CN1334439A - 一种斑点图像相关的光学位置传感器 - Google Patents

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Abstract

斑点读出头包括向光学粗糙表面发出光的光源。从该表面散射的光包含斑点。散射光在图像检测器上成象,并被捕获和存储。接着,捕获并存储第二图像。在位移方向上以不同偏移反复地比较这两个图像。具有最高值的比较表示两次取象间产生的读出头与表面之间的位移量。读出头的光学系统包括透镜和孔径。孔径可以为圆形,选择其直径使斑点的平均尺寸约等于或大于图像检测器元件的尺寸。垂直于位移方向的方向上的孔径尺寸可以减小。由此,该方向上成象的斑点将大于该方向上图像检测器元件的尺寸。这样的读出头对横向偏移不敏感。透镜可以是柱形透镜,该透镜能放大位移方向上的相对运动,但不会放大垂直于位移方向的方向上的相对运动。光学系统也可以是远心的。由此,读出头对读出头与表面之间的相对运动和间距不敏感。调整光源以避免斑点在图像检测器上产生的拖尾。可选通光源以稳定图像。

Description

一种斑点图像相关的光学位置传感器
本发明涉及利用斑点图像的相关来感测位置位移。
许多已知装置利用斑点图像和斑点图像间相关性来确定形变和/或位移。通过光源照射光学上的粗糙表面产生斑点图像。通常，光源为相干光源，更具体的是指激光发生光源，例如激光器、激光二极管等等。在光学粗糙表面被光源照射后，从光学粗糙表面散射的光在光学传感器或半导体摄像传感器阵列等上成像，这些光学传感器例如电荷耦合装置(CCD)，半导体摄像传感器阵列例如有CMOS图像传感器阵列。
在光学粗糙表面发生位移或变形之前捕获并存储第一斑点图像。接着，在光学粗糙表面发生位移或变形后捕获并存储第二斑点图像。然后一个象素接一个象素地比较在先和在后的斑点图像。具体是进行大量比较。在每次比较中，在先和在后斑点图像会相对于彼此会发生偏差，在每次比较中偏差量增加一个图像元素或象素。在每次比较中，在先图像中具体象素的图像值乘以或减去相应的在后图像象素(根据偏差量)并累计结果。当根据总的累计值绘制偏差图时，具有在后和在先图像间最大相关性的偏差产生波峰或波谷。
例如，美国专利4794384公开一种鼠标，它利用图像斑点相关性来确定鼠标的二维运动方向。具体的是，在384专利中不需要高速地执行斑点图像相关，且其精度仅需要在毫米的范围内即可。
美国专利法4967093公开了利用斑点图像相关测量物体变形的系统和方法。特别是，在093专利中详细描述了许多传统方法，用于比较两个斑点图像和确定用新的参考斑点图像更新当前参考斑点图像的时间。类似地，已公开的日本专利申请8-271231(1996年10月公开)公开了在基于斑点图像的位移测量器中避免累计误差的另外方法。
最后，公开的日本专利5-52517(1993年3月公开)公开了一种基于斑点图像的位移测量仪，其在狭缝板5中使用了矩形或椭圆形状的狭缝51。来自激光光源的光束在照射光学粗糙表面前穿过狭缝51。由此，通过狭缝51使光束定形。定形后的光束能使主位移方向上的位移量得到高敏感度地测量，同时垂直于主位移方向的位移成分不会影响装置敏感度。
然而，上述传统斑点图像相关系统也能确定斑点图像的表面位移，以此来分析物体变形和应变，其中希望将所有表面运动的斑点效果最大化，以便确定由计算机鼠标或其它低分辨率测量装置产生的低分辨率运动。特别是，在这些传统斑点图像相关系统中，通常不需要高精确地确定物体沿一个或多个规定运动轴的运动。
在这些使用高精度斑点图像相关的位置编码器等的现有技术装置中，还没有充分考虑适于商业适销形式的、能有效避免高分辨率确定位置的实际问题。特别是，这些现有技术的高精度位置编码器等隐含假设在这些斑点图像相关、高精度位置编码器等的具体实现过程中使用了高稳定性结构和高精确度的轴承(bearing)系统。然而，这些高精度机械系统很昂贵。此外，在本领域商业上需求的高水平分辨率和准确度上，由于要在轴承、非平面表面等上工作，因此即使高精度机械系统也展示出不希望的测量误差。
本发明提供了基于斑点图像相关的位置传感器，它能解决一个或多个此类问题。
本发明通过提供基于斑点图像相关的、能高分辨率地测量位置或位移的位置传感器来解决一个或多个这些问题。
本发明通过提供基于斑点图像相关的、能降低对横向偏移的敏感度的位置传感器来解决一个或多个这些问题。
本发明通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个这些问题，该传感器能通过设置一个孔径来减少对横向偏移的敏感度，其中与位移方向平行的方向上的孔径要长于与位移方向垂直的方向上的孔径。
本发明通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器通过在光学粗糙表面与检测器之间放置柱面透镜减小了对横向偏移的敏感度。
本发明通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器减小了对光学粗糙表面与垂直于光学粗糙表面方向上的光源和/或检测器之间间距的敏感度。
本发明通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器对光学粗糙表面与垂直于光学粗糙表面方向上的光源和/或检测器之间的相对运动相对不敏感。
本发明通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器能测量以相对高速度运动的光学粗糙物体的位移。
本发明通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器在成像装置的曝光时间内选通光源以便稳定图像，从而能确定以相对高速度运动的光学粗糙物体的位移。
本发明通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器具有提高的价格/性能比。
本发明通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器具有改进的坚固耐用性和经济性。
在根据本发明基于斑点图像相关的位置传感器的各种示例性实施例中，光源向光学粗糙表面射出光束。由于衍射作用，从光学粗糙表面散射的光包括光斑或斑点的无规图样。从光学粗糙表面散射的光在具有二维光敏元件阵列的图像检测器上成像。输出并存储在图像检测器上捕获的图像。然后，捕获并存储第二图像。然后基于一个象素接一个象素地比较两个图像，首先在特定位移方向上两个图像之间没有任何偏移。然后每次以特定位移方向上的不同偏移比较图像。具有最高或最低比较值的比较表示光学粗糙表面相对于光源的位移量，比较是在摄取两次图像之间产生的。
特别是，在根据本发明的基于斑点图像相关的位置传感器的各种示例性实施例中，光学系统设置在光学粗糙表面与图像检测器之间。在各种示例性实施例中，光学系统包括透镜和针孔孔径。在光学系统的各种示范性实施例中，针孔孔径为圆形并具有这样选择的直径：无规斑点图样的斑点平均尺寸至少约等于(在许多实施例中可大于)图像检测器正方形光敏元件的尺寸。
