单维度的直线运动位置为例来说明位置测量原理，带有角度测量的自旋运动、以及包括直线运动和角度旋转的多自由度位置测量可基于多个单维度位置测量结果通过几何坐标变换来获得。
图2是示出了根据本发明的一方面的读头110读取周期性图案的示意图。显示装置可显示在一定方向上周期性变化的周期性图案。如图2中所示，这里的周期性图案是包括在x轴方向上明暗周期变化的一系列条纹的周期性条纹图案，其中条纹图案还可以使用明暗强度正弦变化的明暗条纹图。假设该周期性图案的明暗周期长度为L。
正对图案的是读头110，读头110(具体而言，其成像区域)的长度方向沿x轴方向定位，从而可以读取沿x轴方向(即，明暗周期变化方向)上的一部分周期图案。例如，读头110的感光元件111可以是线阵感光芯片。
该部分条纹图案通过光学成像系统112成像到感光元件111的感光像素阵列上以获得表示明暗变化的光强数据的图像信号。图像信号经过特定的信号处理(如下文所述)得到读头110(具体而言，感光元件111)的中心点所在单个周期内的位置Xi，如图2所示。假设读头110处于显示装置所显示的周期性图案的第i个明暗周期，则该读头110相对于显示装置的位置为：
读头位置＝L×(i-1)+Xi (1)
在本文中，所提到的“读头的位置”特指读头(具体而言其感光元件)的中心点的位置。由公式1可见，计算读头110的位置由两部分组成，分别是读头110所处周期的周期信息、以及周期内位置信息。周期信息是指读头110所处的周期是第多少个周期，即i；周期内位置信息是指读头110在该第i个周期内的位置。通过周期信息i可以计算前面的整数个周期的总长，而周期内位置信息为当前所处在的周期内的位置，两者相加便得到读头110当前相对于显示装置的位置。不失一般性的，这里的“位置”皆指相对于显示装置的位置，由于显示装置的位置是系统已知的，根据坐标系变换，可以获得各种绝对位置。
当读头110相对明暗条纹移动时，采集到光强信号也会随之发生移动，感光元件中心点也会从一个周期进入另一个周期。此时，周期内位置Xi会随着周期的更替而呈现周期性变化。当读头110中感光元件中心点从当前周期进入另一个周期时，当前所在的周期数i(即周期信息)需要进行增减。
可以多种方法来判断周期的更替。实践中，每读取一次图案并进行一次位置确定是不断重复地循环进行的，相应地，一种特定判断i增减的方法为：系统会通过明暗周期条纹测得的周期内位置Xi与上个循环测得的Xi进行对比。当读头前进到下一个周期时，Xi会从满周期长度L跳到0，当前周期数加1；当读头后退到上一个周期时，Xi会从0跳到满周期长度L，当前周期数减1。
尽管可以通过上述周期计数法能够计算和更新周期信息的变化，但是必需存在基准周期信息才能准确得知当前的周期信息。常规地，位置编码器的读头可能需要被置位，即返回到其位置已知的特定位置，才能获取该基准位置信息。
但是，在本发明中可利用主动式位置编码器能够动态地显示图案的特点，在无需读头110被置位的情况下，就可获得绝对位置信息，而不是单纯的增量式测量。
图3是示出了根据本发明的一方面的读头110读取编码图案的示意图。如本领域技术人员熟知的，编码图案经过编码，使得根据读头110所读取到的特定部分的编码图案就能够确定读头110此时所处的绝对位置。
一种常见的图案编码方法是采用伪随机序列，伪随机序列{an}是周期为2m-1的二进制序列，简称为m阶伪随机序列。该序列有很多性质，其中一条是任意相邻的m个二进制数字组成的排列都是互不相同的，这就为该序列作为绝对位置编码方式提供了理论依据。实验屏幕中如果使用8阶本原多项式生成8阶伪随机序列，则该序列长度为28-1＝255。相邻每8个二进制数形成一个索引码，其中二进制1表示为白色，而二进制0表示成黑色。如此，在屏幕上显示255条黑白的条纹编码来标定255个绝对位置。
