DE602004001276T2

DE602004001276T2 - System und Verfahren zur absoluten Positionierung mit wiederholtem Quasizufalls-Muster

Info

Publication number: DE602004001276T2
Application number: DE602004001276T
Authority: DE
Inventors: Benjamin K. Seattle Jones; Michael Kirkland Nahum
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2024-04-09
Also published as: JP4463612B2; EP1473549A1; US20040218181A1; US6937349B2; JP2004333498A; DE602004001276D1; EP1473549B1

Description

Diese Erfindung betrifft eine optische Verschiebungsmessvorrichtung für Absolutwerte, die absolute Positionen in zwei Dimensionen misst.
Absolutwertgeber benutzen eine Skalenstruktur, die es erlaubt, die Position eines Lesekopfes im Verhältnis zu einer Skala zu bestimmen, ohne eine Referenz zu einem gegebenen Ausgangspunkt entlang der Skala zu benötigen. Es sind verschiedene 1-dimensionale (1D) Absolutwertgeber bekannt, die eine Vielzahl von Informationsmustern benutzen, die sich parallel entlang einer 1-dimensionalen Skala erstrecken. Auch wurden 1D- und 2-dimensionale (2D) Codes benutzt, um Positionen entlang von 1D-Skalen zu bestimmen. Allerdings sind die Strukturen solcher Absolutwertgeber, die grundsätzlich 1-dimensional sind, im Allgemeinen nicht anpassbar oder kombinierbar, um eine hoch auflösende und äußerst genaue Absolutwertmessung an einer beliebigen Position auf einer zweidimensionalen Ebene bereitzustellen.
Ein zweidimensionaler (2D) Inkrementalgeber (Nicht-Absolutwertgeber) mit hoher Auflösung und hoher Genauigkeit an einer beliebigen Position auf einer 2D-Ebene ist in der US-Patentschrift 5,104,225 an Masreliez offenbart. Allerdings sind die Gitterskala und der Lesekopf, die in der Patentschrift 225 offenbart sind, nicht anpassbar, um eine Absolutpositionsmessung bereitzustellen.
Zahlreiche 2D-Strichcodesysteme sind bekannt. Allerdings sind die „Informationsspeicher"-Strukturen solcher 2D-Strichcodesysteme im Allgemeinen nicht gut dazu geeignet, als eine 2D-Skala für hoch auflösende Absolutpositionsbestimmungen zu dienen. Ferner ist nicht klar, wie diese Codes in einer fortlaufenden 2D-Skala aufgereiht werden sollen und wie zwischen benachbarten Codes unterschieden werden soll.
Ein 2D-Absolutskalenmuster für ein Positionsmesssystem ist ein zweidimensionales Muster, das von einer zweidimensionalen Fläche eines Skalenelements getragen wird. Die Erfinder haben festgestellt, dass 1D-Absolutpositionsmesssysteme und 2D-Gitter-Inkrementalmesssysteme im Allgemeinen schwierig, teuer, oder nicht für die Benutzung als hoch auflösende 2D-Absolutmesssysteme anpassbar sind. Ferner sind die Muster verschiedener 2D-Strichcodekonfigurationen im Allgemeinen nicht gut dazu geeignet, als Muster für 2D-Skalen für hoch auflösende Absolutpositionsbestimmung zu dienen.
Wenn solche Strichcodemuster in einem 2D-Muster benachbart zueinander aufgereiht sind, um eine fortlaufende 2D-Skala zu bilden, entsteht durch die Unterscheidung zwischen den verschiedenen einzelnen Mustern weitere Signalverarbeitungskomplexität, und dies erhöht die Schwierigkeit der Bestimmung der Position solcher Muster sowohl mit hoher Auflösung als auch mit hoher Geschwindigkeit. Zudem ist es technisch schwierig und/oder kostspielig, Muster über einen gestreckten zweidimensionalen Bereich zu erzeugen, die in diesem Bereich einzigartig sind, und diese Muster gleichzeitig mit hoher Genauigkeit auszurichten, um eine genaue absolute Messskala mit hoher Auflösung bereitzustellen.
Der Versuch, die genannten Probleme zu umgehen, indem die räumliche Auflösung und/oder die Verteilung solcher Muster reduziert wird, verschlechtert im Allgemeinen die Fähigkeit, die Positionen dieser Muster mit hoher Auflösung zu bestimmen, was im Allgemeinen von den räumlichen Frequenzen oder der „Informationsdichte" abhängt, das heißt, der „Dichte der Übergänge", die bei einer Positionsmessskala vorliegen. Alternativ reduziert der Versuch, die genannten Probleme zu umgehen, indem die Komplexität der Muster reduziert wird, im Allgeneinen den Anteil des Bereichs, der überall als einzigartig identifiziert werden kann. Das heißt, der potenzielle Bereich der absoluten 2D-Skala wird reduziert.
Ein optischer Absolutwertgeber, der jeden dieser Nachteile oder mehr vermeiden könnte, wäre nützlich. Man wird verstehen, dass es im Allgemeinen die besondere Anordnung eines absoluten 2D-Skalenmusters ist, die ein 2D-Absolutpositionsmesssystem bereitstellt, das Positionsmessung in hoher Geschwindigkeit über eine großen Bereich mit hoher Auflösung und Genauigkeit und zu vertretbaren Kosten bereitstellt.
Diese Erfindung stellt 2D-Absolutwertgeber bereit, die relativ geringe Lesekopfgrößen aufweisen.
Diese Erfindung stellt separat eine 2D-Skala bereit, die mit optischen Absolutwertgebern benutzbar ist, und die eine integrierte Skala aufweist, die sowohl Codeabschnitte als auch quasizufällige Musterabschnitte aufweist.
Diese Erfindung stellt ferner optische 2D-Absolutwertgeber mit einem 2D-Skalenmuster bereit, das sowohl quasizufällige Abschnitte als auch Codeabschnitte in einem vorteilhaften Verhältnis integriert.
Diese Erfindung stellt separat optische 2D-Absolutwertgeber bereit, die sowohl große Skalenlängen entlang jeder der zwei Dimensionen als auch eine hohe Auflösung aufweisen.
Diese Erfindung stellt ferner optische 2D-Absolutwertgeber bereit, die große Skalenlängen und hohe Auflösung erreichen, indem sie eine integrierte 2D-Skala benutzen, die Codeabschnitte aufweist, die große Skalenlängen entlang jeder der zwei Dimensionen erlauben, sowie Abschnitte mit einem quasizufälligen Muster, die hoch auflösende Bestimmungen der Position zwischen dem Lesekopf und der Skala ermöglichen.
Diese Erfindung stellt ferner eine integrierte 2D-Skala bereit, wobei die Codeabschnitte und die quasizufälligen Musterabschnitte abwechselnd entlang jeder der zwei Dimensionen der 2D-Skala auftreten.
Diese Erfindung stellt zusätzlich eine 2D-Skala bereit, wobei die Codeabschnitte und die quasizufälligen Musterabschnitte, die abwechselnd entlang jeder der zwei Dimensionen der Skala auftreten, in beiden der zwei Dimensionen zueinander benachbart angeordnet sind.
Diese Erfindung stellt separat Systeme und Verfahren zum Bestimmen der absoluten Position eines Lesekopfes eines optischen Absolutwertgebers in zwei Dimensionen im Verhältnis zu einer 2D-Skala des optischen Absolutwertgebers von einem Bild einer integrierten 2D-Skala bereit, die sowohl Codeabschnitte als auch quasizufällige Musterabschnitte aufweist.
Diese Erfindung stellt ferner Systeme und Verfahren zum Bestimmen der absoluten Position des Lesekopfes im Verhältnis zu der 2D-Skala entlang jeder Dimension bereit, indem ein Codeabschnitt lokalisiert wird, der in einem 2D-Bild der 2D-Skala erscheint, und indem eine 2D-Position mit einer ersten Auflösung entlang jeder Dimension anhand des Codes bestimmt wird, der in dem lokalisierten Codeabschnitt erscheint.
Diese Erfindung stellt separat Systeme und Verfahren zum Bestimmen der absoluten Position des Lesekopfes im Verhältnis zu der 2D-Skala entlang jeder Dimension bereit, indem ein vorbestimmter Abschnitt lokalisiert wird, der in dem 2D-Bild der 2D-Skala erscheint, und indem eine Position mit einer zweiten Auflösung entlang jeder Dimension anhand der 2D-Position des vorbestimmten Abschnitts innerhalb des 2D-Bildes der 2D-Skala bestimmt wird.