在光学系统的其它示范性实施例中，减少针孔孔径在与位移方向垂直的方向上的尺寸。由此，在与位移方向垂直的方向上斑点图像要大于在该方向上图像检测器光敏元件的尺寸。由此，具有这种针孔孔径的基于斑点图像相关的位置传感器对横向位移变得相对不敏感。
在光学系统的又一个其它示范性实施例中，透镜为柱面透镜，该透镜能放大沿位移方向的相对运动，而不会放大横向垂直于位移方向的方向上的相对运动。在光学系统的再一个其它示范性实施例中，光学系统为远心的。结果是，基于斑点图像相关的位置传感器变得对光学传感器与光学粗糙表面之间的间距以及光学系统与光学粗糙表面之间的相对运动都相对不敏感。
在根据本发明的基于斑点图像相关位置传感器的各种示范性实施例中，调制光源，使其能避免斑点图像跨过图像检测器的光敏元件阵列时带来的模糊。特别是，在各种示范性实施例中，将光源选通很短的时间，以便在图像检测器曝光时间内能有效地稳定图像，其中曝光时间要远长于光源的选通时间。
在根据本发明基于斑点图像相关位置传感器的各种示范性实施例中，光源、光学系统和图像检测器组成读出头，该读出头能相对于光学粗糙表面沿一维位移轴移动。特别是，在光源的各种示范性实施例中，光源为光学相干光源。特别是，在相干光源的各种示范性实施例中，相干光源为激光器。
在第一示范性实施例中，光源发出的光束以相对于光学系统光轴的一定角度发出。光学粗糙表面向光学系统散射斑点图样，该光学系统能使斑点图像在图像检测器上成像。在第二示范性实施例中，由光源发出的光束以相对于光学系统光轴的一定角度发出到分束器上。该分束器可改变发出光束的方向，由此光束在被光学粗糙表面散射前是平行于光轴的。光学粗糙表面将光束沿光轴散射回去，散射光通过包括分束器的光学系统并到达图像检测器。
在光学系统的第三个示范性实施例中，光源沿光轴发出光束。在该第三示范性实施例中，将光学系统集成在材料块内，在光源发出的光束波长上该材料块是光学透明的。具体地说，光学系统的透镜既可与材料块一起集成地设置，也可以粘接到材料块上。另外，在该第三示范性实施例中，不是在不透明材料中设置针孔孔径，而是集成光学系统包括半透明薄膜，该薄膜淀积在穿过光轴的光学透明材料的一个表面上。
特别是，该半透明薄膜作为反向(reverse)小孔，其中半透明薄膜仅反射与正常通过针孔孔径的光束一样多的散射光束。反向小孔的半透明薄膜改变光学透明材料块内被散射的光束的方向，使该光束到达光学透明材料块背面上形成的全反射薄膜上。然后全反射薄膜将斑点图像反射到图像检测器上。
当斑点图像相关的光学位置传感器的读出头相对于标尺沿至少一个预期的相对运动轴移动时，读出头能测量相对于具有光学漫射表面的部件的位移，其漫射表面沿至少一个预期相对运动轴延伸，该传感器包括：
相干光源，该光源能发出照射光学漫射表面一部分的光束，被照射的光学漫射表面部分能散射光，
图像检测器，该检测器能接收从该光学漫射表面部分散射的光，其中图像检测器包括象元阵列，该象元阵列对散射光敏感，阵列象元至少沿阵列第一方向被分隔开，象元沿第一方向以预定间隔被隔开，
光学系统，该系统至少包括一个光学元件，该光学元件能至少将一部分散射光发出到图像检测器上，以及
与图像检测器相连的光检测器接口电路；其中
在象元阵列上从光学漫射表面部分散射的光产生基于被照射的光学漫射表面部分的强度图形，被照射的光学漫射表面部分取决于光学漫射表面与读出头的相对位置，以及
至少安装光学系统的一个光学元件来抑制由于光学漫射表面与读出头之间的相对运动(该运动不沿至少一个预期相对运动轴)引起的强度图形至少一个特征的变化。
参照以下附图详细描述本发明的各示范性实施例，其中：
图1为第一示范性实施例的俯视平面图，其结合了根据本发明斑点图像相关的光学位置传感器的位置测量装置；
图2是光学漫射或光学粗糙表面的俯视平面图，该表面可用于根据本发明的斑点图像相关的光学位置传感器的各种示范性实施例；
图3为第三示范性实施例的分解透视图，其结合了根据本发明斑点图像相关的光学位置传感器的位置测量装置；
图4为第三示范性实施例的透视图，其结合了根据本发明斑点图像相关的光学位置传感器的位置测量装置；
图5为第四示范性实施例的透视图，其结合了根据本发明斑点图像相关的光学位置传感器的位置测量装置；
图6为第五示范性实施例的透视图，其结合了根据本发明的斑点图像相关的光学位置传感器的位置测量装置；
图7表示根据本发明的斑点图像相关的光学位置传感器各种示范性实施例的各元件一般操作与配置；
图8表示根据本发明的斑点图像相关的光学位置传感器读出头第一示范性
实施例的操作与设置；
图9表示根据本发明的斑点图像相关的光学位置传感器读出头第二示范性
实施例的操作与设置；
图10表示根据本发明的斑点图像相关的光学位置传感器读出头第三示范性
实施例的操作与设置；
图11为表示当各种象素位移上发生偏移时第一与第二斑点捕获图像的比较结果的曲线图；
图12为概述根据本发明的基于斑点图像的光学位置传感器信号产生与处理电路一个示范性实施例的方框图；
图13表示利用根据本发明的斑点图像相关的光学位置传感器形成斑点图形的第一示范性实施例；
图14表示利用根据本发明的斑点图像相关的光学位置传感器构成斑点图形的第二示范性实施例。
图1是结合了根据本发明基于斑点图像的光学位置传感器的位置测量装置第一示范性实施例的俯视图。如图1所示，位置测量装置100包括标尺部件102和读出头部件106。特别是，标尺部件102的光学漫射或光学粗糙表面104位于与读出头部件106的开口端面或照射端面相邻的位置。读出头部件106的另一个表面包括多个控制按钮105和位置或位移值显示装置107。
在各示范性实施例中，显示器107为液晶显示器。然而，显示器107可以是任何公知或新近开发的显示装置，它包括LED显示装置等。控制按钮105包括毫米/英寸切换按钮、开/关按钮和零位设定按钮。毫米/英寸切换按钮105可在以毫米或英寸显示位置或位移之间切换显示。零位设定按钮105重新将读出头相对于标尺部件的当前位置设为零位。由此，利用位置测量装置100制成的任何后续测量将相对于重新设定的零位进行。
图2更详细地示出了标尺部件102部分。具体如图2所示，标尺部件102的光学漫射或光学粗糙表面104衍射或散射用于照射光学漫射或光学粗糙表面104的光。这样，当光学漫射或光学粗糙表面104被照射并向光检测装置(例如摄像机、电子或数字摄像机、CCD阵列、CMOS光敏元件阵列等等)散射光时，被散射的光具有一个区域，在该区域光学散射或光学粗糙表面104使被衍射的光波正象或负象地叠加在光检测装置的图像平面中。结果，由光检测器捕获的图像将包含相对亮斑点或相对暗斑点或光斑的图形，其中相对亮斑点处的衍射光波正象合并形成波峰，而相对暗斑点处的衍射光波负象合并从而相互抵消。
由光检测装置捕获的图像具有强度图形，该强度图形主要取决于光学漫射或光学粗糙表面104散射被光检测装置捕获的光的部分和光路特征。特别是，由任何光学漫射或光学粗糙表面104的被照射部分产生的强度图形是无序的。强度图形的无规性仅归因于光学漫射或光学粗糙表面104的表面特性。特别是，光学漫射或光学粗糙表面104不需要为产生强度图形而以任何方式规定或有意识地形成图案。由此，任何光学漫射或光学粗糙表面104被照射部分的无序强度图形不取决于任何需要设置在表面104上的掩模(mask)。
