CN111060002B - 绝对位置测量方法和绝对位置测量装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种绝对X‑Y‑Θ位置传感器以测量精密多轴工作台系统的平面运动。通过分析2D相位编码二进制标尺(2D PEBS)的旋转的感兴趣区域的图像，分别在两个单独点处获得绝对位置值。可以通过将所述值组合来计算绝对X‑Y‑Θ位置。

Description

绝对位置测量方法和绝对位置测量装置

技术领域

本公开涉及一种测量旋转角和位置的绝对位置测量方法，并且更具体地，涉及一种光学读取2D绝对位置二进制标尺以计算旋转角和绝对位置的方法。

背景技术

在各种精密系统和科学仪器中，精确的位置测量是监测和控制致动系统的基本因素。激光干涉仪和光学编码器是典型的位置传感器。激光干涉仪对干涉条纹进行计数和细分并且以亚纳米分辨率测量其位置。干涉条纹的周期由激光光源的波长确定。

光学编码器使用标尺。该标尺具有均匀且周期性的图案。该图案具有几微米到几十微米的间距。光学编码器处理干涉条纹或强度分布以获得位置读数。

激光干涉仪可以实现高精度。然而，激光干涉仪需要控制良好的环境条件和精密对准。

在增量位置测量中，通过累积从初始位置的相对位移来获得位置值。增量位置测量已经应用在如精密平台和位置监测等许多应用领域。

然而，增量位置测量仅测量相对位移，并且需要使用附加传感器进行初始化以测量绝对位置。

绝对位置测量提高了精密系统的效率和鲁棒性。这是因为绝对位置测量不需要初始化并且可以处理各种紧急事件。绝对位置测量在应当严格控制功耗的应用中也是有利的。

由于光学编码器可以在不增加成本和复杂性的情况下实现，所以光学编码器广泛用于测量绝对位置。

绝对编码器需要专门设计的标尺。将绝对位置二进制码(APBC)编码到标尺中。在初始阶段，使用多码道代码(multi-track code)对APBC进行编码并且添加增量码道以实现高分辨率。然而，不可避免地由标尺的多码道配置引起编码器头的复杂配置和对准问题。

编码器分为配置成测量线性运动的线性编码器和配置成测量旋转运动的旋转编码器。

因此，需要一种具有新型结构的高精度编码器，用于根据线性运动同时测量由旋转运动引起的绝对位置和旋转角。

发明内容

本公开的一个方面在于提供测量线性运动和旋转运动的绝对位置测量方法。绝对位置测量方法使用其中两个一维绝对位置二进制码正交并且以矩阵形式排列的二维绝对位置标尺。通过改变单个二进制状态表示的相位来对一维绝对位置二进制码进行编码。

二维绝对位置标尺可以使用光学和结构特性被有效地解码。二维绝对位置标尺可以精确地对二维位置和旋转角进行解码。

二维绝对位置二进制码的细分可以通过检测用来对绝对位置编码进行编码的二进制状态表示的相对位置来执行。因此，绝对位置编码不会干扰细分处理。因此，任何伪随机序列都可以用作绝对位置代码。

本公开中提出的方法不需要用于细分的附加传感单元。所提出的方法可以使用简单的配置和有效数据处理来实现。

根据本公开的一方面，使用二维绝对位置标尺的位置测量方法包括：拍摄参考坐标系的二维绝对位置标尺以提供旋转坐标系的标尺图像；选择所述标尺图像的全部或一部分作为傅里叶变换感兴趣区域并且对所述傅里叶变换感兴趣区域进行傅里叶变换以计算初始旋转角；选择在所述标尺图像中彼此间隔开的第一初始感兴趣区域和第二初始感兴趣区域，将所述第一初始感兴趣区域和所述第二初始感兴趣区域旋转所述初始旋转角，并且基于旋转了所述初始旋转角的初始参考坐标系切割所述第一初始感兴趣区域和所述第二初始感兴趣区域，以分别计算第一感兴趣区域和第二感兴趣区域；对所述第一感兴趣区域进行解码以计算所述第一感兴趣区域的第一中心位置并且对所述第二感兴趣区域进行解码以计算所述第二感兴趣区域的第二中心位置；以及使用所述第一感兴趣区域的所述第一中心位置和所述第二感兴趣区域的所述第二中心位置计算所述二维绝对位置标尺的位置和旋转角。

在示例实施方案中，选择所述标尺图像的全部或一部分作为傅里叶变换感兴趣区域并且对所述傅里叶变换感兴趣区域进行傅里叶变换以计算初始旋转角的步骤可以包括：将所述傅里叶变换感兴趣区域傅里叶变换成空间频率域；应用从傅里叶变换的傅里叶变换频谱中去除直流(DC)分量的滤波器以选择四点频谱的中心位置；以及选择所述四点频谱的所述中心位置中的一个以基于所述空间频率域计算初始旋转角。

在示例实施方案中，所述第一初始感兴趣区域和所述第二初始感兴趣区域在所述旋转坐标系的轴方向上可以分别与所述傅里叶变换的感兴趣区域的中心间隔开恒定距离。所述第一初始感兴趣区域和所述第二初始感兴趣区域中的每一个可以设置在所述傅里叶变换感兴趣区域的外部以避免与所述傅里叶变换感兴趣区域重叠。

在示例实施方案中，可以在所述初始参考坐标系的第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向上在旋转了的所述第一初始感兴趣区域内以正方形的形式切割所述第一感兴趣区域，并且可以在所述初始参考坐标系的所述第一方向和垂直于所述第一方向的所述第二方向上在所述第二初始感兴趣区域内以正方形的形式切割所述第二感兴趣区域。

在示例实施方案中，所述二维绝对位置标尺可以包括二维数据单元，所述二维数据单元包括对应于在所述参考坐标系的第一方向上排列的第一绝对位置二进制码的一维数据单元和对应于在所述参考坐标系的第二方向上排列的第二绝对位置二进制码的一维数据单元的组合。所述一维数据单元可以包括数据部分、中性部分和时钟部分，每个部分包括具有规则间隔的一个或多个分段。所述一维数据单元可以表示第一状态并且包括连续排列的数据部分、中性部分和时钟部分。所述一维数据单元可以表示第二状态并且包括连续排列的中性部分、数据部分和时钟部分。

在示例实施方案中，所述中性部分可以分为两个分段，所述数据部分可以分为三个分段，以及所述时钟部分可以分为三个分段。

在示例实施方案中，所述二维绝对位置标尺可以是二维相位编码二进制标尺。

在示例实施方案中，对所述第一感兴趣区域进行解码以计算所述第一感兴趣区域的第一中心位置并且对所述第二感兴趣区域进行解码以计算所述第二感兴趣区域的第二中心位置的步骤可以包括：在所述初始参考坐标系的第一方向上对构成所述第一感兴趣区域的像素进行求和或平均以提供所述第一感兴趣区域的第二方向强度分布；在所述初始参考坐标系的第二方向上对构成所述第一感兴趣区域的像素进行求和或平均以提供所述第一感兴趣区域的第一方向强度分布；在所述初始参考坐标系的所述第一方向上对构成所述第二感兴趣区域的像素进行求和或平均以提供所述第二感兴趣区域的第二方向强度分布；在所述初始参考坐标系的所述第二方向上对构成所述第二感兴趣区域的像素进行求和或平均以提供所述第二感兴趣区域的第一方向强度分布；使用所述第一感兴趣区域的所述第二方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且提供所述第一感兴趣区域的第二方向中心位置；使用所述第一感兴趣区域的所述第一方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且提供所述第一感兴趣区域的第一方向中心位置；使用所述第二感兴趣区域的所述第二方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且提供所述第二感兴趣区域的第二方向中心位置；以及使用所述第二感兴趣区域的所述第一方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且提供所述第二感兴趣区域的第一方向中心位置。

在示例实施方案中，所述二维绝对位置标尺可以包括二维数据单元，所述二维数据单元包括对应于在所述参考坐标系的第一方向上排列的第一绝对位置二进制码的一维数据单元和对应于在所述参考坐标系的第二方向上排列的第二绝对位置二进制码的一维数据单元的组合。所述一维数据单元可以包括数据部分、中性部分和时钟部分，每个部分包括具有规则间隔的一个或多个分段。使用所述第二感兴趣区域的所述第一方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且提供所述第二感兴趣区域的第一方向中心位置的步骤可以包括：在所述第二方向强度分布中查找对应于所述时钟部分的时钟像素；从所述第二方向强度分布中的所述时钟像素计算对应于所述数据部分的绝对代码像素，并且将所述绝对代码像素与参考值进行比较以确定数据单元的逻辑状态；将包括所述数据单元的码字转换成绝对位置代码；选择对应于所述第二方向强度分布中的所述数据部分的位置的数据像素，预计所述数据像素在对应于所述数据单元的每个像素子集中具有最大强度；使用所述数据像素周围的强度分布计算相位；以及使用所述相位和所述绝对位置代码计算绝对位置。

根据本公开的一方面，使用二维绝对位置标尺的位置测量方法包括：拍摄参考坐标系的二维绝对位置标尺以提供旋转坐标系的标尺图像；选择所述标尺图像的一部分作为傅里叶变换感兴趣区域并且对所述傅里叶变换感兴趣区域进行傅里叶变换以计算初始旋转角；选择基于所述标尺图像的中心位置在旋转坐标系的第一方向上彼此间隔开恒定距离的第一初始感兴趣区域和第二初始感兴趣区域，使所述第一初始感兴趣区域和所述第二初始感兴趣区域旋转所述初始旋转角，并且基于初始参考坐标系对所述第一初始感兴趣区域和所述第二初始感兴趣区域进行切割以计算第一感兴趣区域和第二感兴趣区域；选择基于所述标尺图像的所述中心位置在垂直于所述第一方向的第二方向上彼此间隔开恒定长度的第三感兴趣区域和第四感兴趣区域，使所述第三初始感兴趣区域和所述第四初始感兴趣区域旋转所述初始旋转角，基于初始参考坐标系对所述第三初始感兴趣区域和所述第四初始感兴趣区域进行切割以计算第三感兴趣区域和第四感兴趣区域；对所述第一感兴趣区域进行解码以计算所述第一感兴趣区域的第二方向中心位置以及对所述第二感兴趣区域进行解码以计算所述第二感兴趣区域的第二方向中心位置；对所述第三感兴趣区域进行解码以计算所述第三感兴趣区域的第一方向中心位置以及对所述第四感兴趣区域进行解码以计算所述第四感兴趣区域的第一方向中心位置；以及使用所述第一感兴趣区域的所述第二方向中心位置、所述第二感兴趣区域的所述第二方向中心位置、所述第三感兴趣区域的所述第一方向中心位置和所述第四感兴趣区域的所述第一方向中心位置来计算所述二维绝对位置标尺的位置和旋转角。