Diese Erfindung stellt separat Systeme und Verfahren zum Bestimmen der absoluten Position des Lesekopfes im Verhältnis zu der 2D-Skala entlang jeder Dimension bereit, indem eine Verschiebungsdistanz entlang jeder Dimension zwischen einem quasizufälligen Muster, das in einem quasizufälligen Musterabschnitt erscheint, und einer Referenzstruktur, die mit dem quasizufälligen Muster vergleichbar ist, bestimmt wird, und indem eine Position mit dritter Auflösung entlang jeder Dimension anhand der bestimmten Verschiebungsdistanzen bestimmt wird.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Skala weist die Skala ein integriertes 2D-Skalenmuster auf, das sich in zwei Dimensionen erstreckt. Das integrierte Skalenmuster weist mehrere quasizufällige Musterabschnitte auf, die sich in jede der zwei Dimensionen erstrecken. Das integrierte Skalenmuster weist außerdem Codeabschnitte auf, die in zwei Dimensionen innerhalb und/oder zwischen den quasizufälligen Musterabschnitten verteilt sind. Jeder Codeabschnitt weist einen einzigartigen Satz oder eine Gruppe von Codeelementen auf und identifiziert so eine spezifische 2D-Position auf der Skala. Das heißt, jeder einzigartige Satz oder jede einzigartige Gruppe von Codeelementen definiert eine erste Position entlang einer ersten der zwei Dimensionen, und eine zweite Position entlang einer zweiten der zwei Dimensionen.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen weist jeder Codeabschnitt einen vorbestimmten Abschnitt auf, der eine Erstreckung entlang jeder der zwei Dimensionen aufweist. In jeder Dimension kann der vorbestimmte Abschnitt ein einzelnes Element oder ein Zwischenraum sein, das oder der vorbestimmte Eigenschaften aufweist, oder er kann ein vorbestimmtes Muster von Elementen sein. Dieser vorbestimmte Abschnitt ermöglicht es, dass die Lesekopfsignale, die aus den Codeabschnitten der Skala hervorgehen, schnell lokalisiert und/oder von den Lesekopfsignalen unterschieden werden, die aus anderen Abschnitten der Skala hervorgehen.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen enthält jeder quasizufällige Musterabschnitt ein quasizufälliges Muster, das einem Fleckenmuster oder Ähnlichem ähnlich ist, das nominal zufällige Merkmale aufweist, und das Erstreckungen entlang jeder der zwei Dimensionen aufweist. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung ist das quasizufällige Muster in jedem quasizufälligen Musterabschnitt im Wesentlichen identisch, das heißt, wiederholt. Das quasizufällige Muster kann zum Bestimmen einer Verschiebeposition zwischen dem Lesekopf und der 2D-Skala benutzt werden.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung kann für wenigstens eine der zwei Dimensionen ein Satz von Codeelementen entlang dieser Dimension von einem benachbarten Satz von Codeelementen bis zu einer vorbestimmten Grenze beabstandet vorgesehen sein, basierend auf der Erstreckung eines Detektorarrays des Lesekopfs entlang dieser Dimension und einer Vergrößerung entlang dieser Dimension, die von dem Lesekopf auf das Skalenbild angewandt wird.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen zeigt jeder Satz von Codeelementen letztlich die Position oder den Messwert entlang einer Dimension eines lokalen Bezugspunktmerkmals an, um einen grob beabstandeten 2D-Absolutpositionswert bereitzustellen. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen gemäß dieser Erfindung bestimmt ein Detektorarray des Lesekopfs ferner die Position entlang jeder der zwei Dimensionen des lokalen Bezugspunktmerkmals im Verhältnis zu dem Detektorarray mit einer höheren Auflösung.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen der absoluten 2D-Skala gemäß dieser Erfindung bilden die Sätze aus Codeelementen eine 2D-Sequenz von Codewörtern, die sich über die 2D-Skala erstreckt. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung zeigt die Sequenz der Codewörter direkt die entsprechende 2D-Position auf der Skala an. Bei verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen gemäß dieser Erfindung werden die Codewörter entlang jeder der zwei Dimensionen unter Benutzung einer Suchtabelle oder einer anderen Decodiervorrichtung oder -technik in Absolutpositionsmesswerte umgewandelt.
Diese und andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind beschrieben in, oder ersichtlich aus, der folgenden genauen Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele der Systeme und der Verfahren gemäß dieser Erfindung.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Systeme und Verfahren dieser Erfindung sollen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben werden, wobei:
1 ein Blockdiagramm eines optischen 2D-Positionsmesswertgebers gemäß dieser Erfindung zeigt;
2 und 3 jeweils eine End- bzw. eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des in 1 dargestellten optischen 2D-Positionsmesswertgebers zeigen;
4 eine isometrische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer diffus reflektierenden Skala gemäß dieser Erfindung zeigt;
5 ein erstes Ausführungsbeispiel eines allgemeinen integrierten 2D-Absolutskalenmusters gemäß dieser Erfindung zeigt;
6 und 7 beispielhafte quasizufällige Muster zeigen, die jeweils auf einem tatsächlichen bzw. synthetischen Fleckenmuster basieren, die bei einem integrierten 2D-Absolutskalenmuster gemäß dieser Erfindung benutzbar sind;
8 einen 2D-Abschnitt eines ersten spezifischen Ausführungsbeispiels des allgemeinen integrierten 2D-Absolutskalenmusters aus 4 zeigt;
9 einen 2D-Abschnitt eines zweiten spezifischen Ausführungsbeispiels des allgemeinen integrierten 2D-Absolutskalenmusters aus 4 zeigt;
10 einen 2D-Abschnitt eines dritten spezifischen Ausführungsbeispiels des allgemeinen integrierten 2D-Absolutskalenmusters aus 4 zeigt;
11 einen Graph zeigt, der die Ergebnisse eines Vergleichs des ersten und des zweiten Bildes durch eine Absolutwert-Differenzkorrelationsfunktion zeigt, wenn die Bilder mit verschiedenen Pixelverschiebungen verschoben sind;
12 ein Flussdiagramm zeigt, das ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Bestimmen der absoluten 2D-Position eines Lesekopfes im Verhältnis zu einer integrierten 2D-Absolutskala gemäß der Erfindung darstellt;
13 ein Flussdiagramm zeigt, das ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Lokalisieren eines zufrieden stellenden Codepositionsindikators und lokalen Bezugspunktes gemäß dieser Erfindung genauer darstellt, das mit dem Ausführungsbeispiel aus 8 benutzt werden kann;
14 ein Flussdiagramm zeigt, das ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Bestimmen der 2D-Absolutposition des Lesekopfes im Verhältnis zu einer integrierten 2D-Absolutskala bei einer ersten Auflösung genauer darstellt, die auf dem Code eines Codeabschnitts der integrierten 2D-Absolutskala gemäß dieser Erfindung beruht;
15 ein Flussdiagramm zeigt, das ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Bestimmen der absoluten 2D-Position des Lesekopfes im Verhältnis zu einer integrierten 2D-Absolutskala bei einer dritten Auflösung gemäß dieser Erfindung genauer darstellt;
16 ein Flussdiagramm zeigt, das ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Lokalisieren eines zufrieden stellenden Codepositionsindikators und lokalen Bezugspunktes gemäß dieser Erfindung genauer darstellt, das mit dem Ausführungsbeispiel aus 9 benutzt werden kann;
17 ein Blockdiagramm zeigt, das ein Ausführungsbeispiel der Signalverarbeitungs- und Erzeugungsschaltung aus 1 genauer darstellt, die benutzt werden kann, um eine 2D-Absolutpositionsmessung von der integrierten 2D-Absolutskala gemäß dieser Erfindung zu erhalten.
1 ist ein Blockdiagramm eines optischen 2D-Positionsmesswertgebers 100, der mit einem integrierten 2D-Skalenmuster gemäß dieser Erfindung nutzbar ist, um eine absolute 2D-Positionsmessung zu erzeugen. Der in 1 gezeigte optische 2D-Positionsmesswertgeber 100 weist einen Lesekopf 126, eine Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 200, und eine 2D-Skala 110 auf. Die 2D-Skala 110 weist ein integriertes 2D-Skalenmuster 300 auf. In 1 sind die Komponenten des Lesekopfes 126 und ihr Verhältnis zu der 2D-Skala 110 und dem integrierten 2D-Skalenmuster 300 schematisch in einer Anordnung gezeigt, die im Allgemeinen einem beispielhaften physikalischen Aufbau entspricht, wie weiter unter beschrieben.
Insbesondere ist die Skala 110 benachbart zu einem beleuchtenden und empfangenden Ende des Lesekopfes 126 angeordnet, so dass, wenn die 2D-Skala 110 durch Licht beleuchtet wird, das von dem Ende des Lesekopfes 126 durch eine Lichtquelle 130 abgegeben wird, das abgegebene Licht selektiv von dem integrierten 2D-Skalenmuster 300 auf der 2D-Skala 110 zurück zu den bildempfangenden optischen Elementen reflektiert wird, die an dem Ende des Lesekopfes 126 angeordnet sind. Die 2D-Skala 110 ist in einem im Allgemeinen stabilen Abstand zu der Lichtquelle 130 und zu einem optischen System angeordnet, das in den Lesekopf 126 aufgenommen ist. Die 2D-Skala 110 bewegt sich im Verhältnis zu Lesekopf 126 entlang von zwei Achsen relativer Bewegung, wie z. B. entlang einer ersten Messachse 111 und einer zweiten Messachsenrichtung 112, wie in 1 gezeigt.
Die relative Bewegung in einer dritten Dimension orthogonal zu der ersten und zweiten Messachse 111 und 112 ist im Allgemeinen beschränkt, wie beispielsweise durch übliche Führungsschienen oder Lager (nicht dargestellt), die auf einen Rahmen montiert sind, um den richtigen relativen Abstand oder Zwischenraum zwischen dem Lesekopf 126 und der Skala 110 aufrechtzuerhalten. Der Lesekopf 126 kann ein Ausrichtungselement (nicht dargestellt) aufweisen, das die Montage des Lesekopfes 126 unterstützt, und das die inneren Komponenten des Lesekopfes 126 im Verhältnis zum Montagerahmen und/oder den erwarteten Achsen der relativen Bewegung 111 und 112 der 2D-Skala 110 ausrichtet.
Die 2D-Skala 110 sollte ein 2D-Bild mit einem relativ hohen Kontrast bereitstellen, wenn sie mit den Wellenlängen des Lichts beleuchtet wird, das von der Lichtquelle 130 bereitgestellt wird. In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die 2D-Skala 110 ein im Allgemeinen relativ reflektives Element mit einer diffus reflektierenden Fläche, auf der ein 2D-Muster von relativ unreflektiven Skalenelementen ausgebildet ist. In verschiedenen Ausführungsbeispielen begrenzt das Muster aus relativ unreflektiven Skalenelementen ein quasizufälliges Muster, das einem Fleckenmuster ähneln kann. Man wird verstehen, dass die relativ hohe Reflektivität der 2D-Skala 110 durch jedes bekannte oder später entwickelte Material und/oder jede bekannte oder später entwickelte Struktur erzielt werden kann. Zum Beispiel kann die 2D-Skala 110 eine geeignete diffus reflektierende Flächenstruktur aufweisen und kann aus einem relativ reflektiven Material hergestellt sein, wie z. B. einem Metall oder Glas, oder einem Polymer wie Mylar, oder Ähnlichem. Die relativ unreflektiven Skalenelemente können ausgebildet werden, indem die Fläche der 2D-Skala 110 beschichtet wird, um die Reflektivität des Materials zu senken, das benutzt wird, um die 2D-Skala 110 auszubilden, indem z. B. ein relativ unreflektives Material selektiv auf der Fläche der 2D-Skala 110 aufgebracht wird.
In verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen ist die 2D-Skala 110 aus einem relativ unreflektiven Material hergestellt, während die 2D-Skalenelemente aus einem relativ reflektiven Material mit einer geeigneten diffus reflektierenden Flächenstruktur hergestellt sind. Man wird verstehen, dass die 2D-Skala 110 in diesem Fall anhand der Materialien, aus denen sie gebildet ist, relativ unreflektiv gemacht werden kann, oder durch Beschichten oder eine sonstige Behandlung der Fläche der 2D-Skala 110, oder durch jeden anderen bekannten oder später entwickelten Prozess zum selektiven Senken und/oder Steigern der Reflektivität an den geeigneten Positionen entlang der 2D-Skala 110.