图3表示位置测量装置的第二示范性实施例。如图3所示，位置测量装置100包括具有光学漫射或光学粗糙表面104的标尺部件102。具体地如图3所示，标尺部件102具有形成在标尺部件上的沟槽112，该沟槽112接受具有光学漫射或光学粗糙表面104的分离插入部件103。由此，如下所述，标尺部件102可具有用于斑点图像相关型读出头的各种不同类型的光学粗糙插入物件103。标尺部件102包括一对臂108和120，它们垂直于光学漫射或光学粗糙表面104的测量轴300从标尺部件102延伸出来。
读出头装置106包括底座部件124和读出头126。特别是，标尺部件102可设置在底座部件124的插槽125中。当标尺部件102设置在插槽125中时，光学漫射或光学粗糙表面104面向读出头的开口或照射端面。然后将读出头126设置在底座124上，以便牢固地将标尺部件102固定在插槽125中，从而将光学漫射或光学粗糙表面104设置在离光源和光学系统有普通固定距离的位置，其中光学系统罩在读出头装置106的读出头126内。
与标尺部件102类似，底座部件124包括一对臂116和118，这对臂相对于测量轴300垂直于底座部件124延伸。特别是，臂108和116在其侧面114上彼此对立。由此，臂108和116特别适用于测量被测量物体的外部尺寸。相反，臂118和120具有彼此相背的测量表面122。由此，臂118和120特别适用于测量物体的内部尺寸，例如孔、孔隙等。
图1和3表示作为成套装置的读出头部件106，其具有操作控制按钮和显示器。然而，在其它示范性实施例中，读出头126可独立于导向底座部件124和底座部件102单独使用。
图4-6表示位置测量装置的第三一第五示范性实施例。图4-6表示光学漫射或光学粗糙表面104作为独立存在的机件的完整表面，可通过远程电子设备操作并显示读出头126的运行操作。图5表示读出头126可用于测量旋转表面沿正切方向的运动。由此，读出头126可用于推断旋转表面或磁盘的旋转位移。类似地，图6表示读出头可用于测量旋转柱面沿正切方向的运动。由此，读出头126可用于推断旋转柱面或轴的旋转位移。
另外，如图4-6所示，读出头部件106不需要与特别设计或设置的标尺部件102物理结合。相反地，读出头126可安装在机器或装置400的第一部件410上。特别是，机器或装置400包括第一部件410和第二部件420，第二部件420可沿着或围绕至少一条旋转或正切轴相对于第一部件410移动。当然，可以理解的是这意味着在某一坐标系内第一和第二部件410和420中的一个是静止不动的，而第一和第二部件410和420中的另一个可沿或围绕该坐标系中的至少一条旋转或平移轴运动。
特别是，在图4-6中，第二部件420具有光学漫射或光学粗糙部分422，该部分422位于罩在读出头126内的光学系统的视域中。也就是，第二部件420的光学漫射或光学粗糙部分422构成了上面参照图1-3和下面参照图7-14所述的光学漫射或光学粗糙表面104。
如图4所示，第二部件420通常设有平面421，该平面421包括光学漫射或光学粗糙部分422。在图4所示的示范性实施例中，机器或装置400可以是机床，例如具有平台的视觉系统或具有平面X-Y工作台的铣床，要铣削的工件可在该铣床的X-Y工作台上定位。在该情况下，第二部件420通常为平台或工作台。通常，该一般为平面的第二部件420能相对于读出头部件106沿一条或两条正交轴401和403平移。
在图4中，读出头126安装在机器或装置400的表面402上。该表面402可以是机器或装置400或所附加固定架的主要部分。在图4所示的示范性实施例中，表面402与光学漫射或光学粗糙部分422的预期运动轴平行对齐。表面402也可以包括平行于光学漫射或光学粗糙部分422对齐设置的凸缘(未示出)或刻度。
与表面402邻接的读出头126的定位表面127是这样设置的：当表面402被校准以平行于光学漫射或光学粗糙部分422的相对运动轴时，在相对运动过程中读出头126图像检测器中的成象元件阵列上由于从光学漫射或粗糙部分422散射的光而产生的强度图形将在相应于成像阵列元件已知预定间隔的方向上平移过阵列。也就是，校准表面127用于从外部实现对读出头126内部部件的相对于被测量预期相对运动的预期校准。应当注意的是内部光路可弯曲或“扭曲”。在该情况下，成像阵列自身不需要在物理上校准以平行于外部校准表面128。
相对于表面402定位的校准表面127实现了对读出头126的最严格校准。然而，校准表面127不能确保读出头126从垂直于光学漫射或光学粗糙部分422的方向准确地观察。然而，当读出头126从垂直与光学漫射或光学粗糙部分422的方向准确观察时，可获得对大多数读出头126实施例的最稳固和最正确的校准结构。因此，如图4所示，读出头126可进一步包括第二校准表面128。可平行于光学漫射或光学粗糙部分422并平行于光学漫射或光学粗糙部分422的预期移动轴设置校准部件406。当校准第二校准表面128以使其平行于校准部件406时，就能实现对读出头126的校准，由比读出头就能以垂直于光学漫射或光学粗糙部分422的方向进行观察。
在图4所示基于斑点图像相关的读出头126的各个示范性实施例中，光学漫射或光学粗糙表面104成为现有机器导向部件的组成部分。例如，机器导向部件可以是车床的移动工作台，该工作台能向一个方向移动。可选择的是，机器的导向部件可以是显微镜的X-Y移动工作台，该工作台能平行于由表面104限定的平面移动。可以理解的是，此处描述的利用成像检测器中单个方向测量表面沿第一轴位移的位移测量方法也可以沿成像检测器中的第二正交方向实施，由此可沿垂直于第一轴的第二轴测量同一表面。可利用两个分离并垂直的1-维成像检测器阵列、利用两个正交方向的2维成像检测器阵列、或利用两个分离的2维检测器阵列实现目的，其中每个检测器阵列都可以测量两个垂直方向中的一个方向上的位移。
相反，如图5所示，第二部件420具有近似通常为圆形并通常为平面的表面，该表面包括光学漫射或光学粗糙部分422。在图5所示的示范性实施例中，机器或装置400可以是发动机的转子、旋转编码器、或任何其它公知或新近开发的能相对于读出头126围绕转动轴403转动的元件。也可以理解的是，在其它各示范性实施例中，读出头126和第一部件410是能在特定坐标系中围绕轴403转动的装置。在该情况下，第二部件420和光学漫射或光学粗糙表面422可具有任何所希望的形状，并不特别需要成为圆形，只要当读出头126围绕旋转轴403转动时读出头部件106扫过的环形视域基本上保持在光学漫射或光学粗糙部分422的边界范围内。
如图6所示，与第三和第四示范性实施例相反的是，在第五示范性实施例中，第二部件420可具有近似圆柱形的形状，通常该圆柱形表面包括光学漫射或光学粗糙表面422。在图6所示的示范性实施例中，机器或装置400可以是发动机转子、旋转编码器、皮带轮或皮带轮上的皮带、或任何其它已知或新近开发的能相对于读出头126围绕旋转轴403旋转的元件。也可以理解的是，在其它各示范性实施例中，读出头126和第一部件410可以是在特定坐标系中围绕轴403旋转的装置。在该情况下，第二部件420、光学漫射或光学粗糙部分422所占据区域的外部可具有任何希望的形状，并不特别需要成为圆柱形，只要当读出头围绕旋转轴403转动时光学漫射或光学粗糙部分422为圆柱形，读出头部件106将基本上与光学漫射或光学粗糙部分422保持固定距离。
