CN1724978A - 用于平移和定向传感的光路阵列和角滤光器 - Google Patents

Abstract

一种使用新颖的光路阵列(OPA)元件，角度选择空间滤光器和图像阵列的位置传感器，其可用于测量同时相对于靶构件在X，Y，Z上的侧转，前倾和转动(6D)的平移和定向，并具有高精确度。靶构件包括由对比性表面环绕的靶点阵列。该位置传感器利用在靶点成像装置中与角选择空间滤光器相结合的OPA元件，以使位置探测器的成像阵列只接收根据可操作锥角α进入OPA元件的光线。因此，每个靶点通常在成像阵列上产生具有一尺寸的环状图像，该尺寸随着每个靶点的Z位置而变化。在成像阵列上的每个靶点图像的X－Y位置随着每个靶点的X－Y位置而变化。因此，在同一图像中分析的三个或更多个点图像可用于确定相对于靶构件的6D测量。可通过已知的方法估算靶构件的X和Y位移，并且其它6D测量组件是在任何位置的绝对测量值。

Description

用于平移和定向传感的光路阵列和角滤光器

技术领域

本发明一般涉及一种光学位置传感器，并尤其涉及一种利用光路阵列和角滤光器的多轴光学位置传感器。

背景技术

已知有多种精确的二维(2D)光学位置传感系统。例如，在Masreliez的美国专利US.5,104,225中，公开了一种利用2D光栅标尺并对在X-Y平面内的平移进行传感的、具有高分辨率、高精确度的2D增量位置传感器，该专利全文在此引作参考。这种系统基本上是已知的一维(1D)光学编码器“增量”测量技术的正交组合，这种“增量”传感技术在周期性标度光栅的一个特定周期内检测读出头的位置，以获得高分辨率；并且在一系列移动期间，连续地增加和减少一个横跨过的周期性标尺的周期数，以便能够连续提供读出头和标尺之间的净相对位移。然而，这种系统不能传感读出头和标尺之间的“Z轴”间距。

已知非常有限的几种光学位置传感器，可传感一物体相对位置的多于两个的自由度。Danielian和Neuberger的美国专利US.5,452,838公开了一种包括一探针的系统，其可传感高达6个自由度的相对位置。该US.5,452,838专利公开了一种使用光纤束的探针，该光纤束具有用作单个强度传感通道的多个单根光纤或几组光纤。该单个强度信号随着被照明靶表面的X-Y移动而变化，也随着邻近每根光纤沿垂直于该表面的方向相对被照明靶表面的移动而变化。然而，该US.5,452,838专利所公开的探针对在探针与靶表面之间的“z轴”间距及定向提供了相对较低的测量分辨率和有限的传感范围。

已知的双摄像头“体视”三角测量系统可传感多达6个自由度的相对位置。然而，这种双摄像头系统通常是用于测量宏观物体和/或它们位置的相对较大的系统，它不能以合适的量程很好地标定那些相对紧凑和精密的、用于同它们的目标对象非常接近的位置测量系统。另外，这种系统的三角排列通常以限制性的和不期望的方式制约着z轴测量分辨率和z轴测量范围之间的关系。

可将物体成像并根据图像中变化的放大率确定来自图像中一特征的x-y位置和z轴位置以及方向的系统是已知的，然而，这种已知系统的放大装置通常以限制性的和不期望的方式制约着z轴测量分辨率和z轴测量范围之间的关系，并且带来了其它一些问题，需要特殊的图像处理和/或补偿，以便能够精确地测量具有6个自由度的相对位置。

发明内容

本发明涉及一种克服前述和其它缺陷的位置传感器。尤其是，本发明涉及一种利用“光路阵列”元件(OPA元件)、角滤光器和成像阵列的光学位置传感器，以对一物体提供多达6个自由度(多维，或“6D”测量)的高精确度同步测量，其包括X，Y，Z，侧转，前倾和转动的任一个或它们的结合。

根据OPA元件、角滤光器和成像阵列所选取的设计参数不同，根据本发明的光学位置传感器的应用包括但不限于：用于度量的精密位置传感器，运动控制系统等等，以及可用于计算机输入装置的相对较低分辨率和/或较长范围传感器，多自由度手动机构控制器，宏观物体测距和定向测量系统等等。

根据本发明的一个方面，光路阵列元件包括经过多个光路元件的多个光路。该光路阵列元件可以定位，以便输入来自靶构件上的靶特征的图像光。在多个实施例中，靶特征排列在能够为由靶特征引起的图像特征提供良好图像对比度的背景上。在多个实施例中，靶特征以二维周期阵列设置在靶构件上。在多个实施例中，靶特征是点特征。

根据本发明的另一方面，角滤光器部件具有光轴，角滤光器部件被这样定位，以接收来自光路阵列元件的输出图像光，并只传输输出图像光的某一选定方向的光线，以在阵列探测器上形成图像。阵列探测器上的图像包括对应于靶构件上各个靶特征的各个图像特征。因为角滤光部件的光线方向选择特性，每个对应于各个靶特征的各个图像特征由输入图像光的一组光线限定，该输入图像光进入光路阵列元件的各个可操作光路元件组。也就是说，对应于一靶特征的可操作光路元件组正是接收由角滤光器部件选择的来自该靶特征的光线的光路元件组。

根据本发明的另一方面，在一个实例中，角滤光部件包括以单远心光学排列方式沿光轴设置的第一透镜和光阑，以选择平行于光轴的光线。在一个实例中，角滤光部件还包括用以提供双远心排列方式的第二透镜。

根据本发明的另一方面，在一个实例中，角滤光器部件包括准直阵列，它是一个阵列或是一束对入射光线具有足够小接收角的微型管状结构。在一个实例中，该准直阵列是硅微加工准直阵列。

根据本发明的另一方面，当靶特征是点特征并且角滤光器部件选择平行于其光轴的光线时，可操作光路元件组是一组相对于轴成一极角设置的光路元件，该轴从靶特征沿着垂直于光路元件的平面输入面的方向延伸。由角滤光器部件的光线选择特性确定该特定的极角。此外，该极角是在靶点处具有顶点的假想圆锥的锥角。因此，根据本发明的另一方面，在多个实施例中，由角滤光器部件选定的用于在阵列探测器上成像的靶点光线来自于一个圆形图案或一组光路元件，该圆形图案或光路元件组位于假想圆锥上与光路元件的输入平面相交的区域。

根据本发明的另一方面，在多个实施例中，角滤光器部件的光轴远离圆形图案的轴而倾斜，该圆形图案以椭圆形成像在阵列探测器上。

根据本发明的另一方面，参与并限定靶点的圆形或椭圆形(环形)图案的光路元件的圆形图案具有随间距变化的尺寸，该间距是沿着平行于光锥轴方向光路阵列元件和靶构件上靶点之间的间距。靶点上环形图像的尺寸可由此用于确定靶点相对于光路阵列元件的绝对z轴坐标。根据本发明的另一方面，阵列探测器上靶点的环形图案的中心位置可用于确定靶点沿着平行于光路阵列元件输入面的平面的位置，并可因此用于确定靶点相对于光路阵列元件输入面沿着光路阵列元件的x-y平面输入面的位移。因此，对于任何这种成像的靶点都可确定一组(x，y，z)坐标，倘若给出三个这种靶点的(x，y，z)坐标，则可确定靶构件和根据本发明的位置测量装置之间的6自由度相对位置。

根据本发明的另一方面，靶点的图像是具有各个径向强度分布的模糊图像，该强度分布包括环形图像特征的各个图像像素组的强度值，该强度分布位于从环形特征的标称中心延伸的各个径向方向上。在根据本发明的多个实施例中，对于各个径向强度分布组，确定了一组各个峰值，并由该组各个峰值拟合成一个圆函数或椭圆函数。在多个实施例中，在确定各峰值之前，对x和y坐标进行缩放，以校正放大率或是图像象差。在任一情况中，所确定的拟合函数在亚像素内插值级上，提供了图像特征的尺寸(径向尺寸)和中心位置的高精确度估计，并因此可用于确定任何成像靶点的相应(x，y，z)坐标，并以同样的高精确度确定由此产生的相对位置测量。

根据本发明的另一方面，位置测量装置还包括用于照明靶构件的光源。根据本发明的另一方面，光源定位为可经过光路阵列元件照明靶构件。

根据本发明的另一方面，在一实例中，角滤光器部件的光轴沿着近似于垂直于参考平面的方向设置，该参考平面平行于光路阵列元件的输入面，来自光路阵列元件的输出图像光在折射表面折射，该折射表面以相对于参考平面以一角度倾斜，因此近似平行于光轴的选定方向的光线包括在折射表面折射的光线。在多个实例中，由棱镜元件的表面或是由用于形成光路阵列元件的光纤组的带有角度的末端提供折射表面。

根据本发明的另一方面，在一实例中，位置测量装置包含一个光源和一个光束分离器，角滤光器装置包含一个用于接收在折射表面处折射的光线的第一透镜，还包括一个设置在焦平面的光阑，在此处平行于光轴输入到第一透镜的光线被标称地聚集。沿着光轴在第一透镜和光阑之间设有光束分离器，使来自第一透镜的光线在焦平面上被标称地聚焦之前经过光束分离器，并且相对于光束分离器设有光源，使来自光源的照明被光束分离器偏转，从而经过第一透镜和光路阵列元件以照明靶构件。

根据本发明的另一方面，包括上述多个元件的位置传感装置在阵列探测器上提供图像，该图像包括至少两个与各个靶特征相对应的各个图像特征，并且当位置传感装置和靶构件之间的间距增大时，阵列探测器上相应的各个图像特征的尺寸也增大，但阵列探测器上各个图像特征的各自的标称中心之间的间距不改变。

根据本发明的另一方面，在多个实施例中，光路阵列元件包括含有平行光纤的光纤束，该多个平行光纤的输入端形成一个在同一平面上的图像光输入表面和一个参考平面。根据本发明的另一方面，平行光纤标称地(nominally，即名义上)是圆柱状的。在一些实施例中，它们的直径至少为3μm且最多为80μm。然而，这仅是示意性的例子，而不是限定性的。在其它多个低精确度的实例中，可使用较大的光纤直径，可达到200μm或更大。

根据本发明的另一方面，在多个实施例中，光路阵列元件包括二维阵列的共面轴锥体透镜(axicon lenses)，使来自靶构件的输入图像光输入到多个轴锥体透镜并至少在多个轴锥体透镜中的每个的锥形面上折射，以提供由角滤光器部件接收的输出图像光。根据本发明的另一方面，每个轴锥体透镜的锥形面为突出面或是凹进面。在一些实例中，两倍于从中心轴至标称边缘或至每个轴锥体透镜径向边界的平均径向尺寸至少为3μm且至多为150μm。

根据本发明的另一方面，在多个实施例中，每个轴锥体透镜的圆锥表面朝向靶构件而定向，并且角滤光器部件的方向选择特性使只传输输出图像光的选定方向的光线成为可行，这些选定的光线沿着近似垂直于共面轴锥体透镜标称平面的方向折射。

根据本发明的另一方面，在多个实施例中，根据本发明的光路阵列元件的每个光路元件包括一个折射性的轴锥体型(axicon-type)透镜，或是一个折射性的多面体棱锥型(pyramidal-type)透镜，或是一个具有棱镜状横截面的相对窄长脊状元件，或是近似象折射性轴锥体型透镜一样偏转光线的一个衍射光学元件，或是近似象折射性多面体棱锥型透镜一样偏转光线的一个衍射光学元件，或是近似象具有棱镜状横截面的相对窄长脊状元件一样偏转光线的一个衍射光学元件。这种透镜的共面二维阵列被设置为使来自靶构件的输入图像光输入到多个透镜并被该多个透镜有效地转向，以提供由角滤光器部件接收的输出图像光。

附图说明

参考下文结合附图的详细描述，将更易于认识和更好地理解本发明的前述特征和许多伴随的优点。

图1是表示光纤OPA结构的等角投影图，其示出了根据本发明，不同位置的单根光纤的操作，这些单根光纤被包含在用作光路阵列元件的光纤束中。

图2是根据本发明第一一般实施例的位置传感器装置的详细局部示意图；

图3A-3F是表示靶点图案以及相对于靶点图案的多个定向，由根据本发明的位置传感装置产生的多个代表性的环状图像图案。

图4A是表示由靶点产生的多个环形图像位置的一套示例性坐标关系的示意图，可用在根据本发明的位置传感器装置的第一一般实施例，沿该位置传感器装置的Y轴方向观察。

图4B是表示图4A的位置传感器装置沿X轴方向观看的示意图。

图5是表示根据本发明的位置传感器的参考面和靶平面，以及多个相关位置矢量第一典型组的示意图。

图6是表示根据本发明的位置传感器的参考面和靶平面，以及多个相关位置矢量第二典型组的示意图。

图7A和图7B示出根据本发明提供的第一和第二典型图像。

图8示出了根据本发明提供的第三典型图像，与从某一组典型图像处理操作获得的结果一起，可用于识别多个将被测量的靶特征特性。

图9示出了与图8中示出的结果类似的一典型靶特征代表，与一个附加的图解一起，阐明了确定圆形的半径和中心的精确估算方法，该圆形用于确定对应靶点的(x，y，z)坐标。

图10是第一典型算法的流程图，用于基于根据本发明提供的图像确定相对位置测量。

图11是第二典型算法的流程图，可用在第一典型算法中，用于在根据本发明提供的图像中识别多个靶特征特性。

图12是第三典型算法的流程图，可用在第一典型算法中，用于在根据本发明提供的图像中确定多个靶特征的尺寸和位置，以及由此产生的靶点坐标。

图13示意性地示出了第一和第二典型照明结构，其可用在根据本发明的多个位置传感器装置中。

图14是示意性图，其示出根据本发明的位置传感器装置的第二一般实施例，其利用光纤束和第一典型图像光转向装置，以使接收图像光的多个光学元件可沿着平行于光纤轴的方向设置，与第三典型照明结构一起，可用于根据本发明的多个位置传感器装置中。