Man wird verstehen, dass in verschiedenen Ausführungsformen die 2D-Skala 110 mehr oder weniger spiegelnde Flächenabschnitte aufweisen kann. Für solche Skalen zeigen der Bildkontrast und/oder die Bildintensität jedoch mehr Empfindlichkeit gegenüber Ausrichtungsvariationen und/oder Flächenverschmutzung der Skala, welche die Robustheit und Messgenauigkeit des 2D-Absolutmesssystems 100 beeinträchtigen können. Man wird verstehen, dass in verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen die 2D-Skala 110 und/oder die Flächenelemente, die auf der 2D-Skala 110 ausgebildet sind, Farben aufweisen können, die den Kontrast zwischen den 2D-Skalenelementen und dem Rest der 2D-Skala 110 in dem Bild der 2D-Skala 110, das von dem Lichtdetektor 160 erfasst wird, verstärken können.
Wie in 1 gezeigt, weisen die bildempfangenden optischen Elemente des Lesekopfs 126 eine Linse 140 auf, die an dem beleuchtenden und empfangenden Ende des Lesekopfaufbaus 106 derart angeordnet ist, dass eine optische Achse 144 der Linse 140 im Wesentlichen an dem beleuchteten Bereich der 2D-Skala 110 ausgerichtet ist. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Lesekopf 126 ferner eine Lochblendenplatte 150 auf, die von der Linse 140 entlang der optischen Achse 144 mit einer Distanz beabstandet angeordnet ist, die sich mit der Brennweite f der Linse 140 überschneidet, sowie einen Lichtdetektor 160, der von der Lochblendenplatte 150 entlang der optischen Achse 144 beabstandet angeordnet ist, wie in 1 dargestellt. Ein solcher telezentrischer Aufbau macht die Vergrößerung des Bildes des integrierten 2D-Skalenmusters 300 auf dem Lichtdetektor 160 nahezu unabhängig von der Objektdistanz g der Linse 140 zu dem integrierten 2D-Skalenmuster 300. In verschiedenen Ausführungsformen kann, wenn die Objektdistanz g ausreichend gut gesteuert ist, wie z. B. durch präzise Lager oder Ähnliches, auf die Lochblendenplatte 150 verzichtet werden.
Der Lichtdetektor 160 kann jeder bekannte oder später entwickelte Typ lichtempfindlichen Materials oder lichtempfindlicher Vorrichtung sein, das oder die in ein 2D-Array unabhängiger und einzelner Lichtmesselemente eingeordnet werden kann, wie z. B. eine Kamera, eine elektronische oder digitale Kamera, ein CCD-Array, ein Array von lichtempfindlichen CMOS-Bausteinen oder Ähnliches. Eine beispielhafte Beabstandung und Anordnung der 2D-Skala 110 und des Lesekopfes 126, einschließlich der Linse 140, der Lochblendenplatte 150, und des Lichtdetektors 160, soll im Folgenden weiter beschrieben werden.
Die Montage der Lichtquelle 130, der Linse 140, der Lochblendenplatte 150, und des Lichtdetektors 160 in dem Gehäuse des Lesekopfes 126 kann gemäß üblichen Verfahren zum Bau von optischen Miniatursystemen und/oder Industriekameras erfolgen, vorausgesetzt, dass die Komponenten in einer relativ präzisen und stabilen Art und Weise montiert sind. Wenn der Lesekopf 126 in geeigneter Weise zu der Skala benachbart angeordnet ist, enthält jedes Bild, das von dem Lichtdetektor 160 erfasst wird, einen 2D-Abschnitt des integrierten 2D-Skalenmusters 300.
Der Lichtdetektor 160 weist ein 2D-Array 166 von Bildelementen 162 auf, die entlang von zwei Richtungen, die jeweils einer der zwei Messachsen 111 bzw. 112 entsprechen, mit einem bekannten Abstand beabstandet vorgesehen sind. Dieser bekannte Abstand kann für die beiden Richtungen, die den zwei Messachsen 111 und 112 entsprechen, derselbe sein, oder er kann für jede der beiden Richtungen unterschiedlich sein. Der bekannte Abstand entlang jeder der zwei Richtungen, die jeweils der Messachse 111 bzw. 112 entsprechen, stellt die Grundlage zum Messen der Verschiebung entlang der Messachse 111 oder 112 zwischen einem Bild, das auf den Lichtdetektor 160 projiziert wird, und einem Referenzbild dar, das im Allgemeinen einem gewonnenen Bild entspricht. Der bekannte Abstand in der Richtung entlang jeder Messachse 111 und 112 stellt so die Grundlage zum Messen der Verschiebung der Bilder des integrierten 2D-Skalenmusters 300 entlang jeder Messachse 111 und 112 bereit, mit einer Auflösung, die höher oder so hoch ist wie der bekannte Abstand entlang dieser Messachse 111 oder 112. In der folgenden Ausführung kann der Einfachheit halber die Messachse 111 auch als X-Achse, und die Messachse 112 auch als Y-Achse bezeichnet werden. Man wird verstehen, dass die X- und Y-Achsen hinsichtlich der Skalenausrichtung und zueinander definiert sind und keine besondere räumliche Ausrichtung des optischen 2D-Absolutwertgebers 100 implizieren sollen.
Man wird verstehen, dass in verschiedenen Ausführungsbeispielen die Bildelemente 162 des Lichtdetektors 160 in orthogonalen Reihen und Spalten angeordnet sind, und dass die Reihen zu einer Richtung ausgerichtet sind, die einer der Messachsen in den gewonnenen Bildern entspricht, und dass die Spalten in einer Richtung zu einer Richtung ausgerichtet sind, die der anderen der Messachsen in den gewonnenen Bildern entspricht. Allerdings wird man verstehen, dass allgemeiner in verschiedenen anderen Ausführungsformen die Bildelemente 162 des Lichtdetektors 160 nicht in orthogonalen Reihen und Spalten angeordnet sind, die zu den Messachsen in den gewonnenen Bildern ausgerichtet sind, vorausgesetzt, dass immer noch ein bekannter Abstand der Bildelemente 162 entlang jeder der zwei Richtungen, die jeweils der Messachse 111 bzw. 112 entspricht, bestimmt werden kann. In einem solchen Fall stellt der bekannte Abstand entlang einer Richtung, die einer jeweiligen Messachse entspricht, die Grundlage zum Messen der Verschiebung entlang dieser Messachse zwischen zwei ähnlichen Bildern dar, die auf den Lichtdetektor 160 projiziert werden, oder zwischen einem Bild, das auf den Lichtdetektor 160 projiziert wird, und einem synthetischen Bild, das im Allgemeinen einem gewonnenen Bild entspricht.
Zusätzlich weist in verschiedenen Ausführungsbeispielen der Lesekopf 126 wenigstens einen Abschnitt der Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 200 auf. Wie in 1 gezeigt, ist eine Signalleitung 132 von der Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 200 mit der Lichtquelle 130 verbunden, um die Lichtquelle 130 zu steuern und/oder zu betätigen. Eine Signalleitung 164 verbindet den Lichtdetektor 160 und die Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 200. Insbesondere kann jedes der Bildelemente 162 des Arrays 166 einzeln angesteuert werden, um einen wert, der die Lichtintensität auf dem Bildelement 162 darstellt, über die Signalleitung 164 an die Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 200 auszugeben. Zusätzliche Abschnitte der Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 200 können entfernt von dem Lesekopf 126 angeordnet sein, und die Funktionen des Lesekopfes 126 können entfernt betätigt und angezeigt werden. Die Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 200 soll weiter unten unter Bezugnahme auf 17 genauer beschrieben werden.
Wie in 1 gezeigt, wird von der Lichtquelle 130 ein Lichtstrahl 134 abgegeben und auf das integrierte 2D-Skalenmuster 300 gerichtet, das von der 2D-Skala 110 getragen wird, um einen Abschnitt des integrierten 2D-Skalenmusters 300 zu beleuchten. Als Resultat reflektiert der beleuchtete Abschnitt des integrierten 2D-Skalenmusters 300 selektiv Licht 136 um die optische Achse 144, abhängig von den Elementen des integrierten 2D-Skalenmusters 300, die in dem beleuchteten Abschnitt des integrierten 2D-Skalenmusters 300 auftreten.
Wenn der Leuchtwinkel des Lichtstrahls 134 schräg ist, kann der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl 134 und der optischen Achse 144 derart sein, dass relativ spiegelnde Flächen auf der 2D-Skala 110 das Licht, das auf die relativ spiegelnden Flächen fällt, von dem durch Lesekopf 126 erfassten Feld weg reflektieren. In diesem Fall ist es in verschiedenen Ausführungsbeispielen nützlich, wenn die Abschnitte der 2D-Skala 110, die eine relativ höhere Intensität des erfassten Bildes bereitstellen sollen, relativ diffus ausgebildet sind, um relativ diffuse Flächenabschnitte bereitzustellen, die beleuchtet werden. In verschiedenen Ausführungsbeispielen können die diffusen Flächenabschnitte aufgrund ihrer Flächenbearbeitung oder ihrer Materialeigenschaften relativ diffus sein, oder sie können durch das Aufbringen von diffusen Beschichtungen oder durch Flächenstrukturierung oder Ähnliches diffus ausgebildet sein. Diese diffusen Flächenabschnitte richten wenigstens einen Teil des schräg eingefallenen Lichts entlang der optischen Achse 144 aus. In diesem Fall neigen die diffusen Flächenabschnitte dazu, heller zu sein und/oder einen höheren Bildkontrast bereitzustellen, als sie dies tun würden, wenn sie nicht relativ diffus ausgebildet wären.
In einem Ausführungsbeispiel sind die diffusen Flächenelemente die Skalenelemente. In einigen solchen Ausführungsbeispielen sind die Bereiche, die die Skalenelemente umgeben, spiegelnd reflektiv. In anderen Ausführungsbeispielen sind die diffusen Abschnitte in den Bereichen angeordnet, die die verhältnismäßig dunkleren und/oder spiegelnd reflektiven Skalenelemente umgeben. In verschiedenen Ausführungsbeispielen können die 2D-Skalenelemente allgemein durch eine relativ dünne Materialschicht entweder auf einer Oberfläche oder Unterfläche der 2D-Skala 110 ausgebildet sein.