图7通常表示根据本发明基于斑点图像相关的位置传感器的各光学元件的运行和一般设置。如图7所示，光源(未示出)发出出的光束134入射到光学漫射或光学粗糙表面104上并照射光学漫射或光学粗糙表面104的一部分。结果，被照射的光学漫射或光学粗糙表面104部分在光轴144附近散射并衍射光。
应当理解的是，当在此讨论光轴或散射光的方向时，散射光的光轴或方向由散射光的中心射线确定，在此中心射线是通过透镜140和针孔孔径152中心的射线。
在光轴144附近从光学漫射或光学粗糙表面104的照射部分散射和/衍射的光通过透镜140。在各示范性实施例中，透镜140聚集从光学漫射表面的被照射部分散射的光136，或聚集从光学粗糙表面104散射的光136。通常，当透镜140聚集了从光学漫射或光学粗糙表面104收集的光136、并当限制孔径152设置在透镜140的后焦面上时，光学系统成为远心的。
然后透镜140将来自光学漫射或光学粗糙表面104照射部分的聚集光142投射到具有针孔孔径152的小孔平板150上。特别是，透镜140与具有针孔孔径的平板150相隔距离f，该距离等于透镜的焦距。此外，应当理解的是具有针孔孔径152的小孔平板150与光学漫射或光学粗糙表面104照射部分相隔距离h。
特别是，通过将平板150设置在透镜140的焦距上，根据本发明的基于斑点图像的光学位置传感器的光学系统成为远心的。特别是，在远心系统中，光学系统以及根据本发明的基于斑点图像的光学位置传感器变得对间隙距离h的变化相对不敏感。此外，通过利用小孔平板150中的小孔152，斑点图形的斑点尺寸与放大系数仅取决于小孔152的尺寸，更特别的是，它们与透镜140的任何透镜参数无关。
来自透镜140的聚集光142穿过小孔152。特别是，穿过小孔152的光154沿光轴144投射到光检测器160的象元162阵列166上。特别是，光检测器160可以是电荷耦合装置(CCD)、CMOS光敏元件阵列、或其它任何已知或新近开发的光敏材料或感光元件，它们可构成独立的和单个的感光元件阵列。特别是，从透镜140过来的聚集光142的通过部分154投射到光敏元件162阵列166上，这部分光敏元件阵列的表面与平板150相隔距离d。更为特别的是，斑点尺寸仅取决于小孔152尺寸所对的角α和小孔平板150与光检测器160的象元162阵列166构成的表面之间的距离d。
从光学漫射或光学粗糙表面104被照射部分接收的、到达象元162阵列166上的光检测部分内斑点的近似尺寸D为：
                 Dλ/tan(α)＝(λ*d)/w    (1)
其中，
为光束134的波长，以及
w为圆形小孔直径。
在各示范性实施例中，等式1的典型值包括：＝0.6微米，d＝10厘米(100，000微米)，w＝1毫米(1,000微米)。结果，适当的斑点尺寸为60微米。
图8表示用于根据本发明基于斑点图像的光学位置传感器的读出头装置106的第一示范性实施例。如图8所示，读出头装置106包括光源130、透镜140、具有小孔152的小孔板150、和具有象元162阵列166的光检测器160。读出头装置106还包括信号产生和处理电路200。后面将参照图12描述信号产生和处理电路200的一个示例性实施例。
如图8所示，从信号产生与处理电路200接出的信号线132连接到光源130上，该信号线可提供驱动光源130的驱动信号。光源130响应信号线132上的驱动信号发出照射光学漫射或粗糙表面104一部分的光束134。在各示范性实施例中，光源130可以是白光光源。在该情况下，光将产生被照射部分的图像，该图像投影到象元162的阵列166上。然而，当该图像以与斑点图像相关的相同方式被相关时，该图像不包括通过光学漫射或光学粗糙表面104的散射形成的斑点。
在其它各示范性实施例中，光源130为相干光源。通常，相干光源130可以是激光束发出光源。然而可以利用任何能发出相干光束的其它已知或新近开发的相干光源代替激光器。
当通过信号线132上的驱动信号驱动相干光源130并使其发出相干光束134时，相干光束134照射光学漫射或光学粗糙表面104的一部分，该部分位于沿读出头装置106光学系统的光轴上。特别是，透镜140聚集从光学漫射或光学粗糙表面104被照射部分散射的光136。从透镜140收集到的光142沿光轴144投射到小孔板150上并穿过小孔152。穿过小孔152的部分光154沿光轴144投射到光检测器160的象元162阵列166上。信号线164连接光检测器160和信号产生与处理电路200。特别是，阵列160的每个象元162都独立地寻址以通过信号线164向信号产生与处理电路200输出代表象元162上的光强的值。
在图8所示读出头装置160的第一示范性实施例中，从相干光源130发出的相干光束134以不垂直于光轴144的角度发出。因为光束134与光轴144具有不垂直的角度，因此如果光束134未布满光学漫射或光学粗糙表面104的有效视域，小孔152与光学漫射或光学粗糙表面104被照射部分之间的间隙距离h的变化有效地改变了光学漫射或光学粗糙表面104部分，该部分实际上有助于将斑点图形投射到光检测器160上。该变化与读入头装置106与光学漫射或光学粗糙表面104之间沿测量轴300的相对运动无关。结果，如果光束134未布满光学漫射或光学粗糙表面104的有效视域，从光学漫射或光学粗糙表面104散射的光136中的斑点位置将在取决于间隙距离或间距h位置处的象元162阵列166上成像。由此，如果光束134未布满光学漫射或光学粗糙表面104的有效视域，则这些斑点图形在象元162阵列166上的位移仅归因于间隙间距或距离h中不希望的变化，该位移将错误地转换成读出头装置106和光学漫射或光学粗糙表面104之间的表观平移。
图9表示根据本发明的基于斑点图像光学位置传感器读出头装置106第二个示范性实施例的设置和操作。如图9所示，读出头装置106包括如图8所示第一示范性实施例中所示的相干光源130、透镜140、具有小孔152的小孔板150、和具有象元162阵列166的光检测器160、以及信号产生与处理电路200。读出头装置106还包括信号产生与处理电路200。然而，读出头装置106的第二示范性实施例还包括位于小孔板150与光检测器160之间的分光束镜138。
特别是，从相干光源130发出的相干光束134不再象图8所示读出头装置106的第一示范性实施例中那样直接照射光学漫射或光学粗糙表面104的被照射部分。相反地，将相干光束134射入分光束镜138，在光学光束134照射光学漫射或光学粗糙表面104的被照射部分之就该分光束镜将相干光束134的方向改变，使光束134沿光轴144方向并通过小孔152和透镜140。
象图8所示的读出头装置106的第一示范性实施例中那样，光学漫射或光学粗糙表面104的被照射部分将光136散射到透镜140上。透镜140引导穿过透镜140的聚集光142到达小孔板150上。小孔152使一部分光154通过并将其入射到象元162阵列166上。