图15A和15B示出第二、第三和第四典型图像光转向装置，其可用在根据本发明的位置传感器装置的第二实施例中。

图16是示出轴锥体透镜OPA结构的等角投影视图，其示出被包括在可用作根据本发明的光路阵列元件的轴锥体透镜阵列中的不同位置的微小轴锥体透镜的操作。

图17是示出可用作根据本发明的光路阵列元件的轴锥体透镜OPA的一部分的等角投影示意图。

图18是示出经过图17的多个轴锥体透镜OPA中的一个透镜的一个典型光路光线布置视图，并示出一组典型的坐标关系，其用于分析由经过轴锥体透镜OPA元件成像的靶点引起的环形图像。

图19是一示意性图，示出了根据本发明的位置传感器装置的第三一般实施例，其使用轴锥体透镜OPA或是在光学意义上相似的阵列元件作为根据本发明的光路阵列元件。

图20示出了根椐本发明提供的三个典型图像，其利用轴锥体透镜阵列或是在光学意义上相似的阵列元件作为根据本发明的光路阵列元件；以及

图21示出并比较了可用于根据本发明的OPA元件的三种不同的光路元件。

具体实施方式

图1是根据本发明光纤光路阵列结构100的等角投影视图，其示出了分别位于不同位置的单根光纤121’和121”的操作，这两根光纤被包括在用作光路阵列元件(OPA元件)的光纤束中。如下文将更详细的描述，在根据本发明的位置传感器的多个具体实施例中，角滤光装置决定了：只有沿着各自的特定可操作方向的那些光输出才会到达位置传感器中光探测器，该光输出来自用作位置传感器的OPA元件的光纤束中的各个光纤。因此，应该认识到，在根据本发明的多个具体实施例中，以下描述中涉及到的一个可行的极角α是通过特定位置传感器的特定布置来规定的，如下文中参照图2的更详细描述。因此，应该认识到，为了解释说明，在图1中，在与一个受控的可操作极角α相一致的“选定”位置示出了点115和/或光纤121’和121”的输入端。然而，不应理解为在一般情况下，点115与光纤121’和121”的输入端确定了可操作极角α。相反，应该认识到在通常情况中，使点和光纤输出端设置为不与一个受控的可操作极角α一致的组合是非可操作的。也就是说，在根据本发明的多个实施中，相应于入射角不是α的光路将被角滤光装置阻挡，而角滤光装置规定着可操作极角α。

图1示出了来自光纤121’的可操作方向/光路126，以及来自光纤121”的可操作方向/光路126’。图1中示出了典型的光纤OPA结构100，可操作方向/光路126和126’的可操作方向是平行的。光纤121’和121”分别具有相应的轴101和101’，它们也是平行的。因此，每个可操作方向/光路126和126’分别关于轴101和101’以相同的经度角(未标注)定向。另外，每个可操作方向/光路126和126’分别相对于轴101和101’以相同的可操作极角α定向。

如图1所示，两根光纤121’和121”是分别相对于点115以可操作位置定位的光纤。也就是说，光纤121’和121”各自的轴线101和101’的定位使每根光纤121’和121”能以相对于它们各自轴线的可操作极角α接收来自点115的光。具体而言，在图1中，光纤121’沿着轴线101定向，并且在其底端(为其输入端或前端)接收来自点115的窄光束光线103。或者，换句话说，光纤121’的前端位于满足下述条件的位置，即满足来自点115的光以相对于光纤光轴101成可操作极角α的条件。下文将详细描述，来自光纤103的光在光纤121’上端或后端射出光纤121’，形成光锥125。

光纤121’通过内反射将来自输入端面的光传输至另一端，由此保留光线103光束的标称角α。这就意味着，假设光纤121’的末端标称垂直于其光轴101，以使可忽略其末端的折射，以可操作极角α进入光纤121’的光将在光纤的另一端射出，分布在具有标称可操作光锥角α的光锥125周围。另外，光纤121’从点105接收到的光包括着角β，在光纤121’的输出端，光锥125在沿着关于轴线101的辐射方向展开的平面中标称地包括着相同的角β。

如前所示，根据本发明，光锥125的光输出近似平行于可操作方向/光路126，其将经过位置传感器的角滤光装置到达该位置传感器的光探测器。根据本发明的多个实施例中，光探测器是二维阵列探测器，并且光锥125的光输出近似平行于可操作方向/光路126，该光入射到光探测器的各个像素或是一小组像素上，在光探测器上形成一部分图像。

光纤121”的操作与光纤121’类似。具体而言，光纤121”沿着轴101’定向，并且该光纤121”的前端也位于满足下述条件的位置，即使来自点115的光相对于光纤轴101’以可操作极角α进入输入端。来自点115的窄光束光线104传播经过光纤121”并在其后端射出，形成也具有标称可操作光锥角α的光锥125’。这样，根据本发明，其输出近似平行于可操作方向/光路126’的光锥125’的光也将经过位置传感器的角滤光装置到达光探测器。如前所述，在多个实施例中，光探测器是二维阵列探测器，并且近似平行于光路126’而输出的光入射至光探测器的各个像素或是一小组像素上，在光探测器上形成另一部分图像。

因此，应该认识到，根据本发明的多个实施例中，同一点115在光探测器上的多个位置上成像至光探测器上。例如，图1中所示的光纤OPA结构100的实施例中，同一点115将在位置探测器的两个位置上成像，该位置探测器接收了沿着两条分离的光路126和126’而传输的光。当然，应该认识到，如下文将进一步描述的，在到达光探测器之前，可通过多种光学元件改变光路126和126’之间的空间关系。

如图1所示，光纤的输入端与假设光锥142表面上的某一位置相重合，该光锥具有与光纤轴101和101’相平行的锥轴141，该光锥的顶点位于点115，且锥角等于可操作极角α。图1中还示出了假想平面145和一般尺度Z和R。假想平面145和点115相重合并垂直于光锥轴141定位。尺度Z为光纤输入端和假想平面145之间的距离，其沿着垂直于平面145的方向，距离R为从点115至光纤轴与平面145交点的半径。

如上所述，在此实施例中，如果光纤的输入端不位于假想光锥142上，那么点115不会在光探测器上成像。相反，在此实施例中，应该认识到，如上所述，任何其光轴平行于锥轴141且其输入端位于锥142上的光纤，将被可行地定位成使其在光探测器上产生点115的图像。另外，还应认识到，就本实施例而言，为了满足这个条件，如果尺度Z(或Z’等)增加，则相应的尺度R(或R’等)也必须适当增加，以使光纤输入端按照可操作的极角α被可操作地定位到锥142上。

根据本发明的多种实施例中，光纤121’和121”是众多光纤的代表，其被包括在密集的光纤束中，该光纤束包括一组具有平行轴线及输入端的光纤，其输入端形成近似垂直于光纤轴线的平面。在这种情况中，相对于点115，对于每个可操作的光纤输入端，具有相同的Z和R，并且可操作的输入光纤端将位于一圆周上(如图1中所示的圆周143)。

例如，当Z＝Z₁时，可操作光纤输入端是一组形成半径为R₁＝Z₁/tanα的圆周的输入端。在根据本发明的多个实施例中，对应于半径为R₁的圆周的图像将形成在位置传感装置的光探测器上。如果点115和包括有光纤121’和121”的光纤束之间的间隔增加至Z＝Z₂，可操作光纤输入端将为一组新的输入端，形成半径为R₂＝Z₂/tanα的较大的圆周。因此，在根据本发明的多个实施例中，对应于半径为R₂的较大圆周的较大图像将形成在位置传感器的光探测器上。

因此，更广泛地，应认识到，在根据本发明的多个位置传感器装置中，在位置传感器装置的光探测器上成像的靶点引起对应的靶特征图像，该图像的大小以某种方式相应于位置传感器装置的光纤束输入端和点之间的距离而变化。还应认识到，假如位置传感器装置的光纤束不相对于点115沿着图1中所示的坐标系140所限定的X轴或Y轴移动，则可操作输入端形成的圆周的标称中心不会改变。因此，在这种情况中，不管由于在Z方向上的改变引起靶特征图像的尺寸如何变化，成像在位置传感器装置的光探测器上的点的相应图像特征的标称中心的位置都不会在位置探测器上改变。然而，如果位置传感器装置的光纤束确实沿着X轴或是Y轴相对于点115移动，则可操作输入端圆周的标称中心将会改变，并且对应图像特征的标称中心的位置将会在光探测器上相应地改变。这样，根据前面的描述，根据本发明的位置传感器装置在多个实施例中，可对小至单个靶点成像，并在该光探测器上形成一图像，其用于确定单个点和位置传感器装置之间的三维相对位置，和/或该三维相对位置的任何分量。

图2示出了根据本发明的位置传感器装置200的第一方案的详细局部示意图。如图2所示，位置传感器装置200包括：含有靶点215和216的一靶构件210，具有成像光输入面222和成像光输出面223的OPA元件220(含有如图2所示的光纤束)，角滤光器部件250的代表装置以及探测器阵列230。典型的角滤光器部件250包括焦距为f的透镜256和光圈255，以及焦距为f的透镜257。OPA元件220可以是由一组光纤形成的光纤束，该组光纤中的每一根的操作与前述光纤121’或121”相同。在图2所示的实施例中，光纤束是含有一组光纤的密集光纤束，该一组光纤具有平行的轴线并且其输入端和输出端形成近似垂直于光纤轴线的平面。

在多个实施例中，靶构件210在亮背景上包括或是产生多个暗斑。在另一实施例中，靶构件210在暗背景上包括或是产生多个亮斑。在任一种情况中，作为靶点的斑以类似于前述点115的方式操作。图2中所示的靶点215表现了一种这样的斑。

如图2中所示，光纤输入端的可操作环或是圆周接收来自靶点215的光线，其中环的大小为2a，它取决于光纤束和靶点215之间的距离。通常，形成OPA元件220的光纤束的所有光纤接收来自靶构件210表面上一系列点的光线。然而，如上文概述和下文将详细描述的，在图2所示的实施例中，角滤光器部件250设置得使探测器阵列230仅能看到从形成OPA元件220的光纤束射出的光线，该光线与光纤表面法线成α角并平行于角滤光器部件250的光轴258。因此，在图2中仅强调这种可操作光线。

以与前述限定假想平面145相同的方式限定假想平面245。尺寸Z₂₁₅表示沿着平行于光纤轴线的方向，靶点215至形成OPA元件220的光纤束的距离。如Z＞0，则尺寸为2a的光纤可操作圆周将在探测器阵列230上产生椭圆形状的图像。由于可操作光纤的输出端可操作圆周的视缩短，使探测器阵列上的图像呈椭圆形。光轴258和垂直于输出端可操作圆周平面的轴之间的角度α产生了这种视缩短。椭圆的短轴等于2b，在图2中，其位于纸平面上。在图2中，该椭圆的长轴位于垂直纸平面的平面上，且其等于2a。长轴和短轴可如下所述：

长轴＝2a＝2Z tanα               (等式1)

短轴＝2b＝2acosα                (等式2)

因此，由于角α是设计已知的，显然，高度Z是根据阵列探测器230获得的图像中椭圆的长轴和/或短轴的半径来确定的。还应从前述的操作描述中认识到，在根据本发明的多个实施例中，由点特征(如靶点215)产生的图像的大小和形状，不取决于靶构件210的方向，仅取决于靶点的Z坐标。

如前所概述，如果靶点215在平面245内沿X轴方向平移ΔX或是沿Y轴平移ΔY，椭圆图像的中心位置将在阵列探测器230上沿着相应的方向平移。特别是，对于图2中所示的位置探测器装置200的第一实施例，由于视缩短，对应于X轴的图像平移将等于ΔXcosα，而对应于Y轴的图像平移将为ΔY。因此，通过这种方法，根据本发明的位置传感器装置可测量靶点215和位置传感器装置之间沿3个平移自由度(此处一般标示为X、Y和Z)的位置。

另外，在根据本发明的多个实施例中应认识到，沿着垂直于光纤轴的方向，形成OPA元件220的光纤束尺寸超出图2中示意性地示出的尺寸而延伸，并且角滤光部件250和探测器阵列230的尺寸同样沿着垂直于光路258的方向延伸。因此，这种方案可使在靶构件210上相对于彼此具有已知距离的多个靶点同时成像。图2中示出的靶点215和靶点216代表了这些点。类似于靶点215，靶点216限定了类似于平面245的平面245’，并且具有相对于尺寸Z₂₁₆的Z轴位置。靶点216的X、Y和Z位置也可如上所述的确定。因此，根据两个靶点215和216的确定位置和它们之间在靶构件210上的已知距离，按照已知的方法，沿着靶点215和216连接线的靶构件210的角定向也可在两个平面中确定。因此，根据本发明的位置传感装置，可测量相对于靶构件的沿着3个平移自由度(如X，Y，Z)和至少一个角度或旋转自由度的一个位置，用于包括至少两个靶点的标尺构件。