在示例实施方案中，对所述第一感兴趣区域进行解码以计算所述第一感兴趣区域的第二方向中心位置以及对所述第二感兴趣区域进行解码以计算所述第二感兴趣区域的第二方向中心位置的步骤可以包括：在所述初始参考坐标系的第一方向上对构成所述第一感兴趣区域的像素进行求和或平均以提供所述第一感兴趣区域的第二方向强度分布；使用所述第一感兴趣区域的所述第二方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且计算所述第一感兴趣区域的第二方向中心位置；在所述初始参考坐标系的所述第一方向上对构成所述第二感兴趣区域的像素进行求和或平均以提供所述第二感兴趣区域的第二方向强度分布；以及使用所述第二感兴趣区域的所述第二方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且计算所述第二感兴趣区域的第二方向中心位置。

在示例实施方案中，对所述第三感兴趣区域进行解码以计算所述第三感兴趣区域的第一方向中心位置以及对所述第四感兴趣区域进行解码以计算所述第四感兴趣区域的第一方向中心位置的步骤可以包括：在所述初始参考坐标系的第二方向上对构成所述第三感兴趣区域的像素进行求和或平均以提供所述第三感兴趣区域的第一方向强度分布；使用所述第三感兴趣区域的所述第一方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且计算所述第三感兴趣区域的第一方向中心位置；在所述初始参考坐标系的所述第二方向上对构成所述第四感兴趣区域的像素进行求和或平均以提供所述第四感兴趣区域的第一方向强度分布；以及使用所述第四感兴趣区域的所述第一方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且计算所述第四感兴趣区域的第一方向中心位置。

在示例实施方案中，选择所述标尺图像的一部分作为傅里叶变换感兴趣区域并且对所述傅里叶变换感兴趣区域进行傅里叶变换以计算初始旋转角的步骤可以包括：将所述傅里叶变换感兴趣区域傅里叶变换成空间频率域；应用从傅里叶变换的傅里叶变换频谱中去除直流(DC)分量的滤波器以选择四点频谱的中心位置；以及选择所述四点频谱的所述中心位置中的一个以基于所述空间频率域计算初始旋转角。

在示例实施方案中，所述第一初始感兴趣区域和所述第二初始感兴趣区域在所述旋转坐标系的轴方向上可以分别与所述傅里叶变换的感兴趣区域的中心间隔开恒定距离。所述第一初始感兴趣区域和所述第二初始感兴趣区域中的每一个可以设置在所述傅里叶变换感兴趣区域的外部以避免与所述傅里叶变换感兴趣区域重叠。

在示例实施方案中，可以在所述初始参考坐标系的第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向上在旋转了的所述第一初始感兴趣区域内以正方形的形式切割所述第一感兴趣区域，并且可以在所述初始参考坐标系的所述第一方向和垂直于所述第一方向的所述第二方向上在所述第二初始感兴趣区域内以正方形的形式切割所述第二感兴趣区域。

在示例实施方案中，所述二维绝对位置标尺可以包括二维数据单元，所述二维数据单元包括对应于在所述参考坐标系的第一方向上排列的第一绝对位置二进制码的一维数据单元和对应于在所述参考坐标系的第二方向上排列的第二绝对位置二进制码的一维数据单元的组合。所述一维数据单元可以包括数据部分、中性部分和时钟部分，每个部分包括具有规则间隔的一个或多个分段。所述一维数据单元可以表示第一状态并且可以包括连续排列的数据部分、中性部分和时钟部分。所述一维数据单元可以表示第二状态并且可以包括连续排列的中性部分、数据部分和时钟部分。

在示例实施方案中，所述中性部分可以分为两个分段，所述数据部分可以分为三个分段，以及所述时钟部分可以分为三个分段。

根据本公开的一方面，使用二维绝对位置标尺的位置测量方法可以包括：拍摄参考坐标系的二维绝对位置标尺以提供旋转坐标系的标尺图像；选择所述标尺图像的全部或一部分作为傅里叶变换感兴趣区域并且对所述傅里叶变换感兴趣区域进行傅里叶变换以计算初始旋转角；基于旋转了所述初始旋转角的初始参考坐标系切割所述标尺图像的全部或一部分以提取感兴趣区域；以及对所述感兴趣区域进行解码以计算所述感兴趣区域的中心位置。

在示例实施方案中，所述二维绝对位置标尺可以包括二维数据单元，所述二维数据单元包括对应于在所述参考坐标系的第一方向上排列的第一绝对位置二进制码的一维数据单元和对应于在所述参考坐标系的第二方向上排列的第二绝对位置二进制码的一维数据单元的组合。所述一维数据单元可以包括数据部分、中性部分和时钟部分，每个部分包括具有规则间隔的一个或多个分段。所述一维数据单元可以表示第一状态并且可以包括连续排列的数据部分、中性部分和时钟部分。所述一维数据单元可以表示第二状态并且可以包括连续排列的中性部分、数据部分和时钟部分。

在示例实施方案中，所述中性部分可以分为两个分段，所述数据部分可以分为三个分段，以及所述时钟部分可以分为三个分段。

根据本公开的另一方面，绝对位置测量装置包括：二维绝对位置标尺，所述二维绝对位置标尺包括绝对位置二进制码；光源，所述光源将光照射到所述二维绝对位置标尺上；光传感器阵列，所述光传感器阵列感测所述二维绝对位置标尺；以及信号处理单元，所述信号处理单元处理由所述光传感器阵列生成的标尺图像以计算所述二维绝对位置标尺的位置和旋转角。

在示例实施方案中，所述绝对位置测量装置可以进一步地包括：分束器，所述分束器反射所述光源的输出光以将所反射的光提供给所述二维绝对位置标尺并且透射从所述二维绝对位置标尺反射的光；透镜，所述透镜将透过所述分束器的光聚焦到所述光传感器阵列上；支撑部分，所述支撑部分支撑所述光源、所述分束器和所述成像透镜；光传感器阵列支撑部分，所述光传感器阵列支撑部分上安装有所述光传感器阵列；间隔物，所述间隔物保持所述光传感器阵列和所述透镜之间的距离。

在示例实施方案中，所述绝对位置测量装置可以进一步地包括：工作台，所述工作台装备有所述二维绝对位置标尺，提供直线运动和旋转运动中的至少一种。

在示例实施方案中，所述二维绝对位置标尺可以包括二维数据单元，所述二维数据单元包括在参考坐标系的第一方向上排列的第一绝对位置二进制码和在所述参考坐标系的第二方向上排列的第二绝对位置二进制码的组合。所述第一绝对位置二进制码和所述第二绝对位置二进制码中的每一种包括一维数据单元。所述一维数据单元可以表示第一状态("0")或第二状态("1")。表示所述第一状态("0")的所述一维数据单元可以包括连续排列的数据部分、中性部分和时钟部分。表示所述第二状态("1")的所述一维数据单元可以包括连续排列的中性部分、数据部分和时钟部分。表示(0，0)状态的二维数据单元可以标记在表示第二绝对位置二进制码的"0"的数据部分和表示第一绝对位置二进制码的"0"的数据部分的交叉点上。表示(0，1)状态的二维数据单元可以标记在表示第二方向的绝对位置二进制码的"1"的数据部分和表示第一方向的绝对位置二进制码的"0"的数据部分的交叉点上。表示(1，0)状态的二维数据单元可以标记在表示所述第二方向的绝对位置二进制码的"0"的数据部分和表示所述第一方向的绝对位置二进制码的"1"的数据部分的交叉点上。表示(1，1)状态的二维数据单元可以标记在表示所述第二方向的绝对位置二进制码的"1"的数据部分和表示所述第一方向的绝对位置二进制码的"1"的数据部分的交叉点上。

在示例实施方案中，所述数据部分、所述中性部分和所述时钟部分中的每一个可以包括具有规则间隔的一个或多个分段。所述中性部分可以分为两个分段，所述数据部分可以分为三个分段，以及所述时钟部分可以分为三个分段。

在示例实施方案中，所述信号处理单元可以选择所述标尺图像的全部或一部分作为傅里叶变换感兴趣区域并且可以对所述傅里叶变换感兴趣区域进行傅里叶变换以计算初始旋转角。所述信号处理单元可以基于旋转了所述初始旋转角的初始参考坐标系切割所述标尺图像的全部或一部分以提取感兴趣区域。所述信号处理单元可以对所述感兴趣区域进行解码以计算所述感兴趣区域的中心位置。

根据本公开的另一方面，一种二维绝对位置二进制标尺包括绝对位置二进制码。所述二维绝对位置标尺可以包括二维数据单元，所述二维数据单元包括在参考坐标系的第一方向上排列的第一绝对位置二进制码和在所述参考坐标系的第二方向上排列的第二绝对位置二进制码的组合。所述第一绝对位置二进制码和所述第二绝对位置二进制码中的每一种可以包括一维数据单元。所述一维数据单元可以包括数据部分、中性部分和时钟部分。表示(0，0)状态的二维数据单元可以标记在表示第二绝对位置二进制码的"0"的数据部分和表示第一绝对位置二进制码的"0"的数据部分的交叉点上。表示(0，1)状态的二维数据单元可以标记在表示第二方向的绝对位置二进制码的"1"的数据部分和表示第一方向的绝对位置二进制码的"0"的数据部分的交叉点上。表示(1，0)状态的二维数据单元可以标记在表示所述第二方向的绝对位置二进制码的"0"的数据部分和表示所述第一方向的绝对位置二进制码的"1"的数据部分的交叉点上。表示(1，1)状态的二维数据单元可以标记在表示所述第二方向的绝对位置二进制码的"1"的数据部分和表示所述第一方向的绝对位置二进制码的"1"的数据部分的交叉点上。

在示例实施方案中，所述数据部分、所述中性部分和所述时钟部分中的每一个可以包括具有规则间隔的一个或多个分段。所述一维数据单元可以表示第一状态("0")并且可以包括连续排列的数据部分、中性部分和时钟部分。所述一维数据单元可以表示第二状态("1")并且可以包括连续排列的中性部分、数据部分和时钟部分。

在示例实施方案中，所述中性部分可以分为两个分段，所述数据部分可以分为三个分段，以及所述时钟部分可以分为三个分段。

附图说明

鉴于附图和下面的具体实施方式，本公开会变得更明显。其中描述的实施方案是以示例的方式而不是以限制的方式提供，其中相同的附图标记指代相同的或相似的元件。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在示出本公开的各个方面上。

图1是示出了根据本公开的示例实施方案的一维绝对位置二进制码标尺的示意图。

图2是示出了根据本公开的另一个示例实施方案的二维绝对位置二进制码标尺的二维数据单元的概念图。

图3是示出了根据本公开的另一个示例实施方案的二维绝对位置二进制码标尺的概念图。

图4示出了根据本公开的另一个示例实施方案的二维二进制码标尺和标尺图像。

图5示出了根据本公开的另一个示例实施方案的二维二进制码标尺和标尺图像。

图6示出了标尺图像、傅里叶变换感兴趣区域FET ROI和感兴趣区域。

图7是通过将傅里叶变换感兴趣区域FET ROI傅里叶变换成空间频率域FX-FY获得的结果。

图8示出了在旋转了图7中的第二初始感兴趣区域ROI₂的初始旋转角θ的初始参考坐标系X"-Y"中切割的第二感兴趣区域ROI₂'和通过在Y"轴方向上对第二感兴趣区域ROI2'进行求和获得的第一方向强度分布Isum(x)。

