CN1326090C - 减少内参考像位移时图像相关系统位置误差的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于图像相关系统中校正或减少位置误差的方法和系统，其获取误差函数，该函数基本反映标准参考图像更新长度上发生的误差，和在第一频率上发生的误差，以及各种其它系统误差。误差可与第一参考值进行比较以拟合位置误差。在不同的实施例中，在将误差函数拟合到第一参考值的过程中，可变化误差函数的参数。所得到的误差函数被随后用于判定位置误差并提供更加准确的图像相关系统。在一个典型应用中，第一频率与像素间距有关，而且与参考图像变化之间的距离有关的标准参考图像更新长度是可使用的最大参考图像更新长度。

Description

减少内参考像位移时图像相关系统位置误差的系统和方法

技术领域

本发明涉及图像相关系统。

背景技术

多种知名设备是使用由传感器阵列获得的图像，以及由传感器阵列获得的图像之间的相关性，来确定变形和/或偏移。例如，有一种这样的设备是以获得斑点图像为基础的，该斑点图像通过用光源照射光粗糙表面而产生。通常，光源是相干光源，诸如产生激光的光源。这种产生激光的光源包括激光器、激光二极管等。在光粗糙表面用光源照射后，从光粗糙表面发散的光线在光学传感器上成像。光学传感器可以是电荷耦合器件(CCD)，或半导体图像传感器阵列，诸如CMOS图像传感器阵列等。

在移动或变形光粗糙表面之前，第一或参考斑点图像被捕捉并存储。接着，在移动或变形光粗糙表面之后，第二或后来的斑点图像被捕捉并存储。随后参考和第二斑点图像进行基于像素的比较。总体来说，要进行多次比较。在每次比较中，参考和第二斑点图像会发生彼此相关的偏移或空间变化。在每次比较之间，偏移量或空间变化会增加一个已知的量，诸如一个图像要素、像素或图像要素或像素的整数。

在每次比较中，参考图像中特定像素的图像值与对应的第二像素的图像值相乘或相减，其中，根据偏移量来决定对应的第二像素。每次像素间操作所产生的值被累积起来以决定参考和第二图像之间比较的相关值。该相关值随后可有效地描绘出偏移量或空间转化的位置，用以决定相关函数值的点的比较。在参考和第一图像之间具有最大相关性的偏移将在相关函数值点的曲线上产生峰值或谷底值，这取决于像素间的比较是怎样进行的。峰值或谷底值的偏移量表示参考和第二斑点图像之间的位移或变形。

在需要子像素分辨率和准确性的图像相关系统中，子像素分辨率通过子像素的内插法获得。在已知的实验室类型的系统中，子像素内插法通常是通过以下几步来进行的，即：以连续函数来拟合常规交叉函数的离散像素与像素之间的点，以子像素的分辨率来定位拟合函数的极值或峰值，以及假设极值或峰值，其中定位是对参考和第二图像之间真实偏移以及相关位移的最好估算。同样已知的是向合成图像施加相同的步骤，该合成图像是在子像素步骤向相邻原始像素之间插值而产生的，就好像图像是采用在理想子像素位置上的像素而形成的。

在需要子像素分辨率的传统图像相关系统和高准确性实验室系统中，当确定参考图像和第二图像之间子像素分辨率的偏移时，在子像素中引入了系统位移误差。比如，由用于交叉相关算法的内插方法所引起的系统位移误差可被引入子像素图像相关当中。在确定位移当中的系统误差可受很多因素的影响，诸如斑点图案的频率内容、振幅衰减以及用于相关中内插器的相位误差。在确定位移当中的系统误差也会受用于模拟相关函数，诸如线性的、二次的、高斯等类型的内插函数的影响。

通过参考其全部并为了所有目的而明确地结合于此的美国专利申请第09/731,671号，披露了在基于相实性的位置传感器中用于决定高准确度位移的系统和方法。671号申请披露了在基于相关性的位置传感器等中估算图像的子像素位移的系统和方法。随后这些系统和方法舍弃了系统位移的估算误差，该误差是在传统子像素估算方法应用于多个相关函数的数值点时所产生的，特别是当相关函数值点非对称排列时。

通过参考其全部并为了所有目的而明确地结合于此的美国专利申请第09/860,636号，披露了减少图像相关系统中积累的系统误差的系统和方法。在636号申请中，提供该系统和方法以在基于图像相关性的位置传感器等中减少图像的子像素位移中所积累的系统误差。但是，在636号申请中披露的系统和方法并没有补偿在图像相关系统中由于未校准光源或光失真或两者都存在而带来的位置误差。

发明内容

除了系统位移误差，发明人已确定了，需要子像素分辨率的图像相关系统和高准确度实验室系统还将受到由于未校准光源或光失真或两者都存在而产生的位置误差的影响。比如，671号申请中披露的系统和方法并未补偿图像相关系统中由于未校准光源或光失真或两者都存在所带来的位置误差。相类似地，636号申请中披露的系统和方法并未补偿在图像相关系统中由于未校准光源或光失真或两者都存在所带来的位置误差。

发明人已发现，在传统的图像相关系统中，当确定偏移位置时引入了内参考图像位置误差，其中，位移误差取决于参考图像和第二图像之间的位移。也就是说，内参考图像位置误差是在不需要改变参考图像的位移范围内发生的误差。

发明人还发现，在多种典型图像相关系统中，内参考图像的位移误差会由于未校准光源和/或光失真而发生。发明人发现，当第二图像的位置与参考图像位置偏移了好几个像素时，这种内参考图像误差将不利地影响图像相关系统的准确性。因此，除非参考图像的位置间隔几个像素就改变，否则图像相关系统的准确性将由于这些位置误差而受到影响。另一方面，频繁改变参考图像的位置以防止这种位置误差将不利地影响系统的存储需求和测量所能达到的速度。当改变参考图像时，这也会增加积累的误差，正如636号申请中所讨论的。

在高准确定位等中使用图像相关的传统图像相关设备和实验室系统中，由于未校准光源和光失真而发生的位置误差所带来的实际问题还未被充分考虑到。

特别是，这些传统的设备和高准确度实验室系统等已经对减少或校正由于未校准光源和/或光失真而引起的位置误差提出了不成熟想法。也就是，这些传统设备和高准确度实验室系统等已经对当位移超过几个像素间隔时由于未校准光源和/或光失真而产生的位置误差提出了不成熟想法。这些位置误差，及其它诸如内参考图像位置误差之类的位置误差都是特定系统设计和/或结构的特征。因此，对于特定系统设计和/或结构，这样的误差可具备这样的特征，即与未规定或任意参考图像位置相关的位移有关。此后，与任何参考图像位置相关的位移都可根据该特征进行补偿或校正。

本发明分别地提供了用于减少与参考图像和第二图像之间的位移相关的内参考图像误差的系统和方法。

本发明分别地提供了用于减少图像相关系统中可能由于未校准光源和/或光失真而引起的位置误差的系统和方法。

本发明分别地提供了用于减少位置误差的系统和方法。

本发明分别地提供了用于减少在诸如基于相关性位置传感器等图像相关位移检测系统中的位置误差的系统和方法。

本发明分别地提供了通过实时计算来增加准确位移判定速度的系统和方法。

本发明分别地提供了参考图像不需要频繁改变的系统和方法，通过减少或校正由于参考图像和第二图像之间的位移而发生的内参考图像位置误差。

本发明分别地提供了参考图像不需要频繁改变的系统和方法，通过减少或校正由于参考图像和第二图像之间的位移而产生的内参考图像位置误差，其中的位移由诸如未校准光源和/或光失真之类的因素所产生。

本发明分别地提供了参考图像不需要频繁改变的系统和方法，通过校正或减少由于未校准光源和/或光失真所带来的位置误差。

本发明分别地提供了特别适用于使用斑点图像来测量表面位移的系统和方法。

根据本发明的系统和方法将参考探测“图像”进行描述，其中术语“图像”并不局限于光学图像，而是更加概括地涉及一维、两维或更高维排列的探测值系列。类似地，此处使用的术语“像素”并不局限于光学图像元素，而是更加概括地涉及一维、两维或更高维排列的探测值系列的量化度。应该理解的是，术语“图像”并不局限于完整的图像，而是更加概括地涉及任何图像部分，包括一维、两维或更高维排列的探测值系列。

根据本发明的系统和方法根据与像素间隔相关的第一空间频率和与参考图像变化相关的第二空间频率来估算内参考图像位移中的位置误差。

在根据本发明相关系统和方法的各种典型实施例中，确定不同系统位置误差方法的好处，即当任何已知或后来发展的图像相关方法被用于确定参考图像和位移图像之间或当前的参考图像和新的参考图像之间的位移时而产生的好处，可通过减少或校正由于参考图像和第二图像之间的位移而产生的内参考图像位置误差来保持，其中的位移诸如那些由于未校准光源和/或光失真所引起的。