特别是，在读出头装置106的第二示范性实施例中，该读出头装置106通常比图8所示读出头装置106第一示范性实施例更紧凑。另外，在各示范性实施例中，因为第二示范性实施例的读出头装置106能够产生比图8所示第一示范性实施例读出头装置106更高对比度的斑点，因此它能为斑点带来更好的特征。
同样，因为在改变方向的相干光束134照射光学漫射或光学粗糙表面104的被照射部分之前相干光束134沿象轴144投射，因此光学漫射或光学粗糙表面104的被照射部分与小孔板150之间的间隙间距或距离h的变化不会象图8所示读出头装置106的第一示范性实施例中那样引起被相干光束134实际照射的光学漫射或光学粗糙表面104部分产生移动。因此图9所示第二示范性实施例的读出头装置106的容易在大范围的间隙h上运行，并且该实施例更加与间隙h和可能在图像捕获操作中产生的间隙间距或距离h中的各种变化无关。
最后，因为分光束镜138将相干光束134的方向改变为沿光轴方向，因此可容易地校准读出头装置106的光学元件并容易获得来自透镜140的聚集光142。然而，由于在分光束镜138改变光束134的方向后对补充元件和精确地将光束134与光轴144对准的需要，第二示范性实施例的读出头装置106比图8所示第一示范性实施例的读出头装置106的装配更复杂，且制造成本更高。
图10表示用于根据本发明的基于斑点图像光学位置传感器的读出头装置106的第三示范性实施例。如图10所示，用整体或组合光学系统170代替上面所述的光学系统，上面所述的光学系统包括在物理上独立的透镜140、在物理上独立的小孔板150、可选择的在物理上独立的分光束镜138。
特别是，读出头装置106包括相干光源130、光学系统170、反向小孔金属膜172、以及反射金属膜174，其中光学系统170包括整体形成或用其它方法设置的透镜140，这些部件都整体地与材料块176一起构成，或在材料块上形成，或以其它方式安装到材料块上，材料块176对于相干光源130发出的特定波长的相干光束是光学透明的。图10所示第三示范性实施例的读出头装置106还包括具有象元162阵列166的光检测器160和信号产生与处理电路200。
在图10所示第三示范性实施例的读出头装置106的运行操作过程中，由相干光源130发出的相干光束134在发出时与光轴144对准。相干光束134通过淀积在光学透明材料块176一个侧面上的半透明金属膜172，并通过半透明金属膜172和透镜140照射到光学漫射或光学粗糙表面104的被照射部分上。在其它各示范性实施例中，金属膜可以是全反射的，它包括一个很小的开口或孔，光束134能穿过该孔。
从光学漫射或光学粗糙表面104的被照射部分散射的光136穿过透镜140，然后投射到半透明金属膜172上。特别是，透镜140与光学透明材料块176整体地形成。可选择的是，透镜140可以是独立形成的元件，该元件随后被设置到光学透明材料块176上。在各示范性实施例中透镜140可粘接在光学透明材料块176上。然而应明确的是，可以使用任何其它公知或新近开发的将独立形成的透镜140设置在光学透明材料块176上的方法。
半透明金属膜172作为反向小孔172，其中半透明金属膜172将来自透镜140的光142反射到反射金属膜174上，半透明金属膜172的反射光与图8和9所示第一和第二示范性实施例的读出头装置106中通过小孔板150上小孔152的光一样多。即，在图8和9所示第一和第二示范性实施例的读出头装置106中，小孔板150阻挡了绝大部分通过透镜140投射到小孔板150上的光142。小孔152仅能使投射到小孔板150上的聚集光142中的部分光154通过。
类似地，半透明金属膜172仅有效地将来自透镜140的光142中的一部分反射到反射金属膜174上。特别是，不被半透明金属膜172反射到反射金属膜174上的那部分聚集光142离开光学透明材料块176。由此消除这部分光142，该方式与第一和第二示范性实施例中读出头装置106消除被小孔板150阻挡的那部分聚集光142的方式相同。这样半透明膜172作为“反向”小孔。
被半透明金属膜172反射的那部分光173入射到反射金属层174上。反射金属层174再将这部分光173射出光学透明材料块176并将其投射到光检测器160的象元162阵列166上。
特别是，在第三示范性实施例的读出头装置106中，由光学漫射或光学粗糙表面104散射的那部分光136折叠以缩小读出头装置106的尺寸。该结构的读出头装置106部件不仅更加紧凑，而且由于该结构的读出头装置106对温度变化的敏感性更加不如图8和9所示第一或第二示范性实施例的读出头装置106，因此它更加稳定。
不管在根据本发明的具体基于斑点图像的光学位置传感器中实施哪一个读出头装置106的示范性实施例，信号产生与处理电路200的运行基本上相同。特别是，信号产生与处理电路200通过信号线132输出驱动信号驱动相干光源130发出相干光束134。光束134照射光学漫射或光学粗糙表面104的一部分。被光学漫射或光学粗糙表面104的被照射部分散射或衍射的光在光检测器160的象元162阵列166上成象。然后信号产生与处理电路200通过信号线164输入大量信号部分，其中每个信号部分对应于一个单独象元162检测的图像值。然后信号产生与处理电路200从光检测器160接收的具体图像的信号部分存储在存储器中。
短时间后，信号产生与处理电路200再次驱动相干光源130，并通过信号线162从光检测器106输入图像信号。在各示范性实施例中，在获得先前图像约100微秒的时间内产生并捕获在后图像。然而，可以理解的是，可以使用任何适当的捕获在前与在后图像之间的时间段。特别是，适当的时间段取决于阵列166的尺寸，特别是阵列166沿测量轴300方向的尺寸、读出头装置106的光学系统对投射到阵列166上的图像的放大倍数、以及在读出头装置106与光学漫射或光学粗糙表面104之间的相对位移速度。特别是，必需在足够短的时间内产生并采集第二图像，这样在前与在后的图像能充分重叠，由此能够确定两个图像间的相关性。
特别是，处理在后与在前图像以产生相关函数。实际上，在后图像相对于在前图像在数位上偏移一定范围的偏差，该偏差包括能引起两个图像对准的偏差。相关函数仅是对当图像数位偏移时将两个图像对准所需的偏差量的测量。可以理解的是可以利用任何公知或新近发展的算法确定在后与在前图像之间的相关函数。
回来简单参照图4-6，可通过电缆430将来自读出头装置106的位置信号传送到远程信号处理电子设备。可以理解的是，在对应于图4-6所示第三到第五示范性实施例的各示范性实施例中，读出头装置106包括信号产生与处理电路200。在该情况下，通过电缆430向远程信号处理电子设备输出位置值信号。与此相反，在与图4-6所示第三到第五示范性实施例对应的其它各示范性实施例中，读出头装置106去掉了除下面所讨论的光检测器接口230之外的信号产生与处理电路200。在该情况下通过电缆430向远程信号处理电子设备输出来自光检测器160的图像信号。此时远程信号处理电子设备包括从读出头装置106中去掉的信号产生与处理电路200的部分。
可选择的是，在其它各示范性实施例中，远程信号处理电子设备能输入来自光检测器接口230的图像信号或来自信号产生与处理电路200的位置信号，并输出与司服系统兼容的信号，例如数控机床等等。