n阶伪随机序列可以由n次本原多项式生成，例如，8阶伪随机序列的多项式为：
f(x)＝1+x6+x8 (2)
该伪随机序列满足递推关系为：
ai+8＝ai+1+ai+6,(i＝0,1,……248) (3)
其中运算为二进制加法运算。设初始值为1 0 1 0 0 0 1 1，则生成8阶序列为1 10 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1……
图3中示出了编码图案的一部分，同时示出了周期条纹图案。编码图案和周期条纹图案之间存在对应关系，此对应关系可存储在主动式位置编码器中。由于这两者的对应关系，读头110读取到的特定部分的编码图案唯一地对应周期条纹图案的特定周期，从而可以判断出所处的周期的周期数。
图中为了清楚地示出编码图案和周期条纹图案的对应关系，同时示出了这两者图案。实践中，显示装置也可直接将周期条纹图案切换为编码图案。读头110读取编码图案的信号并转为二进制码，通过二进制码识别当前读头110所在的周期数i，识别完毕后再将编码图切换为周期条纹图进行周期内位置Xi的计算，再通过公式1计算出读头的当前位置。有了这个优点，机器在重新开机的时候可以立刻读取当前位置，而无需置位，例如回到坐标原点进行清零。
以下结合图2和图4来解说确定读头的周期内位置信息的算法，图4是示出了确定读头的周期内位置信息的信号处理方法的流程图。
通过对读头110读取到的图像信号进行处理得出读头110的位置信息，其高分辨率取决于屏幕上条纹的细密程度和相机本身的像素点数目。显然利用屏幕作为光栅不可能将条纹细化到传统光栅的大小。为此，本发明中通过对图像信号的信号处理获得精确的位置信息。
该信号处理的核心是利用频域变换，例如离散傅里叶变换(DFT)计算图像信号基频的相位，通过相位确定读头在一个周期内的绝对位置。如图2所示，这里采集到的信号是一个一维数组Xn，共有沿x方向(即，明暗变化方向)的N个采样点。对于线阵感光元件，Xn体现了每个感光像素点得到的光强信号；对于面阵感光元件，Xn是感光区域中沿x方向的感光像素点光强信号平均值所构成的一维数组，共有N维。
如图4所示，该信号处理算法400包括以下步骤：
步骤401：对图像信号执行信号预处理；
为了减小DFT的误差，可以选取合适的窗函数并对相位做矫正。作为特定的实例，第一种方法使用的是汉宁窗函数，第二种方法使用的是标准窗函数(Standard window)，两种方法最终计算的都是信号中间点处的相位，也即是感光元件中心点位置的相位。
步骤402：对经预处理的图像信号执行离散傅立叶变换；
步骤403：计算相位；
步骤404：根据相位计算周期内位置信息。
在第一实例中，使用汉宁窗函数的信号处理方法：
a、信号预处理。采集到的光强信号是Xn，经预处理的信号Sn可以表示为：
Sn＝Xnhn, n＝0,1,2,…,N-1. (4)
其中N是总点数，hn是汉宁窗函数，形式是：
b、离散傅里叶变换。计算Sn的频谱：
找到使F的绝对值取到最大值的序列号k1。
c、计算相位。基频的相位是：
θ0＝arg[F(k1)]. (7)
其中arg[■]是求[■]的相位。信号中间点处的相位是：
将θ归一化到0到2π之间：
θ＝mod(θ,2π). (9)
d、相位换算成周期内位置信息：
其中L是一个明暗周期长度。
在第二实例中，使用标准窗函数的信号处理方法：
a、信号预处理。后续处理信号Pn和Qn可以表示为：
Pn＝wnXn,n＝0,1,…,N-1, (11)
Qn＝wN-n-1Xn,n＝0,1,…,N-1. (12)
其中wn是标准窗函数，形式是：
其中d1＝-1.43596,d2＝0.497536,and d3＝-0.061576.