在根据本发明相关系统和方法的其它各种典型实施例中，系统和方法特别适用于斑点图像的应用。

在根据本发明相关系统和方法的其它各种典型实施例中，系统和方法特别适用于高度准确地以高速来减少带斑点图像型读数头的图像相关中的积累误差。

本发明的这些和其它的特征和优点将通过以下详细描述根据本发明系统和方法的各种典型实施例来描述或变得明显。

附图说明

本发明的其它方面和优点将通过阅读以下的详细描述和附图而变得明显，其中的附图只是用来描述，而并非限制本发明，其中：

图1是与斑点图像相关的光学位置传感器的框图；

图2描绘了当前的参考和位移图像之间的关系以及当前的参考和位移图像中用于根据第一技术产生相关值的部分；

图3描绘了当前的参考和位移图像之间的关系以及当前的参考和位移图像中用于根据第二技术产生相关值的部分；

图4描绘了当前的参考和位移图像之间的关系以及当前的参考和位移图像中用于根据第三技术产生相关值的部分；

图5是描绘通过用传统乘法相关函数比较第一和第二图像来获得相关函数的一个典型实施例的图表，此时，第一和第二图像是以连续像素的位移方式偏置的；

图6是描绘在参考图像和当前的位移图像之间一系列位移位置上的系统位移误差的图表；

图7是描绘图像相关测量系统中典型的内参考图像位置误差与参考图像和当前的位移图像位置之间位移位置的关系的一个典型实施例的图表；

图8是描绘所测的内参考图像位置误差和基于第一补偿函数的补偿内参考图像位置误差的图表，它根据本发明系统和方法的一个典型实施例获得，适用于图像相关测量系统，其中参考图像以大约52.7微米的位移更新；

图9描绘了所测内参考图像位置误差和基于第二补偿函数的补偿内参考图像位置误差，它根据本发明系统和方法的一个典型实施例获得，适用于图像相关测量系统，其中，参考图像以大约94.6微米的位移更新；

图10描绘了所测内参考图像位置误差和基于第三补偿函数的补偿内参考图像位置误差，它根据本发明系统和方法的一个典型实施例获得，适用于图像相关测量系统，其中，参考图像以大约95微米的位移更新；

图11是概括获取描述根据本发明的内参考图像位置误差的函数参数的方法的一个典型实施例的流程图；

图12是概括用于补偿位移位置测量以基于描述内参考图像位置误差的预定函数来预定减少所测位移位置中内参考图像位置误差的方法的一个典型实施例的流程图；

图13是更详细概括根据本发明图1的斑点图像相关光学位置传感器的信号发生及处理电路的一个典型实施例的框图；

图14是更详细概括可与根据本发明图13的信号发生及处理电路一起使用的内参考图像误差补偿判定电路或线路的一个典型实施例的框图；以及

图15是更详细概括可与根据本发明的一起使用的内参考图像误差补偿电路或线路的一个典型实施例的框图。

具体实施方式

图1是基于斑点图像的光学位置传感器100的框图。在美国申请序列号第09/584,264中更详细地描述了基于斑点图像的光学位置传感器100，以及多种适用的机械和光学结构、图像相关方法及相关的信号处理电路，为了清楚的目的通过参考完整地结合于此。

图1中所示的基于斑点图像的光学位置传感器100包括读数头126、信号发生及处理电路200和光粗糙表面104。在图1中，示出的读数头126的部件及它们与光粗糙表面104的关系是基本符合典型的物理结构而设计的，如下文中要描述的。

特别是，光漫射或光粗糙表面104是定位在读数头126的照射和接收端附近，以便当光粗糙表面104被读数头126端的光源130发射的光线照射时，发生的光线从光粗糙表面104发散回固定在读数头126端的图像接收光学元件。光粗糙表面104可以是特别提供元件的部分，也可以作为单独存在的机械装置的整个表面来提供。

在任何一种情况下，光粗糙表面104都与光源和装在读数头126中的光学系统成基本不变的距离而固定，并沿着相关运动的至少一个规定的方向，比如图1中所示的测量轴110相对于读数头126移动。相关运动通常受安装在框架上的常规导轨或轴承(未显示)的约束，该框架维持读数头126和光粗糙表面104之间合适的相对位置。读数头126可包括有助于安装读数头126校准部件(未显示)，它可校准相对于安装框架的读数头126的内部部件和/或相对于光粗糙表面104运动的所希望的轴向。

如图1所示，读数头126的图像接收光学元件包括透镜140，该透镜固定在读数头组件100的照射和接收端上，使得透镜140的光轴与光粗糙表面104的照射点基本对准。读数头126还包括沿着光轴与透镜140隔开的针孔遮光板150和沿着光轴与遮光板150隔开的光检测器160，如图1所示。光检测器160可以是能用来组成独立和单个光检测元件阵列的任何已知或未来发展的光敏材料或器件，诸如照相机、电子或数字摄像机、CCD阵列、CMOS光敏元件阵列等。

光粗糙表面104和包括透镜140、遮光板150和光检测器160的读数头126的典型间隔和定位，将在以下结合264号专利申请进行描述。读数头126外壳内的光源130、透镜140、遮光板150以及光检测器160的安装可根据小型化光学系统结构和/或工业照相机结构的传统方法来进行，只要部件以精确和稳定的方式进行安装即可。

当读数头126适当地定位在光粗糙表面104的附近时，由光检测器160捕捉到的每幅图像都包含相对较亮的点或斑点以及相对较暗的点的随机图案，在相对较亮的点成斑点上，来自光粗糙表面104的衍射光波正向叠加以形成强度峰值，而在相对较暗的点上，来自光粗糙表面104的衍射光波反向叠加以形成强度谷值。对应于光漫射或光粗糙的表面104的任何照射部分的随机图案是独一无二的，因此光粗糙表面104可因此在不需要任何特殊标志的情况下起位移参考的作用。

光检测器160具有图像元素162的阵列166，这些图像元素沿着至少一个轴向以已知距离相互隔开。已知的间隔提供了用于测量投射到光检测器160上两个图像之间位移或偏移的基础，并因此也提供了用于测量所判定图像的表面，即光粗糙表面104的位移的基础。

另外，读数头126包括至少一部分信号发生及处理电路200。如图1所示，来自信号发生及处理电路200的信号线132与光源130相连接，以控制和/或驱动光源130。信号线164连接着光检测器160和信号发生及处理电路200。特别是，阵列166的每个图像元素162可单独编址通过信号线164向信号发生及处理电路200输出该图像元素162光强的值。信号发生及处理电路200的附加部分可远离读数头126设置，读数头126的功能可遥控操作和显示。下文中将参考图12-14对信号发生及处理电路作更详细的描述。

如图1所示，光束134由光源130发射出并指向着光漫射或光粗糙表面104以照射光漫射或光粗糙表面104的一部分。结果，光漫射或光粗糙表面104被照射的部分在光轴144附近既发散又衍射。基于斑点图像的光学位置传感器100的有关本实施例以及其它实施例的附加结构和操作将在下文中提供，并结合在264号专利申请中。

当光源130是白光源时，由该白光源发射的光将产生照射部分的图像，该图像可投射到图像元素162的阵列166上。然而，虽然该图像可以采用与斑点图像相关的相同方式相关，但该图像将不包括由从光漫射或光粗糙表面104的发散而形成的斑点。

当光源130为相干光源且由信号线132上的驱动信号驱动以输出作为相干光束的光束134时，相干光束134照射光漫射或光粗糙表面104的一部分。照射的部分位于沿着读数头126光学系统的光轴144。特别是，从光漫射或光粗糙表面104的被照射部分发散的光线136可由透镜140聚集。

透镜140随后将从光漫射或光粗糙表面104的被照射部分收集的光线142投射到具有针孔孔径152的针孔遮光板150上。透镜140与板150相隔距离f，该值等于透镜140的焦距。针孔遮光板150与光漫射或光粗糙表面104的被照射部分相隔距离h.