按前述所讨论的类推，应该认识到，在靶构件210上具有已知间距的一个或多个附加靶点的X，Y和Z位置可如上所述确定。因此，对于靶构件(如靶构件210)上具有已知间距且限定一平面的三个靶点，根据本发明的位置传感装置可测量相对于靶构件的、包括有3个平移自由度(如X，Y，Z)和三个角度或是旋转自由度的位置和方向。

应该认识到，靶构件210可设计为任何所期望的尺寸，并包括各种类型的图形，这些图案包含多个诸如靶点215和216的靶点。在一个实施例中，靶构件210包括沿着两个正交轴按照规则节距排列的点特征阵列。由这种靶构件产生的图像将参照图3在下文作进一步的描述。在多个实施例中，靶构件210大于探测器阵列230的视野。该探测器阵列可操作地连接到兼容的信号处理单元，其可操作地接收探测器阵列的像素数据，并分析由靶构件上多个图案元素产生的图像特征，如上文所述和将在下文详细描述的那样。在多个实施例中，为了跟踪靶构件210的累积运动，信号处理单元以所需的重复频率或帧频输入并分析靶构件210的连续图像，该累积运动包括沿着设置在靶构件210上的特征阵列的二维方向中的任一个或两个方向上将靶构件210超出一个节距增量和/或超出一个“视野”增量的位移。在这种情况中，靶构件210上的靶元素的已知节距或间距提供了可用于精确确定根据本发明的位置探测装置和靶构件之间总相对位移的标度。

沿着位于垂直于光纤轴的X-Y平面内的方向追踪累积运动的一种方法是图像相关法。Nahum提出的美国专利US 6,642,506以及美国专利申请09/9876,162，09/987,986，09/860,636，09/921,889，09/731,671，和09/921,711披露了多种可用的相关法，在此被全文引入作为参考。

应该认识到，根据本发明的位置传感装置可设计或是最佳化为沿着Z轴方向(即，沿着平行于光纤轴的方向)确定多个位置的所需范围。当然，Z范围不能延伸出位置传感装置与靶构件相连接的位置。这限定了多个实施例中Z范围的最小值Z_minimum。在多个实施例中，如果多个靶元素的图像在探测器阵列230上不重叠，涉及分析靶元素图像以确定其各自Z坐标的信号处理将被简化。由此，在这种实施例中，靶构件210上的靶元素的最小间距或节距可按照以下关系，根据Z范围的所需最大值Z_maximum和可操作极角α来选择，

最小间距＞2*Z_maximum*tanα        (等式3)

在多个其它实施例中，最小间距小于满足该关系的值，并且更复杂的图像处理被用于确定多个靶元素的Z坐标，即使它们各自的靶元素图像在探测器阵列230探测到的图像中重叠。

关于形成OPA元件220的光纤束，在多个实施例中，该光纤束包括密集或紧密排列的光纤。在多个实施例中光纤轴至少是基本上平行的。在多个实施例中，当单根光纤至少近似为圆柱状时，图像分析产生最佳的精确性和/或可重复性。应该认识到，多种光纤密集制作方法和/或光纤拉长操作等等可导致光纤截面变形(即，非圆柱形光纤)。当光纤已变形时，例如为椭圆形或是六边形横截面等等时，光纤输出的可操作光锥呈现出各种变形和/或不均匀的光强分布，从而将误差潜在地引入用于确定靶元素Z坐标的多个图像处理方法，并且/或者否则将使所需的信号处理复杂化。然而，在其它牺牲一些精确性的实施例中，为了使用更多的经济部件，可使用这种光纤。在多个实施例中，选择各个光纤直径，使光纤直径成像为一个小于阵列探测器230上的一个像素的尺寸。在一个提供十分精确测量的实施例中，光纤直径约为6μm。在多个其它实施例中，光纤直径的范围为3μm至80μm，或更大。然而，该实例仅是示意性的，是非限定性的。为了使用更经济的部件，在牺牲了一些精确性和/或分辨率的多个其它实施例中，使用了较大直径的光纤。在这种低精确度的实例中，可使用较大直径的光纤，直径可达到200μm或更大。

关于角滤光部件250，在图2所示的实施例中，角滤光部件250包括以双远心布置方式设置的两个透镜和一个光阑，在形成OPA元件220的光纤束的输出端，该角滤光部件250对已产生的图像不提供放大或缩小。尽管在图2所示的实例中，透镜256和257仅以单面凸的凸透镜示出，但应该认识到，其它透镜结构，例如双面凸的凸透镜或根据本发明任何可操作的其它透镜都可以使用。

如本领域的普通技术人员所知道的，远心光路一般只传输近似平行于该远心光路光轴258的光线。这样，角滤光部件250相对于形成OPA元件220的光纤束的排列和/或方向角限定了可操作角α。另外，如通常所知，远心光路提供一种放大，图2中所示的实例为1∶1放大，其至少接近独立于从物面至远心光路的距离。图2中所示的双远心光路还提供了图像放大，图2中所示的实例的放大为1∶1，其也独立于从远心光路至像面，即，阵列探测器230的平面的距离。

然而，在许多其它实施例中，从角滤光部件250中去除了透镜257，并且阵列探测器230相对于光阑255和透镜256被固定安装，在距离光阑255的距离为f处代替透镜257。这种结构也提供了1∶1的图像放大。在多种其它实施例中，照相机安装在距离光阑255的另一距离处，以提供除了1∶1比例的所需放大或是缩小倍率。

在前述实施例中，除了在远心光路中的作用，透镜256的聚焦特性还具有以下优点，即，其聚焦或是会聚经过光阑255的光以在探测器阵列230处提供较高的图像强度。但没有透镜256时，角滤光部件250的缺点是：它是非远心的，另外光阑255滤除了较多的来自OPA元件220的有用光。然而，在根据本发明的多个实施例中，仅包括光阑255的角滤光部件250仍是可用的，其为了使用更经济的元件，牺牲了一些精确度和/或图像处理简化。然而，此种实例将承受在阵列探测器230处较低的图像强度和降低了的S/N比。另外，这种实例为了确定靶构件210上的多个靶元素的Z坐标，一般需要更复杂的图像处理，因为在角滤光部件250中缺少远心光路时，阵列探测器230上的图像的每个部分会具有不同的有效放大率。

图2中示出的距离W，是形成前述椭圆等的“像线(image line)”的标称宽度，椭圆等形状是由于靶构件210上的靶点而出现在阵列探测器上的。在根据本发明的多个实施例中，宽度W由单根光纤有效孔径和/或光阑255的大小和/或透镜256和/或透镜257的聚焦作用确定。应该认识到，根据本发明的位置传感装置的总精确性至少部分依赖于可测量到的分辨率，其形成前述椭圆等“像线”的每个部分的位置。因此，在根据本发明的多个实施例中，是用次像素(sub-piexl)分辨率来确定、拟合或估算“像线”的每个部分的标称位置的，如下文的进一步描述。在多个实施例中，为了便于次像素插值，以确定多个图像特征的位置，根据本发明的位置传感装置被设计为该标定宽度W横跨阵列探测器230上的至少3个像素。在多个其它具有较高精确性的实施例中，标称宽度W横跨至少3个且至多6个阵列探测器230上的像素。在其它为了使用更多经济元件而牺牲精确性和/或图像处理简化的实施例中，标称宽度W横跨少于3个或是多于6个像素。

至于靶构件210，在多个实施例中，靶点215等由一层靶构件210的小孔特征提供，除了靶构件上的类似小孔或其它所需图案元素，它的其它部分是不透明的。在此种实施例中，靶构件210包括使光经过多个小孔特征而传输的光源。在多个其它实施例中可通过靶点215获得类似的图像效果，靶点215是一层靶构件210中的“反射小孔”，除了靶构件210上的类似反射小孔或其它所需图案元素，该靶构件210的其它部分是非透明的。

在这种实施例中，靶构件210从面对位置传感装置的、靶构件210的上侧面被漫射照明，并且该反射小孔特征包括被施加、嵌入或是形成在靶构件210上的许多微型三面直角棱镜。在多个实施例中，这种三面直角棱镜具有10微米或是更小的尺寸，并在多种实施例中，可通过多种已知的压印和/或沉积方法来形成。由三面直角棱镜形成的靶在为了便于探测而将光以正确角度有效地耦合返回到读出头时是非常有效的。然而，靶特征还可以是散射材料，以使入射到其上的光被沿所有方向发射出。在一个方案中，这些特征中间的靶的一部分为光吸收材料，如光刻胶或黑铬。一种类似于“3M钻石级反射片(Diamond GradeReflective sheeting)”的材料(从位于美国Minnesota州St.Paul市3M中心的3M公司总部获得)，其是角隅棱镜的阵列，可以作为这种靶的原材料，其某些部分上涂有不反射的光刻胶。对于这种靶，在一种方案中，角隅棱镜的尺寸为几微米级别。

应该认识到，在多个其它实施例中，靶点215可由一层靶构件210的“反向小孔”特征提供，其除了靶构件210上类似反向小孔或其它所需图案元素，其它部分是散射且高反射的。再次，类似于“3M钻石级反射片”的材料可作为这种靶的原材料。在这种方案中，靶构件210从其面向位置传感装置的上侧面被照明，并且在各处漫反射，除了不提供反射光的多个反向小孔特征。应该认识到，根据本发明，如前述多个实施例中描述的或是下文将要描述的，在这种情况中，与前述情况相比，由靶点产生的光线的操作是由“负像”提供的。也就是说，前述光路和光锥是“暗光路”和“暗光锥”的情况，并且在发光背景中，靶点的图像是图像中的“暗部分”的情况。显然，对于该位置传感装置200以及根据本发明的多个其它位置传感器，这种“反向图像”操作提供了一种可替换的方案。

尽管这里靶构件210一般图示为分离的元件，应该认识到在多个实施例中，靶构件210可包括机器零件或是可移动的平台(stage)等的表面，它们包括根据本发明可用的靶特征。另外，尽管在此靶特征一般图示和描述为点(因为这些点与最简单的图像处理方案之一不矛盾，该图像处理方案是用于确定与靶特征相对应的图像特征的尺寸和位置的)，更普遍地，靶特征可为能产生一个具有尺寸和位置的图像特征的任何形状，该尺寸和位置可通过一个实际的图像处理方案，例如通过包含转换、或回旋等的图像处理方案来确定。这些以及各种其它靶构件替代品对于本领域内的普通技术人员都是显而易见和能被理解的，同样拥有本发明公开的利益。

在一实施例中，选择和设置角滤光部件250的光学元件使图2中所示的尺寸f近似于20mm，角α近似为15度，光阑255的直径近似为0.5mm。形成OPA元件220的光纤束具有平行于光纤轴的尺寸L，其近似为10mm，沿着x和y轴的尺寸都近似为12mm，并且光纤的直径近似为6μm。靶点都具有近似为100μm的尺寸，并且在靶构件210上沿着两个正交轴以1.0mm的节距分开。阵列探测器230近似为4.7mm×3.5mm，并且包括沿着正交的行和列方向以近似7.4μm的节距排列的640列和480行像素。靶构件离形成OPA元件220的光纤束的底表面或参考表面的标称可操作距离近似为1.0mm+/-0.5mm。经过下文进一步描述的适当的图像处理，这种结构对X，Y和Z方向平移可提供近似为1-2μm的分辨率和精确度，并对转动、侧转和前倾角提供近似0.05度的分辨率和精确度。在多个实施例中，利用适合的阵列探测器和DSP，可以以高达1000Hz或更高的抽样速率提供6D测量。

应该认识到，前述具体实施例的参数和元件仅是示意性的，是非限定性的。许多其它可操作实施例也是可能的，并对本领域的普通技术人员是显而易见的，具有本公开的利益。

图3A-3F是示意图，其示出了被包括在靶构件上的示例靶点图案，以及针对根据本发明的多个实施例中的靶构件的多个定向，形成在诸如探测器阵列230(在此也称作摄像头)的探测器阵列上的靶点理想环状图像的多个结果图案。如上参照图1和图2的描述，在靶构件上的靶点将在摄像头上产生环状图像。如前所述，该环状在根据本发明的多个实施例中是椭圆形。然而，为了照明的目的，对于可操作角α小于近似25度的值时，椭圆的短轴至少达到长轴的90％，并且可被圆形近似。通常，各个环形图像的尺寸取决于可操作角α和OPA元件的参考表面与相应各靶点之间的Z坐标。当角滤光器部件和摄像头的设置提供的放大率为1∶1时，环形的尺寸由等式1和2给出。图3A示出靶点300A的阵列，其可用作靶构件上的靶图案。在图3A所示的实施例中，靶点按照周期节距Px沿靶构件的X轴方向排列，并按照周期节距Py沿靶构件的Y轴方向排列。这也是当OPA元件的参考平面近似平行并与靶构件接触时，摄像头上的图像。

图3B表示当OPA元件的参考平面平行于靶构件的平面并位于沿Z轴方向有一些距离处时，形成在摄像头上的环阵列300B。图3C表示环阵列300C，其中靶构件的平面相对于OPA元件的参考平面关于Y轴转动，并且最右边的靶点离OPA元件的Z轴向间距大于最左边靶点离OPA元件的Z轴向间距。图3D表示环阵列300D，其是当靶构件以与图3C相反的方向倾斜时产生的。图3E表示环阵列300E，其是当靶构件平面相对于OPA元件的参考平面关于X轴旋转后产生的，并且最上边靶点离OPA元件的Z轴向间距大于最底边靶点的相应值图3F表示环阵列300F，其是当靶构件的平面相对于OPA元件的参考平面关于平行于X-Y平面且与X轴反时针成近似45度角的轴旋转后产生的，最上边靶点离OPA元件的间距大于最下边靶点的相应值。