b、离散傅里叶变换。分别计算Pn和Qn的频谱：
找到使E1的绝对值取到最大值的序列号k2。
c、计算相位。信号中间点处的相位是：
将θ归一化到0到2π之间：
θ＝mod(θ,2π). (17)
d、相位换算成单周期位置信息。
至此，通过计算出读头110的周期内位置信息，加上读取110所处的周期的周期信息，可以获得读头110的具体位置。
以上示出了读头110对单维度位置信息的测量，例如测量的是周期条纹图案的条纹变化方向上的位置信息。为了得到周期内位置信息，由上述信号分析算法可知，需要获得沿条纹变化方向上的一段图像，以获得明暗(即光强)变化的信号，从而计算出相位。
图5示出了读头的成像区域相对于条纹的不同定向的情形的示意图。理想地，为了读头在沿测量条纹变化方向上的一维位置信息，读头的成像区域(具体而言，其长度方向)应该与条纹变化方向保持一致，例如左边的读头所示。然而，实践中，读头有可能随运动系统在平面内作多维度运动，例如该多维度运动可包括直线运动和旋转运动。此时，读头的成像区域可能与条纹变化方向呈一定角度，如图中右侧的读头所示。此时，读头所读取的图像信号中反映条纹变化的信息量变少，从而测量精度变差。极端情况下，当读头的成像区域的长度方向与条纹变化方向垂直时，采集到的图像信号中不含有反映条纹明暗变化的信息，从而无法进行相位计算。
实践中，当读头成像区域与条纹变化方向的角度超过45°时，测量性能即显著恶化，因此，传统的位置编码器无法测量大角度旋转的运动物体的平面位置。
然而，根据本发明的主动式位置编码器，由于显示装置可以动态地显示图案，因此，在第一读头的成像区域与其所读取的第一周期性条纹图案的条纹变化方向(例如，第一方向)的夹角超过了45°时，显示装置可将第一周期性条纹图案的条纹变化方向从第一方向改为例如与第一方向垂直的第二方向，此时，第一读头则可以用来读取在第二方向上的位置信息。主动式编码器的原本用于测量第二方向上的位置信息的第二读头原本读取在第二方向上条纹明暗变化的第二周期性图案。此时，该第二读头的成像区域与第二方向的夹角也必然超过了45°，因此，该第二周期性图案的条纹变化方向也相应地从第二方向切换为第一方向，此时，第二读头可代替用来确定第一方向上的位置信息，由此能够保证运动系统的平面位置信息得到准确测量。
图6是示出了根据本发明的一方面的读头确定单维度位置信息的方法600的流程图。如图6所示，方法600可包括以下步骤：
步骤601：判断是否使用编码图案获取当前所在周期，若是则流程进入步骤602，否则流程进入步骤607；
步骤602：显示装置显示编码图案；
步骤603：读头读取所显示的编码图案，并获取当前所在周期；
步骤604：显示装置将读头下方的图案切换为周期性条纹图案；
步骤605：读取获取所显示的周期性条纹信号，并通过傅立叶算法计算出周期内位置信息；
步骤606：通过周期信息和周期内位置信息计算读头当前位置；
步骤607：读头获取所显示的周期性条纹信号，并通过傅立叶算法计算出周期内位置信息；
步骤608：判断读头当前所在周期的周期数与上一个循环的周期数的关系，根据该关系，通过周期数加1、不变、或减1获得更新后的周期数，即周期信息；
步骤609：通过周期信息和周期内位置信息计算读头当前位置；
进入下一次循环，或者结束。
在该方法中，系统循环开始时会识别是否通过编码图案获取所在周期数，如果是则系统会切换到编码图案对当前周期数i进行识别，接着系统会切换到明暗周期条纹进行单周期位置Xi的计算，最后通过公式1算出读头的一维当前位置。
如果不使用编码图案识别周期数，则会使用上个循环的周期数，但是上一个循环的周期数不一定等于本循环的周期数，因为读头可能已经前进一段距离并进入了另一个周期的范围。所以在上个周期数基础上通过判断周期数增减的方法得出当前周期数i。在确定当前周期数以后，再加上单周期位置Xi就可以计算读头的一维当前位置。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
上述内容示出了单个读头对一维位置信息的测量，在主动式位置编码器配有多个读头以获得不同维度(例如，两个正交的维度)上的一维位置信息的情况下，可以确定运动系统的多自由度平面运动的位置信息。例如，可通过一个或两个读头的一维位置信息计算出运动系统的自旋角度。
图7a、7b是示出了根据本发明的一方面的使用读头的单维位置信息计算自旋角度的几何示意图。图7a示出了使用一个读头来确定运动系统的自旋角度，图7b示出了使用两个读头来确定运动系统的自旋角度。
由于读头只能测量一维的直线距离，所以需要通过三角反函数计算角度。图中L为旋转中心到读头感光元件中心点的距离，是确定已知的系统参数。H为旋转中心到显示装置起始边缘的距离，在运动系统仅作旋转运动而没有直线运动分量的情况下，也可以是确定已知的。
在图7a中，角度计算公式为：
在图7b中，角度计算公式为：