通过将板150设置在透镜140的焦距f上，基于斑点图像的光学位置传感器的光学系统就成为远心的系统。另外，通过在针孔板150中使用针孔152，斑点图案的斑点大小和扩张只取决于针孔152的尺寸，更确切地说，将与透镜140的任何透镜参数无关。

从透镜140收集的光线142通过针孔152。特别是，从针孔152通过的光线154沿着光轴144并被投射到光检测器160的图像元素162的阵列166上。光敏元件162的阵列166的表面与板150相隔距离d。斑点大小只取决于针孔152尺寸所对的角α与针孔板150和由光检测器160的图像元素162的阵列166形成的表面之间的距离d。

从光漫射或光粗糙表面104照射到图像元素162的阵列166上所接收光线的被检测部分内斑点的近似尺寸D为：

D≈λ/tan(α)＝(λ*d)/w               (1)

其中：

λ是光束134的波长；

d是针孔板150和阵列166表面之间的距离；

w是圆针孔152的直径；以及

α是当半径等于距离d时尺寸w所对的角度。

在各种典型实施例中，光学位置传感器100的这些参数的典型值包括：λ＝0.6um，d＝10cm(10⁵um)，以及w＝1mm(10³um)。结果，斑点的近似尺寸D大约为60um。

为了获得高分辨率，平均斑点的尺寸最好近似地等于或大于光检测器160的图像元素162的像素大小。另外，在读数头126的不同实施例中，平均斑点的尺寸近似为图像元素162的像素间隔的两倍到十倍。

为了得到图像，信号发生及处理电路200通过信号线132输出驱动信号以驱动相干光源130发射相干光束134。光束134照射光粗糙表面104的一部分，该部分成像在光检测器160的图像元素162的阵列166上。信号发生及处理电路200随后通过信号线164输入多个信号部分，其中，每个信号部分都对应于由一个或多个单独的图像元素162所检测到的图像值。

为了判定任意两个图像之间光粗糙表面104的位移，由信号发生及处理电路200将光检测器160接收到的第一图像的信号部分存入存储器中。小段时间后，信号发生及处理电路200再次驱动相干光源130并通过信号线164输入来自光检测器160的第二图像信号。通常，第二图像必须在第一图像采集之后的短时间内产生和采集，这取决于光粗糙表面104的位移速度。该时间段必须足够短以保证第一和第二图像能充分“重叠”。也就是说，时间段必须足够短以保证在第一图像中出现的图像值图案也出现在第二图像中，从而可判定两个图像之间明显的相关性。

然而，在某些典型的实施例中，可能希望在长于获得下一个位移图像的时间段内存储一个或多个对应于特定位置的参考图像。也就是说，并非将当前的第二图像用作下一个样本图像的第一图像，而是重复将当前的参考图像用作连续的位移图像。一般来说，当前的参考图像都可以使用，直到当前的参考图像和当前的位移图像不能再充分重叠以产生强相关性的峰值或谷值。以这种方式，正如现有技术中那样，在连续图像之间就没有位置误差的积累。

也就是说，在某个点，当前的位移图像将达到一表示以后的位移图像将不会充分重叠于当前参考图像的相对位移值。在该点上，应该确定新的参考图像，且还应该用确定的新参考图像代替或更新当前的参考图像。如所结合的636号专利申请中所描述的，新的参考图像选自于从第一次使用当前参考图像所获得的连续位移图像，使得由于在连续参考图像之间切换而出现的系统位移误差所积累的位置误差是可知道、减少或理想化去除的。

对当前参考图像和当前位移图像进行处理以产生相关函数。在实线中，当前位移图像在偏移的范围内或包括使两个图像最接近基准的偏移的空间转化位置相对于当前参考图像数字化地移动。相关函数表示图案基准的程度，并由此表示当图像数字化移动时使两个图像能对准所需要的偏移量。

应该理解的是，有几种用于比较当前参考图像和当前位移图像的不同技术。比如，如图2所示，在第一典型的技术中，以像素为基础将整帧的当前位移图像与整帧的当前参考图像进行比较以产生单个的相关值。在这种情况下，将这些未与其它当前参考和位移图像的区域重叠的当前参考和位移图像区域中的像素与具有初始值的像素进行比较，或被赋予比较值或其它等。相关值系列，诸如图5中所示的，通过每次完成比较之后相对于当前参考图像移动当前位移图像一个像素来产生。

在如图3所示的第二典型技术中，以两步处理过程来完成比较。在第一步中，当前位移图像的一行或多行与当前参考图像对应的一行或多行充分比较以产生近似的相关值。对应于图5所示相关值的一系列近似的相关值，通过在完成每次比较之后相对于当前参考图像移动当前位移图像一个像素来产生。因为只使用了少量的行，而不是整个图像，所以所得的相关值只近似于通过比较当前位移图像的所有行和当前参考图像的对应行而得的相关值。然而，近似的相关值确基本上表示了在当前参考和位移图像之间重叠的近似量。

随后，在第二步，使用在当前参考和位移图像之间重叠的判定程度来判定将进行比较以产生相关值的当前位移图像的部分和当前参考图像的部分。也就是说，只使用了在相关峰值或谷值附近的相关值来确定内插的子像素位移。因此，只需要在比较当前位移和参考图像的单行或仅仅几行的基础上即可判定相关峰值或谷值附近的相关值。

在该第二步中，对于近似的相关峰值或谷值附近的当前参考和位移图像之间的每个像素偏移量，只在当前位移和参考图像叠加的区域进行以像素为基础彼此相互比较，以产生该像素偏移量的相关值。因此，对于每个像素偏移量，比较部分的大小与其它的像素偏移量不同。该技术可被进一步改进以判定分布稀少的偏移位置系列的相关函数值点，如美国专利申请第09/921,889号所披露的那样，为了描述的目的本文中通过完整地参考而结合于此。

在第三种典型技术中，如图4所示，使用沿着每个运动方向有预定延伸的窗口来选择一部分将与当前参考图像进行比较的当前位移图像。在这种情况下，窗口扫过当前参考图像以选择一部分当前参考图像与当前位移图像的选择部分进行比较从而产生每个相关值。也就是说，对于零值偏移，窗口与当前参考图像的一个边缘对准。随着偏移值增加一个像素，窗口向当前参考图像的另一个边缘移动一个像素。当窗口到达当前参考图像的另一边缘时，就产生所获得相关值的最后一个偏移值。

比如，在第三种技术的各种实施例中，当前位移图像的部分是沿着当前位移图像帧的长度L的近似1/3到1/4移动的方向而延伸的。该部分可集中在当前位移图像的几何中心。应该可以理解的是，窗口可具有固定的延伸或者可具有根据当前参考和位移图像之间预先决定的位移量而变化的延伸。在各种典型实施例中，可选择窗口的大小，至少可选择部分的大小，从而将必须进行比较的像素数减到最小，同时保证可获得强相关峰值/谷值。

应该理解的是，在第三种技术的其它典型实施例中，该部分的位置可至少部分地基于当前位移图像相对于当前参考图像位移量的方向。在这种情况下，如果当前位移图像偏移到当前参考图像的右边，则当前参考图像部分的位置将偏移到中心的左边。此外，在其它不同的典型实施例中，该部分的偏移程度可至少部分地基于前一帧位移图像相对于当前参考图像的位移量。以这种方式，当前位移图像的整个部分可保持在当前参考图像帧的边界内，同时在必须使用新参考图像之前可以增加当前参考和位移图像之间的相对位移量。

可以理解的是，在第二和第三种典型技术中，其中当前位移图像只有一部分与当前参考图像对应尺寸的部分进行比较，就可获得比起背景相关值更强的相关峰值或谷值。在这种情况下，在当前位移图像接近当前参考图像的边缘时应该更新当前的参考图像。

对于一维的位移，当每个当前参考图像和当前位移图像的比较部分都包含以M行像素和N列像素两维阵列排列的M×N像素时，有一个通用的相关算法：

$R\left(p\right)=\left[\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_1(m,n)*I_2(p+m,n))\right]---\left(2\right)$

其中：

R(p)是当前偏移值的相关函数值；

p是以像素为单位的当前偏移值；

m是当前的列；

n是当前的行；

I₁是第一图像中当前像素的图像值；以及

I₂是当前偏移值在第二图像中对应像素的图像值。

对于两维的位移，等式(2)可由技术熟练人士修改以处理第二维。在所结合的889号专利申请中披露了这样一种修改。

应该理解的是，在各种典型实施例中，在当前参考图像的整个帧与当前位移图像的整个帧进行比较时，使用了周期性边界条件。正如等式(2)所表示的，可获得每行的相关值且行的相关值被累加起来。该和随后用M行平均以获得平均值和噪声降低的相关函数值点。希望该项平均能确保相关函数值点将稳定在采用确定相关函数极值的内插法所获得的大致分辨率。因此，在每个相关函数值点与附近相关函数值点偏移近似1um时，为了采用确定相关函数极值的内插法来获得大致的纳米分辨率，就需要假设相关函数值点能大致稳定在所希望的纳米分辨率值。