根据图2和3中示出和/或包括的坐标系统，根据关于Y轴的旋转角分量的余弦，环图像中心之间的间距将沿着X轴方向减小。同样地，根据关于X轴的旋转角分量的余弦，环图像中心之间的间距将沿着Y轴方向减小。然而应当认识到，环中心之间的间距是相对旋转的相当微弱的指示器，尤其对于小旋转角度。相反地，还应认识到，本发明尤其显著的特征在于，各环的尺寸是它们相对应的各靶点Z坐标的十分灵敏的指示器。因此，在根据本发明的多个实施例中，由各Z坐标和它们相关的X和Y坐标以高精确度确定了标度构件相对于位置传感器的多个旋转角分量。

下文将参照附图5和6，更详细地描述一个示例性方法，该方法用于确定根据本发明的位置传感装置相对于靶构件之位置的各平移和转动分量。

图4A和图4B是示意性简图，示出了根据本发明的位置传感器装置300，其连同用于表示多个由靶点产生的环图像的位置的一组坐标关系一起，类似于或等效于一般的位置传感器装置200。应该认识到，在图4A和图4B中多个尺寸之间的关系不是以比例示出的，而是为了说明的目的，放大了有用的部分。

位置传感器300包括含有代表性靶点315的靶构件310和读出头390。该读出头390包括根据本发明的OPA元件320，其具有图像光输入面322和图像光输出面323，还包括象征性示出的角滤光器部件350和摄像头330。在图4A和图4B示出的实施例中，该OPA元件320包括光纤束OPA，但是参照图4A和图4B的操作描述并不局限如此。可使用任何可操作的OPA，例如下文将参照图16-20描述的轴锥体型(axicon-type)OPA。标记为3xx的元件以类似于或相同于类似地标记为2xx元件的方式操作，参照附图2的先前描述。应该认识到，在图4A的示意图中，为了简化位置测量更重要方面的解释，压缩了角滤光器部件350的光轴358方向上的尺寸。假设角滤光器部件350提供1∶1的放大率。另外，来自角滤光器部件350的输出光线同相应的输入光线一样示意性地示出在光轴358的同一侧，而不考虑图2中所示的更详细方案中的反向图像。然而应该认识到，按照位置确定的简化描述，反向图像可被视为对于多个图像特征的摄像头坐标的反向标记，或可替换地，视为按照本位置测量的简化描述对于确定的多个位置分量的反向标记。因此，应该认识到，图4A和图4B意在概念性地和概要地图示该位置确定方法，并且在根据本发明的多个实施例中，不考虑相对于物体位置、经过光轴的、由操作角滤光器部件产生的图像位置的反向。然而，根据该解释和说明，对于本领域的普通技术人员来说，根据本发明的特定实施例中所需的对下述位置确定方法的任何改变都是显而易见的。

图4A是沿着位置传感器装置300的Y轴方向看去的视图。图4B是沿着位置传感器装置300的X轴方向看去的视图。在下述对位置传感器装置300的位置确定的描述中，在概念上，确定多个图像特征的摄像头坐标位置，并随后向后跟踪相应的光线，从摄像头至靶点315经过多个坐标转换，以确定靶构件310上各靶点315关于OPA元件320的参考平面上的参考点的位置。该参考点O为OPA元件320的参考平面上的一点，其和光轴358与来自OPA元件320的图像光的可操作输出平面相交的点O’相对应。在该实施例中，摄像头330的中心是摄像头坐标原点O”，并且还与光轴358对准。已知例如靶点315的三个独立靶点位置，导致读出头390相对于靶构件310的位置和定向的计算。

为了计算OPA元件320关于靶构件310的相对位置和定向，第一步是根据它们的图像尺寸和位置得到OPA元件参考表面上(在图4A示出的实施例中，为形成OPA元件320的光纤束的底平面)环的标称位置和尺寸，再得到产生这些环的靶点315的位置，然后得到和那些位置一致的靶构件310和读出头390的相对平动和转动位置。

在根据本发明的多个实施例中，为了根据摄像头坐标精确地确定它们的尺寸和位置，对摄像头上的环的图像应用图像处理拟合程序。在多个实施例中，在图像处理过程中应用的拟合程序假设该环是圆形，并由此拟合和估算摄像头上多个环图像的半径R_ic，其中i为指明特定一个环的整数，该半径近似地等于环的长轴和短轴的平均值。

$R_{\mathrm{ic}}=\frac{a_i+b_i}{2}$ (等式4)

在多个实施例中，可操作角设计为使环几乎为圆形，因而这是一种很好的近似法，尽管在多个实施例中，用椭圆拟合程序获得的较高的精确度优于用圆形拟合程序获得的精确度。计算出在OPA元件参考表面处的环的半径为：

$R_{\mathrm{if}}=a_i=\frac{2{\·R}_{\mathrm{ic}}}{1+\cos \mathrm{\α}}$ (等式5)

在OPA元件参考表面的环中心的x-和y-位置坐标，与图4A和4B中示出的实旋施例中第i个靶点的x-和y-坐标相同，由下式给出：

$x_i=\frac{p_i}{\cos \mathrm{\α}}$ (等式6a)

                           y_i＝q_i                  (等式6b)

由下列等式计算出第i靶点的z-位置坐标z_i：

                          z_i＝R_if·cotα              (等式7)

应该认识到，如前所述，为了解释的目的，图4A和图4B示出的仅是示意性的，并仅示出了一个靶点。然而，在多个实旋例中，诸如靶点315的至少三个靶点总是落在摄像头330的视野内。因此，从三个这种位于靶构件310上的靶点可得到垂直于靶构件310的单位矢量。由三个这种靶点的位置限定的两个矢量的叉积产生一个垂直于靶表面的矢量，根据多种已知的矢量代数方法和/或如下所述的方法，其可用于确定多个相对转动分量。

如图5所示，矢量r_i将OPA元件参考平面324’上的坐标原点O连接至靶平面上的靶点315’-317’。矢量v_i位于靶构件310’的平面中。矢量r_o限定为穿过坐标原点O垂直于靶构件310’的矢量。从位于靶构件平面的两个矢量v_i的叉积建立垂直于靶构件310’的矢量n_tm。例如，如图5所示：

${\hat{n}}_{\mathrm{tm}}=\frac{v_1\×v_2}{|v_1\×v_2|};$ 其中v_i＝r_i+1-r₁(等式8)

应该认识到等式8中的单位矢量n_tm描述了靶构件310’相对于由垂直于OPA元件参考平面324’的方向限定的Z轴的倾斜，根据已知的矢量代数方法，其可用于确定根据本发明的靶构件310’和读出头关于两个正交参考轴的相对角方向。

靶构件310’的x和y参考轴局部的x_tm和y_tm方向可限定为与沿靶构件310’上正交轴周期性排列的靶点图案相一致。例如，在多个实施例中，靶点以周期性的行和列图案排列，该图案在x_tm和y_tm方向上靶点之间的距离等于同一周期节距P(即，P_x＝P_y＝P)。在多个实施例中，x_tm方向和y_tm方向关于Z轴的初始方向是已知的，并且靶构件310’关于Z轴的相对旋转被限定在小于+/-45度(或考虑到关于X轴和Y轴倾斜的可能效果，稍微更小些)，或随着时间延伸，通过累积关于Z轴净转动量的程序来跟踪。因此，x_tm和y_tm轴关于Z轴的近似方向是明确的。所以，为了限定沿着x_tm和y_tm方向的矢量(假设关于X轴和Y轴的倾斜相对有限，作为大多数或所有具体申请中的情况)，在最坏情况中，其足以从选定靶氮的坐标开始，例如最接近坐标原点O的靶点，并识别最靠近这个点并彼此靠近的2个靶点。当在X-Y平面中靶构件310’和读出头(例如读出头390)之间的相对转动被限定在小于+/-45度或被跟踪时，连接最初选定的靶点和这两个靶氮的各矢量方向将清晰地识别x_tm和y_tm方向。为了提高角精确度，可确定沿着这些方向到更远靶点的更长矢量。

因此，在多个实施例中，将任一上述矢量定义为v(图5中的矢量v1或v3)，则对应于x_tm和y_tm方向的单位矢量定义为：

${\hat{x}}_{\mathrm{tm}}=\frac{v}{\left|v\right|}$ (或 ${\hat{y}}_{\mathrm{tm}}=\frac{v}{\left|v\right|}$ )

                              (等式9)

沿着z_tm方向的单位矢量与由等式8给出的单位矢量n_tm相同，或是可替换地，根据下述叉积得出：

${\hat{z}}_{\mathrm{tm}}={\hat{x}}_{\mathrm{tm}}\×{\hat{y}}_{\mathrm{tm}}$ (等式10)

在多个实施例中，为了确定相对方向并完全确定相对位置和方向的6D测量，根据已知的矢量代数，由单位矢量形成转动矩阵R：

$R=\left\{\begin{array}{c}{\hat{x}}_{\mathrm{tm}}\\ {\hat{y}}_{\mathrm{tm}}\\ {\hat{z}}_{\mathrm{tm}}\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{ccc}{x}_{\mathrm{tm},x}& y_{\mathrm{tm},x}& z_{\mathrm{tm},x}\\ x_{\mathrm{tm},y}& y_{\mathrm{tm},y}& z_{\mathrm{tm},y}\\ x_{\mathrm{tm},z}& y_{\mathrm{tm},z}& z_{\mathrm{tm},z}\end{array}\right\}$ (等式11)

其中单位矢量x_tm分量的分量x_tm，x沿着读出头坐标系统的X轴，其它有下标的矢量分量也依次类推。根据已知的矢量代数方法，该转动矩阵也可在读出头坐标系统中，由施加到靶构件上的旋转、前倾和侧转来描述。此处假设以下列顺序施加转动：先旋转(关于X轴旋转一个角度θ_r)，然后前倾(关于Y轴前倾一个角度θ_p)，再侧转(关于Z轴侧转一个角度θ_y)。

$R=\left\{\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_p& \cos {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_p\sin {\mathrm{\θ}}_r+\sin {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_r& -\cos {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_p\cos {\mathrm{\θ}}_r+\sin {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_r\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_p& \cos {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_r-\sin {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_p\sin {\mathrm{\θ}}_r& \cos {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_r+\sin {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_p\cos {\mathrm{\θ}}_r\\ \sin {\mathrm{\θ}}_p& -\cos {\mathrm{\θ}}_p\sin {\mathrm{\θ}}_r& \cos {\mathrm{\θ}}_p\cos {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right\}$

(等式12)

可通过使两个矩阵相等得到多个转动角度。

θ_p＝θ_pitch＝sin^-1(x_tm，z)                (等式13)

θ_r＝θ_roll＝sin^-1(y_tm，z/cos(θ_pitch))    (等式14)

θ_y＝θ_yaw＝sin^-1(x_tm，y/cos(θ_pitch))     (等式15)

可替换地，可用类似的向量代数方法或用以上所示结果的向量代数变换来确定读出头相对于靶构件上各个轴x_tm、y_tm和z_tm的转动。

在各种实施例中，可如下确定读出头相对于靶构件的平移位置：图6中示出的点O_tm定义为靶构件的局部轴的当前原点。在原点O和位于靶平面的一点之间、且平行于靶法线n_tm或z_tm的矢量限定了该点O_tm。如图6所示，该矢量正是沿靶平面的z_tm轴、并连接两个点(O和O_tm)的矢量r₀。读出头的z坐标或是“间隔”定义为矢量r₀的长度。读出头相对于靶构件的当前局部x_tm和y_tm坐标将以当前靶构件的原点O_tm为基准。

应该认识到，如前所述，利用根据本发明的位置传感器装置，可完全根据任一单个靶构件图像来确定3个转动分量和z坐标平移分量或间隔。，然而，应该认识到，读出头关于靶构件沿着x_tm和y_tm方向的总位移不是绝对量，而是必须在相对x_tm和y_tm平移期间，通过对于本领域的普通技术人员是显而易见的方法或算法，由一个包括跟踪沿x_tm和y_tm方向的靶点图案节距的累积增量的程序来确定。另外，为了精确测量，有必要用类似于利用1D和2D增量光学编码器的公知方法，对在靶点图案的最初的x_tm和y_tm周期内，往累积x_tm和y_tm增量值上加上初始位置值，并在靶点图案的最后x_tm和y_tm周期中，加上最终位置值。

为了确定靶点图案的当前x_tm和y_tm周期内的一个位置，由矢量r₀限定点O_tm，其根据公知的矢量代数方法确定：

$r_0={\hat{z}}_{\mathrm{tm}}{\·r}_i{\·\hat{z}}_{\mathrm{tm}}$ (等式16)

其中矢量r_i可与已知的一靶点的读出头结构坐标一致，例如图6中示出的靶点315’-317’中的任一个。

间隔或Z坐标等于r₀的长度。

            间隔＝|r₀|                  (等式17)

在任一当前x_tm和y_tm周期内的起始读出头位置处，位于靶平面内的、且在与点O_tm重合的读出头x_tm轴和y_tm轴位置与在靶图像中其附近的一个或多个靶点之间位置矢量，其可确定为：

            u_i＝r_i-r₀                  (等式18)

根据当前靶构件坐标确定读出头的坐标：

$x_i=u_i\·{\hat{x}}_{\mathrm{tm}}$ (等式19)