其中，Y2、Y1可以通过读头1、读头2分别确定。
根据平面几何知识，平面内的多维度平面运动都可以分解成多个相互间独立的一维方向上的运动。反之，可以通过多个读头获得多个一维直线位置信息，确定运动系统的多维度位置信息。图8a-8f示出了根据本发明的一方面的使用多个读头测量多自由度的示意图，其中给出了6种常见的运动形式以及相应的测量方案。
图8a的运动系统只能实现一维直线运动，是最常见的运动系统。该系统只需要采用一个单维读头就可以测量直线位置信息。
图8b的运动系统只能实现一维旋转运动，常例如工业中常用的转台。该系统采用一个单维读头就可以测量旋转角度的信息。该系统也可以采用两个单维读头方案来测量角度，如图7b，该方案有更高的测量精度。
图8c的运动系统能实现X、Y轴两个方向的平移运动，为常见的工业运动平台。该系统采用成像区域相互正交的两个读头分别测量X和Y方向的位置信息。
图8d的运动系统能实现一个一维(Y轴向)直线运动和一个转动的运动系统。该系统可以采用两个读头测量Y和α的信息。
图8e的运动系统能实现二维平面运动，类似于平面电机的运动，包括X、Y轴上的平移和围绕自身的旋转。该系统可以采用三个读头来测量X、Y和θ三个位置信息。这三个读头中的读头1、读头3的成像区域朝向一直，以测量Y方向上的一维位置信息，读头2与这两者相垂直以测量X方向上的一维位置信息，最终根据这三者计算出运动系统的X、Y和α三个位置信息。
图8f的运动系统采用了比系统本身自由度还多的读头来进行测量。这种测量方式为冗余式测量。使用三个以上的读头可以获得更多的位置信息，从而使最后得到的位置信息更加精确。
根据几何学，可以容易地通过不同维度上的一维位置信息获得运动系统的平面位置。图9示出了一个示例性的计算方案。在该方案中，三个读头安装在被测物体(即运动系统)上，显示装置作为位置参照。读头1和读头2朝向一致，测量两个Y方向的距离，读头3的朝向与前两者垂直，测量一个X方向的距离。以运动系统的某一测量点(例如，重心)的x、y坐标作为运动系统的x、y坐标。假设该测量点在读头1和读头2的感光元件中心点连线的中心上，Lc为读头1和读头2的两个感光元件中心点的距离，(xc,yc)是读头3感光元件中心点相对测量点坐标的位置参数，这三个参数可以通过系统标定获得。最后所测位置的三个自由度可以用以下公式获得：
X＝X1+ycsinθ-xccosθ (21)
以上为了测量不同维度的一维位置信息，需要在显示装置中显示不同方向的周期性图案，例如在第一方向(诸如x轴方向)和第二方向(诸如y轴方向)明暗周期变化的第一周期性图案和第二周期性图案，如图8c、8e、8f。不同的读头需要读取相对应的周期性图案。
根据本发明的主动式位置编码器充分利用了显示装置可以动态地显示图案的特点，可以通过多种方法来实现各个读头对所需方向的周期性图案的读取。
方法1：跟随法
显示装置会在各个读头下方的区域动态地显示所需要的条纹图，使得各个单维读头能够同时获取所需方向的图案。
方法2：切换法
显示装置快速切换两个方向的周期条纹图，使得各个读头在各自的目标条纹图案出现时读取信息。
方法3：滤镜法
显示装置的两个垂直方向的条纹图使用两种不同的颜色来显示，各个读头安装上所需颜色的滤镜，或者使用彩色感光元件，使得需要的条纹图可以透射进入进所需的感光系统中，而不需要的条纹信息将被滤片过滤去除。
方法4：偏振法
显示装置显示的两个不同方向的条纹图有着垂直的光偏振方向。各个读头安装上所需的偏振片。所需的条纹图偏振方向与读头的偏振片方向相同得以进入读头，而不需要的条纹图由于偏振方向与读头偏振方向相垂直，将被过滤去除。
上述的每个读头仅测量一个维度上的一维位置信息，例如这种读头可采用线阵感光元件，或者狭长的面感光元件。但是，读头还可以使用面阵感光元件来实现单个读头就能够测量多个自由度的多维读头。多维读头将面阵感光元件的感光区域分割为多个小区域，而每个单独的小区域负责测量一个自由度的信息。每个小区域测量位置的方法与单维读头测量的方法一致。换言之，上述的用于测量一维位置信息的各读头可以是一个多维读头的一部分。图10是示出了根据本发明的一方面的多维读头的示意图。
图11是示出了根据本发明的一方面的主动式位置编码器1100的框图。
如图11所示，主动式位置编码器1100可包括显示装置1101和读取装置1102。显示装置1101可动态地显示至少第一图案，例如第一周期性图案，该第一周期性图案在第一方向上周期变化。该显示装置1101可以为显示屏、投影仪、发光二极管阵列等等。
读取装置1102可附连于运动系统(未示出)，该运动系统可相对于显示装置1101作平面移动。读取装置1102可包括至少一个读头，例如1102-n。这一个读头(例如第一读头1102-1)读取该第一图案，例如该第一周期性图案以获得第一方向上的部分周期性图案的图像信号。