图5是描绘采用根据前述的传统乘法相关函数方法比较第一和第二图像来获得典型相关函数的图表。特别是，图5所示的相关函数包括多个离散相关函数值点201，它们沿着x轴以对应于由距离208表示的像素间距P的预定偏移增量隔开。预定偏移增量可直接与图1所示的光粗糙表面104的位移增量相关。该位移增量取决于阵列166的单个图像元素162之间在对应于测量轴110的方向上的有效中心间隔，在以下的描述中，被称之为像素间距P，和光漫射或光粗糙表面的位移被读数头126的光学系统放大的倍数。

比如，如果图像元素162在对应于测量轴110方向上的有效中心与中心之间的间隔是10um，且读数头126的光学系统将表面位移放大了10倍，则光漫射或光粗糙表面104被照射部分的1um偏移将在图像元素162上被放大成斑点图案的10um位移。

每个相关函数值点201的产生都通过相对于第一图像在对应于测量轴110的方向上将第二图像数字化移动图像元素162的有效中心与中心之间的间隔来完成。因为以这样的方式，即图像元素162的有效中心与中心之间的间隔对应于光漫射或光粗糙表面104的大约1um，所以离散相关函数值点201将以大约1um的位移距离隔开。特别地，图5在任意单元中显示相关函数值的相关函数，将在偏移值或空间转换的位置上呈现连续相关函数205的极值，在此处每个第一和第二图像的图像，或强度，图案都可最佳地调整。

在本文中，与连续相关函数的极值有关的像素中的偏移值将被称为峰值偏移，不管当前的相关函数产生了峰值还是谷值，而对应于峰值偏移的表面位移将被称为峰值位移，或简称为位移，而不管当前的相关函数产生了峰值还是谷值。

在图5所示的例子中，连续相关函数205的极值出现在近似20个像素或图像元素162的偏移处，该偏移对应于20um的位移，由直线203表示。在图5中，连续相关函数205的极值无法与极值相关函数值点204区别。但是，通常极值不一定出现在偏移或空间转换的位置，可以出现在像素间隔整数倍的位置上，并因此不会与极值相关函数值点精确地吻合。

传统上，如果要求子像素分辨率和准确性，则函数f(x)可数值上拟合产生相关峰值202的相关函数值点。随后，找出数值拟合函数f(x)的极值，并且对应的偏移值或空间转化位置被定为第一和第二图像峰值偏移的最佳估算值。比如，为了找出对应于数值拟合函数f(x)极值的偏移值，对数值拟合函数f(x)求导以决定f(x)的斜率为零的偏移值x。

当使用诸如等式(2)之类的乘法相关函数，相关函数在峰值或谷值的周围区域比较弯曲。因此，传统上的数值拟合函数f(x)可挑选二阶或更高的函数。但是，发明人发现，这种用于估算子像素级上相关函数极值的传统方法引入了不可忽略的系统位移误差，诸如图6中所示的那样。

图6是描绘根据前述的传统乘法相关函数方法在子像素级上比较第一和第二图像结果的图表。在图6中，估算位置的误差是周期性的。估算误差的周期对应于用于采集图像的像素间隔的间距。发明人发现，这种周期性的误差曲线是子像素图像相关系统中典型的系统误差。发明人还发现，这种周期性提供了预定误差特性，该特性可用于根据本发明系统和方法的多种典型实施例中，作为减少或防止这些系统位移误差的基础，甚至不需要特意确定周期性误差曲线的振幅或具体的形状。

发明人还进一步发现，这样的系统位移误差对于基于特定图像相关的位移测量系统来说是相对稳定的，并且对于多个基于相似图像相关的位移测量系统来说又是相对类似的。因此，对基于特定图像相关的位移测量系统来说，一旦这些系统位移误差已被特别决定之后，这样的系统位移误差就展现出至少一个预定误差的特性，该特性可提供在基于特定图像的位移测量系统的随后操作中特别补偿或防止这些系统位移误差的基础。此外，达到基于特定图像相关的位移测量系统表示一系列基于类似图像相关的位移测量系统的程度时，在该系列中任何机器的系统位移误差可在一定的程度上进行类似地补偿或防止，该程度取决于基于特定代表图像相关的位移测量系统的预定误差特性。

在当前参考图像随着读数头126沿着光粗糙表面104位移而切换到新的参考图像时，诸如那些在图6中所示的系统位移误差将出现在相关的测量中。由此，当一参考图像切换到下一参考图像时，这些系统位移误差可以难以察觉的方式累积，除非使用根据结合636号申请描述的本发明的系统和方法以减少这种误差或以可预测的方式累积这些误差。

发明人还发现，子像素图像相关系统受到附加位置误差的影响，此处称为内参考图像位置(或位移)误差。在图7-10中描绘了这些误差，并总体上作为当前参考图像和当前位移图像之间位移的复合函数而变化。虽然内参考图像位置误差的完整起因不能被充分理解，但发明人认为，内参考图像位置误差可能是由于读数头126光学和光源部件中的未校准光源和/或光变形等原因引起的。发明人发现，当当前的位移图像从当前的参考图像偏移超过几个像素时，这种内参考图像位置误差将不利地影响图像相关系统的准确性。因此，除非当前的参考图像间隔几个像素就用新的参考图像代替，否则随着当前参考图像和当前位移图像之间位移的增加，图像相关系统的准确性将由于内参考图像位置误差而受影响。在另一方面，为防止这样的内参考图像位置误差而频繁切换参考图像将不利地影响系统的存储需求和可进行测量的速度。本发明呈现的系统和方法可减少或理想地校正内参考图像位置误差，并由此提高图像相关系统的准确性。

图7是描绘对于诸如图1所示的图像相关测量系统的作为相对于当前参考图像位移量的函数的典型内参考位置误差的图表。图7的图表未包括比例因数误差。也就是说，该图表未包括与位移线性相关的误差。如以上所表示的，内参考图像位置误差是位置误差，该位置误差出现在单个参考图像和增加了与参考图像的偏移量的位移图像一起使用的过程中。特别地，图7描绘了对于使用激光斑点图案的图像相关测量系统的作为相对于当前参考图像位移量的函数的内参考图像位置误差。图7所示的内参考图像位置误差包括周期性分量，对于当前位移图像与当前参考图像只有几微米的位移，该分量峰值到峰值具有约为30纳米的大小。周期性分量峰值到峰值的大小在当前位移图像离开当前参考图像大约50um的位移处增加到大约100纳米。该周期性误差分量的产生是由于向子像素分辨率内插了位移位置。发明人认为，内参考图像位置误差的峰值到峰值大小的增加可能是由于透镜变形和/或图像的去相关性。内参考图像位置误差还示出了总的曲率，对于该曲率发明人认为会造成不佳的光源校准、透镜变形和/或图像去相关。但是可以理解的是，不管什么原因，可测量并表征造成内参考图像位置误差的原因。

然而，虽然发明人已能够测量内参考图像位置误差，但这些误差的确切起因却还未明确地判定。由此，虽然发明人现在认为这些误差可能是透镜变形、不佳的校准和/或用于照射光粗糙表面的光源的相干性和/或其它光学像差的结果，但在下文和权利要求中有一点要明确，即这些原因不应该被解释为限制此处所阐述内容的范围或所附权利要求的范围。

图7所示的内参考图像位置误差曲线可用以下的通用补偿函数进行描述：

e(x)＝f₁(x)f₂(x)+f₃(x)+f₄(x)               (3)

其中：

x是当前位移图像离开由图像相关系统最初测得的当前参考图像的位移位置；

e(x)是位置误差；

f₁(x)是描述周期性内插误差对位移位置的峰值到峰值大小的函数；

f₂(x)是具有对应于周期性内插误差的频率和/或形状的频率和/或形状的周期函数；

f₃(x)是描述内参考图像位置误差曲线的总曲率的函数；以及

f₄(x)是调节比例因数误差的线性函数。在各分段中，比例因数误差是与位移成比例的误差分量。

实现等式(3)中所描述总函数的函数的第一典型实施例是：

e(x)＝(c₁+c₂x)sin(ω₁x+φ₁)+ABS(c₃sin(ω₂x/2))    (4)

其中：

c1、c2和c3是由经验得到的参数；

ω1是周期性内插误差的空间频率；

φ1是周期性内插误差的空间相位角，用于使周期误差与补偿函数同步；以及

ω2是更新的参考图像的空间频率。

可以理解的是，等式(3)中的项f₄(x)在等式(4)所表示的典型实施例中没有对应的部分。也就是说，这些由等式(4)表示的典型实施例假定，任何线性比例因数误差已通过其它的方式预先除去了。总的来说，经验得到的参数c1、c2和c3可通过观察和/或分析内参考图像位置误差曲线的形状来确定，诸如在图7-10中所示的那些用于以特定图像相关为基础的位置传感器。应该理解的是，总的来说，周期性内插误差的频率ω1与2*π/像素间距有关。类似地，更新的参考图像的频率ω2与2*π/(更新的参考图像之间的总位移)有关。

图8显示了所测量的内参考图像位置误差、几乎无法同所测误差区别的对应误差补偿函数的补偿值，以及得到的补偿内参考图像位置误差的曲线。图8的曲线不包括比例因数误差。也就是说，图8所示的曲线不包括与位移线性相关的误差。补偿的内参考图像位置误差通过从给定位移的所测量误差减去补偿函数值来获得。特别地，对于具有大约1.05微米像素间距的图像相关系统，并且其中在当前参考图像用新的参考图像代替时在当前参考图像和当前位移图像之间出现的位移大约为52.7微米，等式(4)中可使用的一系列值为：

c1＝.005；

c2＝.055；

c3＝.075；

ω1＝5.977；

φ1＝.897；以及

ω2＝.119.