$y_i=u_i{\·\hat{y}}_{\mathrm{tm}}$ (等式20)

其中x_I和y_i是读出头从靠近的靶点沿着当前x_tm和y_tm轴的当前局部位移，该靠近的靶点对应于用在等式19和20中的具体位置矢量u_i。

如前所述，在起始或参考点和当前或终点之间，跟踪靶点图案的x_tm和y_tm节距的累积增量是有可能和有必要的。用于根据等式18-20确定起始位置的参考靶点与用于根据等式18-20确定终点位置的参考靶点之间的累积增量是已知或是可确定的。因此，可由此确定读出头相对于标度构件的当前x-y位置(即，累积x-y位移)。

前述的步骤概述了确定多个靶点坐标的一组步骤，以及在根据本发明的标度构件和读出头之间的6D相对位置。从前述步骤中应该认识到，更一般地，倘若给出根据本发明的3个靶点相对于读出头的坐标的确定，则关于任一适合或便于具体测量的坐标系，均可测定任何根据本发明的标度构件和读出头之间的1D至6D相对位置。在一项具体应用中，可使用任何适合或方便的可替换的数学方法和/或信号处理。

例如，在多种运动控制操作中，根据步进电机控制信号等粗略地确定各种累积的位移是方便的。在这种情况中，侧转动和增量靶图案节距累积不需要受限制或是被跟踪，并且如上所述，简单地确定如上所述的多个当前局部位置可能就足够了，以便于改善基于步进电机控制信号等的粗略位移确定，以达到较高的精度水平。另外，应该认识到，在根据本发明的多个实施例中，对于任何具体的靶构件图像，靶点的各种组合可用于提供备用的测量，其可被平均以增强测量精度。因此，前述举例的步骤仅是示意性的，而非限定性的。

前述的讨论没有详细地考虑根椐本发明提供的图像中的靶点特征的模糊。图7A示出了根据本发明提供的第一典型图像70A，其包括对于第一种的、相对较大的间距尺寸，对于环状靶点图像特征的实际模糊量。图7B示出了第二种的、相对较小的间距尺寸、并在读出头和靶构件之间有相对倾斜时，对于根据本发明的第二典型的图像70B，其包括对于环状靶点图像特征的实际模糊量。应该认识到，每个单个环状图像特征的模糊和强度随相对应的单个靶点的实际z坐标变化。图7A和7B示出了由亮背景中暗靶点产生的图像

图8示出了根据本发明提供的并包括实际模糊量的第三典型图像800-A。该图像800-A由暗背景中的亮靶点产生。图8还示出了在根据本发明的测量图像中，从可识别多个靶特征特性的一组典型图像处理操作获得的结果，如在图像800-A中所表明的那样。

通过确定一光强度界限，例如，根据图像800-A确定的双峰强度分布的峰之间的一个强度值，以及通过将具有低于该界限的所有像素赋值为零值，其它图像赋值为1值，从而产生伪图像800-B1伪图像800-B2示出了一个环状特征的特写，其由于应用了滤光器以使伪图像800-B1的边界平滑而产生。例如，该滤光器可包括使每个像素值设置为与其连接的8个邻像素中的大多数的值。伪图像800-B3示出了其环状特征的特写，该伪图像800-B3由于应用了进一步的边界平滑操作而产生。例如，更进一步分平滑操作可包括第一扩大操作，其中每个像素被赋予与其连接的8个邻像素的最大像素值相对应的值(对于二进制图像，为1)，接下来的第二侵蚀操作，其中每个像素被赋予与其连接的8个邻像素的最小像素值相对应的值(对于二进制图像，为0)。

伪图像800-B4示出了经过与特写图800-B3中示出的环类似地处理过的、通过在所有环状图像特征的内部或外部边界仅保持近似为单个像素宽的轨迹而获得的结果的伪图像。在一个典型实施例中，执行第一连通性分析以识别与各个环形状特征相对应的像素。例如，在一个典型实施例中，从任何1值像素开始一组，每个相邻的1值像素添加到该组中。然后，每个被添加的像素的每个1值邻近像素被添加到该组中，如此进行下去，直到没有新的1值邻像素可资添加。然后，这组像素作为一单个环形图像特征被标记。重复该步骤，直到识别并标记出所有的所需环形状特征。每个环状图像特征被“标识”或识别，以使适合的像素用于以后将要对每个环状目标施加的拟合程序，如以下进一步的描述。

接下来，在多个实施例中，处理每个标识特征，以确定在其内部或外部边界的近似单像素宽的轨迹。例如，对于一个被标识的特征，对应于邻像素具有0值的那些像素，识别出其1值像素的子集。然后，在该子集上执行连通性分析。两个进一步的子集将产生：在标识特征的外边界形成一个环的连续像素，以及在识别特征的内边界形成一个环的连续像素。这种标识子集示于伪图像800-B4。图像800-B4中多个环之间的暗度变化是图解技术中无关紧要的人为产物。

伪图像800-C1示出了在伪图像800-B4中一个环状特征的圆形轨迹的特写，并且伪图像800-C2示出了对伪图像800-C1环状结构的圆形轨迹进行拟合的最佳拟合虚线圆形810和820。可利用任何目前已知或以后开发的圆形拟合方法，类似地处理伪图像800-B4中的每个环形图像的圆形轨迹。在根据本发明的多个典型实施例中，内圆和和外圆的半径平均值用作等式5中的半径R_ic，且内圆和外圆中心的相应行和列像素坐标的平均值确定了中心坐标p_i和q_i，而p_i和q_i被用于确定等式6A和6B中的坐标x_i和y_i。因此，在多个典型实施例中，利用由上述参照图8的操作产生的相对应的拟合圆形等来确定靶点的(x，y，z)坐标。

应该认识到，上述图像处理操作仅是示意性的，而非限定性的。在根据本发明的多个实施例中，可除去多种操作，由可替换的操作代潜，或是以不同的顺序实施。

应该认识到，在前述图像处理和坐标确定操作相对较快，并且对多个应用提供足够的精确度的同时，图像处理操作抑制了相当数量的存在于每个环状特征的原始图像中的信息。应该认识到，通过利用该被抑制的信息，每个靶点被估算出的坐标可以以更高的分辨率被确定，或是被改进

图9示出了图8的圆形轨迹图像800-C2的最佳拟合圆形810和820的图解900，其和一附加的图像一起，阐明了确定圆环半径和中心的改进的典型估算方法，该方法用于确定根据本发明的多个典型实施例中的相应靶点(x，y，z)坐标。

简单地说，经过最佳拟合圆形810和820的平均中心画有至少两条线910A和910B，以使该两条线在360度上平均地分割最佳拟合圆形810和820。接下来，识别最靠近相应线910A和910B、并位于最佳拟合圆形810和820之间的相应组的像素。对于每个相应组像素，确定了原始靶构件图像中的对应强度值，如由相应放射状定向的强度图920A-920D所示。接下来，通过任何现在已知或是以后开发的方法，识别对应于每个放射状定向的强度分布图920A-920D各峰点的各像素930A-930D。例如，在多个实施例中，用一条曲线或是一个特定的用实验方法确定的函数来拟合各放射状定向的强度分布，根据已知的方法确定曲线组或是函数的各峰点，并识别与之相应的各像素组930A-930D。然后，根据现在已知或是以后开发的提供高精确性的方法，对各“峰像素”组930A-930D拟合出一个新的最佳拟合圆环，例如包括那些除去异常值的方法，等等。接下来，为了提供根据本发明的多个典型实施例中靶点的更精确的(x，y，z)坐标的改进估计，该新最佳拟合圆环的半径和圆心在等式5中作为R_ic，并在等式6A和6B中作为用于确定x_i和y_i坐标的中心坐标p_i和q_i。将会认识到，尽管图9为了简化，示出了两条线，作为用于限定4个数据点的基础，该4个数据点被拟合为圆形，通常更多数量的线和相关的数据点将会提供更高的精确度。

更一般的是，上述关于图8和图9的方法和操作仅是示意性的，而非限定性的。各种各样的可替换图像处理操作可用于定位环形状特征，并确定所需的靶点坐标。可在图像处理文献中获得上述图像处理操作以及众多的可替换操作，例如，由Ramesh Jain等人在Machine Vision(McGraw Hill出版，1995)中所公开的，其全文在此作为参考。

图10是第一典型算法1000的流程图，用于基于根据本发明提供的图像，确定读出头和靶构件之间的相对位置测量。算法起始于方框1100，即获得靶构件图像。在方框1200，执行操作以在方框1100获得的图像中获得靶图像特征，例如在此前描述的环状特征。接下来，在方框1300，执行操作以确定在方框1200获得的靶特征图像的特性，例如它们的图像的尺寸和位置，并对所需数量的相应靶点确定由此产生的坐标。该算法继续到方框1400，基于在方框1300确定的靶点坐标，执行操作以对所需坐标系统中的1至6个自由度确定读出头和靶构件之间的相对位置。

图11是第二典型算法1200’的流程图，其是为了在根据本发明提供的图像中识别多个靶特征的特性，可用于方框1200的第一典型算法操作的一个典型实施例。算法开始于方框1210，将根据本发明已获得的靶构件图像，基于一默认值或是特别确定的强度阈值转换为二进制伪图像。在方框1200，执行图像处理操作，以在二进制图像中分离或是识别所需的靶特征特性。在一典型实施例中，方框1220的操作应用一个或多个已知的滤像操作，以平滑伪图像数据中的0值(暗)像素和1值(亮)像素之间边界，并在平滑后的边界处识别对应于两个近似圆环形、单像素宽轨迹的各个像素。该两个轨迹最好是两个都为暗像素或是两个都为亮像素。该两个近似圆环形的单像素宽的轨迹提供靶特征像素组，其对应于与相应的靶点相关联的靶特征特性。

接下来，在方框1230，执行操作，以有效地识别或是标记将与每个对应的靶点相关联的所需的靶特征像素组。接下来，在根据本发明的多个实施例中，为了除去对相应靶点产生提供劣化的或无效坐标的风险的像素组，在方框1240执行操作，以筛选或验征在方框1230识别出的靶构件像素组。在多个典型实施例中，方框1240的操作可包括一个或更多个像素连通性测试，以显示充分良好确定的靶特征；一个基于通过一组有效像素组显示一个期望形状的像素异常值测试；一个基于邻近像素组的接近度的测试(在多个典型实施例中，其可指出由于在测量范围末端附近，由相邻靶特征图像的重叠或是接近而导致的潜在的畸变)，和/或任何其它现在已知或是稍后开发的为方框1240的目的服务的测试。然而，在根据本发明的多个实施例中，若通过其它方法即可确保足够清晰的靶构件图像和/或足够精确的测量结果，则方框1240的操作可以省略。

图12是第三典型算法1300’的流程图，它是为了确定根据本发明提供的图像中的多个靶特征的尺寸和位置，以及由此产生的所需数量的相应靶点的坐标，是可用于第一典型算法的方框1300的操作的一典型实施例。算法开始于方框1310，由基于已知的或是假设的一组可用于为相应靶点提供足够精确坐标的第一选定像素组，确定靶点特征的平均半径和(x，y)坐标的初始估计值。根据任何适合的现在已知的或是稍后开发的方法，确定靶特征的平均半径和(x，y)坐标。在多个典型实施例中，由算法1200’的结果提供选定的有效像素组。在一个示例性实施例中，算法1200’的结果提供表示靶特征特性的两个同心的近似圆形单像素宽轨迹，并提供基于最佳拟合圆形平均中心和半径而确定的相应靶特征的半径和坐标，该圆形是根据任何已知的方法，对该两个近似圆形单像素宽轨迹拟合而成的。

接下来，在多个典型实施例中，执行方框1320的操作，改进由方框1310的操作提供的圆环半径和圆心的初始估计值。该改进的估计值用于确定相应靶点的(x，y，z)坐标，以达到比由初始值提供的精确度更高的精确度。可以根据任何现在已知或是稍后开发的方法，确定该改进的估计值。

在一个典型实施例中，方框1320的操作包括确定经过最初确定的圆环中心并越过相应选定像素组末端的多条线或多个矢量。这些线关于最初估算的圆环中心在360度上均匀的分割。接下来，执行操作，以识别在各个选定像素组中对应于靶特征的最靠近各条线并位于内边界和外边界之间的各组放射状排列的像素地址。接下来，对于各个放射状排列的像素地址组中的每个组，确定在原始靶构件图像中的相应强度值。然后，对于各个放射状排列的像素地址组中的每个组，确定对应于各标称峰强度位置的像素地址或是摄像头坐标。例如在多个实施例中，曲线或是特定用实验方法确定的函数被拟合成各放射状排列的强度值，根据已知的方法，确定曲线组或是函数组的各峰值，并确定其对应的像素地址或是摄像头坐标。接下来，根据任何现在已知或是稍后披露的方法，最佳拟合圆环被拟合成各个“峰像素”组，并且圆环的半径和中心坐标构成在方框1320提供的精估算值。当方框1320的操作完成时，操作转到方框1330。

应该认识到，在多个典型实施例或是算法1300’的应用中，由方框1310的操作提供的初始半径和圆心坐标估算值可用于识别本申请该实施例的具有足够精确度的相应靶点坐标。在这种情况中，省略了方框1320的操作。在这种情况中，操作直接从方框1310转到方框1330。