图9示出了第二感兴趣区域ROI₂'的第一方向强度分布Isum(x)的一部分、与其对应的标尺和与其对应的绝对位置代码。

图10是取决于根据本公开的另一个示例实施方案的绝对位置测量方法的标尺图像、傅里叶变换感兴趣区域、初始感兴趣区域和感兴趣区域的示意图。

图11示出了图10中第一感兴趣区域ROI₁'和通过在第一方向X″上对第一感兴趣区域ROI₁'进行求和获得的第二方向强度分布。

图12示出了第三感兴趣区域ROI₃'和通过在第二方向Y″上对第三感兴趣区域ROI₃'进行求和获得的第一方向强度分布。

图13是根据本公开的另一个示例实施方案的绝对位置测量装置的概念图。

图14是根据本公开的另一个示例实施方案的绝对位置测量装置100a的立体图。

图15示出了根据本公开的另一个示例实施方案的绝对位置测量装置100a的测量结果。

图16示出了根据本公开的另一个示例实施方案的绝对位置传感器的结果。

具体实施方式

本公开提供了一种配置成测量精密多轴工作台系统的平面运动的新型绝对X-Y-Θ位置传感器。对二维相位编码二进制标尺(2D PEBS)的旋转了的感兴趣区域ROI的图像进行分析以分别获得在两个单独点处的绝对位置值。可以将这两个值组合以计算绝对X-Y-Θ位置。

X-Y-Θ位置传感器的传感器头101可以使用板级相机、发光二极管光源、成像透镜和立方分束器来配置。有意选择平均或求和方向以在拍摄二维相位编码二进制标尺的全部或一部分的标尺图像中获得均匀的空间强度分布。此外，通过增大感兴趣区域(ROI)之间的允许的偏移尺寸(或距离)可以获得测量角度的更高的分辨率。从分辨率、非线性和可重复性方面评估X-Y-Θ位置传感器的性能。X-Y-Θ位置传感器可以清楚地分辨25nm线性位移和0.001°角位移，并且当重复测量2D网格位置时，标准偏差小于18nm。

在各种高科技制造系统和科学仪器中，将精密工作台用作产生精确的位置和扫描轨迹的主要部件。应该使用精确的X-Y-Θ位置传感器来高精度地控制和校准工作台。

精密工作台系统具有多轴配置以在平面内执行复杂的操作。使用多个单级运动传感器测量产生的运动。平面内精确对准可以使用具有三个自由度的X-Y-Θ工作台和UVW工作台。例如，需要测量两个线性运动和一个旋转运动。平面内精确对准是典型的示例，其中需要三个自由度X-Y-Θ的平面运动测量。

根据示例实施方案的位置测量装置是可以精确测量X-Y-Θ位置并且可以包括单个传感器头的光学编码器。因此，可以提供多轴测量的具有竞争力的解决方案。

根据示例实施方案的绝对位置编码器提供了无需初始化的绝对位置，并且确保比增量编码器更高的鲁棒性。绝对位置测量方法使用其中对多位绝对位置代码进行编码的专门设计的标尺图案，并且使用细分算法来提高测量分辨率。

可以使用相位编码二进制标尺(PEBS)精确测量二维平面位置。然而，使用大型显微镜成像系统来证明所提出的方法的有效性，并且不能测量旋转角θ。因此，需要提供关于平面运动X-Y-Θ的所有信息的小传感器头来获得实际效果。

在根据示例实施方案的X-Y-Θ位置测量装置中，传感器头可以具有足够小的尺寸以防止对其他部件的干扰，并且可以将集成到并入精密多轴工作台和操作系统中的位置传感器中。

通过使两个单码道二进制码正交重叠来配置对绝对位置二进制码(APBC)进行编码的2D相位编码二进制标尺(PEBS)。单码道二进制码包括表示绝对位置二进制码的数据位的一系列数据单元。单码道二进制码标尺由数据单元表示。2D相位编码二进制标尺可以通过彼此正交的单码道二进制码标尺的AND逻辑运算确定。单个数据单元包括数据部分D、中性部分N和时钟部分C。单个数据单元具有表示二进制状态的两种类型。

每个数据单元的时钟部分C在周期性位置上重复，以提供用于数据处理的对准键图案。数据部分D的位置与中性部分N交换以表示绝对位置二进制码的每个单元的二进制状态。对多位二进制码进行解码以便对二进制码标尺的图像进行分析从而识别绝对位置，并且通过细分过程以更高的分辨率对数据部分D的位置进行检测。

相机拍摄2D相位编码二进制标尺(PEBS)以创建标尺图像。使用X-Y位置集(X1，Y1；X2，Y2)计算标尺图像的中心点处的绝对X-Y-Θ位置，从而计算出彼此间隔开规则距离2L的两个感兴趣区域的中心点。

当2D相位编码二进制标尺(PEBS)的坐标轴和光传感器阵列(photo-sensorarray)彼此不匹配时，这些轴通过图像旋转对准以便使用数据处理获得每个位置的XY位置。可以通过对快速傅里叶变换(FFT)感兴趣区域FFT ROI的图像应用2D快速傅里叶变换(FFT)来计算初始旋转角θ。将第一初始感兴趣区域ROI₁和第二初始感兴趣区域ROI₂的两个图像切割成合适的尺寸以分别形成第一感兴趣区域ROI_1'和第二感兴趣区域ROI_2'。使第一感兴趣区域ROI_1'和第二感兴趣区域ROI_2'旋转初始旋转角θ以适合于数据处理。通过数据处理计算出的第一感兴趣区域ROI_1'和第二感兴趣区域ROI_2'的中心位置通过运算提供绝对位置值X-Y-Θ。

下面将参照附图更全面地描述本公开的实施方案。然而，本公开可以以不同的形式实施并且不应理解为限于本文所陈述的实施方案。相反，提供这些实施方案是为了使本公开更加透彻和完整，并且将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。

二维绝对位置二进制码标尺110二维布置在平面上。相机拍摄二维绝对位置二进制码标尺110的全部或一部分以提供标尺图像110'。标尺图像110'的像素坐标轴可以围绕二维绝对位置二进制标尺100的数据单元的坐标轴旋转。为了描述二维绝对位置二进制标尺110，将描述一维绝对位置二进制码标尺。

图1是示出了根据本公开的示例实施方案的一维绝对位置二进制码标尺的概念图。

[单码道二进制码标尺(Single-Track Binary Code Scale)]

参照图1，通过用预定代码(或数据单元)代替绝对位置二进制码来形成一维绝对位置二进制码标尺。绝对位置二进制码可以由伪随机码形成。表示绝对位置二进制码(APBC)的单个数据位的数据单元包括三个部分。单个数据单元包括数据部分D、时钟部分C和中性部分N。每个部分包括具有规则间隔的一个或多个分段。因此，每个数据单元包括三个或更多个分段。数据部分D可以分为三个分段，中性部分N可以分为两个分段，时钟部分C可以分为三个分段。用预定代码(或数据单元)代替绝对位置二进制码以将其图案化为一维标尺。

数据部分D和时钟部分C可以具有不同的二进制状态(不同的光反射率和不同的透光率)，而中性部分N可以具有与时钟部分C相同的状态，使得数据单元表示"0"状态(第一二进制状态)。例如，数据部分D可以用导电材料进行编码以具有高反射率，而时钟部分C和中性部分N可以是透明的。

数据部分D和时钟部分C可以彼此交换位置，使得数据单元表示"1"状态(第二二进制状态)。

表示"0"状态(第一二进制状态)的数据单元可以具有连续排列的数据部分D、中性部分N和时钟部分C。表示"1"状态(第二二进制状态)的数据单元可以具有连续排列的中性部分N、数据部分D和时钟部分C。

时钟部分C在周期性位置上重复，并且时钟部分C可以为我们提供用于数据处理的对准键图案。

数据部分D的位置被移位以表示绝对位置二进制码中每个数据单元的不同的第二二进制状态。这种移位可以在时钟部分C之外的其他部分中执行。移位幅度是一个分段宽度的整数倍。中性部分N是不属于数据部分D和时钟部分C的分段。

具体地，每个数据单元包括八个分段，数据部分D包括三个分段，中性部分N包括两个分段，时钟部分C包括三个分段。数据部分D移位了两个分段以表示"1"状态(第二二进制状态)。

需要对绝对位置二进制码进行细分以获得高分辨率。通过感测数据部分的位置来计算细分的绝对位置。

使用获得的用于对绝对位置进行解码的数据执行细分过程，而无需附加的传感单元或数据获取。根据本公开的位置测量方法不去除关于细分的信息以对绝对位置二进制码进行编码。

因此，我们也可以应用表示绝对位置的任何伪随机码，而不会在细分过程中牺牲准确性。

2D二进制码标尺

图2是示出了根据本公开的另一个示例实施方案的二维绝对位置二进制码标尺的二维数据单元的概念图。

参照图2，通过用预定代码(或数据单元)代替二维绝对位置二进制码来形成二维绝对位置二进制码标尺110。二维绝对位置二进制码标尺包括二维数据单元，其中二维排列有两个一维绝对位置二进制码。二维数据单元可以表示(0，0)状态、(0，1)状态、(1，0)状态和(1，1)状态。即，二维数据单元分类为四种类型。

二维数据单元由参考坐标系X-Y中的第一方向(X轴方向)上的绝对位置二进制码和第二方向(Y轴方向)上的绝对位置二进制码的组合形成。

二维绝对位置标尺包括二维数据单元，该二维数据单元包括参考坐标系X-Y中排列在第一方向(X轴方向)上的第一绝对位置二进制码和排列在第二方向(Y轴方向)上的第二绝对位置二进制码。第一绝对位置二进制码和第二绝对位置二进制码中的每一个都包括一维数据单元。

一维数据单元包括数据部分、中性部分和时钟部分。一维数据单元表示第一状态("0")或第二状态("1")。彼此正交的一对第一绝对位置二进制码和第二绝对位置二进制码在其交叉处形成二维数据单元。

表示(0，0)状态的二维数据单元被标记为在表示第二方向上的第二绝对位置二进制码的"0"的数据部分D和表示第一方向上的第一绝对位置二进制码的"0"的数据部分D的交叉处显示出不同的光学特性。

表示(0，1)状态的二维数据单元被标记为在表示第二方向上的第二绝对位置二进制码的"1"的数据部分D和表示第一方向上的第一绝对位置二进制码的"0"的数据部分D的交叉处显示出不同的光学特性。

表示(1，0)状态的二维数据单元被标记为在表示第二方向上的第二绝对位置二进制码的"0"的数据部分D和表示第一方向上的第一绝对位置二进制码的"1"的数据部分D的交叉处显示出不同的光学特性。