如图8所示，使用等式(4)来补偿内参考图像的位置误差可提高图像相关系统的准确性，允许对诸如那些由于未校准光源和/或光变形而产生的内参考图像位置误差的校正或仅仅是减少，对于图8所示典型实施例中当前参考图像和当前位移图像之间超过50um的大位移不必改变参考图像。

实现等式(3)中所描述总补偿函数的补偿函数的第二典型实施例是：

e(x)＝(c₁+c₂x)sin(ω₁x+φ₁)+ABS(c₃sin(ω₂x/2))+c₄sin(ω₂x/4)    (5)

其中：

c1、c2、c3和c4是由经验得到的参数；

ω1是周期性内插误差的空间频率；

φ1是周期性内插误差的空间相位角，用于使周期误差与补偿函数同步；以及

ω2是更新的参考图像的空间频率。

与由等式(4)表示的典型实施例比较起来，由等式(5)表示的典型实施例包括对应于等式(3)项f₃(x)的附加项，从而对内参考图像位置误差曲线的总曲率可更加精确地进行补偿。总的来说，经验得到的参数c1、c2和c3可通过观察和/或分析内参考图像位置误差曲线的形状来确定，诸如在图7-10中所示的那些用于以特定图像相关为基础的位置传感器。应该理解的是，总的来说，周期性内插误差的频率ω1与2*π/像素间距有关。类似地，更新的参考图像的频率ω2与2*π/(更新的参考图像之间的总位移)有关。

图9显示了所测内参考图像位置误差、几乎无法同所测误差区别的对应误差补偿函数的补偿值，以及得到的补偿内参考图像位置误差的曲线。图9的曲线不包括比例因数误差。也就是说，图9所示的曲线不包括与位移线性相关的误差。补偿的内参考图像位置误差通过从给定位移的所测量的误差减去补偿函数值来获得。特别地，对于具有大约1.05微米像素间距的图像相关系统，并且其中在当前参考图像用新的参考图像代替时在当前参考图像和当前位移图像之间出现的位移大约为94.6微米，等式(5)的补偿函数中可使用的一系列值为：

c1＝.005；

c2＝.350；

c3＝.070；

ω1＝5.935；

φ1＝.655；以及

ω2＝.0664.

如图9所示，使用等式(5)来补偿内参考图像的位置误差可提高图像相关系统的准确性，允许对诸如那些由于未校准光源和/或光变形而产生的内参考图像的位置误差进行校正或仅仅是减少，对于图9所示典型实施例中当前参考图像和当前位移图像之间超过90um的大位移不必改变参考图像。

实现等式(3)中所描述总补偿函数的补偿函数的第三典型实施例是：

e(x)＝(c₁+c₂x)sin(ω₁x+φ₁)+c₃sin((π/D)x)+c₄sin((π/2D)x)+c₅x    (6)

其中：

c1、c2、c3和c4是由经验得到的参数；

ω1是周期性内插误差的空间频率；

φ1是周期性内插误差的空间相位角，用于使周期误差与补偿函数同步；以及

D是参考位移，一般是对应于建立经验常数c1-c5的数据的总位移范围。

总的来说，经验得到的参数c1、c2、c3、c4和c5可通过观察和/或分析内参考图像位置误差曲线的形状来确定，诸如在图7-10中所示的那些用于以特定图像相关为基础的位置传感器。应该理解的是，总的来说，周期性内插误差的频率ω1与2*π/像素间距有关。与由等式(5)表示的典型实施例相反，等式(3)的项f₄(x)在由等式(6)表示的典型实施例中有对应的部分。也就是说，等式(6)包括补偿未用其它方式预先去除的任何线性比例因数误差的项。此外，与由等式(5)表示的典型实施例相反，等式(3)的项f₃(x)在由等式(6)表示的典型实施例中具有对应的项，它取决于参考位移D，而不再是取决用于更新参考图像的定位空间频率ω2。总的来说，等式(6)对稍大于D的位移是有效的。但是，在不同的典型实施例中，D代表在更新参考图像前允许发生的最大位移。在这种典型应用中，在更新参考图像前的最大位移通常可达到成像整帧的大约四分之三。

更笼统地讲，应该理解的是，虽然三角函数已方便地用于等式(3)的项f₃(x)的对应项，但任何描述内参考图像位置误差曲线的总曲率的函数都是合适的。

图10显示了所测内参考图像位置误差、几乎无法同所测误差区别的对应误差补偿函数的补偿值，以及得到的补偿内参考图像位置误差的曲线。图10的曲线包括了比例因数误差。也就是说，这些曲线包括与位移线性相关的误差。这样的误差会产生，比如，假设的像素间隔并非真实的像素间隔。补偿的内参考图像的位置误差通过从给定位移的所测量到的误差减去补偿函数值来获得。特别地，对于具有大约1.05微米像素间距的图像相关系统，并且其中在当前参考图像用新的参考图像代替时在当前参考图像和当前位移图像之间出现的位移大约为95微米，等式(6)的补偿函数中可使用的一系列值为：

c1＝.005；

c2＝.00084；

c3＝.035；

c4＝.050；

c5＝-.00835；

ω1＝5.984；

φ1＝-.658；以及

D＝95.

如图10所示，使用等式(6)来补偿内参考图像的位置误差可提高图像相关系统的准确性，允许减少内参考图像位置的误差或理想地校正该误差而不必改变参考图像。对于图10所示典型实施例中当前参考图像和当前位移图像之间超过90um的大位移，这些内参考图像的位置误差包括那些由于未校准光源和/或光变形而产生的误差。

应该理解的是，参考图8-10所示的结果，对应于由等式(4)-(6)表示的典型实施例中c1和c2的项可从其它不同典型实施例中对应的误差补偿函数中省略。尽管如此，由于内参考图像位置误差曲线总曲率所造成的误差将仍旧补偿给等式中的其它保留项。像这类的其它实施例也都是合适的，比如，若内参考图像位置误差曲线的总曲率就是主要系统误差。因此，更笼统地讲，在不同的典型实施例中，那些分别对应于等式(3)的项f₁(x)、f₂(x)、f₃(x)和f₄(x)的项可被单独使用或结合使用以减少根据本发明的位移判定误差。

图11是一流程图，它概括了用于获得函数或等式的参数的方法的一个典型实施例，该函数或等式以一定程度准确性来表示在根据本发明的内参考图像位移中的位置误差。从S1000开始，操作持续到S1010，在此处获得了位移中的“实际”位置误差。位移的“实际”位置误差是内参考图像位移的“实际”位置值和内参考图像位移中未补偿位置误差之间的差异。

在不同的典型应用中，当前位移的“实际”位置值可通过任何已知或后来发展的测量方法或仪器直接获得，它包括但不仅限于，干涉测量法等。另外，在其它不同的典型实施例中，位置误差和不同物理参数及系统特性之间的关系，诸如透镜像差、元件基准参数、总体去相关性能等，可根据分析、相关的研究和/或模拟而知道。

在不同的典型应用中，当前位移的未补偿的内参考图像位置值是通过使用任何已知或后来发展的图像相关方法的图像相关系统来获得的。所获得的“实际”位置误差包括接收到的通过不形成实践本发明的典型方法部分的方法而产生的“实际”位置误差值(或它们的组成部分)。在不同的其它典型应用中，所获得“实际”的位置误差值包括作为实践本发明的典型方法的部分所产生“实际”位置误差值(或它们的组成部分)。

在不同的典型实施例中，当前位移“实际”位置值的获得可间接地通过测量或确定不同的物理参数和系统特性；用任何已知或后来发展的分析、相关和/或模拟等方法判定相关的位置误差，以及通过将判定的位置误差和当前位移的未补偿内参考图像位置值相结合来判定当前位移的“实际”位置值。