对于读出头装置106相对于固定的第二部件420转动的这些示范性实施例，可用无线电线路代替电缆430，以便使读出头装置与远程信号处理电子设备相连通。在各示范性实施例中，无线电线路可以是红外发出机、无线电频率发射机(例如数字或模拟蜂窝电话发射机)、或任何其它公知或新近发展的无线电线路。在该情况下，无线接收机可直接与远程信号处理电子设备相连，或通过分布式网络和/或接入的电话交换网与远程信号处理电子设备相连。
图11表示一个相关函数的示范性实施例。特别是，相关函数包括多个离散数据点，这些数据点相隔预定距离。该距离取决于沿测量轴300的方向上单个象元162之间的中心到中心的有效距离和读出头装置106的光学系统对光学漫射或光学粗糙表面104位移的放大倍数。
例如，如果沿测量轴方向象元162的中心到中心的有效距离为10微米，读出头装置106的光学系统使表面位移放大10X，这样光学漫射或光学粗糙表面104被照射部分的1微米位移在象元162上被放大成10微米的斑点图形位移。
通过将在后图像相对于在先图像沿测量轴300的方向数字地平移象元162的中心对中心的有效间距来产生每个数据点。在该情况下，因为象元162的中心对中心的有效距离对应于光学漫射或光学粗糙表面104的1微米位移，因此在该情况下离散数据点间隔约1微米的距离。特别是，图11以任意单位显示的相关函数在每个在先和在后图像的图像、或强度、图像对准处的位移值上具有波峰或波谷。在图11所示的示范性实施例中，该峰出现在约20象素或象元162的位移处。
然后利用实际峰值搜索算法以亚象素精度确定实际峰值。特别是，该峰值搜索算法为内插法程序，该程序将二阶或更高阶的曲线拟合到相关函数。通常，在该峰值搜索算法中只使用离散数据点，该离散数据点基本上高于背景噪声电平。
在信号产生与处理电路200的各示范性实施例中，象在前图像那样存储在后图像，采集第三图像(新的在后图像)并将其与存储的在前图像比较，然后确定位移。然后连续重复该处理过程。与此相反的是，在信号产生与处理电路200的其它各示范性实施例中，仅当两个图像间的位移高于预定位移的阈值量时存储在后图像以代替在前图像。
图12是略述信号产生与处理电路200的一个示范性实施例的方框图。如图12所示，信号产生与处理电路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、插值电路270、位置累加器280、显示驱动器290、和任选的输入接口295。
控制器210通过控制线211与光源驱动器220相连，通过信号线212与图像检测器接口230相连，并通过信号线213与存储器240相连。类似地，控制器210通过信号线214-217分别与比较电路250、比较结果累加器260、插值电路270和位置累加器280相连。最后，控制器通过控制线218与显示驱动器290相连，并通过输入信号线219与输入接口295(如果设置的话)。存储器240包括在前图像部分242、当前或在后图像部分244、以及相关部分246。
在运行过程中，控制器210通过信号线211向光源驱动器220输出控制信号。作为响应，光源驱动器220通过信号线132向相干光源130输出驱动信号。接着，控制器210通过信号线212和213向图像检测器接口230和存储器240输出控制信号，以便将通过信号线164从光检测器160接收的、对应于每个象元162的信号部分存储到在前图像部分242或当前图像部分244中。特别是，来自独立象元162的图像值存储在先前图像部分242和当前图像部分244中的二维阵列中，这些图像值与阵列166中的单个象元162的位置对应。
一旦第一图像存储在在前图像部分242中，控制器210等待预定的短暂时间，然后再次通过信号线211向光源驱动器220输出控制信号，以便再次驱动相干光源130。然后利用信号线212和213上的信号控制图像检测器接口230和存储器240，以便将综合图像存储在当前图像部分244中。
然后，控制器210通过信号线214向比较电路250输出信号。作为响应，比较电路250通过信号线252从在前图像部分242输入特定象元的图像值，并根据当前偏移通过信号线252从当前图像部分244输出对应象元的图像值。然后比较电路250运行具体相关算法以确定比较结果。比较电路250通过信号线254向比较结果累加器260输出当前相关偏移的比较结果。
如图11所示，一旦比较电路250已经选取并比较了来自在前图像部分242的每个象元162的图像值，并将它们比作当前图像部分244中存储的对应图像值，运行相关算法并向比较结果累加器260输出比较结果，在比较结果累加器260中存储的数值以绝对单位确定相关值。然后控制器210通过信号线215向比较结果累加器260和通过信号线213向存储器240输出信号。结果，在比较结果累加器260中存储的相关算法结果输出并存储在存储器240的相关部分246中与当前偏移相对应的位置。
然后控制器210通过信号线215输出清除结果累加器260的信号。一旦比较电路250已经完成了在前图像部分242中存储的在前图像与当前图像部分244中存储的当前图像之间所有希望偏差的所有比较，在控制器210的控制下比较结果累加器260通过信号线262累加了结果，并已经将累加结果存储在相关部分246中，控制器210就通过信号线216向内插电路270输出控制信号。
作为响应，内插电路270通过信号线252输入相关部分246中存储的相关结果并确定相关函数波峰或波谷的位置，对周围和包括相关函数波峰/波谷的数据点进行插值，以将曲线拟合到相关函数的波峰/波谷，由此确定了实际亚象素的位移。然后在信号控制器210通过信号线216输出的信号的控制下，插值电路270通过信号线272向位置累加器280输出经确定的实际亚象素位移值。在信号控制器210通过信号线217输出的信号的控制下，位置累加器280通过信号线272将位移值加到位置累加器280中存储的累加位移上。然后位置累加器280通过信号线282向控制器210输出经更新的位置位移。作为响应，控制器通过信号线218向显示驱动器290输出经更新的位移值。然后显示驱动器290通过信号线292向显示装置107输出驱动信号以显示当前位移值。
输入接口295(如果设置的话)设置接口，其通过信号线296设置毫米/英寸按钮105，通过信号线297设置on/off按钮105，并通过信号线298设置零位设定按钮105。输入接口295提供了这些按钮105与控制器210之间的接口，并通过一条或多条信号线219向控制器210输出从按钮105输出的控制信号。然而，可以理解的是输入接口295连同信号线219都可以省略。在该情况下，读出头装置106上从各个按钮105引出的信号线296-298可直接与控制器210连接。
如上所述，比较电路250可利用任何方便的或适当的公知或新近发展的相关算法根据当前偏移对在先图像部分242中存储的在先图像与当前图像部分244中存储的当前图像一个象素接一个象素地作比较。特别是，每个在先和当前或在后图像包括以二维阵列排列的M×N个象素，其中阵列有M行象素和N列象素。一个方便的相关算法为： R ( p ) = Σ q = 1 ( Σ m = 1 I 1 ( m ) * I 2 ( p + m ) ) / M - - - - - ( 2 )
其中：
p为象素中的当前位移或偏移值；