表示(1，1)状态的二维数据单元被标记为在表示第二方向上的第二绝对位置二进制码的"1"的数据部分D和表示第一方向上的第一绝对位置二进制码的"1"的数据部分D的交叉处显示出不同的光学特性。

即，表示(0，0)状态的二维数据单元，当投影到第一方向(X轴方向)上时提供表示"0"状态的一维数据单元，而当投影到第二方向(Y轴方向)上时提供表示"0"状态的一维数据单元。

表示(0，1)状态的二维数据单元，当投影到第一方向(X轴方向)上时提供表示"0"状态的一维数据单元，而当投影到第二方向(Y轴方向)上时提供表示"1"状态的一维数据单元。

表示(1，0)状态的二维数据单元，当投影到第一方向(X轴方向)上时提供表示"1"状态的一维数据单元，而当投影到第二方向(Y轴方向)上时提供表示"0"状态的一维数据单元。

表示(1，1)状态的二维数据单元，当投影到第一方向(X轴方向)上时提供表示"1"状态的一维数据单元，而当投影到第二方向(Y轴方向)上时提供表示"1"状态的一维数据单元。

构成第一绝对位置二进制码和第二绝对位置二进制码中的每一个的单个一维数据单元包括数据部分D、时钟部分C和中性部分N。部分D、部分C中的每一个都包括一个或多个分段。每个一维数据单元表示第一状态("0")或第二状态("1")。具有第一状态("0")的一维数据单元可以具有连续排列的数据部分D、中性部分N和时钟部分C。具有第二状态("1")的一维数据单元可以具有连续排列的中性部分N、数据部分D和时钟部分C。数据部分D具有与中性部分N和时钟部分C的光学特性不同的光学特性。数据部分D可以分为三个分段，中性部分N可以分为两个分段，时钟部分C可以分为三个分段。各自的分段可以具有规则的间隔。一维数据单元可以具有总共8个分段。因此，单个二维数据单元可以包括8×8个分段。

图3是示出了根据本公开的另一个示例实施方案的二维绝对位置二进制码标尺的概念图。

参照图3，绝对位置二进制码可以被选择作为伪随机码。伪随机码(或绝对位置二进制码)的3位序列可以是'001110100'。伪随机码可以包括3位码字。可以对单个码字进行解码以指示特定位置。伪随机码的每一位表示"第一状态(HIGH)"或"第二状态(LOW)"。

伪随机码序列在第一方向X和第二方向Y上排列，并且形成对应的二维数据单元。二维数据单元可以表示(0，0)状态、(0，1)状态、(1，0)状态或(1，1)状态。

通过用预定代码(或数据单元)代替二维绝对位置二进制码(或二维伪随机码)来形成二维绝对位置二进制码标尺。

二维绝对位置二进制码标尺110可以由相机拍摄以在第一和第二方向上包括至少一个码字，并且可以提供标尺图像。可以对标尺图像进行解码以提取第一方向X上的码字和第二方向Y上的码字。所提取的码字可以转换成绝对位置。此外，可以通过数据单元的细分来计算相位。码字和相位可以提供精确的绝对位置。

图4示出了根据本公开的另一个示例实施方案的二维二进制码标尺和标尺图像。

参照图4，拍摄捕获二维二进制码标尺110的标尺图像110'以提取每个坐标轴的一个或多个码字。

在二维二进制码标尺110的左侧示出了在第一方向X上平均的一维标尺和第二方向强度分布的三位。

在二维二进制码标尺110的上侧示出了在第二方向Y上平均的第一方向强度分布的三位。

对第一方向强度分布进行解码以提供第一方向上的码字和相对相位。可以对第二方向强度分布进行解码以提供第二方向上的码字和相对相位。因此，可以计算二维二进制码标尺110的位置。

图5示出了根据本公开的另一个示例实施方案的二维二进制码标尺和标尺图像。

参照图5，参考坐标系X-Y的二维二进制码标尺110可以围绕由相机获得的正方形标尺图像110'旋转。二维二进制码标尺110可以排列在参考坐标系X-Y的轴向方向上，而标尺图像110'可以排列在旋转坐标系X'-Y'的轴方向上。参考坐标系X-Y和旋转坐标系X'-Y'可以旋转旋转角θ。需要从标尺图像110'计算标尺图像110'的中心位置(X，Y)和旋转角θ。

可以选择标尺图像110'的全部或一部分以选择傅里叶变换感兴趣区域FFT ROI。傅里叶变换感兴趣区域FFT ROI可以通过傅里叶变换提供初始旋转角θ。傅里叶变换感兴趣区域FFT ROI可以具有正方形形状。

旋转了初始旋转角θ的标尺图像110'可以沿着初始参考坐标系X"-Y"的坐标轴进行切割以形成感兴趣区域ROI。感兴趣区域ROI可以是正方形的形式，并且针对每个坐标轴可以包括至少一个码字。在误差范围内，初始参考坐标系X"-Y"和参考坐标系X-Y可以是相同的。

可以在初始参考坐标系X"-Y"的第一方向(X"轴)上对感兴趣区域ROI进行求和或平均以提供第二方向强度分布。可以在初始参考坐标系X"-Y"的第二方向(Y"轴)上对感兴趣区域ROI进行求和或平均以提供第一方向强度分布。可以对第一方向强度分布进行解码以提供第一方向上的码字和相位。可以对第二方向强度分布进行解码以提供第二方向上的码字和相对相位。因此，可以计算感兴趣区域ROI的位置。

图6示出了标尺图像、傅里叶变换感兴趣区域FFT ROI和感兴趣区域。

参照图6，使用了二维绝对位置二进制码标尺110。在二维二进制码标尺110中，灰色和白色分别表示反射区域和非反射区域。用n位线性移位反馈寄存器LSFR来生成绝对位置二进制码。绝对位置二进制码APBC具有除了所有n位都处于0状态的情况以外的2ⁿ-1个组合。可以调节光学系统的放大率，使得光传感器阵列的单个像素的宽度与二维绝对位置二进制码标尺110的单个分段的宽度相对应。光传感器阵列获得二维标尺强度分布或图像。光传感器阵列可以具有1286x 960像素阵列。

对绝对位置二进制码APBC进行编码的二维标尺通过使两个单码道二进制码标尺正交重叠然后为交叉处提供特定的光学特性来配置。单码道二进制码标尺包括表示绝对位置二进制码APBC的数据位的一系列数据单元。

每个数据单元的时钟部分C在周期性位置上重复以提供用于数据处理的对准键图案。数据部分D的位置与中性部分N交换以指示绝对位置二进制码APBC中每个单元的二进制状态。通过分析二进制码标尺的标尺图像对多位二进制码进行解码以分析绝对位置，并且通过细分过程以更高的分辨率检测数据部分的位置。

二维绝对位置二进制码标尺110包括沿着参考坐标系X-Y的坐标轴排列的二维数据单元。另一方面，标尺图像110'包括在旋转坐标系X'-Y'中沿着光传感器阵列的像素的阵列轴排列的像素。

标尺图像110'的中心点处的绝对位置(X，Y)和旋转角θ使用彼此间隔开相等距离L的第一位置(X₁，Y₁)和第二位置(X₂，Y₂)来计算，如下所示。

(方程式1)

当2D相位编码二进制标尺PEBS的参考坐标系(XY)的坐标轴和光传感器阵列的旋转坐标系X'-Y'的坐标轴彼此不匹配时，执行图像旋转以使用数据处理获得第一位置(X₁，Y₁)和第二位置(X₂，Y₂)。旋转坐标系X'-Y'可以是光传感器阵列的像素坐标轴。

在由光传感器阵列拍摄的标尺图像110'中，可以选择正方形傅里叶变换感兴趣区域FFT ROI。对于旋转坐标系X'-Y'的每个轴，傅里叶变换感兴趣区域FFT ROI的像素数可以是2ⁿ。可以考虑数据处理时间来适当地选择傅里叶变换感兴趣区域FFT ROI。更具体地，第一轴(X'轴)上的像素数是256，第二轴(Y'轴)上的像素数是256。

初始旋转角θ的提取

图7是通过将傅里叶变换感兴趣区域FFT ROI傅里叶变换成空间频率域FX-FY获得的结果。

参照图7，将傅里叶变换感兴趣区域FFT ROI傅里叶变换成空间频率域FX-FY。傅里叶变换的傅里叶变换频谱表示傅里叶域中的四个峰。将配置成去除DC分量的直流(DC)滤波器应用于傅里叶变换频谱。因此，提取四个峰。选择四个峰值频谱中的一个以基于空间频率域的中心点(原点)获得初始旋转角θ。

更具体地，可以通过将2D快速傅里叶变换(FFT)应用于傅里叶变换感兴趣区域FFTROI来计算初始旋转角θ。在空间频率域FX-FY中，傅里叶变换感兴趣区域FFT ROI可以由除DC分量之外的四个点表示。例如，可以基于空间频率域的中心点(原点)相对于存在于第一象限中的峰值频谱计算傅里叶变换感兴趣区域FFT ROI的初始旋转角θ，如下所示。

(方程式2)

返回到图6，可以从光传感器阵列的整个图像(1286×960像素)中选择第一初始感兴趣区域ROI₁和第二初始感兴趣区域ROI₂。可以将第一初始感兴趣区域ROI₁和第二初始感兴趣区域ROI₂选择为基于整个标尺图像110'的中心点在旋转坐标系X'-Y'的第一方向X'上对称性地具有规则的距离L或感兴趣区域偏移(ROI偏移)L。

图8示出了在旋转了图7中的第二初始感兴趣区域ROI₂的初始旋转角θ的初始参考坐标系X"-Y"中切割的第二感兴趣区域ROI_2'和通过在Y"轴方向上对第二感兴趣区域ROI_2'进行求和获得的第一方向强度分布Isum(x)。

参照图8，第一初始感兴趣区域ROI₁和第二初始感兴趣区域ROI₂中的每一个相对于参考坐标系X-Y顺时针方向旋转初始旋转角θ。

旋转了的第一初始感兴趣区域ROI₁可以以正方形的形式切割以在初始参考坐标系X"-Y"的轴向方向上包括至少一个码字，并且可以提供第一感兴趣区域ROI_1'。第一感兴趣区域ROI_1'的像素数可以是184x 184。标尺110使用10位二进制码。184个像素可以对应于23个包括8个分段(或像素)的数据单元。23位足以分析10位码字。

旋转了的第二初始感兴趣区域ROI₂以正方形的形式切割以在初始参考坐标系X"-Y"的轴方向上包括至少一个码字，并且可以提供第二感兴趣区域ROI_2'。

第一感兴趣区域ROI_1'可以通过数据处理在其中心提供绝对位置(X₁，Y₁)。第二感兴趣区域ROI_2'可以通过数据处理在其中心提供绝对位置(X₂，Y₂)。

计算通过数据处理计算出的第一感兴趣区域ROI_1'和第二感兴趣区域ROI_2'的中心位置(X₁，Y₁)和(X₂，Y₂)。然后执行方程式1以获得绝对位置(X，Y)和旋转角θ。