接着，在步骤S1020处，获得了表示内参考图像位置误差的函数中的初始参数或将其设置为当前参数。在一个典型实施例中，若使用等式(5)则采用的初始参数c1、c2、c3和c4；若使用等式(6)则采用的c5；以及φ1都被设为零，比如，ω1和ω2或D被分别设为等于像素间距和更新参考图像之间的距离。在另一典型应用中，初始参数被设为对应于相关系统的参数，该系统的设计参数接近于表征的相关系统的设计参数，但不必与之相同。

接着，在步骤S1030，获得了如步骤S1010处获得的“实际”位置误差和基于当前参数的内参考图像位移的估算位置误差之间的差异。即，位置误差估算等式被用于基于当前参数来进行内参考图像位移中位置误差的估算。另外，在步骤S1030的变化中，在不同的典型实施例中，判定的位置误差被直接用作估算的位置误差。

下一步，在步骤S1040中，判定“实际”位置误差和估算的位置误差之间的差异是否可接受。如果该差异误差可接受，则操作流程转入进行步骤S1060，在该步骤方法结束了。

相反，如果“实际”的位置误差和估算的位置误差之间的差异是不可接受的，则操作流程转入进行步骤S1050，其中获取新的参数作为当前参数。在一个典型的应用中，如果使用等式(5)则采用的参数c1、c2和c3、c4；如果使用等式(6)则采用的参数c；以及φ1是变化的，而ω1和ω2或D是保持恒定的。

在另一个典型的实施例中，如果使用等式(5)所采用的参数c1、c2、c3和c4；如果使用等式(6)则采用的参数c5；φ1、ω1和ω2或D是变化的；虽然ω1和ω2或D的变化比起如果使用等式(5)的参数c1、c2、c3和c4以及如果使用等式(6)的参数c以及φ1的变化相对较小。在另一典型应用中，如果使用等式(5)的参数c1、c2、c3和c4，如果使用等式(6)的参数c5，φ1、ω1和ω2或D的组合是以不同的相对量变化。在另一典型的应用中，这些参数中的一个或多个参数可根据参考图像的位移而不同地变化。下一步，操作返回到步骤S1030以获取“实际”位置误差和基于新的当前参数的位置误差的估算之间的差异。在步骤S1030-S1050之间的循环持续到“实际”和估算的位置误差之间的差异被认为是可接受的为止。

改变参数以有效地获取对可接受的估算位置误差是通过任何已知或后来发展的步骤来完成的，该步骤包括但不局限于，基于用户提供的标准进行拟合和/或基于由估算等式提供的估算位置误差之间的差异和“实际”位置值和内参考图像位移的未补偿位置之间的差异最小化来进行拟合。

在不同的典型实施例中，大量位移的“实际”位移值和未补偿位置值可以预先获取并在完成步骤S1010的获取实际位移位置误差之前提供。在其它不同的典型实施例中，当前位移的“实际”位移值和未补偿位置值在步骤S1010的部分实时获取的，并随后被用于获取“实际”的位置误差。在不同的其它典型应用中，“实际”位置值和内参考图像错位(它是“实际”的位置误差)的未补偿位置值之间的差异是预定并存储的，并因此只在步骤S1010中提供。

在图11所概括的方法中，在不同的典型应用中，“实际”位置误差和估算的位置误差之间的差异可根据用户的选择被判定为可接受的，该选择包括但并不局限于，将位移所决定位置拟合到参考位置上。另外，在不同的其它典型应用中，误差可根据将总累积误差或总平均误差或总峰值到峰值误差等的最小化而被判定为可接受的。另外，在不同其它的典型应用中，误差可在不切换参考图像的情况下根据将特定位移范围内累积误差的最小化而被判定为可接受的，该位移范围是较大范围位移的子区域。

在图11所概括的方法中，在不同的典型应用中，误差可在不切换参考图像的情况下根据获取应用于整个位移范围内的一系列参数而被判定为可接受的。另外，在不同其它的典型应用中，误差可根据位移的范围分段而被判定为可接受的，此时参考图像未被切换成多个子段，在子段中，至少一个参数在至少某个子范围中具有不同的值。

应该理解的是，对基于特定图像相关的位移测量系统而言，一旦内参考图像位置误差特性被特别确定以后，这些内参考图像位置误差特性就会在该基于特定图像相关的位移测量系统的随后操作中提供专门补偿或减少这些内参考图像位置误差的基础。但是，另外，对于多个相似的基于图像相关的位移测量系统，内参考图像位置误差的特性可以差不多相同。因此，在基于特定图像相关的位移测量系统表示一类相似的基于图像相关的位移测量系统的程度上，该类别中任何机器的内参考图像位置误差都可以根据基于特定代表图像相关的位移测量系统的预定内参考图像位置误差特性被补偿或减少到一定的程度。

图12是概括一典型实施例的流程图，该实施例是根据描述位置误差的预定函数，用于补偿位移位置的测量以减少位移位置测量中内参考图像位置误差的方法。从步骤S1100开始，操作持续到输入当前位移图像的步骤S1110。随后，在步骤S1120，确定当前位移图像相对于当前参考图像的未补偿位移位置值。该初始位移值可使用任何已知或后来发展的技术来确定，该技术诸如那些在结合的071号、636号和889号专利申请中披露的技术。接着，在步骤S1130，根据预定的诸如以上概括的等式(3)-(6)之类的内参考图像误差函数和该函数所对应的预定参数值，确定所获取初始位移值的内参考图像位置误差。操作随后继续到步骤S1140。

在步骤S1140中，在步骤S1130中所确定的内参考图像位置误差与未补偿的位移值结合以产生内参考图像位移的补偿位置值。接着，在步骤S1150中，向显示器输出补偿的位置值和/或向下游过程提供该值以作为当前参考图像和当前位移图像之间内参考图像位移的估算补偿位置。在步骤S1160中，判定是否获取了另一位移图像。如果是的话，则操作返回到步骤S1110。否则，操作转入到步骤S1170，在该步骤将停止该方法。

应该理解的是，虽然先前讨论的图11和图12的典型实施例的操作已获取到了以相对于参考图像位置的位移的数学函数为形式来补偿的内参考图像位置误差所必需的信息，并且在不同的其它典型实施例中应用该数学函数以补偿误差，但该信息可以任何其它已知或后来发展的形式，诸如查找表等，来获得。

在使用查找表的不同典型实施例中，根据参考图11所描述的步骤S1010的操作，获取实际的位移位置误差。实际的位移误差被存储在内参考图像误差查找表中并与它们各自适当的位移位置相关。随后，如参考图12所描述的，完成除根据本典型应用而修改的步骤S1130操作之外的步骤S1100-S1170的操作。应该理解的是，图12的步骤S1130获取了所获得初始位移值的内参考图像位置误差。然而，在先前描述的图12方法的典型应用中，根据预定的内参考图像误差函数确定了内参考图像位置误差。相反，在本典型实施例中，限据预定的内参考图像误差查找表来确定内参考图像位置误差。

在不同的典型实施例中，内参考图像误差查找表包括对应先前讨论的周期性内插误差的1/20空间频率的位移步骤的数据。对应于最接近所获得初始位移值的查找表位移值的查找表误差值被用作当前的内参考图像位置误差。在不同的其它典型应用中，当前的内参考图像位置误差被确定为对应限制所得初始位移值的查找表位移值的两个查找表误差值之间的内插值。根据已知的方法，该内插值根据限制的查找表位移值和所得初始位移值之间的关系被确定在两个查找表误差值之间。对技术熟练人士明显的是，不同可替换的应用以查找表的方式使用了不同的其它位移步骤，和/或将对应于多个范围的内参考图像位置误差的数学函数和不同的可替换内插方法相结合。

图13是概括信号发生及处理电路200的一个典型实施例的框图，该电路200应用了根据本发明系统和方法的一个典型实施例。如图13所示，信号发生及处理电路200包括控制器210、光源驱动器220、光检测器接口230、存储器240、比较电路250、比较结果累加器260、内插电路270、内参考图像位置误差补偿电路300、位置累加器280、显示驱动器290以及任选的输入接口295。

控制器210通过控制线211与光源驱动器220连接，通过信号线212与图像检测接口230连接，以及通过信号线213与存储器240连接。同样，控制器210通过一根或多根信号线214-219与比较电路250、比较结果累加器260、内插电路270、内参考图像补偿电路300以及位置累加器2 80进行连接。最后，控制器210通过控制线220与显示驱动器290连接，并且如果提供的话，则通过输入信号线221与输入接口295连接。存储器240包括第一或参考图像部分242、第二或后续的图像部分244以及相关部分246。

在操作中，控制器210通过信号线211向光源驱动器220输出控制信号。响应之后，光源驱动器220通过信号线132向光源130输出驱动信号。随后，控制器210通过信号线212向图像检测接口230输出控制信号，通过信号线213向存储器240输出控制信号，从而通过信号线164将对应每个图像元素162的光检测器160接收的信号部分存入第一或参考图像部分242或第二或后续图像部分244。特别地，来自单个图像元素162的图像值以两维阵列存入对应阵列166中单个图像元素162的第一图像部分242和第二图像部分244。