主动式位置编码器1100还可包括信号处理装置1103，后者可对第一读头1101-1的获得的图像信号执行信号处理以确定第一读头1103相对于显示装置的单维位置，例如在第一方向上的单维位置。
信号处理装置1103可确定第一读头1103所处周期的周期信息以及在所处周期内的周期内位置信息，并基于这两者确定该单维位置。
为了确定该周期信息，显示装置1101显示沿该第一方向延伸的编码图案，该第一读头1102-1可读取该编码图案以获得周期信息。例如该编码图案与该第一周期性图案的周期图案具有对应关系。第一读头1102-1可读取该编码图案以获得特定部分的编码图案。相应地，信号处理装置1103可基于该特定部分的编码图案以及该编码图案与第一周期性图案的对应关系来确定第一读头1102-1所处周期的周期信息。
替换地，也可通过周期计算法来计算该周期信息。例如，主动性位置编码器1100还可包括存储器1105，该存储器1105中可存储有第一读头1101-1的上述周期信息。随着运动系统的移动，在第一读头沿所述第一方向从第一周期性图案的一个周期移到下一周期时或上一个周期时，信号处理装置1103将周期信息相应地加1或减1以更新存储器1105中存储的第一读头的周期信息。
为了确定上述周期内位置信息，信号处理装置1103可对第一读头的图像信号执行频域变换，例如离散傅立叶变换，提取其基频分量的相位信息，以及基于该相位信息确定第一读头1102-1的周期内位置信息。较优地，信号处理装置1103可首先对第一读头1102-1的图像信号执行预处理，然后对经预处理的图像信号执行上述频域变换。
主动式位置编码器1100还可包括控制器1104，后者可控制主动式位置编码器1100的运行，例如可控制显示装置1101进行图案的动态地的显示。
显示装置1101可将第一周期性图案的周期变化方向从第一方向改为第二方向，由此，第一读头1102-1就可读取第一周期性图案以获得第二方向上的部分周期性图案的图像信号，信号处理装置1103可对第一读头的图像信号执行信号处理以确定第一读头1102-1相对于显示装置1101在第二方向上的单维位置。这么做是有意义的，例如随着运动系统的移动，当第一读头1102-1的成像区域的长度方向与第一方向之间的夹角超过45°时，显示装置1101就将第一周期性图案的周期变化方向从第一方向改为与第一方向垂直的第二方向。此时，相应地，第一读头1102-1读取第一周期性图案以获得第二方向上的部分周期性图案的图像信号，而信号处理装置1103对第一读头1102-1的图像信号执行信号处理以确定第一读头1102-1在第二方向上的单维位置。
在一实例中，显示装置1101还可动态地显示第二周期性图案，该第二周期性图案在第二方向上周期变化。例如，第一方向和第二方向垂直。对应地，读取装置1102可包括第二读头，诸如读头1102-2，其可读取第二周期性图案以获得第二方向上的部分周期性图案的图像信号。信号处理装置1103可对第二读头的图像信号执行信号处理以确定第二读头1102-2相对于显示装置1101在第二方向上的单维位置。进一步地，信号处理装置1103可基于第一和第二读头的单维位置确定运动系统的平面位置信息。
在一实例中，读取装置1102还可包括第三读头，该第三读头可读取上述第一周期性图案以获得第一方向上的部分周期性图案的图像信号。信号处理装置1103可对该第三读头的图像信号执行信号处理以确定该第三读头相对于显示装置1101在第一方向上的单维位置。进一步地，信号处理装置1103可基于该第一、第二和第三读头的单维位置确定运动系统的平面位置信息。这里，基于三个维度的位置信息，可以计算出运动系统在平面内所有运动位置。
较优地，读取装置1102还可包括第四读头，该第四读头可读取第二周期性图案以获得第二方向上的部分周期性图案的图像信号。信号处理装置1103可对该第四读头的图像信号执行信号处理以确定第四读头相对于显示装置1101在第二方向上的单维位置。信号处理装置1103可基于该第一、第二、第三和第四读头的单维位置确定运动系统的平面位置信息。这里第四读头的单维位置对于确定运动系统的平面位置信息是冗余的，以用于提高运动系统的位置测量精度。
这里，运动系统相对于显示装置1101的移动包括第一方向、第二方向上的直线运动以及自旋转运动，相应地，平面位置信息包括第一方向、第二方向上的坐标位置以及自旋角度。
为了使每个读头能够读取所需方向的图案，显示装置1101可在控制器1104的控制下动态地显示图案。在一实例中，随着每个读头的移动，显示装置1101在每个读头的读取区域动态地显示该读头所应读取的周期性图案，以使每个读头能够获取所需方向的周期性图案。在另一实例中，显示装置1101可分时地显示第一和第二周期性图案，在此情形中，每个读头与显示装置1101的分时显示同步，从而在该读头所应读取的周期性图案被显示时进行读取。在又一实例中，显示装置1101以两种颜色同时显示第一和第二周期性图案，在此情形中，每个读头安装有滤镜或者包括彩色感光元件以使得能够透射该读头所应读取的周期性图案而屏蔽另一周期性图案。显示装置1103可以两种偏振光同时显示第一和第二周期性图案，在此实例中，每个读头安装有相应的偏振片以使得能够透射该读头所应读取的周期性图案而屏蔽另一周期性图案。