ROI的数据处理

在初始参考坐标系X"-Y"的第一方向(X"轴方向)上对构成第一感兴趣区域ROI_1'的像素进行求和或平均以提供第一感兴趣区域ROI_1'的第二方向强度分布Isum(y)。在初始参考坐标系X"-Y"的第一方向X"上对第一感兴趣区域ROI_1'的第二方向强度分布Isum(y)进行求和或平均以提高稳定性。

在初始参考坐标系X"-Y"的第二方向(Y"轴方向)上对构成第一感兴趣区域ROI_1'的像素进行求和或平均以提供第一感兴趣区域ROI_1'的第一方向强度分布Isum(x)。

在初始参考坐标系X"-Y"的第一方向(X"轴方向)上对构成第二感兴趣区域ROI_2'的像素进行求和或平均以提供第二感兴趣区域ROI_2'的第二方向强度分布Isum(y)。

在初始参考坐标系X"-Y"的第二方向(Y"轴方向)上对构成第一感兴趣区域ROI_1'的像素进行求和或平均以提供第一感兴趣区域ROI_1'的第一方向强度分布Isum(x)。

在初始参考坐标系X"-Y"的第二方向(Y"轴方向)上对构成第二感兴趣区域ROI_2'的像素进行求和或平均以提供第二感兴趣区域ROI_2'的第一方向强度分布Isum(x)。

在下文中，作为示例，将描述从第二感兴趣区域ROI_2'的第一方向强度分布Isum(x)提取绝对位置的方法。

在二维数据单元具有8x 8个分段的情况下，需要8x n个像素或更多个像素的强度分布来处理n位绝对位置二进制码APBC的数据。数据单元的n位状态提供了码字，并且通过查找表将码字转换成粗略的绝对位置。然后，计算数据单元的相位以计算精确的绝对位置。

在10位二进制码的情况下，第二感兴趣区域ROI_2'的第一方向强度分布Isum(x)可以包括80个像素或更多个像素。在这个示例中，第二感兴趣区域ROI_2'的第一方向强度分布Isum(x)包括184个像素。

可以通过以下过程从第一方向强度分布Isum(x)获得具有细分的分辨率的绝对位置。

通过使用第一感兴趣区域ROI_1'的第二方向强度分布Isum(y)，提取绝对位置代码和相位

并且计算第一感兴趣区域ROI_1'的第二方向中心位置Y₁。

通过使用第一感兴趣区域ROI_1'的第一方向强度分布Isum(x)，提取绝对位置代码和相位

并且计算第一感兴趣区域ROI_1'的第一方向中心位置X₁。

通过使用第二感兴趣区域ROI_2'的第二方向强度分布Isum(y)，提取绝对位置代码和相位

并且计算第二感兴趣区域ROI_2'的第二方向中心位置Y₂。

通过使用第二感兴趣区域ROI_2'的第一方向强度分布Isum(x)，提取绝对位置代码和相位

并且计算第二感兴趣区域ROI_2'的第一方向中心位置X₂。

通过使用第一感兴趣区域ROI_1'的中心位置(X₂，Y₂)和第二感兴趣区域ROI₂'的中心位置(X₂，Y₂)，通过方程式1计算标尺图像的中心坐标(X，Y)和旋转角θ。

图9示出了第二感兴趣区域ROI_2'的第一方向强度分布Isum(x)的一部分、与其对应的标尺和与其对应的绝对位置代码。

查找时钟像素的操作(S110)

参照图9，我们发现时钟像素Cp几乎与数据单元的时钟部分C紧密对准。可以通过检查具有8个像素间隔的像素的强度总和Sm来检测时钟像素Cp。

(方程式3)

其中I_j表示第j个像素的强度。由于时钟部分C是周期性非反射区域，所以时钟像素Cp的强度总和具有最小值。单个数据单元的宽度对应于单个像素子集。可选择地，数据单元的单个分段对应于第一方向强度分布Isum(x)的单个像素。

时钟像素Cp的顺序被分配为时钟像素索引(C_pi＝1，...，和8)。第7、第15、第23和第31个像素的总和具有最小值。因此，第七(C_pi＝7)像素对应于时钟部分C的中心分段。

查找绝对位置代码的操作(S120)

为了对绝对位置二进制码APBC进行解码，通过在时钟像素索引减小2的方向上循环移位时钟像素索引来获得绝对代码像素索引A_pi。在这个示例中，绝对代码像素索引A_pi是5。

在每个像素子集中，使用对应于绝对代码像素索引A_pi的绝对代码像素Ap的强度执行与参考值(大约1600)的比较。当对应于绝对代码像素索引A_pi的绝对代码像素Ap的强度大于或等于参考值时，数据单元表示"1"。当对应于绝对代码像素索引Api的绝对代码像素Ap的强度小于参考值时，数据单元表示"0"。即，确定像素子集的二进制状态(S124)。即，将第5、第13、第21和第29个像素的值与参考值进行比较以表示数据"1100"。通过单个码字的后续操作来读取10位。

当第5、第13、第21和第29个像素中的每一个的强度都大于所有绝对代码像素Ap的平均强度时，确定包括该像素的子集处于"1"状态(第二二进制状态)。在相反的情况下，子集表示"0"状态(第一二进制状态)。使用查找表LUT将所获得的二进制码转换成绝对位置代码P_LUT。

通过两个操作来执行绝对位置二进制码APBC的细分。在第一操作中，我们通过使用绝对代码像素索引A_pi获得具有单个像素的分辨率的光传感器阵列和标尺之间的相对位置。在下一个操作中，通过使用相位计算算法以高分辨率计算数据部分D的相对位置。

查找数据像素Dp的操作(S130)

根据在上述操作中获得的绝对代码像素索引A_pi，我们定位数据像素Dp，这些数据像素Dp是数据部分D的位置并且预计其在每个像素子集中具有最大强度(S130)。

当子集具有"0"状态时，比绝对代码像素Ap靠前两个像素的像素被分配给数据像素Dp。当子集具有"1"状态时，比绝对代码像素Ap靠前一个像素的像素被分配给数据像素Dp。即，数据像素Dp可以是第4、第12、第18和第26个像素。

计算相位的操作

使用数据像素Dp周围的像素值计算数据部分D的精确的相对位置。在所有像素子集中，数据像素Dp周围的三个像素的强度分布可以是相同的。用相同阶数的像素值的平均值来计算精确的相对位置。因此，我们可以避免重复计算每个数据像素Dp的相对位置。

当假定数据像素Dp周围的强度分布具有非理想正弦波形并且使用数值孔径光学系统减小三次谐波项或更高次谐波项时，数据像素Dp周围的每个像素具有π/3的相位差并且数据像素Dp周围的五个像素的强度值表示如下。

(方程式4)

其中I_i，j(j＝-2，...，和2)表示第i个数据单元的数据像素Dp周围的强度值，A₁、A₂和A₃分别表示强度分布的零阶、一阶和二阶傅里叶分量，并且

表示由光传感器阵列的像素的数据部分的精确的状态位置确定的相位。

当将每个像素的强度值平均移位为两个相邻像素的强度值时，计算三个像素的平均强度值，如下所示。

(方程式5)

在平均强度值中，通过相位差为π的三阶项的总和去除三阶谐波项。因此，我们可以通过使用强度值计算不具有非线性误差的相对相位

如下所示。

(方程式6)

其中相对相位的计算中使用的n表示数据单元的数量。

相位

具有从-π/2到-π范围的值。

然而，当数据像素Dp和另一个相邻像素具有彼此相似的强度值时，相邻像素的总和可以大于数据像素Dp的总和，并且相位不具有从-π/2到-π范围的值。由于反正切函数的不连续性，相位值在-π附近迅速改变。为了补偿不连续性，当相位具有正值时，我们从计算出的相位中减去2π。

计算绝对位置值的操作(S150)

通过下面的方程式给出绝对位置值P_abs。

(方程式7)

其中右侧的第一项是具有单个单元的分辨率的解码的绝对位置，第二项表示特定像素，8是每个单元的像素数，第三项是单个像素中Dp的相对相位。在这种情况下，转换系数是3/4。数据像素Dp的正弦波形的间距是六个像素，而单个单元的间距是八个像素。用数据单元的间距p乘以三个项的总和以获得长度方向上的绝对位置值P_abs。

图10是取决于根据本公开的另一个示例实施方案的绝对位置测量方法的标尺图像、傅里叶变换感兴趣区域、初始感兴趣区域和感兴趣区域的概念图。

图11示出了图10中的第一感兴趣区域ROI_1'和通过在第一方向X″上对第一感兴趣区域ROI_1'进行求和获得的第二方向强度分布。

图12示出了第三感兴趣区域ROI_3'和通过在第二方向Y″上对第三感兴趣区域ROI_3'进行求和获得的第一方向强度分布。

参照图10，标尺图像110'可以具有随着从中心位置向边缘前进逐渐减小的强度。标尺图像110'可以取决于将光照射在标尺上的光源的空间分布。因此，需要一种对光源的壳形空间分布不敏感的计算旋转角θ和中心位置的方法。即，可以从旋转标尺图像的中心在径向方向上对感兴趣区域ROI的强度分布进行求和或平均。

根据示例实施方案的绝对位置测量方法使用二维绝对位置标尺110。光传感器阵列拍摄二维绝对位置标尺的全部或一部分以提供标尺图像110'。

根据示例实施方案的绝对位置测量方法包括拍摄参考坐标系X-Y的二维绝对位置标尺110的全部或一部分以提供旋转坐标系X'-Y'的标尺图像110'。更具体地，二维绝对位置标尺110使用图2中的二维数据单元。二维数据单元表示绝对位置二进制码并且沿着参考坐标系X-Y的轴排列。标尺图像110'的旋转坐标系X'-Y'的坐标系是光传感器阵列的阵列坐标系。

接着，选择标尺图像110'的一部分作为傅里叶变换感兴趣区域FFT ROI，并且对傅里叶变换感兴趣区域FFT ROI进行傅里叶变换以计算初始旋转角θ。初始旋转角θ与图7中所描述的相同。

然后，选择基于标尺图像110'的中心位置在旋转坐标系X'-Y'的第一方向X'上彼此间隔开恒定距离L的第一初始感兴趣区域ROI₁和第二初始感兴趣区域ROI₂，使第一初始感兴趣区域ROI₁和第二初始感兴趣区域ROI₂旋转初始旋转角θ，并且基于初始参考坐标系X"-Y"对第一初始感兴趣区域ROI₁和第二初始感兴趣区域ROI₂进行切割以计算第一感兴趣区域ROI_1'和第二感兴趣区域ROI_2'。第一初始感兴趣区域ROI₁和第二初始感兴趣区域ROI₂设置在傅里叶变换感兴趣区域FFT ROI的外部。第一感兴趣区域ROI_1'和第二感兴趣区域ROI_2'在初始参考坐标系X"-Y"的轴方向上可以包括至少一个码字。