一旦第一图像被存入第一图像部分242，则控制器210等待预定的短时间周期以再次通过信号线211向光源驱动器220输出控制信号，从而再次驱动光源130。随后使用信号线212和213上的信号控制图像检测接口230和存储器240，从而在第二图像部分244中存入得到的图像。

接着，控制器210通过信号线215向比较电路250输出信号。响应之后，比较电路250通过信号线252输入来自第一图像部分242的特定像素的图像值，并根据当前的偏移，通过信号线252输入来自第二图像部分244的对应像素的图像值。比较电路250随后应用相关算法以判定比较结果。任何适当的相关技术，已知的或后来发展的，都可通过比较电路250来使用，从而将存入第一图像部分242中的第一图像与存入第二图像部分244中的第二图像根据当前的偏移以像素为基础进行比较。比较电路250通过信号线254向比较结果累加器260输出比较结果，用作当前的相关偏移。

一旦比较电路250已提取并比较了来自第一图像部分242的每个图像元素162的图像值，并将它们与存储在第二图像部分244中对应的图像值进行了比较，且应用了相关技术并向比较结果累加器260输出比较结果，则存储在比较结果累加器260中的值将决定在图7例证的预定单元中对应当前偏移的相关值。控制器210随后通过信号线214向比较结果累加器260输出信号，通过信号线213向存储器240输出信号。结果，存储在比较结果累加器260中的相关算法结果被输出并被存储在存储器240的相关部分246对应当前偏移的位置。

控制器210随后通过信号线214发出信号以对结果累加器260清零。一旦所有存入第一图像部分242的第一图像和存入第二图像部分244的第二图像之间的所需偏移的所有比较结果都通过比较电路250完成了，且其结果在控制器210的控制下被比较结果累加器260累积并存入相关部分246，则控制器210通过信号线216向内插电路270输出控制信号。

响应之后，内插电路270通过信号线252输入存储在相关部分246中的相关结果，并确定了与相关函数的峰值或谷值相吻合的相关值，在相关函数峰值/谷值的附近使用选择相关函数的值点进行内插，从而决定具有像素分辨率的峰值偏移值或图像位移值。随后，在信号线216上来自控制器210的信号的控制下，内插单元270通过信号线279向内参考图像位置误差补偿电路300输出确定的估算的子像素位移值。

内参考图像位置误差补偿电路300，在信号线218上来自控制器210的信号的控制下，向在信号线279上收到的预定估算的子像素位移值应用预定的内参考图像误差补偿函数，以产生补偿的估算子像素位移值。该补偿的估算子像素位移值通过信号线302向位置累加器280输出。位置累加器280，在信号线217上来自控制器210的信号的控制下，将补偿的估算位移值与存储在位置累加器280中累积的位移相加。位置累加器280随后通过信号线282向控制器210输出更新的位置位移。

响应之后，控制器210可向显示驱动器290输出更新的位移值，如果可提供，则通过信号线220。显示驱动器290随后通过信号线292向显示器输出驱动信号以显示当前的位移值。

一根或多根信号线296，如果可提供的话，允许操作者或协作系统和控制器210之间的接口。如果可提供，输入接口295可缓冲或转换输入的信号或指令并向控制器210发送适当的信号。输入接口295也能单独通过连接线412与内参考图像位置误差补偿函数判定系统400相连，以下将进一步描述。

图14是更详细概括内参考图像位置误差补偿电路300的一个典型应用的框图，它估算了内参考图像当前位移的位置误差。如图13所示，内参考图像位置误差补偿电路300包括内参考图像位置误差获取电路或模块310、补偿的位移值判定电路或模块330以及可操作连接内参考图像位置误差获取电路或模块310与补偿的位移值判定电路或模块330的信号线320。

在操作中，内参考图像位置误差获取电路或模块310通过信号线279输入来自内插电路270的当前未补偿估算位移值，并获取所接收的当前未补偿位移值的内参考图像位置误差，在该未补偿位移值中已获取了参数。在不同的其它典型应用中，使用了其它不同于等式(4)和(5)但能拟合内参考图像位置误差的等式，以获取当前未补偿估算子像素位移值的内参考图像位置误差。内参考图像位置误差获取电路310根据预定的误差函数和所接收的未补偿估算子像素位移值来获取当前位移的内参考图像位置误差，并通过信号线320向补偿的位移值判定电路或模块330输出所得的内参考图像位置误差。

补偿的位移值判定电路330通过信号线279输入来自内插电路270的未补偿估算子像素位移值，通过信号线320输入未补偿位移值的内参考图像位置误差。补偿的位移值判定电路或模块330将未补偿的估算子像素位移值和内参考图像位置误差相结合以产生补偿的估算子像素位移值。补偿的位移值判定电路或模块330通过信号线302向位置累加器280输出判定的补偿估算子像素位移值。

图15是更详细描绘内参考图像位置误差补偿函数判定系统400的一个典型实施例的框图。如图15所示，内参考图像位置误差补偿函数判定系统400能单独地通过连接412与输入接口295相连。在启动操作的过程中，内参考图像位置误差补偿函数判定系统400与输入接口295相连，控制器210可通过连接412将来自内插电路270的未补偿子像素位移值提供给内参考图像误差补偿函数判定系统400。内参考图像误差补偿函数判定系统400使用未补偿的估算子像素位移值和实际子像素位移值所对应的测量值以产生图7-10所示的那些内参考图像位置误差曲线。内参考图像误差补偿函数判定系统400随后判定并通过输入接口295和连接412向控制器210输出内参考图像误差补偿函数。控制器210随后向内参考图像位置误差补偿单元300提供内参考图像误差补偿函数以启动内参考图像误差补偿函数电路300，使之能在操作运行模式下能将未补偿的估算位移值转换成补偿的估算位移值。

如图15所示，内参考图像位置误差补偿函数判定系统400包括输入/输出接口410、存储器420、控制器430、参数获取电路或模块440、误差获取电路或模块450以及误差可接受性判定电路或模块460，它们都与控制/数据总线470相连。控制器430控制着构成内参考图像位置误差补偿函数判定系统400的不同部件的操作并处理数据。存储器420提供必需的存储空间，用于存储由内参考图像位置误差补偿函数判定系统400的不同部件完成的处理所得的中间和最终结果所必需的参数。输入/输出接口可至少与连接412相连以连接信号发生及处理电路200，且允许来自任何连接的用户输入设备的输入和/或到任何连接的用户输出设备的输出。

在操作中，参数获取电路或模块440获取—产生或接收并设置用于估算当前位移的内参考图像位置误差的函数的初始参数。比如，初始参数可设为零。另外，初始参数可设置为具有不同部件尺寸的系统的参数值。所得的初始参数提供给误差获取电路或模块450。

根据所得的初始参数，误差获取电路或模块450，使用估算位置误差的等式以获取当前位移的内参考图像位置误差的估算。所得的对内参考图像位移位置误差的估算提供给误差可接受性判定电路或模块460。

根据提供或判定的内参考图像位移中的位置误差，误差可接受性判定电路或模块460判定剩余误差是否可接受。在作出该决定的过程中，误差可接受性判定电路或模块460在不同的典型实施例中，会得到当前位移的“实际”位置值和当前位移的内参考图像的未补偿位置之间的差异。在不同的典型实施例中，当前位移的“实际”位置值可通过任何已知或后来发展的位移判定系统或仪器而得到，这当中包括但不局限于，干涉测量法等，它们产生的位移测量值的分辨率至少与图像相关系统的分辨率一样高。在不同的典型应用中，当前位移的未补偿内参考图像位置值可通过任何已知或后来发展的图像相关系统而得到。

在不同的典型应用中，误差可接受性判定电路或模块460将估算当前内参考图像位移的位置误差的等式的值与“实际”位置值和当前内参考图像位移的未补偿位置值之间的差异进行比较，以判定估算的位置误差是否可接受。如果根据一个或更多个用户提供的标准，估算的位置误差是可接受，则误差可接受性判定电路或模块460输出表示用于估算内参考图像位移中位置误差的等式的参数是可接受的信号。如果估算的位置误差是不可被接受，则误差可接受性判定电路或模块460输出表示用于估算内参考图像位移中位置误差的等式的参数应被修改的信号。