图11中尽管示出了多个读头1101-n，但是每个读头也可以是采用面阵感光元件的多维度读头的一部分，如图10所示。
本领域技术人员将可理解，信息和信号可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位(比特)、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。
本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。
结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。
结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。
在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (40)

1.一种主动式位置编码器，包括：
显示装置，所述显示装置用于显示至少第一图案；
读取装置，所述读取装置包括至少第一读头，所述第一读头用于读取所述第一图案以获得图像信号；以及
信号处理装置，所述信号处理装置对所述第一读头的图像信号执行信号处理以确定所述第一读头相对于所述显示装置的单维位置，其中
所述第一图案是在第一方向上周期变化的第一周期性图案，所述第一读头读取所述第一周期性图案以获得第一方向上的部分周期性图案的所述图像信号，以及所述信号处理装置对所述第一读头的所述图像信号执行所述信号处理以确定所述第一读头相对于所述显示装置在所述第一方向的单维位置。
2.如权利要求1所述的主动式位置编码器，其特征在于，
所述信号处理装置确定所述第一读头所处周期的周期信息以及在所处周期内的周期内位置信息；以及
基于所述周期信息和所述周期内位置信息来确定所述单维位置。
3.如权利要求2所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述显示装置显示沿所述第一方向延伸的编码图案，
其中所述第一读头读取所述编码图案以获得所述周期信息。
4.如权利要求2所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述信号处理装置通过周期计数法获取所述周期信息。
5.如权利要求2所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述信号处理装置：
对所述第一读头的图像信号执行频域变换；
提取所述图像信号的基频分量的相位信息；以及
基于所述相位信息确定所述第一读头的所述周期内位置信息。
6.如权利要求5所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述信号处理装置首先对所述第一读头的图像信号执行预处理，并且对经预处理的图像信号执行所述频域变换。
7.如权利要求6所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述预处理包括使用窗函数对所述图像信号进行加窗处理。
8.如权利要求7所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述窗函数包括汉宁窗函数或标准窗函数。
9.如权利要求1所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述显示装置将所述第一周期性图案的周期变化方向从所述第一方向改为第二方向，
其中，所述第一读头读取所述第一周期性图案以获得所述第二方向上的部分周期性图案的图像信号，以及所述信号处理装置对所述第一读头的图像信号执行信号处理以确定所述第一读头相对于所述显示装置在所述第二方向上的单维位置。
10.如权利要求1所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述显示装置还用于显示附加的周期性图案，所述读取装置还包括附加的读头，各个读头读取相应的周期性图案以获得相应的图像信号，所述信号处理装置对各个读头的图像信号进行分析处理以确定各个读头相对于所述显示装置的单维位置，并基于各个读头相对于所述显示装置的单维位置确定运动系统的平面位置信息。
11.如权利要求10所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述显示装置还用于显示第二周期性图案，所述第二周期性图案在第二方向上周期变化，