此外，选择基于标尺图像100'的中心位置在垂直于第一方向X'的第二方向Y'上彼此间隔开恒定长度L的第三感兴趣区域ROI₃和第四感兴趣区域ROI₄。使第三初始感兴趣区域ROI₃和第四初始感兴趣区域ROI₄旋转初始旋转角θ，并且基于初始参考坐标系X"-Y"对其进行切割以计算第三感兴趣区域ROI_3'和第四感兴趣区域ROI_4'。

参照图11，对第一感兴趣区域ROI_1'进行解码以计算第一感兴趣区域ROI_1'的第二方向中心位置Y₁。对第二感兴趣区域ROI_2'进行解码以计算第二感兴趣区域ROI_2'的第二方向中心位置Y₂。

更具体地，对第一感兴趣区域ROI_1'进行解码以计算第一感兴趣区域ROI_1'的第二方向中心位置Y₁包括在初始参考坐标系X"-Y"的第一方向X"上对构成第一感兴趣区域ROI_1'的像素进行求和或平均以提供第一感兴趣区域ROI_1'的第二方向强度分布Isum(y)。使用第二方向强度分布Isum(y)提取绝对位置代码和相位并且计算第一感兴趣区域ROI_1'的第二方向中心位置Y₁。计算第一感兴趣区域ROI_1'的第二方向中心位置Y₁的方法与参照图9所描述的相同。

对第二感兴趣区域ROI_2'进行解码以计算第二感兴趣区域ROI_2'的第二方向中心位置Y₂包括在初始参考坐标系X"-Y"的第一方向X"上对构成第二感兴趣区域ROI_2'的像素进行求和或平均以提供第二感兴趣区域ROI_2'的第二方向强度分布Isum(y)。使用第二感兴趣区域ROI_2'的第二方向强度分布Isum(y)提取绝对位置代码和相位并且计算第二感兴趣区域ROI_2'的第二方向中心位置Y₂。计算第二感兴趣区域ROI_2'的第二方向中心位置Y₂的方法与参照图9所描述的相同。

参照图12，对第三感兴趣区域ROI_3'进行解码以计算第三感兴趣区域ROI_3'的第一方向中心位置X₁。对第四感兴趣区域ROI_4'进行解码以计算第四感兴趣区域ROI_4'的第一方向中心位置X₂。

对第三感兴趣区域ROI_3'进行解码以计算第三感兴趣区域ROI_3'的第一方向中心位置X₁包括在初始参考坐标系X"-Y"的第二方向Y"上对构成第三感兴趣区域ROI_3'的像素进行求和或平均以提供第三感兴趣区域ROI_3'的第一方向强度分布Isum(x)。使用第三感兴趣区域ROI_3'的第一方向强度分布Isum(x)提取绝对位置代码和相位并且计算第三感兴趣区域ROI_3'的第一方向中心位置X₁。

对第四感兴趣区域ROI_4'进行解码以计算第四感兴趣区域ROI_4'的第一方向中心位置X₂包括在初始参考坐标系X"-Y"的第二方向Y"上对构成第四感兴趣区域ROI_4'的像素进行求和或平均以提供第四感兴趣区域ROI_4'的第一方向强度分布Isum(x)。使用第四感兴趣区域ROI_4'的第一方向强度分布Isum(x)提取绝对位置代码和相位并且计算第四感兴趣区域ROI_4'的第一方向中心位置X₂。

然后，使用第一感兴趣区域的第二方向中心位置Y₁、第二感兴趣区域的第二方向中心位置Y₂、第三感兴趣区域的第一方向中心位置X₁和第四感兴趣区域的第一方向中心位置X₂计算二维绝对位置标尺的位置(X，Y)和旋转角θ。

(方程式8)

当ROI偏移L增大时，角度测量的精度提高。然而，强度均匀性随着远离中心区域而降低。通过切换平均方向我们获得了四个感兴趣区域的强度分布以同时增大均匀性和ROI偏移。

通过在水平方向(x"轴方向)上对在第一感兴趣区域ROI_1'和第二感兴趣区域ROI_2'中对准的图像进行平均获得强度分布。对每个强度分布进行处理以分别计算Y₁和Y₂。

通过在垂直方向(y"轴方向)上对在第三感兴趣区域ROI_3'和第四感兴趣区域ROI_4'中对准的图像进行平均获得强度分布。对每个强度分布进行处理以分别计算X₁和X₂。因此，即使在较大的ROI偏移L时，平均强度分布也可以显示出空间均匀分布。

更具体地，将ROI偏移L确定为250个像素，并且使用成像系统的放大率和像素宽度将其转换成实际长度1.00503mm。

图13是根据本公开的另一个示例实施方案的绝对位置测量装置的概念图。

参照图13，绝对X-Y-Θ位置传感器使用在便携式电话的相机模块中使用的成像透镜、板级相机、立方分束器和LED光源来配置。整体包装尺寸大约为27mm x 22mm x 27mm(宽x高x深)。相机提供54fps的12位灰度图像(1280个像素x 960个像素)，并且像素宽度为3.75微米(μm)。单个分段和相位编码二进制标尺(PEBS)的单元宽度分别为4μm和32μm。调节相机和成像透镜之间的距离以使单个像素与二进制相位编码二进制标尺的单个分段相匹配。使用10位线性移位反馈寄存器对绝对位置二进制码进行编码。2D相位编码二进制标尺可以大于或等于20mm x20mm。2D相位编码二进制标尺的二维数据单元与图2中所描述的相同。

根据示例实施方案的绝对位置测量装置100包括二维绝对位置标尺110(该二维绝对位置标尺110包括绝对位置二进制码)、将光照射到二维绝对位置标尺110上的光源140、感测二维绝对位置标尺110的光传感器阵列130和处理由光传感器阵列130生成的标尺图像110'以计算二维绝对位置标尺的位置(X，Y)和旋转角θ的信号处理单元150。

传感器头101包括光源140、光学系统120和光传感器阵列130。光学系统120在光源140与二维绝对位置标尺110以及与光传感器阵列130之间提供光路。光学系统120包括将要提供给二维绝对位置标尺110的光源140的输出光反射并且透射从二维绝对位置标尺110反射的光的分束器122、将透过分束器122的光聚焦到光传感器阵列130上的成像透镜123上、支撑光源140、分束器122和成像透镜123的支撑部分121以及保持光传感器阵列130和成像透镜123之间的距离的间隔物124。

绝对位置测量装置100可以包括二维二进制码标尺110、光学系统120、光源140和光传感器阵列130。光传感器阵列130可以是CMOS图像传感器(CIS)、电荷耦合器件(CCD)或光电二极管阵列。

二维二进制码标尺110可以在透明的基板上图案化反射铬掩模以图案化二维数据单元。通过形成反射铬掩模来解释测量原理，并且可以通过分析二维二进制码标尺的反射强度分布来计算绝对位置。可以将二维二进制码标尺110变换成透射型。可以通过在白色基板上绘制黑色图案来形成二维二进制码标尺110。

光源140可以是可见光区域或红外区域中的发光二极管(LED)光源。由光源140提供的光可以通过扩散板142提供空间均匀的扩散光。

将扩散光提供给分束器122。分束器122可以是立方分束器。由二维二进制码标尺110反射由分束器122反射的光以透过分束器122，然后将其提供给成像透镜123。将透过成像透镜123的光提供给光传感器阵列130。光传感器阵列130可以生成二维二进制码标尺的标尺图像。

支撑部分121可以固定光源140、成像透镜123和分束器122，并且可以是具有光学路径的矩形平行六面体块。支撑部分121可以由塑性材料形成。

间隔物124在成像透镜123和光传感器阵列130之间提供间隙。因此，二维二进制码标尺110可以在光传感器阵列130的放置平面中形成图像。

将由光传感器阵列130获得的标尺图像110'提供给信号处理单元150以进行数据处理。信号处理单元150可以计算二维二进制码标尺110的位置(X，Y)和旋转角θ。

可以将二维绝对位置标尺110固定在工作台160的活动板上。工作台160可以安装要移动的物体并且可以执行X-Y-Θ运动。光传感器阵列130拍摄随着工作台160移动而移动的二维二进制码标尺110。信号处理单元150计算二维二进制码标尺110相对于参考位置的位置变化和旋转角。

工作台驱动单元170可以从信号处理单元150接收位置(X，Y)和旋转角θ，并且可以输出X-方向运动、Y-方向运动和旋转运动以将托架(sled)160对准在预定的位置和预定的旋转角。

数据获取

我们应该获得二维二进制码标尺110的标尺图像110'以用于数据处理。

数据处理取决于应该保持在标尺图像110'中的绝对位置二进制码的结构特性。因此，可以通过反射光传感器阵列130的像素宽度的放大率来处理一个分段的图像的宽度以精确对绝对位置二进制码进行解码。此外，通过获得初始角度θ旋转的感兴趣区域ROI的图像可以再次满足整数倍放大条件。

对于绝对位置二进制码的细分，可以以子像素分辨率计算强度分布中的数据部分的相对位置。

如重心算法和过零算法(zero-crossing algorithm)等各种算法已被广泛用来检测峰值。然而，每一种算法都需要其中数据部分的峰形以许多像素展示的强度分布以获得足够的精度。因此，每一种算法都需要大量的资源和计算时间来获取和处理数据。

我们采用相位-移位干涉仪中使用的相位计算算法来有效地获得相对位置。相位计算算法可以用少量的等间距的像素数据精确计算正弦强度分布的相位。

然而，二进制码的完全分辨图像是矩形形状而不是正弦形状。

图像的FFT频谱具有除了表示单频正弦波形函数的一阶项之外的奇数阶高次谐波项。因此，我们可以使用具有低数值孔径(NA)的成像透镜123，以减小奇数阶高频项并且获得与正弦函数相似的数据部分的强度分布。

图14是根据本公开的另一个示例实施方案的绝对位置测量装置100a的立体图。

参照图14，绝对位置测量装置100a包括包含绝对位置二进制码的二维绝对位置标尺110、将光照射到二维绝对位置标尺110上的光源140、感测二维绝对位置标尺110的光传感器阵列130和处理由光学传感器阵列130生成的标尺图像110'以计算二维绝对位置标尺的位置(X，Y)和旋转角θ的信号处理单元150。传感器头101包括光源140、光学系统120和光传感器阵列130。

工作台160包括设置在基准板161上的X轴工作台162、依赖于X轴工作台162的Y轴工作台163、依赖于Y轴工作台163的旋转工作台164。双轴平移工作台包括X轴工作台162和依赖于X轴工作台的Y轴工作台163。活动板165设置在旋转工作台164上。二维绝对位置二进制码标尺110设置在活动板165的上表面上。传感器头101设置在二维绝对位置二进制码标尺110上以与之隔开。