在方框1330，通过现在已知或是稍后披露的方法，基于当前估算的靶特征圆形半径和(x，y)坐标，确定相应靶点的(x，y，z)坐标。本文前述的方法可用于多个典型实施例中。接下来，在选择方框1340，如果有更多的选定靶特征像素组要分析，则算法返回到方框1310的操作。否则，如果没有更多的选定靶特征像素组需要分析，则该算法继续到方框1350，在方框1350执行操作以存储先前由算法1300’确定的靶点(x，y，z)坐标。

图13示意性的示出了用于根据本发明中的多个位置传感器装置中的第一典型照明结构580和第二典型照明结构581。该照明结构580与示意性示出的位置传感器装置500一同示出，该位置传感器装置包括与前述多个读出头中那些结构和操作相同的组件，并因此在下文仅描述需要额外解释的元件。该位置传感器装置500包括具有图像光输入面522和图像光输出面523的OPA元件520，光源585，具有光轴558的角滤光器550和探测器530。该位置传感器装置500的一个附加部分是成角度的照明结构580，其包括成角度的光源585。

图13左边的图解示出了第一照明结构580包括使光源585定位为朝向OPA元件520的图像光输出面523投射光源光586，以使输出面523接收照明光586，并且OPA元件520将其从图像光输入面522传输为刻度照明光587。应该认识到，照明光587的光线不是被光学装置“选择的”或是滤光的。因此，照明光线587照明靶构件(未示出)，该靶构件全方向的朝向图像光输入面522定位。应该认识到，尽管在图13中OPA元件520的实施例用光纤束示出，但也可采用成角度的照明结构580，当多个其它类型的OPA元件用作OPA元件520时，例如，下文参照图15-18描述的轴锥体型OPA元件。另外，成角度的照明结构580可用于与根据本发明的其它位置传感器装置相结合，例如，下文参照图19描述的位置传感器装置。

然而，在一些实施例中，当成角度的照明结构580近似于如图13的左边图解的定向时，多种大量的杂散光可从图像光输出面523反射或散射并被探测器530接收，其对所需靶构件图像的质量和对比度不利。因此，在多个实施例中，使用了照明结构变型581。该照明结构变型581设置光源585以一个角度来引导照明光586’，该角横穿包括有光轴558和垂直于输出面523的线的平面。因此，只有很少或是几乎没有光反射或散射到探测器530。

在多个其它位置传感器装置中，可由环形照明器提供照明以直接照明该靶构件，例如其靠近图像光输出面的平面围绕着OPA元件的外围定位。其它具有所披露优点的可替换的照明对本领域的技术人员是显而易见的。

图14是表示根据本发明的位置传感器装置600的第二一般实施例的示意图，其包括多个在结构和操作上与上述多个读出头相同的组件，因此下文仅描述需要额外解释的元件。位置传感器装置600包括具有光纤束OPA 620F的OPA元件620，照明结构680，角滤光器650，探测器630和包括由靶点615的靶构件610，该光纤束具有图像输入面622和图像输出面623。

位置传感器装置600的一个附加部分是光纤束OPA 620F的光转向结构，其使角滤光器650的光轴658与光纤束OPA 620F的轴对准。如图14中所示，相对于垂直与光轴658的平面，光纤束OPA 620F的图像光输出面623倾斜θ角。应该认识到，光纤束OPA 620F的光纤末端相对于光纤轴以相同的角度斜切，因此，任何光纤束OPA 620F的光输出将会相应的折射。

再参考图1中示出的多个元件，为了接收或探测光锥角α，光锥125输出近似平行于可操作方向/光路126的光，该光经过有意与光纤轴101和101’成α角的滤光装置，如图1所示以及本文前述位置传感器装置所示出的。根据图1结构的教导，应该认识到，是锥角α允许根据靶点图像确定z坐标，如本文所述。

比较起来，在位置传感器装置600中，设计光纤束OPA 620F的角θ，使在图1结构中将被沿着光路126以角度α引导的光线，在位置传感器装置600中代之以平行于光纤轴折射。在位置传感器装置600中这是通过角滤光器650的光轴658平行于光纤束OPA 620F的光纤轴的对准来规定。为了折射光线使其平行于光纤轴，给定角α或θ中的一个所需值，便可根据下式计算出另一个角的值：

其中n是光纤束的有效折射率。举例来说，当n≈1.57，楔角θ约为35度时，可确定来自靶构件610的被探测光线的接收或控测角α＝20度。

应该认识到，在先前所说的位置传感器装置600的实施例中，靶点615的图像是圆形，而不是椭圆。应该认识到，如果在光轴658的方向或是角θ方面上的排列改变，通常上还可产生可操作的排列。然而，可操作探测角α将依靠上述两个因素改变，并且如果角滤光器650的光轴658不与光纤轴平行，靶点图像将会为椭圆形。

位置传感器装置600的另一个附加部分是照明结构680。该照明结构680包括光源685，其定位为朝向光束分离器687投射光源光686，该光束分离器朝向OPA元件620的图像光输出面623偏折该光源光686。该输出面623接收照明光686，并且OPA元件620将其从图像光输入面622传输为刻度照明光687。应该认识到，照明光687的光线不是由光学装置“选择的”或是滤光的。因此，在多个实施例中，对于光纤束OPA 620F，如果光源光686当其进入图像光输出面623时不准直，和/或如果图像光输出面623相对于光源光686的方向成角度，则照明光687将全方向的照明靶构件610的表面。

应该认识到，尽管在图13中OPA元件620的实施例以光纤束OPA 620F示出，但当多种其它类型的OPA元件用作OPA元件620时，可易于利用照明结构680，例如下文参照图15-18描述的轴锥体型OPA元件。另外，成角度的照明结构680可用于与根据本发明的其它位置探测器装置组合，例如，下文参照图19描述的位置传感器装置。

应该认识到，插入的光束分离器687影响了由角滤光器650传输到探测器630的图像光的光路，如图14中由光线670A和670B的折射光路所示出的。因此，与在先描述的图2中所示的角滤光器250比较，例如，为了保持根据本发明的角滤光器的在先所述的操作，沿着光轴658调整与光束分离器687相关联的光学组件之间的距离。对于本领域的技术人员来说必要的调整易于确定，因此下文不再描述。

图15A示出了第二和第三可替换的图像光转向结构620F’和620F”，其分别显示出当以同样的方式确定角θ时，实现与图14上图像光输出面623相同功能的光纤束图像光输出面的可替换的“突起”或“凹进”结构。图15B也示出了第四可替换的图像光转向结构620F，其中每个表面部分的角θ类似地确定。这种结构在表面平面终止或交叉处可引入些许图像假象(artigacts)。然而，这种结构可用于减小沿着光纤轴方向的OPA元件的全部尺寸，并且图像质量仍可满足多种要求。

应该认识到，在其他实施例中，无论OPA装置是光纤束类型还是其它类型，适合的成角度的棱镜可沿着光轴邻近多种“非折射”OPA(即，角θ基本为零)的图像光输出表面设置，并能获得相同的函数结果。

图16是表示轴锥体透镜OPA结构400的立体图，其分别示出了不同位置单个轴锥体透镜421’和421”的操作，单个轴向透镜421’和421”包括在用作根据本发明的光路阵列元件(OPA元件)的轴锥体透镜阵列。轴向透镜OPA结构400包括多个与上述光纤束OPA结构100相同的尺寸基准和可操作原理，并因此下文只描述需要额外解释的元件。在图16中，标号4XX的元件，具有与图1中类似的标号1XX的元件类似或等效的功能。

类似于光纤OPA结构100，角滤光装置决定了只有沿着特定的相应可操作方向输出的光才会到达位置传感器的光学探测器，该输出的光来自用作该位置传感器的OPA元件的轴锥体棱镜阵列的每个轴锥体棱镜。这样，可操作极角α由特定位置传感器的特定装置规定。因此，应该认识到，为了解释的目的，在图16中，在“选定”位置上示出点415和/或轴锥体棱镜421’和421”，以便与一个被规定的可操作角α相一致。如前对光纤OPA结构100的描述，在一般情况下，定位点和光纤输入端的组合若被定位成不与规定的可操作极角α一致，则是非可操作的。也就是说，对应于不同于α的入射角的光路将被规定可操作极角α的角滤光装置阻挡。

图16示出了来自轴向透镜421’和421”的各可操作方向/光路426和426’。在图16中示出的轴锥体透镜OPA结构400的实施例中，平行可操作方向/光路426和426’的可操作方向垂直于轴锥体透镜OPA的参考平面，其在下文参照图18描述。如前述对图14-15B中示出的光纤束OPA 620F的光转向结构，以大致相同的方式，应该认识到，可操作极角α和可操作方向/光路426和426’之间的关系由根据本发明的轴锥体透镜OPA的折射特性建立。下文将更详细地描述根据本发明的轴向OPA的这个方面。

如图16中所示，两个轴锥体棱镜421’和421”位于相对于点415的各可操作位置，以使每个轴锥体透镜421’和421”可相对于它们中心轴以可操作极角α接收来自点415的光。具体而言，分别定位轴向棱镜421’和421”，使它们的输入面或是前端面分别接收来自点415的光线403和404的窄光束。到达探测器的光线403和404的光束形成角β’。

光线的光束由轴锥体棱镜421’和421”折射，并沿着平行可操作方向/光路426和426’从后端面射出。可操作方向/光路426和426’由根据本发明的角滤光装置(未示出)的光轴限定，并平行于该光轴，以使它们到达光探测器，如前所述。包括任何适合的照明结构的任何先前描述的角滤光装置250，550，和650，或是下文描述的准直器阵列等等，均可用于与轴锥体棱镜OPA结构400结合。

与光纤OPA结构100的光纤相比较，一种操作差异在于：轴锥体透镜OPA结构400的轴锥体透镜421’和421”不产生由光线403和404形成的输出光锥。取而代之的是，进入轴锥体透镜421’和421”之一的各条光线被沿着各自方向从透镜输出。如前所述，近似平行于可操作方向/光路426(或426’)射出每个透镜的单条光线将经过角滤光装置，以入射到位置传感器的光探测器的各像素或是以一小组像素，从而在光探测器上形成图像的一部分。

因此，应该认识到，对于轴锥体透镜OPA结构400，类似于前述的光纤束OPA结构100，点415在光探测器的多个位置成像到光探测器上。例如，对于图16中示出的轴向透镜OPA结构400的实施例，点415将成像到位置探测器上的两个位置上，其接收沿着两平行光路426和426’传输的光。

输入到轴向透镜421’和421”的光线403和404的光束与假想光锥422表面上的一位置重合，该光锥具有一条平行与轴向透镜中心轴的光锥轴441，一个位于点415的顶点和一个等于可操作极角α的锥角。假想平面445与点415相重合并垂直与光锥轴441而定向。尺寸Z是轴锥体透镜OPA(下文将描述)的参考表面和假想平面445之间沿着垂直于平面445方向的距离。距离R等于Z*tanα，即，从锥轴至光线403和404与轴锥体透镜OPA的参考平面相交的点之间的距离。因此，如前参照图1-4B所述，可通过点415产生在位置传感器的阵列探测器上的图像大小确定点415的Z坐标。

轴锥体透镜421’和421”是根据本发明的多个典型实施例的代表性轴锥体透镜，其被包括在密集的、标称地位于同一平面上的轴锥体透镜阵列中，该轴锥体透镜阵列包括一组具有平行中心轴的轴锥体透镜。在这种情况中，相对于点415，Z和R对于每个轴锥体透镜输入表面是同样的，该透镜输入表面影响着点415图像的产生。并且可操作轴锥体透镜会形成一个圆形，与图16中所示的圆环443近似重合。

图17是表示用作根据本发明的OPA元件的轴锥体透镜阵列OPA元件(轴锥体OPA元件)420的图像光输入面一部分的等角投影图。轴锥体OPA元件420包括在阵列基底427上的轴锥体透镜阵列421。示于图17中的轴锥体透镜阵列421的实施例包括沿着两个正交方向、以轴锥体阵列节距PA排列成阵列的各个轴锥体透镜。轴锥体透镜阵列421和阵列基底427如箭头499a和499b示出的方向延伸，从而提供至少足够大的区域以接收由阵列探测器接收到的所有图像光，该阵列探测器与轴锥体OPA元件420结合使用。在一个实施例中，阵列基底427具有1.5mm的厚度t_s并且其为硼硅酸盐玻璃，轴锥体透镜阵列421的阵列节距PA为100μm。在多个实施例中，轴锥体透镜阵列421是模制或压印的光学级聚合物，在模制期间其粘附于阵列基底427表面上，或是通过光学级粘接剂等来粘附。在多个典型实施例中，轴锥体透镜包括突起圆锥表面，并且在多个典型实施例中，轴向透镜包括凹进锥形表面。在任何一种情况中，这种微模制透镜可由已知的微模制或微压印技术等制造。

更一般的是，轴锥体透镜阵列421以任何所需的密集排列和靠紧排列设置。在多个典型实施例中，选择各透镜直径和/或阵列节距PA，或其它特有的透镜尺寸和间距，使标称透镜尺寸在根据本发明的位置传感器的阵列探测器上成像为小于一个像素的尺寸。在一典型实施例中，选择透镜为近似6μm。在多个其它典型实施例中，选择透镜直径范围从3μm至150μm，或是更大。然而，该实施例仅是示意性的，而非限定性的。为了使用更经济的元件，在多种其它典型实施例中，牺牲一些精确度和/或分辨率，使用较大的透镜直径。在这种较低精确度的实施例中，可使用较大直径，高达200μm或更大。

轴向透镜阵列421可在由轴锥体OPA元件420产生的靶点图像中引起衍射或干涉效应。在多个典型实施例中，选择阵列节距PA，以使对于根据本发明的位置传感器，对于一个所需的精确度水平，这种效应不显著，如果需要，可通过实验或模拟确定和/或验证。