2 und 3 sind jeweils eine End- und eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des in 1 gezeigten optischen 2D-Positionsmesswertgebers. Wie in 2 und 3 gezeigt, ist in diesem Ausführungsbeispiel die Lichtquelle 130 eine Leuchtdiode. Ein Strahl 134 von der Lichtquelle 130 wird von der 2D-Skala 110 reflektiert. Der reflektierte Strahl 136 tritt durch die Linse 140 und wird als Licht 142 auf eine Öffnung 152 in der Lochblendenplatte 150 projiziert, um einen ersten Spiegel 158 zu erreichen. Der Strahl von Licht 142 wird von dem ersten Spiegel 158 zu einem zweiten Spiegel 159 reflektiert. Der Strahl von Licht 142 wird weiter von dem zweiten Spiegel 159 auf den Detektor 160 reflektiert. Man wird verstehen, dass nur die Mittelachsen des Strahls 134, der reflektierte Strahl 136, und der Strahl von Licht 142 in 2 und 3 gezeigt sind. Im Allgemeinen weisen der Strahl 134 und 136 einen Strahldurchmesser auf, der größer ist als die Öffnung 152, so dass die Öffnung 152 die begrenzende Öffnung des optischen Systems ist.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen sind der Strahl 134 und der Strahl 136 in einem Winkel von 45° zueinander in einer zu der 2D-Skala 110 senkrechten Ebene vorgesehen. Der erste und der zweite Spiegel 158 und 159 ändern jeweils die Richtung des Strahls 136 um 90°. In verschiedenen Ausführungsbeispielen beträgt die Distanz L2 zwischen der 2D-Skala 110 und der effektiven Ebene der Linse 140 etwa 5,5 mm. Die Distanz L3 zwischen der Linse 140 und der Öffnung 152 beträgt etwa 4,5 mm. Die Distanz L1 zwischen dem ersten Spiegel 158 und der Öffnung 152 beträgt etwa 4,1 mm. Die Distanz L4 zwischen dem ersten Spiegel 158 und dem zweiten Spiegel 159 beträgt etwa 23,7 mm. Die Distanz L5 zwischen dem zweiten Spiegel 159 und dem Detektor 160 beträgt etwa 5,3 mm.
4 zeigt eine isometrische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Abschnitts einer 2D-Skala 110, die benutzt werden kann, wenn der Winkel zwischen den einfallenden Lichtstrahlen und der optischen Achse derart ist, dass relativ spiegelnde Skalenflächen das Licht, das auf diese relativ spiegelnden Skalenflächen fällt, reflektiert, das heißt, das reflektierte Licht 136, weg von dem Weg des Lichts, das von dem Lesekopf 126 erfasst wird, das heißt, einem Weg, der im Allgemeinen zu der optischen Achse 144 ausgerichtet ist.
Wie in 4 gezeigt, weisen die Skalenmerkmale der 2D-Skala 110 im Allgemeinen die dunkleren 2D-Skalenmusterelemente 115 auf, die durch die punktierten Umrisslinien in 4 angezeigt sind, und die helleren 2D-Skalenmusterelemente 119. Man wird verstehen, dass in 4 die Höhe oder Dicke der dunkleren 2D-Skalenmusterelemente 115 und der helleren 2D-Skalenmusterelemente 119 in vertikaler Richtung zu Darstellungszwecken stark übertrieben ist.
In verschiedenen Ausführungsformen sind die dunkleren 2D-Skalenmusterelemente 115 Teil der Muster bildenden Materialschicht 117, die eine reflektive dünne Schicht ist, die auf einer ersten Fläche 114 eines Substrats 113 gebildet ist, das benutzt wird, um die 2D-Skala 110 auszubilden. Es versteht sich, dass in Ausführungsform aus 4 eine beschränkte Anzahl von beispielhaften dunkleren 2D-Skalenmusterelementen 115 zu erläuternden Darstellungszwecken durch punktierte Umrisslinien angezeigt sind, während die übrigen dunkleren 2D-Skalenmusterelemente 115 als ein fortlaufendes Feld dargestellt sind, wobei die dunkleren 2D-Skalenmusterelemente 115 vereinigt und/oder voneinander nicht unterscheidbar sind. Im Allgemeinen sind die dunkleren 2D-Skalenmusterelemente 115 in ihrer Abmessung den helleren 2D-Skalenmusterelementen 119 ähnlich, und diese Größe entspricht im Allgemeinen einer Musterungsauflösung, die mit dem Prozess in Verbindung steht, der benutzt wird, um die 2D-Skala 110 herzustellen. So können, unter Bezugnahme auf die in 4 gezeigte Anordnung, in verschiedenen Abschnitten der 2D-Skala 110 mehrere der helleren 2D-Skalenmusterelemente 119 alternativ mit einer höheren Anordnungsdichte dargestellt sein, um Skalenmerkmale zu bilden, wobei sie vereinigt und/oder voneinander nicht unterscheidbar sind, während die dunkleren 2D-Skalenmusterelementen 115 alternativ als relativ isolierte Elementen in verschiedenen Abschnitten der 2D-Skala 110 dargestellt sein können.
Die dunkleren 2D-Skalenmusterelementen 115 weisen eine Fläche mit im Allgemeinen gleichmäßigen optischen Eigenschaften auf, die sich entlang der ersten Messachse 111 und entlang der zweiten Messachse 112 erstreckt. In verschiedenen Ausführungsbeispielen stellen die dunkleren 2D-Skalenmusterelementen 115 und die helleren 2D-Skalenmusterelementen 119 unterschiedliche reflektierte Intensitäten der Lesekopfbilder bereit, die irgendwo innerhalb des Spektrums zwischen zwei extremen Intensitäten (d. h., schwarz und weiß) liegen können, vorausgesetzt, dass die unterschiedlichen reflektierten Intensitäten allgemein unterschieden werden können, um eine benutzbare Skala gemäß den hier beschriebenen Messprinzipien bereitzustellen. In der in 4 gezeigten Ausführungsform ist die 2D-Skala 110 derart ausgerichtet, dass eine zweite Fläche 114' auf dem Substrat 113 der 2D-Skala 110 näher an der Quelle des Lichtstrahls 134 vorgesehen ist. In diesem Fall sollte das Substrat 113 für wenigstens eine Wellenlänge des Lichtstrahls 134 transparent sein. Eine diffuse Unterschicht 118 ist auf, über oder sehr nah bei der ersten Fläche 114 gebildet oder vorgesehen, so dass die diffuse Unterschicht 118 eine diffus reflektierende Fläche in dem Bereich der helleren 2D-Skalenmusterelemente 119 bereitstellt, die Öffnungen oder entfernte Bereiche in den dunkleren 2D-Skalenmusterelementen 115 aufweisen. Diese diffuse Unterschicht oder Beschichtung 118 richtet wenigstens einen Teil des einfallenden Lichts des Lichtstrahls 134 diffus entlang der optischen Achse 144.
In einem Ausführungsbeispiel ist die diffuse Unterschicht 118 eine diffus reflektierende Unterschicht 118A des Beschichtungstyps, die eine aufgesprühte Beschichtung ist, die die Fläche 114 in dem Bereich der helleren 2D-Skalenmusterelemente 119 überzieht. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die diffuse Unterschicht 118 eine diffus reflektierende Unterschicht 118B des Substrattyps, die annähernd an der Fläche 114 anliegt und den Lichtstrahl 134 in dem Bereich der helleren 2D-Skalenmusterelemente 119 reflektiert. In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die diffus reflektierende Unterschicht 118B des Substrattyps so nah wie möglich an die Fläche 114 angepasst, um die bestmögliche Kantenbegrenzung und Anordnung zwischen den helleren 2D-Skalenmusterelementen 119 und den dunkleren 2D-Skalenmuster elementen 115 bereitzustellen. In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die Unterschicht 118B des Substrattyps als die Fläche eines Montageelements vorgesehen, das die 2D-Skala 110 hält.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen, wobei die Musterungsmaterialschicht 117 eine reflektive dünne Filmschicht ist, können die helleren 2D-Skalenmusterelemente 119 mit Hilfe üblicher Musterungsverfahren für dünne Filme ausgebildet sein. In verschiedenen Ausführungsbeispielen weisen die dunkleren 2D-Skalenmusterelemente 115 und die helleren 2D-Skalenmusterelemente 119 eine Nenngröße im Bereich von 5 bis 10 Mikrometer auf.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist eine nominale Merkmalgröße, die für die quasizufälligen Musterabschnitte der 2D-Skala 110 charakteristisch ist, wie weiter unten genauer beschrieben, mit der Größe der dunkleren 2D-Skalenmusterelemente 115 und der helleren 2D-Skalenmusterelemente 119 vergleichbar. In solchen Ausführungsformen ist das quasizufällige Muster an ein quasizufälliges Muster aus binärwertigen Skalenmerkmalen angenähert. In verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen ist die nominale Merkmalgröße, die für die quasizufälligen Musterabschnitte der 2D-Skala 110 charakteristisch ist, wesentlich größer als die Größe der helleren 2D-Skalenmusterelemente 119. In solchen Ausführungsformen kann die individuelle Verteilung und/oder Anordnungsdichte der helleren 2D-Skalenmusterelemente 119 und der dunkleren 2D-Skalenmusterelemente 115 innerhalb der Abmessung eines nominalen Merkmals eines quasizufälligen Musterabschnitts der 2D-Skala 110 für jedes nominale Merkmal derart angepasst werden, dass die Pixelintensitätswerte in den Bildern der 2D-Skala 110, die jedem nominalen Merkmal entsprechen, effektiv einen mittleren Grauskalenwert bereitstellen, der wenigstens für einige der nominalen Merkmale nicht auf binäre Bildwerte beschränkt ist. In solchen Ausführungsformen nähert sich das quasizufällige Muster einem quasizufälligen Muster mit einem Spektrum von grauskalenwertigen Skalenmerkmalen an.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen, wobei die Musterungsmaterialschicht 117 eine Fotoemulsion ist, können die dunkleren 2D-Skalenmusterelemente 115 und die helleren 2D-Skalenmusterelemente 119 mit Hilfe üblicher Belichtungs- und Bearbeitungsverfahren ausgebildet werden. In solchen Ausführungsbeispielen können die dunkleren 2D-Skalenmusterelemente 115 und die helleren 2D-Skalenmusterelemente 119 allgemein verarbeitet sein, um entweder binärartige Bildwerte und/oder Grauskalenwerte mit hohem Kontrast bereitzustellen. In verschiedenen Ausführungsformen können die dunkleren 2D-Skalenmusterelemente 115 verarbeitet sein, um verhältnismäßig lichtundurchlässiger und lichtabsorbierender zu sein, und die helleren 2D-Skalenmusterelemente 119 können verarbeitet sein, um ganz oder teilweise transparent zu sein.