根据修改的实施方案，传感器头101可以设置在工作台160的基准板161上，并且可以测量安装在活动板165的底面上的二维绝对位置标尺110。

未示出的双轴激光干涉仪感测双轴平移工作台的运动以评估传感器。此外，未示出的角度编码器感测旋转工作台164的旋转运动。角度编码器的不确定性小于±2.5弧秒。

图15示出了根据本公开的另一个示例实施方案的绝对位置测量装置100a的测量结果。

参照图15，当将平移和旋转位移输入应用于工作台160时，评估位置传感器的分辨率(a)。圆圈表示由本公开的传感器头101获得的测量结果，而实线表示双轴激光干涉仪或高精度角度编码器的测量结果。

在实验结果中，本公开的绝对位置传感器可以清楚地分解25nm和0.001度的逐步位移。每个测量轴的非线性误差评估为大于32μm，对应于2D相位编码二进制标尺PEBS的单个数据单元的长度，在精确角度对准应用领域中实际需要的±5度的范围内。

在X轴和Y轴的情况下，非线性误差小于±15nm并且不表示周期为4μm的周期分量(b)。旋转角的非线性误差为±2x 10^-3度或更小。

非线性误差的补偿算法在本公开的传感器配置中有效地工作。

当使用线性回归分析来分析由位置传感器和角度编码器测量的角位移时，比例系数和R平方分别是0.999 922和0.999 999 8。

角度测量的线性度主要受到被评估为几百纳米的标尺图案的位置误差的限制。因此，可以提高相位编码二进制标尺(PEBS)图案的位置精度以增强角度测量的性能，并且当ROI偏移L设定为更大时，其可能对这样的误差源不太敏感。

使用逆向技术评估2D相位编码二进制标尺的方形度为114微弧度(microrad)(μrad)，并且在评估2D位置测量的精度之前对其进行补偿。

图16示出了根据本公开的另一个示例实施方案的绝对位置传感器的结果。

参照图16，根据示例实施方案的绝对位置测量装置(或X-Y-Θ传感器)测量在±200nm范围内以50nm的规则间隔彼此间隔开的2D位置。每个测量位置由使用激光干涉仪控制的双轴锆钛酸铅(PZT)工作台生成。通过执行10次测量获得的位置值显示为数据点。重复测量的标准偏差小于18nm。X-Y-Θ传感器的平均位置值与激光干涉仪的位置值在11nm之内匹配。

当在16mm x 16mm的范围内评估绝对位置测量装置100a的精度时，最大偏差为0.51μm。然而，最大偏差主要是由2D相位编码二进制标尺的未校正的位置误差引起的。使用具有较高质量的标尺可以减小这个误差。

可以通过增加数据处理中使用的数据数量来提高绝对位置测量装置100a的精度。由于计算量小，所以将当前感兴趣区域的尺寸设定为最小值。

刷新速率主要受相机帧速率的限制。2D位置的测量范围通常受2D相位编码二进制标尺的尺寸的限制，但是由于使用2D FFT的预旋转角评估的不确定性，可以在±45度范围内测量绝对角位移。

根据示例实施方案的绝对位置测量装置可以以简单且小型化的配置精确测量3D平面位置(X-Y-Θ)。因此，标尺尺寸可以由用户定义，并且可以设置单个或多个传感器头以有效地用于控制和校准具有各种精度的多轴工作台的位置。

根据上述位置测量方法，通过对通过拍摄二维绝对位置二进制码标尺获得的标尺图像进行解码可以精确地测量旋转角和位置。

根据上述位置测量装置，通过对通过拍摄二维绝对位置二进制码标尺获得的标尺图像进行解码可以精确地测量旋转角和位置。

虽然已经详细描述了本公开及其优势，但是应该理解的是，在不脱离如由随附的权利要求书所限定的本公开的精神和范围的情况下，在本文中可以进行各种改变、替代和变更。

Claims (27)

1.一种使用二维绝对位置标尺的位置测量方法，所述位置测量方法包括：

拍摄参考坐标系的二维绝对位置标尺以提供旋转坐标系的标尺图像；

选择所述标尺图像的全部或一部分作为傅里叶变换感兴趣区域并且对所述傅里叶变换感兴趣区域进行傅里叶变换以计算初始旋转角；

选择在所述标尺图像中彼此间隔开的第一初始感兴趣区域和第二初始感兴趣区域，将所述第一初始感兴趣区域和所述第二初始感兴趣区域旋转所述初始旋转角，并且基于旋转了所述初始旋转角的初始参考坐标系切割所述第一初始感兴趣区域和所述第二初始感兴趣区域，以分别计算第一感兴趣区域和第二感兴趣区域；

对所述第一感兴趣区域进行解码以计算所述第一感兴趣区域的第一中心位置并且对所述第二感兴趣区域进行解码以计算所述第二感兴趣区域的第二中心位置；以及

使用所述第一感兴趣区域的所述第一中心位置和所述第二感兴趣区域的所述第二中心位置计算所述二维绝对位置标尺的位置和旋转角。

2.根据权利要求1所述的位置测量方法，其中选择所述标尺图像的全部或一部分作为傅里叶变换感兴趣区域并且对所述傅里叶变换感兴趣区域进行傅里叶变换以计算初始旋转角的步骤包括：

将所述傅里叶变换感兴趣区域傅里叶变换成空间频率域；

应用从傅里叶变换的傅里叶变换频谱中去除直流分量的滤波器以选择四点频谱的中心位置；以及

选择所述四点频谱的所述中心位置中的一个以基于所述空间频率域计算初始旋转角。

3.根据权利要求1所述的位置测量方法，其中所述第一初始感兴趣区域和所述第二初始感兴趣区域在所述旋转坐标系的轴方向上分别与所述傅里叶变换的感兴趣区域的中心间隔开恒定距离，并且

所述第一初始感兴趣区域和所述第二初始感兴趣区域中的每一个设置在所述傅里叶变换感兴趣区域的外部以避免与所述傅里叶变换感兴趣区域重叠。

4.根据权利要求1所述的位置测量方法，其中在所述初始参考坐标系的第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向上在旋转了的所述第一初始感兴趣区域内以正方形的形式切割所述第一感兴趣区域，并且

在所述初始参考坐标系的所述第一方向和垂直于所述第一方向的所述第二方向上在所述第二初始感兴趣区域内以正方形的形式切割所述第二感兴趣区域。

5.根据权利要求1所述的位置测量方法，其中

所述二维绝对位置标尺包括二维数据单元，所述二维数据单元包括对应于在所述参考坐标系的第一方向上排列的第一绝对位置二进制码的一维数据单元和对应于在所述参考坐标系的第二方向上排列的第二绝对位置二进制码的一维数据单元的组合，

所述一维数据单元包括数据部分、中性部分和时钟部分，每个部分包括具有规则间隔的一个或多个分段，

所述一维数据单元表示第一状态并且包括连续排列的数据部分、中性部分和时钟部分，以及

所述一维数据单元表示第二状态并且包括连续排列的中性部分、数据部分和时钟部分。

6.根据权利要求5所述的位置测量方法，其中

所述中性部分分为两个分段，

所述数据部分分为三个分段，以及

所述时钟部分分为三个分段。

7.根据权利要求1所述的位置测量方法，其中所述二维绝对位置标尺是二维相位编码二进制标尺。

8.根据权利要求1所述的位置测量方法，其中对所述第一感兴趣区域进行解码以计算所述第一感兴趣区域的第一中心位置并且对所述第二感兴趣区域进行解码以计算所述第二感兴趣区域的第二中心位置的步骤包括：

在所述初始参考坐标系的第一方向上对构成所述第一感兴趣区域的像素进行求和或平均以提供所述第一感兴趣区域的第二方向强度分布；

在所述初始参考坐标系的第二方向上对构成所述第一感兴趣区域的像素进行求和或平均以提供所述第一感兴趣区域的第一方向强度分布；

在所述初始参考坐标系的所述第一方向上对构成所述第二感兴趣区域的像素进行求和或平均以提供所述第二感兴趣区域的第二方向强度分布；

在所述初始参考坐标系的所述第二方向上对构成所述第二感兴趣区域的像素进行求和或平均以提供所述第二感兴趣区域的第一方向强度分布；

使用所述第一感兴趣区域的所述第二方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且提供所述第一感兴趣区域的第二方向中心位置；

使用所述第一感兴趣区域的所述第一方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且提供所述第一感兴趣区域的第一方向中心位置；

使用所述第二感兴趣区域的所述第二方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且提供所述第二感兴趣区域的第二方向中心位置；以及

使用所述第二感兴趣区域的所述第一方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且提供所述第二感兴趣区域的第一方向中心位置。

9.根据权利要求7所述的位置测量方法，其中

所述二维绝对位置标尺包括二维数据单元，所述二维数据单元包括对应于在所述参考坐标系的第一方向上排列的第一绝对位置二进制码的一维数据单元和对应于在所述参考坐标系的第二方向上排列的第二绝对位置二进制码的一维数据单元的组合，

所述一维数据单元包括数据部分、中性部分和时钟部分，每个部分包括具有规则间隔的一个或多个分段，并且

使用所述第二感兴趣区域的所述第一方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且提供所述第二感兴趣区域的第一方向中心位置的步骤包括：

在所述第二方向强度分布中查找对应于所述时钟部分的时钟像素；

从所述第二方向强度分布中的所述时钟像素计算对应于所述数据部分的绝对代码像素，并且将所述绝对代码像素与参考值进行比较以确定数据单元的逻辑状态；

将包括所述数据单元的码字转换成绝对位置代码；

选择对应于所述第二方向强度分布中的所述数据部分的位置的数据像素，预计所述数据像素在对应于所述数据单元的每个像素子集中具有最大强度；

使用所述数据像素周围的强度分布计算相位；以及

使用所述相位和所述绝对位置代码计算绝对位置。

10.一种使用二维绝对位置标尺的位置测量方法，所述位置测量方法包括：

拍摄参考坐标系的二维绝对位置标尺以提供旋转坐标系的标尺图像；

选择所述标尺图像的一部分作为傅里叶变换感兴趣区域并且对所述傅里叶变换感兴趣区域进行傅里叶变换以计算初始旋转角；

选择基于所述标尺图像的中心位置在旋转坐标系的第一方向上彼此间隔开恒定距离的第一初始感兴趣区域和第二初始感兴趣区域，使所述第一初始感兴趣区域和所述第二初始感兴趣区域旋转所述初始旋转角，并且基于初始参考坐标系对所述第一初始感兴趣区域和所述第二初始感兴趣区域进行切割以计算第一感兴趣区域和第二感兴趣区域；

选择基于所述标尺图像的所述中心位置在垂直于所述第一方向的第二方向上彼此间隔开恒定长度的第三初始感兴趣区域和第四初始感兴趣区域，使所述第三初始感兴趣区域和所述第四初始感兴趣区域旋转所述初始旋转角，基于初始参考坐标系对所述第三初始感兴趣区域和所述第四初始感兴趣区域进行切割以计算第三感兴趣区域和第四感兴趣区域；