R(p)为当前位移值的相关值；
q为当前行的计数；
m为当前行的当前象素计数；
I1为在先图像中当前象素的图像值；以及
I2为在后或第二图像的图像值。
可以理解的是假设为循环边界条件(cyclical boundary conditions)。
如等式2所示，获得并总计每一行的相关性。然后将总和在M行上求平均值，以便获得平均值和减小噪声的相关函数。该平均相关函数对于保证数据点对于通过插值相关函数峰值获得的近似分辨率的稳定是合乎需要的。由此，当每个数据点约表示1微米时，为通过内插相关峰值获得近似纳米的分辨率，需要数据点大致稳定到所希望的纳米分辨率值。
为达到该亚象素的分辨率和精度，函数f(x)数值拟合到峰值数据点和峰值数据点周围的数据点，而在峰值数据点周围的数据点大大高于噪声电平310。接着，为找出数据拟合函数f(x)的实际位移峰值，即，为找出数值拟合函数f(x)的绝对极大值或极小值，对数值拟合函数f(x)求微分以确定f(x)的斜度等于零时的位移值x。
在各示范性实施例中，数值拟合函数f(x)为二次函数。然而，可以理解的是，也可以使用其它函数。还可以理解的是该方法不仅可适用于等式2所示的相关法，还可适用于其它方法。例如，可通过减去偏移图像并找出最后所得相关函数中的最小值来确定位移。
如上所示，在斑点相关过程中，在发生位移之前和之后采集在先和在后斑点图像。然后将在先和在后斑点图像相关以确定位移。为获得高分辨率，重要的是使斑点尺寸约等于或大于光检测器160象元162的象素尺寸。此外，在根据本发明读出头126的各示范性实施例中，平均斑点尺寸应大于象元162的象素尺寸，而其它示范性实施例中平均斑点尺寸可达象元162的象素尺寸的三到四倍。对于线性编码器，它们仅沿信号测量轴300移动，其为每一行确定线性相关。然后，正如上面等式2所概述的，将所有行的相关函数进行平均。
由于斑点尺寸约等于或大于象素尺寸，在采集在后和在先图像之间产生的与测量方向300垂直的横向位移导致被比较的斑点图形中显著的不相关性。这将导致产生实际位置误差。物体平面(即光学漫射或光学粗糙表面104平面)上与测量方向垂直的斑点尺寸约等于与测量轴300垂直的方向上除以由垂直于测量轴300方向的放大倍数的单个象元162尺寸。由此，任何大于该斑点尺寸的横向移动有效地导致在先与在后图形之间的完全不相关性。
在根据本发明基于斑点图像的光学位置传感器读出头装置106的各示范性实施例中，修改小孔板150上的小孔152以便这样形成斑点：垂直于测量轴300方向上的斑点基本上相对于垂直于测量轴160方向上被相应的放大倍数值划分的象元162尺寸被拉长。因此，当光学漫射或光学粗糙表面104在垂直于测量轴的方向上横向移动时，通过给定行对相同的斑点分布进行取样。
特别是，可通过小孔缝隙152的形状和尺寸确定斑点的形状和尺寸。按照惯例，只使用圆形小孔。这种圆形小孔产生图13所示的斑点图形。在沿着或垂直于测量轴300的方向上这种圆形小孔产生统计学上近似等长宽的斑点。与此相反的是，通过形成不再为圆形的小孔152形成如图14所示的斑点。特别是，图14的斑点是利用方形小孔152产生的，其中方形小孔152的长边沿测量轴300延伸。特别是，该方形小孔152具有大的长宽比。图14清楚地示出斑点在垂直于测量轴300的方向上被拉长。由此，即使光学漫射或光学粗糙表面104在垂直于测量轴300的方向上横向移动一个或多个象素，也可通过给定行对相同的斑点分布进行取样。这样，相关性和精度就不会受到该横向位移的影响。
在上面所述的各示范性实施例中，特别是在图1和3所示位置测量装置100的示范性实施例中，可沿测量轴300以相对高的速度相对于标尺部件102移动读出头装置106。然而，因为由光检测器160捕获的斑点图像在单个象元162的阵列166是很模糊，因此该读出头装置106与标尺部件102间的这种高速相对运动存在问题。这与摄影机中产生的效果一样，当视野中的物体移动很大距离同时摄影机快门时打开时，在胶片上的图象变得模糊。
如上所示，在根据本发明基于斑点图像的光学位置传感器中，读出头装置106的光学系统可这样设计：斑点具有投射到象元162阵列166上的图像尺寸，该尺寸约等于或大于象元162尺寸的尺寸。相反地，在光学漫射或光学粗糙表面104平面上的斑点具有因读出头装置106光学系统的放大倍数值而较小的尺寸。
如果操纵图像阵列使其具有曝光时间τ，而读出头沿测量轴300相对于光学漫射或光学粗糙表面104以速率v移动，这样斑点在曝光时间τ内将移过距离Δx＝v*τ。例如，对于位置测量装置100的多种应用，读出头装置106沿测量轴300相对于光学漫射或光学粗糙表面104以1m/s的速率v移动。此外，在不同的实例性的实施例中，光检测器160的曝光时间τ大约为100微秒。在该情况下，距离Δx将为100微米，该距离大约等于或大于物体平面上的斑点尺寸。结果，在这些速率上，根据本发明基于斑点图像的光学位置传感器将不起作用。
为避免该问题，在根据本发明基于斑点图像的光学位置传感器的各示范性实施例中，将相关光源130选通(strobe)很短的时间τ’，该时间远小于光检测器160的曝光时间τ。这将有效地稳定光检测器160的较长曝光时间τ中光学漫射或光学粗糙表面104被照射部分的图像。例如，如果速率v为1m/s，选通时间τ’为0.1us，则距离Δx为0.1微米。因为该距离远小于物体平面上的斑点和象素尺寸，因此仅产生极微的拖尾。
此外，通过将光源130选通很短的选通时间τ’，通过将它偏置在高得多的功率电平就可以从光源130获得更高的峰值功率。

Claims (26)

1.一种斑点图像相关的光学位置传感器读出头，当读出头相对于标尺部件沿至少一个期望相对运动轴运动时，它能测量相对于具有光学漫射表面并沿该至少一个期望相对运动轴延伸的部件的位移，读出头包括：
相干光源，它发出光束照射光学漫射表面的一部分，光学漫射表面的被照射部分反射光，
图像检测器，它能接收从光学漫射表面那部分散射的光，该检测器包括象元阵列，该象元对散射光敏感，阵列的象元沿至少第一阵列方向被分隔开，沿第一方向以预定间隔分隔象元，
光学系统，它包括至少一个光学元件，光学系统将至少一部分散射光发射到图像检测器上，以及
与图像检测器相接的光检测器接口电路；其中：
从光学漫射表面的那部分散射的光在象元阵列上产生基于光学漫射表面被照射部分的强度图形，光学漫射表面的被照射部分取决于光学漫射表面与读出头的相对位置；以及
光学系统的至少一个象元设置成能消除强度图形特征中的至少一个变化，该变化是由于光学漫射表面与不沿至少一个期望相对运动轴的读出头之间的相对运动产生的。
2.根据权利要求1所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中至少一个强度图形特征为至少一个下列特征：强度图形的扩大系数、在平行于至少一个期望相对运动轴方向上的强度图形的平移、在不平行于至少一个期望相对运动轴方向上的强度图形的平移、强度图形的旋转、以及强度图形的图形构象中的变化。
3.根据在前任一项权利要求中所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中至少一个光学元件设置限制孔径，该孔径能决定图像检测器所接收的散射光。