Man wird verstehen, dass das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel der 2D-Skala 110 mehrere Vorteile bereitstellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die 2D-Skala 110 leicht herstellbar, indem die operativen Abmessungen und Positionen der diffusen Abschnitte der 2D-Skala 110 effektiv von den Rändern der dunkleren Skalenmusterelemente bestimmt werden. Daher benötigen die diffusen Abschnitte keine spezielle Verarbeitung, um die Abmessungen und Positionen dieser diffusen Abschnitte zu steuern. Außerdem wird zur Ausrichtung der 2D-Skala 110 aus 4 eine Verschmutzung der zweiten Fläche 114' dazu neigen, in dem erfassten Bild der 2D-Skala 110 unscharf zu sein. Außerdem ist die Fläche 114 durch das Substrat 113 und/oder die diffuse Unterschicht 118 und/oder möglicherweise durch ein externes Montageelement, das an der Fläche 114 anliegt, vor Beschädigung geschützt. Wie jedoch zuvor ausgeführt, kann im Allgemeinen jede Skalenkonfiguration benutzt werden, die ein Skalenbild mit relativ hohem Kontrast gemäß dieser Erfindung bereitstellt, wenn sie von den Wellenlängen von Licht beleuchtet wird, das von der Lichtquelle 130 bereitgestellt wird.
Das reflektierte Licht 136 von dem beleuchteten Abschnitt des integrierten 2D-Skalenmusters 300, das die Linse 140 erreicht, wird dann als Licht 142 auf den Lichtdetektor 160 projiziert. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Linse 140 eine bikonvexe Linse sein, die einen Durchmesser von etwa 3 mm und eine Brennweite f von etwa 4,5 mm aufweist. Wie zuvor erwähnt, tritt das Licht 142 durch die Lochblendenöffnung 152 in der Lochblendenplatte 150. Die Linse 140 ist von der Lochblendenplatte 150 mit einem Abstand beabstandet, der annähernd der Brennweite f der Linse 140 entspricht, was die Vergrößerung des Bildes des integrierten Skalenmusters 300 auf dem Lichtdetektor 160 nahezu unabhängig von der Objektdistanz g sein lässt.
Insbesondere wird dann, wenn die Lochblendenplatte 150 benutzt wird, das Licht 154, das durch die Lochblendenöffnung 152 getreten ist, über eine Distanz d entlang der optischen Achse 144 und auf die Fläche der 2D-Bildelemente 162 des 2D-Arrays 166 des Lichtdetektors 160 projiziert. Für eine solche telezentrische Anordnung hängt die Vergrößerung der Bildmerkmale des integrierten 2D-Skalenmusters 300 auf diese Weise hauptsächlich von dem Verhältnis zwischen der Brennweite f und der Distanz d ab und entspricht annähernd d/f.
Allgemeiner wird bei Anordnungen, wobei die Öffnung 152 relativ groß ist oder auf die Lochblendenplatte 150 verzichtet wird, die Vergrößerung mit der Objektdistanz g variieren. In diesem Fall ist die annähernde Vergrößerung M der Bildmerkmale innerhalb des erfassten Abschnitts des Lichts, das von dem beleuchteten Abschnitt des integrierten 2D-Skalenmusters 300 auf den 2D-Array 166 der Bildelemente 162: M = (f + d)/gwobei

g: die Objektdistanz ist;
f: die Brennweite der Linse 140 ist; und
d: die Distanz zu der Fläche des 2D-Arrays 166 jenseits der Brennweite der Linse 140 ist.

In verschiedenen Ausführungsbeispielen weisen typische Werte für diese Parameter des optischen 2D-Absolutwertgebers 100 auf: g = 4,5 mm, f = 4,5 mm, und d = 28,35 mm. Es ergibt sich die annähernde entsprechende Vergrößerung M von 7,3. Man wird verstehen, dass bei der Auswahl der Größe der Lochblendenöffnung 152 auch eine gegenseitige Abstimmung zwischen der Feldtiefe des Bildes des integrierten 2D-Skalenmusters 300, das heißt, der Stärke der Unschärfe des Bildes, wenn die Objektdistanz g aufgrund von Lesekopflückenfehlausrichtung oder Ähnlichem variiert, und der Bildintensität auf dem Array 166 stattfindet. In einem Ausführungsbeispiel weist die Lochblendenöffnung 152 einen Durchmesser von 0,8 mm auf. In verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen weist die Lochblendenöffnung 152 einen Durchmesser zwischen 0,5 und 2,0 mm auf. In Fällen, in denen es schwierig ist, eine Vergrößerung genau zu berechnen, wird man außerdem verstehen, dass die effektive Vergrößerung für einen gegebenen Wertgeberaufbau und spezifizierte Betriebsparameter auch experimentell bestimmt werden kann. Beispielsweise kann die effektive Vergrößerung anhand eines bekannten Abstands der Bildelemente entlang jeder Achse und der beobachteten Bildgröße von verschiedenen Skalenmerkmalen mit bekannten Abmessungen bestimmt werden.
Um ein Bild zu erhalten, gibt die Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 200 ein Betätigungssignal an die Signalleitung 132 aus, um die Lichtquelle 130 zum Abgeben des Lichtstrahls 134 zu anzutreiben. Der Lichtstrahl 134 beleuchtet einen Abschnitt des integrierten 2D-Skalenmusters 300, das auf dem 2D-Array 166 der Bildelemente 162 des Lichtdetektors 160 abgebildet wird. Die Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 200 gibt dann mehrere Signalabschnitte über die Signalleitung 164 ein, wobei jeder Signalabschnitt dem Bildwert entspricht, der von einem der einzelnen Bildelemente 162 erfasst wurde.
Um die aktuelle Verschiebung des Lesekopfes im Verhältnis zu dem integrierten 2D-Skalenmuster 300 entlang jeder der zwei Dimensionen zu bestimmen, werden die Signalabschnitte für ein aktuelles Bild, das von dem Lichtdetektor 160 von der Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 200 empfangen wurde, in den Speicher eingegeben und dort gespeichert. Das aktuelle Bild wird dann analysiert, um die absolute Position zwischen dem Lesekopf 126 und der 2D-Skala 110 entlang jeder Dimension zu bestimmen. Natürlich wird man verstehen, dass auf das Speichern des Bildes, das von dem Lichtdetektor empfangen wird, verzichtet werden kann, wenn die die absolute Position während der Übertragung berechnet werden kann. In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird in einem Abschnitt der Analyse eine Reihe oder Spalte des Bildelements 162, die sich in eine Richtung erstreckt, die wenigstens einer der Messachsen 111 und 112 entspricht, oder höchstens eine geringe Anzahl von Reihen oder Spalten, des aktuellen Bildes zur Analyse ausgewählt.
Wie weiter unten genauer beschrieben, wird in einem Abschnitt der Analyse ein 2D-Codeabschnitt lokalisiert, der in dem aktuellen Bild erscheint. Dieser lokalisierte 2D-Codeabschnitt wird decodiert, um eine erste 2D-Absolutposition mit einer ersten Auflösung zu bestimmen, die durch den lokalisierten Codeabschnitt bestimmt ist. Die 2D-Position des lokalisierten Codeabschnitts oder eines vorbestimmten Abschnitts des lokalisierten Codeabschnitts oder die mit dem lokalisierten Codeabschnitt assoziierte 2D-Position wird dann im Verhältnis zu dem aktuellen Bildrahmen bestimmt, das heißt, im Verhältnis zu dem 2D-Array 166 der Bildelemente 162.
Diese bestimmte 2D-Position im Verhältnis zu dem aktuellen Bildrahmen verfeinert die 2D-Absolutposition des Lesekopfes 126 im Verhältnis zu dem integrierten 2D-Skalenmuster 300 von der 2D-Position mit einer ersten Auflösung, die von dem dekodierten Codeabschnitt angezeigt wird, zu einer 2D-Position mit einer zweiten Auflösung. In verschiedenen Ausführungsformen ist diese 2D-Position mit einer zweiten Auflösung eine Pixelauflösung und entspricht dem Pixelabstand oder der Neigung der Bildelemente 162 entlang jeder der zwei Dimensionen oder Achsen des 2D-Arrays 166.
Man wird verstehen, dass die 2D-Position mit der höchsten erreichbaren zweiten Auflösung einer tatsächlichen Pixelauflösung entspricht. Das heißt, die zweite Auflösung entlang jeder Achse ist eine Auflösung, die die Unsicherheit der Absolutpositionsmessung entlang dieser Achse auf eine Auflösung reduziert, die der Vergrößerung entlang dieser Dimension entspricht, die von dem Lesekopf 126 bereitgestellt wird, und auf nicht mehr als ein oder zwei Pixelabstandzunahmen entlang dieser Dimension des 2D-Arrays 166. Natürlich wird man verstehen, dass die zweite Auflösung besser als ein Pixelabstand sein könnte, wenn Interpolation oder schwerpunktbasierte Bestimmungen benutzt werden.
Wenigstens ein Abschnitt des aktuellen Bildes, der ein quasizufälliges Muster aufweist, wird ebenso, auf einer Pixel-für-Pixel-Basis, mit einem Referenzbild verglichen, das ein entsprechendes quasizufälliges Muster für jede Anzahl von Verschiebepositionen aufweist, um die absolute Position des Lesekopfes zu der Skala mit einer dritten Auflösung zu bestimmen. In verschiedenen Ausführungsbeispielen entspricht die dritte Auflösung einer Subpixelauflösungs-Positionsbestimmung des Bildes auf dem Array 160. Die Serie von Vergleichen umspannt einen Korrelationskurvenscheitel und/oder ein -tal, wie detailliert in der US-Patentanmeldung 09/731,671 offenbart ist, die hier in ihrer Gesamtheit durch Querverweis zitiert ist.