对所述第一感兴趣区域进行解码以计算所述第一感兴趣区域的第二方向中心位置以及对所述第二感兴趣区域进行解码以计算所述第二感兴趣区域的第二方向中心位置；

对所述第三感兴趣区域进行解码以计算所述第三感兴趣区域的第一方向中心位置以及对所述第四感兴趣区域进行解码以计算所述第四感兴趣区域的第一方向中心位置；以及

使用所述第一感兴趣区域的所述第二方向中心位置、所述第二感兴趣区域的所述第二方向中心位置、所述第三感兴趣区域的所述第一方向中心位置和所述第四感兴趣区域的所述第一方向中心位置来计算所述二维绝对位置标尺的位置和旋转角。

11.根据权利要求10所述的位置测量方法，其中对所述第一感兴趣区域进行解码以计算所述第一感兴趣区域的第二方向中心位置以及对所述第二感兴趣区域进行解码以计算所述第二感兴趣区域的第二方向中心位置的步骤包括：

在所述初始参考坐标系的第一方向上对构成所述第一感兴趣区域的像素进行求和或平均以提供所述第一感兴趣区域的第二方向强度分布；

使用所述第一感兴趣区域的所述第二方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且计算所述第一感兴趣区域的第二方向中心位置；

在所述初始参考坐标系的所述第一方向上对构成所述第二感兴趣区域的像素进行求和或平均以提供所述第二感兴趣区域的第二方向强度分布；以及

使用所述第二感兴趣区域的所述第二方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且计算所述第二感兴趣区域的第二方向中心位置。

12.根据权利要求10所述的位置测量方法，其中对所述第三感兴趣区域进行解码以计算所述第三感兴趣区域的第一方向中心位置以及对所述第四感兴趣区域进行解码以计算所述第四感兴趣区域的第一方向中心位置的步骤包括：

在所述初始参考坐标系的第二方向上对构成所述第三感兴趣区域的像素进行求和或平均以提供所述第三感兴趣区域的第一方向强度分布；

使用所述第三感兴趣区域的所述第一方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且计算所述第三感兴趣区域的第一方向中心位置；

在所述初始参考坐标系的所述第二方向上对构成所述第四感兴趣区域的像素进行求和或平均以提供所述第四感兴趣区域的第一方向强度分布；以及

使用所述第四感兴趣区域的所述第一方向强度分布提取绝对位置代码和相位并且计算所述第四感兴趣区域的第一方向中心位置。

13.根据权利要求10所述的位置测量方法，其中选择所述标尺图像的一部分作为傅里叶变换感兴趣区域并且对所述傅里叶变换感兴趣区域进行傅里叶变换以计算初始旋转角的步骤包括：

将所述傅里叶变换感兴趣区域傅里叶变换成空间频率域；

应用从傅里叶变换的傅里叶变换频谱中去除直流分量的滤波器以选择四点频谱的中心位置；以及

选择所述四点频谱的所述中心位置中的一个以基于所述空间频率域计算初始旋转角。

14.根据权利要求10所述的位置测量方法，其中所述第一初始感兴趣区域和所述第二初始感兴趣区域在所述旋转坐标系的轴方向上分别与所述傅里叶变换的感兴趣区域的中心间隔开恒定距离，并且

所述第一初始感兴趣区域和所述第二初始感兴趣区域中的每一个设置在所述傅里叶变换感兴趣区域的外部以避免与所述傅里叶变换感兴趣区域重叠。

15.根据权利要求10所述的位置测量方法，其中在所述初始参考坐标系的第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向上在旋转了的所述第一初始感兴趣区域内以正方形的形式切割所述第一感兴趣区域，并且

在所述初始参考坐标系的所述第一方向和垂直于所述第一方向的所述第二方向上在所述第二初始感兴趣区域内以正方形的形式切割所述第二感兴趣区域。

16.根据权利要求10所述的位置测量方法，其中

所述二维绝对位置标尺包括二维数据单元，所述二维数据单元包括对应于在所述参考坐标系的第一方向上排列的第一绝对位置二进制码的一维数据单元和对应于在所述参考坐标系的第二方向上排列的第二绝对位置二进制码的一维数据单元的组合，

所述一维数据单元包括数据部分、中性部分和时钟部分，每个部分包括具有规则间隔的一个或多个分段，

所述一维数据单元表示第一状态并且包括连续排列的数据部分、中性部分和时钟部分，以及

所述一维数据单元表示第二状态并且包括连续排列的中性部分、数据部分和时钟部分。

17.根据权利要求16所述的位置测量方法，其中

所述中性部分分为两个分段，

所述数据部分分为三个分段，以及

所述时钟部分分为三个分段。

18.一种使用二维绝对位置标尺的位置测量方法，所述位置测量方法包括：

拍摄参考坐标系的二维绝对位置标尺以提供旋转坐标系的标尺图像；

选择所述标尺图像的全部或一部分作为傅里叶变换感兴趣区域并且对所述傅里叶变换感兴趣区域进行傅里叶变换以计算初始旋转角；

基于旋转了所述初始旋转角的初始参考坐标系切割所述标尺图像的全部或一部分以提取感兴趣区域；以及

对所述感兴趣区域进行解码以计算所述感兴趣区域的中心位置，

其中，所述二维绝对位置标尺包括二维数据单元，所述二维数据单元包括对应于在所述参考坐标系的第一方向上排列的第一绝对位置二进制码的一维数据单元和对应于在所述参考坐标系的第二方向上排列的第二绝对位置二进制码的一维数据单元的组合，

所述一维数据单元包括数据部分、中性部分和时钟部分，每个部分包括具有规则间隔的一个或多个分段，

所述一维数据单元表示第一状态并且包括连续排列的数据部分、中性部分和时钟部分，以及

所述一维数据单元表示第二状态并且包括连续排列的中性部分、数据部分和时钟部分。

19.根据权利要求18所述的位置测量方法，其中

所述中性部分分为两个分段，

所述数据部分分为三个分段，以及

所述时钟部分分为三个分段。

20.一种绝对位置测量装置，包括：

二维绝对位置标尺，所述二维绝对位置标尺包括绝对位置二进制码；

光源，所述光源将光照射到所述二维绝对位置标尺上；

光传感器阵列，所述光传感器阵列感测所述二维绝对位置标尺；和

信号处理单元，所述信号处理单元处理由所述光传感器阵列生成的标尺图像以计算所述二维绝对位置标尺的位置和旋转角，

其中，所述二维绝对位置标尺包括二维数据单元，所述二维数据单元包括在参考坐标系的第一方向上排列的第一绝对位置二进制码和在所述参考坐标系的第二方向上排列的第二绝对位置二进制码的组合，

所述第一绝对位置二进制码和所述第二绝对位置二进制码中的每一种包括一维数据单元，

所述一维数据单元表示第一状态"0"或第二状态"1"，

表示所述第一状态"0"的所述一维数据单元包括连续排列的数据部分、中性部分和时钟部分，

表示所述第二状态"1"的所述一维数据单元包括连续排列的中性部分、数据部分和时钟部分，

表示第一状态的二维数据单元标记在表示所述第二绝对位置二进制码的"0"的数据部分和表示所述第一绝对位置二进制码的"0"的数据部分的交叉点上，

表示第二状态的二维数据单元标记在表示所述第二绝对位置二进制码的"1"的数据部分和表示所述第一绝对位置二进制码的"0"的数据部分的交叉点上，

表示第三状态的二维数据单元标记在表示所述第二绝对位置二进制码的"0"的数据部分和表示所述第一绝对位置二进制码的"1"的数据部分的交叉点上，以及

表示第四状态的二维数据单元标记在表示所述第二绝对位置二进制码的"1"的数据部分和表示所述第一绝对位置二进制码的"1"的数据部分的交叉点上。

21.根据权利要求20所述的绝对位置测量装置，进一步地包括：

分束器，所述分束器反射所述光源的输出光以将所反射的光提供给所述二维绝对位置标尺并且透射从所述二维绝对位置标尺反射的光；

透镜，所述透镜将透过所述分束器的光聚焦到所述光传感器阵列上；

支撑部分，所述支撑部分支撑所述光源、所述分束器和所述透镜；

光传感器阵列支撑部分，所述光传感器阵列支撑部分上安装有所述光传感器阵列；以及

间隔物，所述间隔物保持所述光传感器阵列和所述透镜之间的距离。

22.根据权利要求20所述的绝对位置测量装置，进一步地包括：

工作台，所述工作台装备有所述二维绝对位置标尺，提供直线运动和旋转运动中的至少一种。

23.根据权利要求20所述的绝对位置测量装置，其中所述数据部分、所述中性部分和所述时钟部分中的每一个包括具有规则间隔的一个或多个分段，

所述中性部分分为两个分段，

所述数据部分分为三个分段，以及

所述时钟部分分为三个分段。

24.根据权利要求23所述的绝对位置测量装置，其中所述信号处理单元选择所述标尺图像的全部或一部分作为傅里叶变换感兴趣区域并且对所述傅里叶变换感兴趣区域进行傅里叶变换以计算初始旋转角，

所述信号处理单元基于旋转了所述初始旋转角的初始参考坐标系切割所述标尺图像的全部或一部分以提取感兴趣区域，以及

所述信号处理单元对所述感兴趣区域进行解码以计算所述感兴趣区域的中心位置。

25.一种包括绝对位置二进制码的二维绝对位置二进制标尺，

其中所述二维绝对位置二进制标尺包括二维数据单元，所述二维数据单元包括在参考坐标系的第一方向上排列的第一绝对位置二进制码和在所述参考坐标系的第二方向上排列的第二绝对位置二进制码的组合，

所述第一绝对位置二进制码和所述第二绝对位置二进制码中的每一种包括一维数据单元，

所述一维数据单元包括数据部分、中性部分和时钟部分，

表示第一状态的二维数据单元标记在表示所述第二绝对位置二进制码的"0"的数据部分和表示所述第一绝对位置二进制码的"0"的数据部分的交叉点上，

表示第二状态的二维数据单元标记在表示所述第二绝对位置二进制码的"1"的数据部分和表示所述第一绝对位置二进制码的"0"的数据部分的交叉点上，

表示第三状态的二维数据单元标记在表示所述第二绝对位置二进制码的"0"的数据部分和表示所述第一绝对位置二进制码的"1"的数据部分的交叉点上，以及

表示第四状态的二维数据单元标记在表示所述第二绝对位置二进制码的"1"的数据部分和表示所述第一绝对位置二进制码的"1"的数据部分的交叉点上。

26.根据权利要求25所述的二维绝对位置二进制标尺，其中所述数据部分、所述中性部分和所述时钟部分中的每一个包括具有规则间隔的一个或多个分段，

所述一维数据单元表示第一状态"0"并且包括连续排列的数据部分、中性部分和时钟部分，以及

所述一维数据单元表示第二状态"1"并且包括连续排列的中性部分、数据部分和时钟部分。

27.根据权利要求26所述的二维绝对位置二进制标尺，其中

所述中性部分分为两个分段，

所述数据部分分为三个分段，以及

所述时钟部分分为三个分段。

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