图18是表示光线结构400A平行于X-Y平面的视图，其示出了经过图17的轴锥体OPA元件420的代表性轴锥体透镜421的光路，以及用于分析由经过轴锥体OPA元件420成像的靶点产生的环状图像的坐标关系组。还应该认识到，为了更好地图解根据本发明的轴向OPA元件的操作的多个方面，示于图18中的轴锥体透镜421的比例相对于其它元件大大扩大了。该光线结构400A的图示还示出了具有中心轴429的代表性轴锥体透镜421，以及轴锥体OPA元件420的坐标系统参考平面424，该平面424与OPA元件420的透镜421的图像光输入面422的标称平面相重合，如下文进一步的描述。在图17中，轴锥体透镜不是按比例画出的。相反，它大于一般的比例，是为了更好地图示下文描述的特征。

通过角滤光装置的限制光阑有效限定的角β’对着的光线束403包括最终到达阵列探测器的光线。光线束403由实线示出的中心光线表示，沿着成α角的光路传播，如前参照图16所描述，并与参考平面424在点L(x_i，y_i，z_i)相交。如箭头481所示，从点(靶点)415或类似的点沿着垂直于参考平面424的方向至参考平面424的距离为坐标z_i。坐标(x_i，y_i，z_i)与先前参照图4A和4B描述、并示于等式6a，6b和7中的坐标(x_i，y_i，z_i)功能上相同。在点L(x_i，y_i，z_i)附近，中心光线403以相对于在那点处垂直于图像光输入面422的轴成(α+)角的角度入射到轴锥体透镜421的图像光输入面422上的一点。角是轴锥体透镜421的锥相对于垂直于中心轴429的平面的倾斜角，也是相对于参考平面424的倾斜角。在图18示出的实施例中，结合轴锥体透镜421材料的折射率选择角，使光线403沿着平行于根据本发明的角滤光器的光轴的可操作方向/光路426折射，其平行于z轴。折射后的光线403经过厚度为t_s的基底427而传输，并从阵列基底427的图像光输出面423出射，到达根据本发明的位置传感器的阵列探测器。应该认识到，到轴锥体OPA元件420的可操作方向/光路426平行于其中心轴429时，靶点的图像将在垂直于可操作方向/光路426而设置的阵列探测器表面上形成圆形。

为了在光线平行于与轴锥体OPA元件420的参考平面424垂直的轴时，折射该光线，使其与可操作方向/光路426平行，若给出角α或是锥形轴锥体面的倾斜角的所需值，则另一个角可根据下式确定：

α＝(sin^-1(nsin)-                    (等式22)

其中n为轴锥体透镜材料的折射率。例如，对于来自靶构件410的被探测光线具有α＝15度的接收角或是探测角，当n≈1.5时，轴锥体透镜的倾斜角约为25.9度。

图像光输入面422关于参考平面424成一角度。因此，理论上，光线入射到图像光输入面422上、并位于参考平面424“上方”或“下方”的一个点包括相对于光线403与参考平面424相交处的理想坐标L(x_i，y_i，z_i)的径向误差分量ε_ar。当参考平面424限定为与轴锥体透镜421的图像光输入面422的平均“高度”相一致的平面时，误差ε_ar的最大值近似为ε_armax＝+/-tan²*(轴锥体半径)/2，其在图18中由三角形483的底边482示出。例如，对于近似为10μm的轴锥体半径，以及近似为25.9度的角，相应的最大误差ε_armax为近似+/-1.2μm。

然而，应该认识到，如前所述，靶特征的图像一般是模糊的。另外，在根据本发明的多个具体实施例中，与角β’相关联的光束宽度与每个轴向透镜421的尺寸相比足够大，以致于光线束403照明整个图像光输入面422。这些特性有效地使潜在的误差ε_ar达到某一平均数或是抵消。因此，潜在地，除了在粗糙的低精确度实施例中，其使用相对于与角β’相关联的光束宽度较大的轴锥体棱镜之外，潜在误差ε_ar不具有实际意义。

图19是表示根据本发明的位置传感器装置700的第三一般实施例，其使用具有提供图像光输入面722的透镜阵列的OPA元件720，其在多个典型实施例中包括上述的轴锥体OPA 420，或是OPA元件，该OPA元件包括有功能类似于光路元件的阵列。

关于功能上类似的光路元件，这种元件包括(但不局限于)多种类型的衍射光学元件(DOE)透镜，其包括菲涅尔透镜等等。包括菲涅尔透镜或是诸如此类元件的DOE透镜可根据已知的方法设计和制作。定制设计和制造的DOE透镜，菲涅尔透镜，和/或阵列可由多种来源获得，其来源例如，Digital OpticsCorporation，9815 David Taylor Drive，Charlotte，North Carolina，USA.DOE透镜设计技术在： MICRO-OPTICS：Elements，Systems and Applications，Hans PeterHerzig.编辑，Taylor&Francis，伦敦，1970以及 Mothods for Computer Design of Diffractive Optical Elements，Victor A.Soifer.编辑，Wiley-Interscience；JohnWliey and Sons，Inc.，New York，2002中也有描述，其全文在此引入参考。

在多个典型实施例中，位置传感器装置700包括与上述位置传感器装置200类似的多个尺寸参考和工作原理，并因此下文仅对需要额外解释的元件进行描述。通常，在图19中标号7XX的元件，提供与图2中类似标号2XX的元件相似的功能。

如图19中所示，位置传感器装置700包括靶构件710，其包括有代表多个靶点的靶点715。OPA元件720具有图像光输出面723和与位置传感器装置700的坐标系统参考平面724相重合的图像光输入面722。该位置传感器装置700还包括典型实施例的角滤光器部件750和探测阵列730。

示于图19中的角滤光器部件750的实施例包括以双远心结构排列的焦距为f的透镜756，光阑755和焦距为f的透镜757，其对在OPA元件720的图像光输出面723上提供的光既不提供放大也不提供缩小。尽管在图19示出的实施例中，透镜756和757以双凸透镜示出，但应当认识到，任何其它根据本发明可操作的透镜结构都是可使用的。另外，在多个其它典型实施例中，角滤光部件750省略了透镜757，并且将阵列探测器730相对于光阑755和透镜756固定安装，以代替离光阑755距离f的透镜757。这种结构提供的放大率也是1∶1。在多个其它典型实施例中，为了提供1∶1以外的所需放大或缩小，摄像头安装在离光阑755的另一距离处。其它不是特别理想，但仍然可操作的，具有本发明优点的角滤光器部件750结构对于本领域的技术人员是显而易见的。

在一个典型实施例中，示于图19中的角滤光器部件750的光学组件按照图19中示出的尺寸f为近似25.4mm，角α为近似15度，并且光阑755具有近似2mm的直径这样的选择并排列。形成OPA元件720的OPA具有近似1.6mm的厚度，其包括有基底和透镜，并且沿着x和y轴的尺寸为近似12mm。靶点的尺寸为近似100μm，并且沿着靶构件710上的两正交轴按1.0mm的节距分离开。阵列探测器730为大约4.7mm×3.5mm，并包括沿着正交的行和列方向以近似7.4μm的节距排列的640列和480行像素。形成OPA元件720的光纤束的靶构件距离底平面或是参考平面的标称可操作距离为近似2.0mm+/-1.5mm。根据适合的图像处理(如下面所述)，建立这样的一种结构，以对X，Y，Z平移提供大约2-4μm的分辨率和精确度，并对转动、前倾和侧倾角提供约0.1度的分辨率和精确度。

应该认识到，前述具体典型实施例的参数和元件仅是示意性的，而非限定性的。多种具有本发明优点的其它可操作实施例是可行的，并且对本领域的技术人员是显而易见的。

根据本发明，图20示出了对于与上述类似的模拟位置传感器结构，作为在阵列探测器的平面上的输入而提供的三个典型数值模拟图像，该模拟位置传感器结构包括轴锥体OPA元件或是光学上类似的OPA元件。对于图20中示出的图像，OPA元件的P_A＝100μm，并且光阑直径为2.0mm。图20-A示出了模拟位置传感器的测量范围极限附近的第一z坐标的靶点图像的实施例。图20-B示出了第二z坐标的靶点图像的实施例，该第二z坐标值近似是用于图20-A的第一z坐标值的66％。图20-C示出当使用的光阑直径为1.0mm时，对于第二z坐标的靶点图像的实施例，其产生较细环的靶点图像。在多个实施例中，可以以较高的分辨率确定较细环的尺寸和位置以及所得到的测量值。

关于前述角滤光器250，550，650和750的实施例，尽管它们是远心型角滤光器，但本发明并不限于此。更一般的是，只要在本发明中可用的只传输输出图像光的选定方向光线以在探测器阵列上形成靶特征图像是可行的，就可以使用任何其它现在已知或稍后披露的角滤光器部件。

例如，在多个实施例中，角滤光器部件包括一个准直阵列，即，一个阵列或是超小型管状结构束，其具有平行的轴和窄长的横截面，以提供较小的接收角。在根据本发明的多个典型实施例中，较小的接收角提供角滤光。管状结构的平行轴规定准直阵列的有效光轴。大于接收角角度的偏离光轴的光线或是不能进入准直阵列或是在其中被吸收。因此，只有近似平行于光轴的光线在探测器上形成图像。

这种准直阵列的一个优点在于它们可被使用而无需透镜，并且与透镜相关联的景深限制和焦距尺寸要求都不对使用准直阵列的位置传感器装置产生约束。因此，当光路阵列元件包括准直器阵列时，根据本发明的位置传感器装置可制造得更紧凑。在一个典型实施例中，准直器阵列包括一束中空光纤，或是其它具有足够小接收角的光纤。这种准直器阵列是可以得到的，例如，从Collimated Holes，Inc.，460 Division Street，Campbell，California，USA 95008购得。在其它典型实施例中，该准直器阵列是硅微加工的准直阵列，例如，近似如G.Chapman等人在 IEEE Journal of Selected Topics in Ouantum Electronics，Vol.9，No.2，March/April 2003，pp.257-266发表的“Angular Domain Imaging ofObjects Within Highly Scattering Media Using Silicon MicromachinedCollimating Arrays”中描述所制造的，其全文在此引作参考。

在多个典型实施例中，根据本发明的准直器阵列具有一个足以角滤光所有到达阵列探测器上的光线的区域，和一个范围为近似为0.35-0.75度的接收角。对于长度近似为200μm的中空管状结构，该接收角范围对应的直径范围近似为5-10μm。然而，该实施例仅是示意性的，而不是限定性的。在多个其它低精确度的实施例中，可使用较大的接收角，可高达1.5度或更大。

本文在先描述的多种角滤光器部件提供对应于各靶特征的对称的各图像特征。这种实施例允许用根据本发明的多个典型实施例中的相对简单的图像处理和/或坐标转换精确地测定靶点坐标。然而，更一般的是，应该认识到，还有其它可用的具有根据本发明的OPA元件的其它角滤光部件结构，其在阵列探测器上提供较少对称或是“失真”的靶点图像。尽管它们是不太理想的，但在根据本发明的多个位置传感器装置中，当与更复杂的图像处理和/或坐标转换一起使用来确定相应靶点的坐标时，这种靶点图像还是可用的。通常，由任何可操作的角滤光部件结构造成的经根据本发明的OPA元件输出的图像光的角滤光和转换可被“反向的”确定探测器阵列上的靶点图像的所需靶点坐标。在根据本发明的多个实施例中，还是可用的、这样一种不太理想的角滤光器部件结构可通过设置适合的透镜来提供，该透镜关于图2中示出的光输出面223和阵列探测器230的表面满足Scheimpflug条件，并与邻近透镜的限制光阑一起，以提供角滤光。满足Scheimpflug条件的光学布局的设计在Warren J.Smith.写的 Practical Optical System Layout and Ose of Stock Lenses，McGraw-Hill，New York，1997中有描述和/或教导，对于所有的相关技术，其全文在此引入参考。因此，在具有适合的图像处理和/或坐标转换的条件下，甚至是在选定方向光线不全部平行的条件下，根据本发明的原理，比角滤光器部件250，550，650和750以及在前描述的准直器阵列的实施例更通用的任何现在已知或是稍后披露的角滤光器部件结构是可用的，这种角滤光部件结构可用于只传输选定方向的输出图像光的光线以形成对应于探测器阵列上靶特征的图像。

图21示出并比较可用于根据本发明的OPA元件中的三种不同的光路元件。这种比较以行-列表的形式排列。

行R-1示出了三种一般类型的光路元件：列21-A中示出了与上述参照图16-20描述的轴锥体透镜类似的通用折射圆锥轴锥体型透镜。列21-B中示出了通用折射多面体棱锥型透镜。列21-C中示出了具有棱镜截面的窄长脊状折射元件的一部分。

行R-2示出了多种各个2维阵列图案结构的一小部分，这些结构使用示于同一行相应列的R-1中的光路元件。各阵列图案结构可用在根据本发明的多种各个OPA元件。

行R-3中的每个单元示出了两个靶特征的典型排列，T和B，如它们呈现在典型的靶构件上的那样。如果每个靶特征的z坐标为“0”，每个单元也可视为将要呈现在根据本发明的位置传感器的摄像头上的图像。