Das heißt, das Referenzbild und das aktuelle Bild werden verarbeitet, um Korrelationsfunktionswertpunkte zu erzeugen. In einem Ausführungsbeispiel wird das aktuelle Bild im Verhältnis zu dem Referenzbild digital verschoben, über einen Bereich von Verschiebungen oder räumlichen Translationspositionen, die einen Offset aufweisen, der das Muster der zwei Bilder dazu veranlasst, sich so nah wie möglich zueinander auszurichten. Die Korrelationsfunktionswertpunkte zeigen den Grad der Musterausrichtung an und zeigen so die Offset-Größe an, die benötigt wird, um die zwei Bilder dazu zu veranlassen, sich zueinander auszurichten, während sie digital verschoben werden. Dieser Offset kann benutzt werden, um die absolute Position des Lesekopfes 126 im Verhältnis zu der 2D-Skala 110 von der zweiten Auflösung auf eine dritte Auflösung zu verfeinern, die wesentlich weniger als einem Pixelabstand auf einer oder beiden Achsen auf dem Array 166 entspricht, geteilt durch die Vergrößerung, die von dem Lesekopf 126 bereitgestellt wird.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist das Referenzbild ein Bild mit einem quasizufälligen Muster, das durch einen wiederholten quasizufälligen Musterabschnitt des integrierten 2D-Skalenmusters 300 definiert ist. Der quasizufällige Musterabschnitt, einschließlich eines quasizufälligen Musters, das auf einem tatsächlichen und/oder synthetischen Fleckenmuster basieren kann, ist nominal identisch mit dem quasizufälligen Muster des Referenzbildes, und es wird in dem integrierten 2D-Skalenmuster 300 in beiden Richtungen der X- und der Y-Achse wiederholt.
Man wird verstehen, dass eine Anzahl verschiedener Verfahren zum Vergleichen des Referenzbildes mit dem aktuellen Bild vorliegt. Beispielsweise kann bei einem ersten beispielhaften Verfahren der gesamte Bereich des Rahmens des aktuellen „verschobenen" Bildes benutzt werden, wenn die ausgewählten ein oder mehr Reihen auf einer Pixel-für-Pixel-Basis mit der Breite des gesamten Rahmens verglichen werden, um einen einzelnen Korrelationswert zu erzeugen. In diesem Fall werden diejenigen Pixel, die in Regionen des Referenz- und des aktuellen Bildes liegen, die sich nicht mit einer Region des jeweils anderen Referenz- bzw. verschobenen Bildes überschneiden, mit Pixeln verglichen, die einen Einstellvergleichswert aufweisen, oder denen ein Einstellvergleichswert zugeteilt ist, oder Ähnliches. In anderen beispielhaften Verfahren wird ein Teilbild verglichen. In jedem Fall wird die Serie von Korrelationswerten, die den Korrelationsscheitel und/oder das Korrelationstal anzeigen, erzeugt, indem das aktuelle Bild nach jedem durchgeführten Vergleich um einen oder mehrere Pixel in einer geeigneten Richtung im Verhältnis zu dem Referenzbild verschoben wird.
5 zeigt einen Blockdiagrammaufbau eines ersten Ausführungsbeispiels 300' des integrierten 2D- Skalenmusters 300 gemäß dieser Erfindung. Wie in 4 gezeigt, weist das integrierte 2D-Skalenmuster 300' mehrere Abschnitte 310 auf, die jeder ein quasizufälliges Muster enthalten, und mehrere 2D-Codeaabschnitte 330. Gemäß den Prinzipien dieser Erfindung „teilen" sich die quasizufälligen 2D-Muster 310 und die 2D-Codeabschnitte 330 des integrierten 2D-Skalenmusters 300' jede lokale Region des integrierten 2D-Skalenmusters 300', die der Größe eines Detektionsfensters 340 entspricht, das im Folgenden genauer beschrieben werden soll, oder sind in diese integriert.
Das integrierte Skalenmuster 300', wie es in 5 gezeigt ist, erstreckt sich über den gesamten Bereich einer 2D-Skala 110 gemäß dieser Erfindung, die sich entlang jeder der zwei Messachsen 111 und 112 erstreckt. Das heißt, die quasizufälligen 2D-Musterabschnitte 310 und die 2D-Codeabschnitte 330 weisen jeder eine Erstreckung entlang jeder der zwei Achsen 111 und 112 auf. In verschiedenen Ausführungsbeispielen sind entlang jeder der zwei Achsen 111 und 112 die quasizufälligen 2D-Musterabschnitte 310 und die 2D-Codeabschnitte 330 in einer sich wiederholenden Sequenz über den gesamten Bereich der 2D-Skala 110 angeordnet. Wahlweise weist in einigen Ausführungsbeispielen jeder der 2D-Codeabschnitte 330 ein vorbestimmtes Merkmal 320 auf, das weiter unten genauer beschrieben werden soll.
Man wird verstehen, dass durch das Integrieren der quasizufälligen 2D-Musterabschnitte 310 und der 2D-Codeabschnitte 330 zu einer einzigen vereinheitlichten Struktur in jeder lokalen Region eines integrierten 2D-Skalenmusters 300 ein Satz der Sensorelemente, der in dem integrierten 2D-Skalenmuster 300 irgendwo innerhalb des Abgrenzung des integrierten 2D-Skalenmusters 300 angeordnet ist, wie z. B der Satz der Bildelemente 162 des Lichtdetektors 160, benutzbar ist, um die Information, die in den quasizufälligen 2D-Musterabschnitten 310 und den 2D-Codeabschnitten 330 enthalten ist, bei jeder Kombination von Positionen der 2D-Skala 110 im Verhältnis zu dem Lesekopf 126 entlang den Messachsen 111 und 112 zu erfassen.
Wie in 5 gezeigt, erstreckt sich ein Detektionsfenster 340, das dem Abschnitt des integrierten Skalenmusters 300' entspricht, der als ein einzelnes Bild von dem Lichtdetektor 160 erfasst werden kann, in zwei Dimensionen entlang der 2D-Skala 110 über wenigstens einen Abschnitt des integrierten 2D-Skalenmusters 300. Man wird verstehen, dass in verschiedenen Ausführungsbeispielen gemäß dieser Erfindung aufgrund der Anordnung des erfindungsgemäßen integrierten 2D-Skalenmusters 300 die Breite des Detektionsfensters 340 entlang der Y-Achse innerhalb des integrierten Skalenmusters 300 nicht besonders ausschlaggebend ist, vorausgesetzt, dass das Detektionsfenster 340 nominal wenigstens so breit ist wie die Distanz entlang der Y-Achse zwischen den entsprechenden Abgrenzungen von zwei benachbarten Codeabschnitten, wie weiter unten genauer beschrieben werden soll. Ähnlich wird man verstehen, dass aufgrund der Anordnung des erfindungsgemäßen integrierten 2D-Skalenmusters 300 die Länge des Detektionsfensters 340 entlang der X-Achse innerhalb des integrierten Skalenmusters 300 nicht ausschlaggebend ist, vorausgesetzt, dass das Detektionsfenster 340 nominal wenigstens so breit ist wie die Distanz entlang der X-Achse zwischen den entsprechenden Abgrenzungen von zwei benachbarten Codeabschnitten, wie weiter unten genauer beschrieben werden soll.
Man wird verstehen, dass in verschiedenen Ausführungsbeispielen die Größe des Lichtdetektors 160 und der Vergrößerung, die durch die Optik 140 bis 152 des Lesekopfes 126 bereitgestellt ist, derart ist, dass sich, in Zusammenarbeit mit den Erstreckungen der quasizufälligen 2D-Musterabschnitte 310 und der 2D-Codeabschnitte 330 entlang den Messachsen 111 und 112, das Detektionsfenster 340 in ausreichendem Maße entlang den Messachsen 111 und 112 erstreckt, so dass garantiert ist, dass ein vollständiger 2D-Codeabschnitt 330 in dem Detektionsfenster 340 erscheint, unabhängig von der Position des Lesekopfes 126 innerhalb des Bereichs der 2D-Skala 110. Wenn das Detektionsfenster 340 wenigstens so lang und so breit ist, ist das Decodieren des vollständigen 2D-Codeabschnitts 330 im Vergleich zu Situationen, wobei einige Positionen des Lesekopfes 126 zu zwei oder mehr unvollständigen 2D-Codeabschnitten 330 führen, die in dem Detektionsfenster 340 erscheinen, wesentlich vereinfacht. Das heißt, dass in einigen Ausführungsbeispielen die einzige wesentliche Anforderung an die Größe des Detektionsfensters 340 darin besteht, dass das Detektionsfenster 340 ausreichend lang und breit genug ist, um sicherzustellen, dass wenigstens ein 2D-Codeabschnitt 330 vollständig innerhalb des Detektionsfensters 340 liegt.
Alternativ kann, etwa wie in 5 dargestellt, in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Detektionsfenster 340 benutzt werden, so dass das Detektionsfenster 340 sich in ausreichendem Maße entlang jeder der zwei Messachsen 111 und 112 erstreckt, so dass die Information, die einem vollständigen Codeabschnitt 330 entspricht, anhand von zwei oder mehr getrennten Segmenten einer Anzahl der 2D-Codeabschnitte 330 „rekonstruiert" werden kann, unabhängig von der Position des Lesekopfes 126 und der 2D-Skala 110. Um diese Bedingung zu erfüllen, erstreckt sich das Detektionsfenster 340 im Allgemeinen entlang jeder der zwei Messachsen 111 und 112 über eine Strecke, die gleich ist wie oder ein wenig größer ist als die Distanz entlang den Messachsen 111 und 112 von der Kante des einen 2D-Codeabschnitts 330 der 2D-Skala 110 bis zu der entsprechenden Kante eines benachbarten 2D-Codeabschnitts 330. Eine solche Distanz weist im Allgemeinen an einer Mehrheit der möglichen Skalenpositionen einen vollständigen 2D-Codeabschnitt 330 auf. An einigen Positionen des Lesekopfes 126 ist ein solches Detektionsfenster 340 auch im Allgemeinen ausreichend, um einen vollständigen 2D-Codeabschnitt 330 aufzuweisen, der wenigstens von einer Anzahl von Skalenelementen der quasizufälligen 2D-Musterabschnitte 310 begrenzt ist. Auf jeden Fall müssen, damit ein Detektionsfenster 340 diese Arten der Erstreckung entlang einer oder beider Messachsen 111 oder 112 aufweisen kann, die Muster der 2D-Codeabschnitte 330 unter Berücksichtigung des vorgesehenen Rekonstruktionsverfahrens ausgewählt werden. Beispielsweise können die Muster als sequentielle Binärzahlcode ausgewählt werden, oder gemäß bekannten pseudozufälligen „Ketten"-Codeverfahren oder Ähnlichem. Man wird verstehen, dass die zugehörigen Rekonstruktionsvorgänge in Ausführungsbeispielen, die das vorbestimmte Merkmal 320 in den 2D-Codeabschnitten 330 aufweisen, vereinfacht und/oder robust oder schneller gemacht werden können.