所述读取装置还包括第二读头，所述第二读头用于读取所述第二周期性图案以获得第二方向上的部分周期性图案的图像信号，
所述信号处理装置对所述第二读头的图像信号执行信号处理以确定所述第二读头相对于所述显示装置在所述第二方向上的单维位置，
其中所述信号处理装置基于所述第一和第二读头的单维位置确定运动系统的平面位置信息。
12.如权利要求11所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述读取装置还包括第三读头，所述第三读头用于读取所述第一周期性图案以获得第一方向上的部分周期性图案的图像信号；以及
所述信号处理装置对所述第三读头的图像信号执行信号处理以确定所述第三读头相对于所述显示装置在所述第一方向上的单维位置，以及
其中所述信号处理装置基于所述第一、第二和第三读头的单维位置确定所述运动系统的平面位置信息。
13.如权利要求12所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述读取装置还至少包括第四读头，所述第四读头用于读取所述第二周期性图案以获得第二方向上的部分周期性图案的图像信号，
所述信号处理装置对所述第四读头的图像信号执行信号处理以确定所述第四读头相对于所述显示装置在所述第二方向上的单维位置，
其中所述信号处理装置基于所述第一、第二、第三和第四读头的单维位置确定所述运动系统的平面位置信息。
14.如权利要求12或13所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述运动系统与所述显示装置的相对移动包括所述第一方向、所述第二方向上的直线运动以及自旋转运动，所述平面位置信息包括所述第一方向、所述第二方向上的坐标位置以及自旋角度。
15.如权利要求1至13中任一项所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述显示装置在每个读头的读取区域显示该读头所应读取的周期性图案，以使每个读头能够获取所需方向的周期性图案。
16.如权利要求1至13中任一项所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述显示装置分时地显示各周期性图案，
其中，每个读头在该读头所应读取的周期性图案被显示时进行读取。
17.如权利要求1至13中任一项所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述显示装置以不同颜色同时显示各周期性图案，
其中，每个读头安装有滤镜或者使用彩色感光元件以使得每个读头能够读取该读头所应读取的周期性图案。
18.如权利要求1至13中任一项所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述显示装置以不同偏振光同时显示各周期性图案，
其中，每个读头安装有相应的偏振片以使得每个读头能够读取该读头所应读取的周期性图案。
19.如权利要求1至13中任一项所述的主动式位置编码器，其特征在于，每个读头是采用面阵感光元件的多维度读头的一部分，所述多维度读头的每一部分相对于所述显示装置的单维位置用于获取运动系统的多维度平面位置信息。
20.如权利要求1至13中任一项所述的主动式位置编码器，其特征在于，每个读头包括感光元件。
21.如权利要求20所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述感光元件包括线阵感光芯片、面阵感光芯片、光电二极管中的至少一者。
22.如权利要求20所述的主动式位置编码器，其特征在于，每个读头还包括光学成像系统。
23.如权利要求22所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述光学成像系统包括SLA透镜阵列、微透镜阵列、光学透镜组中的至少一者。
24.如权利要求1所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述显示装置是显示屏、投影仪或发光二极管阵列中的至少一者。
25.如权利要求1所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述第一周期性图案是包括在第一方向上明暗周期变化的一系列条纹的周期性条纹图案。
26.如权利要求25所述的主动式位置编码器，其特征在于，所述周期性条纹图案是周期性正弦条纹图案。
27.一种操作主动式位置编码器的方法，包括：
在显示装置上显示至少第一图案；
使用读取装置的第一读头读取所述第一图案以获得图像信号；以及
对所述第一读头的图像信号执行信号处理以确定所述第一读头相对于所述显示装置的单维位置，其中，
所述第一图案是在第一方向上周期变化的第一周期性图案，所述方法进一步包括：