4.根据在前任一项权利要求中所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中至少一个光学元件包括针孔孔径以控制穿过光学漫射表面到达图像检测器的散射光。
5.根据权利要求4所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中至少一个光学元件进一步包括设置在光学漫射表面与针孔孔径之间的放大透镜。
6.根据权利要求4或5所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中放大透镜设置在距离针孔孔径的固定距离F处，其中F等于透镜焦距。
7.根据权利要求4～6中任一项所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中针孔孔径设置在距离图像检测器的固定距离d处。
8.根据权利要求4～7中任一项所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中孔径平面中针孔孔径沿第一期望相对运动轴的尺寸W范围为λ(d/P)＞W＞λ(d/20P)，
其中：
λ为相干光源的波长；以及
P为阵列象元沿第一方向的预定间隔。
9.根据权利要求8所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中针孔孔径的尺寸W范围为λ(d/2P)＞W＞λ(d/6P)。
10.根据权利要求4～9中任一项所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中在孔径平面上针孔孔径以尺寸K和垂直于第一期望相对运动轴为特征，在孔径平面上它以尺寸W和沿第一期望相对运动轴为特征，选择尺寸K和W以满足关系(1/10)W＜K＜W。
11.根据权利要求10所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中选择尺寸K和W，使其满足关系(1/8)W＜K＜(1/2)W。
12.根据在前任一项权利要求所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中在垂直于光学漫射表面被照射部分的方向上限制孔径的尺寸对光学漫射表面与光源和图像检测器中至少一个之间的间距不敏感。
13.根据权利要求3或12所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中至少一个光学元件至少包括聚集光束的准直透镜，限制孔径决定了光学漫射表面被照射部分的尺寸。
14.根据在前任一项权利要求所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中光源、图像检测器、以及至少一个光学元件可这样设置：当读出头以规定方向相对于光学漫射表面设置时，图像检测器能接到平面的散射光，其中该平面垂直于光学漫射表面并垂直于至少一个期望相对运动轴设置。
15.根据在前任一项权利要求所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中光源、图像检测器、以及至少一个光学元件可这样设置：当读出头以规定方向相对于光学漫射表面设置时，光束与读出头所接收的散射光通常是沿某一线共线的，该线沿垂直于光学漫射表面被照射部分的轴定位。
16.根据在前任一项权利要求所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中至少一个光学元件包括设置在光学漫射表面与图像检测器之间的柱型透镜，由此可放大强度图形沿第一方向的相对运动，而不会放大强度图形垂直于第一方向的相对运动。
17.根据在前任一项权利要求所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中光源、图像检测器、以及至少一个光学元件可这样设置：图像检测器所接收的光来自光学漫射表面的一个区域，该区域小于并包含在光学漫射表面的被照射部分之内。
18.根据在前任一项权利要求所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中：至少一个期望相对运动轴包括具有沿第一和第二正交轴成分的相对运动；
阵列的象元沿第一和第二预定的正交轴分别以第一和第二预定间隔被间隔开；
沿正交的第一和第二期望相对运动轴的相对运动分别引起强度图形沿正交的第一和第二预定轴平移；以及
斑点图形相关性光学位置传感器可用于监控标尺部件的光学漫射表面在由正交的第一和第二期望相对运动轴确定的平面上的位置。
19.根据在前任一项权利要求所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中：
至少一个期望相对运动轴正切于具有轴的柱面；以及
斑点图像相关的光学位置传感器可用于监控围绕圆柱轴的相对转动。
20.根据在前任一项权利要求所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中：至少一个期望相对运动轴正切于磁盘表面上的环形磁道，该磁盘具有垂直于磁盘表面的轴；以及
斑点图像相关的光学位置传感器可用于监控围绕磁盘轴的相对转动。
21.根据在前任一项权利要求所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中图像检测器上强度图形的放大对与漫射表面被照射部分垂直的方向上的相对运动不敏感。
22.根据在前任一项权利要求所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中光检测器接口电路从象元阵列的至少一些象元中输出信号值，该信号值表示散射光在这些象元上的图像强度。
23.根据在前任一项权利要求所述的斑点图像相关的光学位置传感器，进一步至少一个另外的信号产生与处理电路元件，该元件输入通过光检测器接口输出的信号值。
24.根据权利要求23所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中至少一个另外的信号产生与处理电路元件包括信号处理控制器。
25.根据权利要求24所述的斑点图像相关的光学位置传感器，其中：
至少一个另外的信号产生与处理电路元件基于象元阵列的信号值存储第一强度图形，其对应于沿至少一个期望相对运动轴第一相对位置处的光学漫射表面被照射部分；
至少一个另外的信号产生与处理电路元件基于象元阵列的信号值采集第二强度图形，其对应于沿至少一个期望相对运动轴第二相对位置处的光学漫射表面被照射部分；以及
根据第一与第二强度图形以及阵列象元沿至少一个阵列方向的预定间隔，信号处理控制器确定标尺部件与读出头之间沿至少一个期望相对运动轴的相对位移。
26.根据在前任一项权利要求所述的斑点图像相关的光学位置传感器，进一步包括至少一个外部校准表面，其中，当外部校准表面以规定方位相对于至少一个期望相对运动轴被设置时，强度图形沿第一方向在阵列上平移。
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