In dem ersten Ausführungsbeispiel des in 5 gezeigten integrierten 2D-Skalenmusters 300' sind die vorbestimmten Abschnitte 320 an einer Seite der 2D-Codeabschnitte 330 angeordnet. Man wird jedoch verstehen, dass in verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen die vorbestimmten Abschnitte 320 entlang der Kopfseite der 2D-Codeabschnitte 330 oder an zwei oder mehr Kanten jedes 2D-Codeabschnitts 330 usw. angeordnet sind. In solchen Fällen können die vorbestimmten Abschnitte 320, die entlang einer Kante der Codeabschnitte 330 angeordnet sind, sich von den vorbestimmten Abschnitten 320 unterscheiden, die entlang einer anderen Kante der Codeabschnitte 330 angeordnet sind. In verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen sind die vorbestimmten Abschnitte 320 mehr in Richtung der Mitte der Codeabschnitte 330 angeordnet.
Die vorbestimmten Abschnitte 320 können jedes Merkmal oder jede Merkmalkombination sein, die verlässlich und schnell von den anderen Mustermerkmalen des quasizufälligen 2D-Musters oder der quasizufälligen 2D-Muster unterscheidbar sind, das oder die auf dem quasizufälligen Muster 310 und/oder den 2D-Codeabschnitten 330 erscheint oder erscheinen. Beispielsweise können solche Merkmale sein, sind jedoch nicht beschränkt auf, ein helles oder dunkles Skalenmerkmal, das eine einzigartige Länge entlang der Messachse 111 und/oder eine einzigartige Länge entlang der Messachse 112 aufweist, ein einzigartiges Muster von hellen und/oder dunklen Skalenmerkmalen entlang der Messachsenrichtung 111 und/oder entlang der Messachse 112, oder ein oder mehrere Skalenmerkmale, die eine einzigartige Farbe oder Intensität aufweisen, die von den Bildelementen 162 des Lichtdetektors 160 erfasst werden können. In verschiedenen Ausführungsbeispielen sind alle vorbestimmten Abschnitte 320 identisch.
Je nach den benutzten Signalverarbeitungsalgorithmen kann auf die vorbestimmten Abschnitte 320 verzichtet werden. Allerdings wird man verstehen, dass die Benutzung solcher vorbestimmten Abschnitte 320 die Signalverarbeitungsalgorithmen vereinfacht, die benutzt werden, um die 2D-Codeabschnitte 330 innerhalb des Detektionsfensters 340 schnell und robust zu identifizieren und zu lokalisieren.
Unabhängig davon, ob die vorbestimmten Abschnitte 320 vorgesehen sind, enthält jeder der 2D-Codeabschnitte 330 ein distinktives und/oder einzigartiges Muster oder eine distinktive und/oder einzigartige Codegruppe von Codeelementen. Dieses distinktive und/oder einzigartige Muster von Codeelementen erlaubt es, dass wenigstens ein Positionswert, der zu einem bestimmten 2D- Codeabschnitt 330 gehört, der in dem Detektionsfenster 340 erscheint, definitiv bestimmt wird. Da die 2D-Position jedes bestimmten 2D-Codeabschnitts 330 innerhalb der 2D-Skala 110 vorbestimmt oder berechenbar ist, erlaubt das Identifizieren, welcher 2D-Codeabschnitt 330 in dem Detektionsfenster 340 erscheint, indem das bestimmte distinktive und/oder einzigartige Muster von Codeelementen dieses Codeabschnitts 330 bestimmt wird, die 2D-Absolutposition des Detektionsfensters 340, und also des Lesekopfes 126, im Verhältnis zu der 2D-Skala 110 grob mit einer ersten Auflösung zu bestimmen, die ähnlich ist wie die Größe des Detektionsfensters 340 und/oder der Abstand zwischen den 2D-Codeabschnitten 330.
Das heißt, während die 2D-Position eines jeweiligen 2D-Codeabschnitts 330 innerhalb der 2D-Skala 110 im Verhältnis zu einem jeweiligen Ausgangspunkt mit hoher Genauigkeit und Präzision bekannt sein kann, ist die 2D-Position des 2D-Codeabschnitts 330 und des umgebenden zufälligen 2D-Musters 310 oder der umgebenden zufälligen 2D-Muster 310 im Verhältnis zu dem Detektionsfenster 340 nicht notwendigerweise aufgrund der Vorgänge des bloßen Bestimmens des Codewerts des 2D-Codeabschnitts 330, der in dem Detektionsfenster 340 erscheint, bekannt. Insbesondere können das quasizufällige 2D-Muster 310 oder die quasizufälligen 2D-Muster 310 und der 2D-Codeabschnitt 330 irgendwo innerhalb des 2D-Detektionsfensters 340 angeordnet sein.
Wie oben ausgeführt, können die Messwerte entlang jeder der zwei Messachsen 111 und 112, die einem jeweiligen 2D-Codeabschnitt 330 entsprechen, durch das distinktive und/oder einzigartige Codemuster vorbestimmt werden, oder sie können berechnet oder auf andere Weise anhand des distinktiven und/oder einzigartigen Musters bestimmt werden. Das heißt, in verschiedenen Ausführungsbeispielen ist das distinktive und/oder einzigartige Muster in einer Suchtabelle gespeichert, die auch die Messwerte entlang jeder der zwei Messachsen 111 und 112 der nominalen 2D-Position auf der 2D-Skala 110 speichert, die dem 2D-Codeabschnitt entspricht, die das distinktive und/oder einzigartige Muster enthält. In diesem Fall kann das distinktive und/oder einzigartige Muster in verschiedenen Ausführungsbeispielen in jeder gewünschten Reihenfolge oder Sequenz auftreten, wobei keine Beziehung zwischen den distinktiven und/oder einzigartigen Mustern von benachbarten 2D-Codeabschnitten 330 vorliegen muss. In diesem Fall können die distinktiven und/oder einzigartigen Muster unter den 2D-Codeabschnitten 330 in jeder gewünschten Weise verteilt sein, wie z. B., um die Unterscheidbarkeit zwischen den distinktiven und/oder einzigartigen Mustern von benachbarten 2D-Codeabschnitten 330 zu erhöhen.
In verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen entsprechen die distinktiven und/oder einzigartigen Muster objektiv in irgendeiner Weise der 2D-Position der 2D-Codeabschnitte 330, die diese distinktiven und/oder einzigartigen Muster enthalten. Diese Entsprechung kann dann benutzt werden, um die 2D-Absolutposition des 2D-Codeabschnitts 330 innerhalb der 2D-Skala 110 direkt zu bestimmen oder zu berechnen, und auf diese Weise die 2D-Absolutposition des Detektionsfensters 340 und also des Lesekopfes 126 im Verhältnis zu der 2D-Skala 110. In verschiedenen Ausführungsbeispielen sind die 2D-Codeabschnitte 330 innerhalb der 2D-Skala 110 jeweils mit einem regelmäßigen Abstand entlang der X- bzw. der Y-Achse angeordnet.
Das distinktive und/oder einzigartige Muster eines bestimmten 2D-Codeabschnitts 330 definiert wenigstens eine binäre oder höhere Modulus-Zahl, wie z. B. die jeweilige X- bzw. Y-Binär- oder höhere Modulus-Zahl, in dem einzigartigen Muster oder Codewort. In verschiedenen Ausführungsbeispielen, wobei die jeweilige X- bzw. Y-Binär- oder höhere Modulus-Zahl definiert ist, definiert die jeweilige X- bzw. Y-Binär- oder höhere Modulus-Zahl, die von den 2D-Codeabschnitten 330 angezeigt wird, die sequenziell entlang der jeweiligen Messachse 111 oder 112 der 2D-Skala 110 angeordnet sind, jeweils eine bestimmte Sequenz entlang der jeweiligen Messachse 111 oder 112.
In solchen Ausführungsbeispielen würde also beispielsweise entlang einer jeweiligen Achse ein erster 2D-Codeabschnitt 330 in einer Sequenz solcher 2D-Codeabschnitte 330, die sich entlang der Achse erstrecken, ein distinktives und/oder einzigartiges Muster aufweisen, das eine jeweilige erste Zahl in einer definierten numerischen Sequenz entlang der jeweiligen Achse definiert. Die Zahl kann dann für jeden folgenden 2D-Codeabschnitt 330 in dieser Sequenz entlang dieser Achse um eine Schrittgröße erhöht werden.
Man wird verstehen, dass es dann, wenn Sequenzen von Zahlen oder Codewörtern benutzt werden, besonders schnell und einfach ist, ein vollständiges Codewort anhand eines Endsegments einer Zahl oder eines Codeworts eines 2D-Codeabschnitts 330 zu rekonstruieren, das in einem linken und/oder oberen Abschnitt des Detektionsfensters 340 abgebildet ist, und anhand eines Anfangssegments einer Zahl oder eines Codeworts von wenigstens einem benachbarten 2D-Codeabschnitt 330, das in einem rechten und/oder unteren Abschnitt des Detektionsfensters 340 abgebildet ist. So sind die Sequenzen von Zahlen oder Codewörtern von besonderer Nützlichkeit, wenn die Bereich des Detektionsfensters 340 im Verhältnis zu dem integrierten 2D-Skalenmuster 300' von einer minimalen nutzbaren Größe sein soll, die geringer ist als diejenige, die garantiert, dass wenigstens ein vollständiger ununterbrochener 2D-Codeabschnitt 330 in jedem möglichen Bild der 2D-Skala 110 enthalten ist. Natürlich können kompliziertere und unregelmäßigere Anordnungen, Formeln und Verfahren benutzt werden, um die distinktiven und/oder einzigartigen Muster und die 2D-Positionen der 2D-Codeabschnitte 330, welche diese distinktiven und/oder einzigartigen Muster enthalten, zueinander in Korrelation zu setzen.