在多种应用中，控制器430以产生可接受估算位置误差的方式来影响估算位置误差的等式的参数修改。在其它典型应用中，参数获取电路或模块440以产生接受估算位置误差的方式来影响估算位置误差的等式的参数修改。改变或修改参数以完成对估算位置误差的接受可通过任何已知或后来发展的步骤来完成，包括但不局限于，根据用户提供的标准来拟合和/或根据将由估算等式提供的估算位置误差之间的差异和“实际”位置值和内参考图像位移的未补偿位置之间的差异最小化来拟合。

在一个典型应用中，如果使用等式(5)所采用的参数c1、c2、c3、c4；如果使用等式(6)所采用的参数c5；以及φ1是变化的，而ω1和ω2或D是保持恒定的。但在另一典型应用中，如果使用等式(5)所采用的参数c1、c2、c3、c4；如果使用等式(6)所采用参数c5；φ1，ω1和ω2或D是变化的，虽然ω1和ω2或D的变化比起如果使用等式(5)的参数c1、c2、c3、c4以及如果使用等式(6)的参数c5，以及φ1的变化相对较小。在另一典型应用中，如果使用等式(5)所采用的参数c1、c2、c3、c4；如果使用等式(6)所采用的参数c5；φ1，ω1和ω2或D的组合以不同的相对量变化着。在另一典型应用中，这些参数的一个或多个根据参考图像的位移而不同地变化着。

在不同的典型应用中，“实际”位移值和对大量位移的未补偿位置值是预先获取的并通过I/O 4010提供给内参考图像位置误差补偿函数判定系统400。在其它不同的典型应用中，“实际”位移值和当前位移的未补偿位置值是实时获得的。在其它不同的典型应用中，“实际”位置值和内参考图像错位的未补偿位置值被提供给误差获取电路或模块450，其随后获取“实际”和未补偿位置值之间的差异。

在不同的典型应用中，可使用至少包括系统400和电路200的不同部件的组合以表征具有特定可选择设计参数的相关图像系统。从而允许大量生产具有表征的可选择设计参数的许多相关成像系统。

信号发生及处理系统200和内参考图像位置误差补偿函数判定系统400，在不同的典型实施例中，都应用在可编程的通用计算机上。但是，信号发生及处理系统200和内参考图像位置误差补偿函数判定系统400也都可以应用于专用的计算机、可编程的微处理器或微控制器和外围集成电路元件，ASIC或其它集成电路、数字信号处理器、诸如离散元件电路之类的硬件电子或逻辑电路、诸如PLD、PLA、FPGA、PAL之类的可编程逻辑设备等。总的来说，任何能够应用有限状态时序机的设备，该有限状态时序机随即能够应用图11和图12所示的流程图，都可分别应用于信号发生及处理系统200和内参考图像位置误差补偿函数判定系统400。

应该理解的是，图11-15所示的每个电路、模块或例行程序都可被用作适合编程的通用计算机部分。另外，图11-15所示的每个电路、模块或例行程序都可被用作ASIC中、或使用FPGA、PDL、PLA、PAL或数字信号处理器、或使用离散逻辑元件或离散电路元件的物理可分辨的硬件电路。图11-15所示的每个电路、模块或例行程序将采用的特殊形式都是设计选择并对于技术熟练人士来说是明显且可预见的。

比如，模块可被用作装载完成图11和图12所示步骤的控制指令的载波以及更详细描述不同典型应用的本内容的段。同样，信号发生及处理系统200和内参考图像位置误差补偿函数判定系统400都可集成为单一的图像相关系统，该系统获取描述位置误差的误差测量(即，函数)并应用它以获取误差减少的位移位置。不同的典型应用可通过避免所构成电路中的冗余而变得更加紧凑；比如，通过设置一个存储电路或模块或一个控制电路或模块。不同的其它典型应用可保留冗余以能够进行比如，并行处理。

本发明以不同的典型实施例进行描述，包括斑点图像处理，其中改进了根据斑点图像的位移判定。但是，应该理解的是，对于根据传统所得图像的位移的判定也可通过根据本发明的系统和方法而改进。特别地，当传统所得图像稍微可预见或可控制并包含大量在高的空间频率上的信息时，根据本发明的相关位移判定，相对于传统的操作将得到显著的改进。

虽然本发明已结合以上概括的典型实施例进行了描述，但明显的是，对于技术熟练人士来说许多替换、修改和变化是显而易见的。因此，本发明的典型实施例，如上所述的，旨在描述而并非限制。在不脱离本发明的精神和范围的前提下可作出多种变化。

Claims (21)

1.一种可用于减少基于图像相关的位移测量系统的位移误差的方法，包括：

估算对应于未补偿位移值的误差量，该未补偿位移值表示参考图像和位移图像之间的位移，

其中，所述误差量的估算包括内参考图像误差分量的估算，该内参考图像误差分量呈现一个总曲率，该总曲率在一范围上延伸，该范围是基于图像相关的位移测量系统中单个参考图像所使用的最大位移范围的重要部分；并且

所述误差量的估算在基于图像相关的位移测量系统中与相对于任意参考图像位置的位移相对应。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包含根据参考图像和位移图像产生未补偿的位移值。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包含将估算的误差量和未补偿的位移值相结合以判定参考图像和位移图像之间的补偿位移。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于：

对误差量的估算是多个在基于图像相关的位移测量系统中所表示误差估算中的一个，每个误差估算与相对于任意参考图像位置的位移相对应；并且

所述多个误差估算对应于一个位移范围，该位移范围是基于图像相关的位移测量系统中单个参考图像所使用的最大位移范围的重要部分。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于，误差量的估算以包含查找表的形式表示。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于，误差量的估算以包含基于在查找表中值之间的内插的值的形式表示。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于：

误差量的估算以包含误差补偿函数的形式表示，该函数表示在未补偿位移值中观察所得的误差，该未补偿位移值是由基于图像相关的位移测量系统采用单个参考图像在基于图像相关的位移测量系统中的最大位移范围的重要部分来判定的；以及

误差补偿函数包括一个与总曲率相关的分量，该总曲率在基于图像相关的位移测量系统中单个参考图像所使用的最大位移范围的重要部分上延伸。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于，误差补偿函数包括与周期性图像相关内插误差有关的第一周期分量。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于，误差补偿函数包括在一范围内改变第一周期分量振幅的第二分量，该范围是采用单个参考图像在基于图像相关的位移测量系统中的最大位移范围的重要部分。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述呈现总曲率的内参考图像误差分量包括由于未校准光源或光失真所引起的位置误差。

11.一种可用于减少基于图像相关的位移测量系统中位移误差的设备，包括：

一模块，估算对应未补偿位移值的误差量，未补偿的位移值表示参考图像和位移图像之间的位移，

其中，误差量的估算包括内参考图像误差分量的估算，该内参考图像误差分量呈现一个总曲率，该总曲率在一范围上延伸，该范围是基于图像相关的位移测量系统中单个参考图像所使用的最大位移范围的重要部分；并且

所述误差量的估算在该模块中与相对于任意参考图像位置的位移相对应。

12.根据权利要求11的设备，其特征在于，还包含根据参考图像和位移图像产生未补偿位移值。

13.根据权利要求11的设备，其特征在于，还包含将估算的误差量和未补偿的位移值相结合以判定参考图像和位移图像之间的补偿位移。

14.根据权利要求11的设备，其特征在于：

对误差量的估算是多个在所述模块中所表示的误差估算中的一个，每个误差估算对应于相对于任意参考图像位置的位移；以及

所述多个误差估算对应于一个位移范围，该范围是在基于图像相关的位移测量系统中单个参考图像所使用的最大位移范围的重要部分。

15.根据权利要求11的设备，其特征在于，误差量的估算以包含查找表的形式表示。

16.根据权利要求15的设备，其特征在于，误差量的估算以包含基于在查找表中值之间的内插的值的形式表示。

17.根据权利要求11的设备，其特征在于：

误差量的估算以包含误差补偿函数的形式表示，该函数表示在未补偿位移值中观察所得的误差，该未补偿位移值是由基于图像相关的位移测量系统采用与单个参考图像在基于图像相关的位移测量系统中的最大位移范围的重要部分来判定的；以及

误差补偿函数包括一个与总曲率相关的分量，该总曲率在基于图像相关的位移测量系统中单个参考图像所使用的最大位移范围的重要部分上延伸。

18.根据权利要求17的设备，其特征在于，还包含使实际位移值与未补偿位移值之间的差异与误差补偿函数之间的差最小化的模块。

19.根据权利要求17的设备，其特征在于，误差补偿函数包括与周期性图像相关内插误差有关的第一周期分量。

20.根据权利要求19的设备，其特征在于，误差补偿函数包括在一范围内改变第一周期分量振幅的第二分量，该范围是采用单个参考图像在基于图像相关的位移测量系统中的最大位移范围的重要部分。

21.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述呈现总曲率的内参考图像误差分量包括由于未校准光源或光失真所引起的位置误差。

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