行R-4中的每个单元示意性的示出了其上行R-3中的靶特征排列的两个相应图像，当位置传感器的OPA元件使用示于同一相应列的相应光路元件时，这两个图像近似的如将要呈现在根据本发明的位置传感器装置的摄像头上的那样。在每个单元的右侧上是当R-3的靶特征排列相对于其上行R-2中示出的2维阵列结构“不旋转”，相对于该2维阵列结构的参考平面“不倾斜”，并且有“z₁＞0”的z轴坐标时产生的图像。在每个单元的左侧上是当行R-3的靶特征排列相对于位置传感器旋转时产生的图像，如虚线的改变的方向示出的一样。

在行R-4的列21-A中，先前描述的轴锥体型光路元件产生本文先前描述的环形图像。然而，在行R-4的列21-B中，(成相似角度的)六面体锥形光路元件不产生完整的环形。相反的，对应于该光路元件的的6个不连续的面，产生环绕类似假想环排列的6个光斑。以此类推，示于列21-A中的圆锥元件可视为具有无限多的小面，其产生无限多的光斑而形成完整的光环。继续类推，在行R-4的列21-C中，具有(成相似角度的)棱镜截面的窄长脊状折射元件的排列对应于该光路元件的两个不连续小面产生排列在类似假想环的相对侧的2个光斑。基于前面的描述，应该认识到，任何“n个小面的”锥型光路元件将产生以类似于在前描述的方式排列的n个图像光斑。

行R-5中的每个单元示出了相应的图像，其类似于在它们正上面的行R-4中的相应图像。唯一的区别在于行R-5中的图像对应于一个靶构件，该靶构件沿着z轴更远的平移并且相对于2维阵列结构的参考平面倾斜，以使靶特征B的z轴坐标“z₂＞z₁”，并且靶特征T的z坐标“z₃＞z₂”。因此，如前所述的环形靶特征图像，每个“靶特征图像”的尺寸增大了。即，在分别对应于该T和B的靶特征的每组“T”和“B”图像光斑中，径向间距增大了。因为靶特征T的z轴坐标z₃大于靶特征B的z轴坐标z₂，所以在“T”图像光斑组中的径向间距较大。

从前述的描述可以认识到，利用适合的图像处理，上述一般光路元件的许多变型和相应的2维阵列可提供根据本发明的可用的OPA元件实施例和可操作的位置传感器装置。

具有相对少的小面的光路元件的一个优点通过示于次列21-C2的十字型靶特征和由此产生的图像举例说明。应该认识到，如果延长的靶特征，例如在次列21-2C中示出的十字形靶特征，与具有多个小面的一光路元件，或是一轴棱镜，或是一光纤等一起使用，在延长的靶上的每个点将成像为多种图像点，并由此产生混乱的图像，或是十分宽的圆环等等。尽管这种图像仍可提供根据本发明的可操作的位置传感器，但精确度或是范围或是其它的特性将会典型地受损失。然而，对于具有相对少的小面的光路元件，尤其是具有两个小面的光路元件，延长的靶特征的模糊但可辨别的图像，例如十字型靶特征或是线特征，或是可用于提供绝对x-y位置信息的适合间距的编码图以及诸如此类的东西，可用在根据本发明的多个典型实施例中。

从次列21-C2的图像中可明显看出，十字形可由方框、三角、平行线段、较长的线段等代替。因此，在根据本发明的多个实施例中，可操作尺寸和形状的这些和/或其它更复杂的形状或图案被用于提供可辨别的“绝对”代码以唯一地表示靶构件上的多个区域。因此，在根据本发明的多个典型实施例中，提供了6维绝对位置传感器。在一些这种实施例中，已知的图案拟合或是模板拟合图像处理操作等等包括在用于确定多个绝对代码元件的位置和/或尺寸的图像处理操作中。在多个其它实施例中，在靶构件上邻近每个决定编码提供相符的靶特征，例如点特征。在这种实施例中，对应于相符靶特征的图像特征如前所述的被处理维提供高分辨率的“局部”测量。在这种实施例中，为了提供全面的高精确度决定测量，这种绝对代码只用于提供具有与“局部”测量可结合的足以明确的分辨率的不精确的测量。

本发明已结合典型实施例和上述结构进行了描述，显然，上述实施例和结构表示成其它可替换的实施例、结构和设计参数值的结合，对于本领域的技术人员是显而易见的。因此，如前所示的本发明的实施例是示意性的，而非限定性的。在不脱离本发明精神和范围内可进行多种改变。

Claims (27)

1、一种位置测量装置，用于测量该位置测量装置和靶构件之间的相对位置，该位置测量装置包括：

阵列探测器；

光路阵列元件，其包括多个光路元件；以及

角滤光器部件，其选择性的传输来自上述光路阵列元件的光线，该光路阵列元件与可操作方向对准；

其中：

所述位置测量装置可定位以在阵列探测器上提供对应至少靶构件一部分的图像，该图像由传输光线产生；以及

在上述阵列探测器上的图像可用于确定至少一个测量值，其对应于位置测量装置和靶构件之间相对位置的至少一个自由度。

2、权利要求1的位置测量装置，其中：

靶构件包括至少一个相应靶特征；

该至少一个相应靶特征在阵列探测器的图像上产生对应的相应图像特征；以及

阵列探测器上对应的相应图像特征的尺寸可用于确定对于相应靶特征的绝对测量值，该绝对测量值对应于沿着一轴的平移自由度，该轴沿着位置测量装置和靶构件之间的间距方向延伸。

3、权利要求2的位置测量装置，其中：

至少一个相应靶特征包括产生对应的相应图像特征的至少三个相对靶特征；

至少一个测量值包括对应于测量装置和至少三个相应靶特征的每一个之间的相对位置的三个平移自由度的三个测量值；以及

该位置测量装置可用于测量位置测量装置和靶构件之间相对位置的六个自由度。

4、权利要求2的位置测量装置，其中相应靶特征是靶点，阵列探测器上的相应图像特征包括一环状图像特征，并且阵列探测器上的该环状图像特征的标称中心位置可用于确定一相对位移，该相对位移对应于沿着两个相互横截轴的两个平移自由度，该两个相互横截轴沿一平面延伸，该平面近似垂直于位置测量装置和靶构件之间的间距的方向。

5、权利要求4的位置测量装置，其中：

该环状图像特征包括椭圆和圆形中的一个；

椭圆和圆形中的一个的函数被拟合成环状图像特征；

该函数的中心位置可用于确定对应于沿着两个相互横截轴的两个平移自由度的相对位移；以及

该函数的径向尺寸可用于确定对应于沿着一轴的平移自由度的绝对测量值，该轴沿着位置测量装置和靶构件之间间距的方向延伸。

6、权利要求4的位置测量装置，其中：

环状图像特征包括椭圆和圆环中的一个；

圆环图像特征具有相应的径向强度分布，该强度分布包括环状图像特征的各个图像像素组的强度值，该环状图像特征位于沿着从环形特征的标称中心延伸的相应径向方向上；

椭圆和圆环之一的函数被拟合成为一组相应径向强度分布确定的一组相应的峰；

该函数的中心位置可用于确定对应于沿着两个相互横截轴的两个平移自由度的相对位移；以及

该函数的径向尺寸可用于确定对应于沿着一轴的平移自由度的绝对测量值，该轴沿着位置测量装置和靶构件之间间距的方向延伸。

7、权利要求1的位置测量装置，其中该位置测量装置还包括光源。

8、权利要求7的位置测量装置，其中定位该光源，以通过光路阵列元件照明靶构件。

9、权利要求1的位置测量装置，其中角滤光器部件构造为，其只选择地传输近似平行于角滤光器部件光轴的光线，并且该光轴沿着下述方向之一设置：a)近似垂直于与光路阵列元件的标称平面平行的参考平面的方向，以及b)相对于与参考平面相垂直的方向成角度的方向，该参考平面平行于光路阵列元件的标称平面。

10、权利要求9的位置测量装置，其中：

角滤光器部件的光轴沿着近似垂直于该参考表面的方向设置；

来自光路阵列元件的光线在折射面折射，该折射面相对于该参考表面倾斜一角度，以使近似平行于光轴的光线包括在折射面折射的光线；以及

该折射表面包括下列之一：a)接收输出图像光的棱镜元件表面，和b)由包括一组光纤的一组光路元件提供的表面，该表面由光纤组带有角度的末端形成。

11、权利要求10的位置测量装置，其中：

该位置测量装置还包括光源和光束分离器；

该角滤光器部件包括设置成接收在折射表面折射的光线的第一透镜，和设置在使来自第一透镜的光线被标称聚焦的焦平面上的光阑；

该光束分离器沿着该第一透镜和该光阑之间的光轴设置，以使来自该第一透镜的光线在被标称聚焦在焦平面上之前经过该光束分离器；以及

该光源相对于光束分离器设置，以使来自光源的照明被该光束分离器偏转，从而通过第一透镜和光路阵列元件来照明该靶构件。

12、权利要求9的位置测量装置，其中：

该角滤光器部件包括下述之一：a)第一透镜，沿着光轴设置以接收来自光路阵列元件的光线，和光阑，沿光轴设置以使来自第一透镜的光线被标称聚焦在焦平面上，该光线在进入第一透镜时是标称平行的光线；以及b)一窄长管状结构的准直器阵列，其具有平行的轴并对输入光线提供小接收角。

13、权利要求12的位置测量装置，其中角滤光器部件包括焦距为F的第二透镜，并且该第二透镜位于沿着光轴的光阑和阵列探测器之间、距离光阑的距离为F处。

14、权利要求1的位置测量装置，其中：

该靶构件包括至少两个相应的靶特征；

该至少两个相应靶特征在阵列探测器上的图像中产生对应的相应图像特征；以及

当位置传感装置和靶构件之间的间距增大时，在阵列探测器上的每个相应图像特征的尺寸增大，但是在阵列探测器上的相应图像特征的相应标称中心之间的间距不增大。

15、权利要求1的位置测量装置，其中靶构件包括2维周期阵列的靶特征，其有效的包括点特征。

16、权利要求1的位置探测装置，其中光路阵列元件包括含有多根平行光纤的一光纤束，该多个光路阵列元件包括多个平行光纤，并且光纤束构造为使来自靶构件的输入光线经过该光纤束的平坦表面输入，该平坦表面包括多个平行光纤的共平面末端。

17、权利要求16的位置探测装置，其中该平行光纤是标称圆柱形。

18、权利要求17的位置测量装置，其中该平行光纤的直径为至少3μm到至多80μm。

19、权利要求1的位置测量装置，其中：

该光路阵列元件包括一2维阵列共平面透镜；

该多个光路元件包括多个上述透镜；以及

共平面透镜阵列设置为使来自靶构件的输入光线输入到多个透镜，并由该多个透镜折转该输入光线，以提供由角滤光器部件选择传输的光线。

20、权利要求19的位置测量装置，其中沿着2维阵列的至少一个方向的阵列节距为至少3μm到至多150μm。

21、权利要求19的位置测量装置，其中该透镜位于朝向该靶构件定向的该光路阵列元件的一侧，并且该角滤光器部件选择性的传输来自该光路阵列元件的光线，该光线沿着近似垂直于共平面透镜的标称平面折转。

22、权利要求19的位置测量装置，其中每个光路元件包括以下之一：a)折射轴锥体型透镜，b)具有至少3个小面的折射多面体棱锥型透镜，c)近似象折射轴锥体型透镜一样偏转光线的衍射光学元件，和d)象具有至少3个小面的折射多面体棱锥型透镜一样偏转光线的衍射光学元件。

23、权利要求22的位置测量装置，其中每个光路元件包括以下之一：a)折射轴锥体透镜，和b)具有至少3个小面的折射多面体棱锥型透镜，并且每个光路元件包括下述之一的可操作折射面：a)突出表面，和b)凹进表面。

24、权利要求19的位置测量装置，其中每个光路元件包括下述之一：a)具有棱镜状横截面的相对窄长脊状元件，和b)近似象具有棱镜状横截面的相对窄长脊状元件一样偏转光线的衍射光学元件。

25、权利要求24的位置测量装置，其中该靶构件包括多个可用于唯一的识别该靶构件的相应区域的相应唯一图案。

26、一种用于测量位置测量装置和靶构件之间相对位置的位置测量装置，该位置测量装置包括：

阵列探测器；

光路阵列元件，包括多个光路元件，该光路阵列元件可对来自靶构件的输入图像光定位；以及

角滤光器部件，具有一光轴，该角滤光器部件定位为接收来自光路阵列元件的输出光图像并且具有方向选择特性，以使只传输输出图像光的选定方向光线以在阵列探测器上形成对应于靶构件至少一部分的图像成为可操作的，其中：

该靶构件包括至少一个相应的靶特征；

在阵列探测器上对应于靶构件至少一部分的图像包括至少一个对应于相应靶特征的相应图像特征；

每个对应于相应靶特征的相应图像特征由输入图像光的一组光线限定，该一组光线进入相应的一组光路元件，该光路元件至少部分基于角滤光器部件的方向选择特性，相对于该相应靶特征有效地选择方向；以及

对于至少一个相应的靶特征，在阵列探测器上的对应的相应靶特征的至少一个尺寸和位置，可用于对相应靶特征确定至少一个测量值，该至少一个测量值对应于相对于至少一个相应靶特征的位置测量装置位置的至少一个平移自由度。

27、权利要求26的位置测量装置，其中该至少一个相应靶特征包括至少三个相应靶特征，该至少一个测量值包括三个测量值，该三个测量值对应于相对于至少三个相应靶特征中每一个的位置测量装置位置的三个平移自由度，并且该位置测量装置可用于测量位置测量装置和靶构件之间的6个自由度相对位置。

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