使用所述第一读头读取所述第一周期性图案以获得第一方向上的部分周期性图案的所述图像信号；以及
对所述第一读头的所述图像信号执行所述信号处理以确定所述第一读头相对于所述显示装置在所述第一方向的单维位置。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，对所述第一读头的图像信号执行信号处理以确定所述第一读头相对于所述显示装置在所述第一方向上的单维位置具体包括：
确定所述第一读头所处周期的周期信息以及在所处周期内的周期内位置信息；以及
基于所述周期信息和所述周期内位置信息来确定所述单维位置。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，还包括：
显示沿所述第一方向延伸的编码图案；以及
使用所述第一读头读取所述编码图案以获得所述周期信息。
30.如权利要求28所述的方法，其特征在于，还包括：
通过周期计数法获取所述周期信息。
31.如权利要求28所述的方法，其特征在于，确定所述第一读头的周期内位置信息具体包括：
对所述第一读头的图像信号执行频域变换；
提取所述图像信号的基频分量的相位信息；以及
基于所述相位信息确定所述第一读头的所述周期内位置信息。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，还包括：
对所述第一读头的图像信号执行预处理；以及
对经预处理的图像信号执行所述频域变换。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述预处理包括使用窗函数对所述图像信号进行加窗处理。
34.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述显示装置上将所述第一周期性图案的周期变化方向从所述第一方向改为第二方向；
使用所述第一读头读取所述第一周期性图案以获得所述第二方向上的部分周期性图案的图像信号；以及
对所述第一读头的图像信号执行信号处理以确定所述第一读头相对于所述显示装置在所述第二方向上的单维位置。
35.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述读取装置还包括附加的读头，所述方法还包括：
在所述显示装置上还显示附加的周期性图案；
使用各个读头读取相应的周期性图案以获得相应的图像信号；
对各个读头的图像信号进行分析处理以确定各个读头相对于所述显示装置的单维位置；以及
基于各个读头相对于所述显示装置的单维位置确定运动系统的平面位置信息。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述显示装置上还显示第二周期性图案，所述第二周期性图案在第二方向上周期变化；
使用所述读取装置的第二读头读取所述第二周期性图案以获得第二方向上的部分周期性图案的图像信号；
对所述第二读头的图像信号执行信号处理以确定所述第二读头相对于所述显示装置在所述第二方向上的单维位置；以及
基于所述第一和第二读头的单维位置确定所述运动系统的平面位置信息。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，还包括：
使用所述读取装置的第三读头读取所述第一周期性图案以获得第一方向上的部分周期性图案的图像信号；
对所述第三读头的图像信号执行信号处理以确定所述第三读头相对于所述显示装置在所述第一方向上的单维位置；以及
基于所述第一、第二和第三读头的单维位置确定所述运动系统的平面位置信息。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，还包括：
至少使用所述读取装置的第四读头用于读取所述第二周期性图案以获得第二方向上的部分周期性图案的图像信号；
对所述第四读头的图像信号执行信号处理以确定所述第四读头相对于所述显示装置在所述第二方向上的单维位置；以及
基于所述第一、第二、第三和第四读头的单维位置确定所述运动系统的平面位置信息。
39.如权利要求35至38中任一项所述的方法，其特征在于，所述运动系统相对于所述显示装置的移动包括所述第一方向、所述第二方向上的直线运动以及自旋转运动，所述平面位置信息包括所述第一方向、所述第二方向上的坐标位置以及自旋角度。
40.如权利要求27至38中任一项所述的方法，其特征在于，在所述显示装置上显示各周期性图案具体包括：
随着每个读头的移动，在所述显示装置的对应每个读头的读取区域显示该读头所应读取的周期性图案；或者
在所述显示装置上分时地显示各周期性图案；或者
在所述显示装置上以不同颜色或不同偏振光同时显示各周期性图案。
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