Man wird verstehen, dass, obwohl jeder bestimmte 2D-Codeabschnitt 330 über eine 2D-Region verteilt ist, die sich entlang den beiden Messachsen 111 und 112 erstreckt, jeder bestimmte 2D-Codeabschnitt 330 trotzdem den Messwerten entlang jeder der zwei Messachsen 111 und 112, die mit einem bestimmten Punkt in dem Bereich der 2D-Skala 110 assoziiert sind, einzigartig entspricht oder diese identifiziert. Man wird verstehen, dass jeder Punkt in dem Bereich der 2D-Skala 110, der Messwerten entlang den zwei Messachsen 111 und 112 entspricht, die von einem bestimmten 2D-Codeabschnitt 330 angezeigt werden, als ein lokaler Messwert bezeichnet werden kann.
Im Allgemeinen kann der lokale Messwert ein definierter Punkt entlang einer Kante, eine Kombination von X- und Y-Koordinaten mit verschiedenen Kanten oder Merkmalmittelpunkten, ein Bereichsmittelpunkt, oder jede andere lokalisierbare Eigenschaft von einem oder mehreren spezifisch erkennbaren hellen und/oder dunklen Skalenmerkmalen des 2D-Codeabschnitts 330 sein, die im Verhältnis zu dem Detektionsfenster 340 lokalisiert werden kann. Man wird verstehen, dass gemäß dieser Erfindung der lokale Bezugspunkt nicht notwendigerweise ein separates Merkmal oder eine separate Eigenschaft ist, die dem integrierten 2D-Skalenmuster 300 speziell hinzugefügt werden muss. Stattdessen kann die Signalverarbeitung, die mit den Bildern des integrierten 2D-Skalenmusters 300 assoziiert ist, spezifisch erkennbare lokalisierbare Merkmale oder Eigenschaften des integrierten 2D-Skalenmusters 300 implizit als einen lokalen Bezugspunkt auswählen und benutzen.
In einem Ausführungsbeispiel wird der lokale Bezugspunkt in geeigneter Weise als eine Eigenschaft eines 2D-Skalenmerkmals des 2D-Codeabschnitts 330 ausgewählt, der unmittelbar zu dem Abschnitt des 2D-Codeabschnitts 330 benachbart angeordnet ist, der die X- und Y-Messwerte anzeigt, die mit dem lokalen Bezugspunkt assoziiert sind. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der lokale Bezugspunkt in geeigneter Weise als eine Eigenschaft des vorbestimmten Abschnitts 320 ausgewählt, der mit dem Codeabschnitt 330 assoziiert ist, der die X- und Y-Messwerte anzeigt, die mit dem lokalen Bezugspunkt assoziiert sind, wie z. B. als Codepositionsindikator, wie weiter unten genauer beschrieben werden soll. Solche Ausführungsbeispiele können die Signalverarbeitungsalgorithmen vereinfachen, die für ein schnelles und robustes Identifizieren und Lokalisieren des lokalen Bezugspunktes innerhalb des Detektionsfensters 340 nötig sind.
Im Allgemeinen kann der lokale Bezugspunkt im Verhältnis zu dem Detektionsfenster 340 lokalisiert werden, bevor, während oder nachdem der 2D-Codeabschnitt 330, der in dem Detektionsfenster 340 erscheint, analysiert wird, um die 2D-Absolutposition mit einer ersten Auflösung und/oder die 2D-Absolutposition mit einer dritten Auflösung zu bestimmen. Beispielsweise kann das Identifizieren und/oder Lokalisieren des lokalen Bezugspunkts auf allgemein bekannten Kantenermittlungs- oder Schwerpunktermittlungsverfahren oder Ähnlichem basieren, die auf die Bildintensitätswerte angewandt werden, die mit den verschiedenen Bildelementen 162 assoziiert sind. Auf jeden Fall wird die 2D-Position des lokalen Bezugspunkts im Verhältnis zu dem Detektionsfenster 340 benutzt, um die Auflösung der 2D-Absolutpositionsbestimmung auf eine zweite Auflösung zu verfeinern, die feiner ist als die zuvor beschriebene erste Auflösung.
Man wird verstehen, dass durch Benutzung des integrierten 2D-Skalenmusters 300 gemäß dieser Erfindung in verschiedenen Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl von Reihen und/oder Spalten der Bildelemente 162, die sich entlang der Messachse 111 erstrecken, analysiert werden muss, um die Position des lokalen Bezugspunkts im Verhältnis zu dem Detektionsfenster 340 mit zweiter Auflösung zu bestimmen. Ferner kann die Position zweiter Auflösung des lokalen Bezugspunkts im Verhältnis zu dem Detektionsfenster 340 benutzt werden, um den Bereich von Offsets oder räumlichen Translationspositionen auszuwählen und/oder einzugrenzen, über den das aktuelle Bild im Verhältnis zu dem Referenzbild digital verschoben wird, um den Offset zu bestimmen, der das Muster der zwei Bilder dazu veranlasst, sich so nah wie möglich zueinander auszurichten. So kann ein System, das ein integriertes 2D-Skalenmuster 300 gemäß dieser Erfindung benutzt, eine schnelle Signalverarbeitung erreichen.
Man wird verstehen, dass, obwohl die Codeelemente des Codeabschnitts und die nominale Größe des quasizufälligen Mustermerkmals der quasizufälligen 2D-Musterabschnitte 310 in 8 bis 10 als annähernd gleich dargestellt sind, die Codeelemente in verschiedenen anderen Ausführungsformen zweimal größer sein oder mehr als die nominale Größe des quasizufälligen Mustermerkmals aufweisen können. In noch anderen Ausführungsformen können die Codeelemente zweimal kleiner sein oder mehr als die nominale Größe des quasizufälligen Mustermerkmals. Unabhängig von ihrem Größenverhältnis zueinander werden die Größe der Codeelemente des Codeabschnitts und die Vergrößerung, die von der Anordnung des Lesekopfes 126 bereitgestellt wird, derart gewählt, dass die Größe der Codeelemente des Codeabschnitts und die nominale Größe des quasizufälligen Mustermerkmals der quasizufälligen 2D-Musterabschnitte 310 auf dem Lichtdetektor 160 jeweils wenigstens das Dreifache des Pixelabstands der Bildelemente 162 entlang jeder der zwei Messachsen 111 und 112 betragen. In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird entlang jeder der zwei Messachsen 111 und 112 ein robustes und einfaches Messwert-Lokalisierungsverfahren gewählt, wie z. B. die Kantenermittlung bei einer Auflösung, die einem Pixelabstand oder mehr entspricht, basierend z. B. auf den Pixelintensitätswertübergängen. Solche Anordnungen sind robust und ermöglichen ferner eine sowohl einfache als auch schnelle Signalverarbeitung.
Einer oder mehrere quasizufällige 2D-Musterabschnitte 310 können benutzt werden, um die Bestimmung der 2D-Absolutposition der 2D-Skala im Verhältnis zu dem Detektionsfenster 340, und damit zu dem Lesekopf 126, auf eine dritte Auflösung zu verfeinern. Die dritte Auflösung weist Genauigkeit entlang jeder der zwei Messachsen 111 und 112 auf, die wenigstens um ein Mehrfaches feiner ist und auch um ein Vielfaches feiner sein kann, als die nominale Merkmalsgröße des quasizufälligen Musters eines Bildes, das von einem Lesekopf gemäß den Prinzipien dieser Erfindung erfasst wird. In verschiedenen Ausführungsbeispielen entspricht die dritte Auflösung dem Lokalisieren des projizierten Bildes der 2D-Skala 110 im Verhältnis zu einem Detektionsfenster 340 entlang jeder der zwei Messachsen 111 und 112 bei einer Subpixelauflösung.
Man wird verstehen, dass in verschiedenen Ausführungsbeispielen auf die Vorgänge verzichtet wird, die die Position des lokalen Bezugspunkts im Verhältnis zu dem Detektionsfenster 340 bei einer zweiten Auflösung bestimmen, basierend auf der Bestimmung der Position des lokalen Bezugspunktbildes in einem erfassten Bild. In solchen Ausführungsformen werden die Korrelationsfunktionswerte und/oder die Korrelationskurve erzeugt, um die Position des projizierten Bildes der 2D-Skala 110 im Verhältnis zu einem Detektionsfenster 340 mit einer Subpixelauflösung direkt zu bestimmen.
In verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen, die die Position des Bildes des lokalen Bezugspunkts im Verhältnis zu dem Detektionsfenster 340 mit der zweiten Auflösung bestimmen, wobei die zweite Auflösung der Auflösung zu annähernd einem Pixelabstand entspricht, werden die Korrelationsfunktionswerte und/oder die Korrelationskurve wenigstens teilweise erzeugt, um die Subpixelauflösung zu erhalten.
Die durch Querverweis zitierte Patentanmeldung 671 offenbart verschiedene Verfahren zum Bestimmen der Pixel- und/oder Subpixelposition eines Scheitels oder Tals einer Korrelationskurve mit hoher Genauigkeit, basierend auf relativ wenigen Korrelationsfunktionswertpunkten um diesen Scheitel oder dieses Tal. Man wird verstehen, dass jedes dieser Verfahren, oder jedes andere geeignete oder später entwickelte Verfahren, benutzt werden kann, um die Offsetposition des projizierten Bildes der 2D-Skala 110 im Verhältnis zu dem Detektionsfenster 340 mit einer Pixel- und/oder Subpixelauflösung zu bestimmen. So wird die Position der 2D-Skala 110 im Verhältnis zu dem Lesekopf 126 mit einer dritten Auflösung und Genauigkeit bestimmt, die wenigstens um ein Mehrfaches feiner ist und auch um ein Vielfaches feiner sein kann als die nominale Merkmalsgröße der Merkmale des quasizufälligen Musters und/oder der vergrößerte Pixelabstand.
In verschiedenen Ausführungsformen der integrierten 2D-Skala gemäß dieser Erfindung weist ein großer Anteil der Bilder die quasizufälligen 2D-Musterabschnitte 310 auf, die effektiv mit einem entsprechenden repräsentativen Referenzbild oder -muster in Korrelation gesetzt werden können, unabhängig von der Position von einem oder mehreren Codeabschnitten 330 in dem Bild. Ferner kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen, die die Position des Bildes des lokalen Bezugspunkts im Verhältnis zu dem Detektionsfenster 340 mit der zweiten Auflösung bestimmen, der Bereich von X- und Y-Offsets, der nötig ist, um einen Korrelationsscheitel in der X- und der Y-Richtung zu finden, beschränkt sein, da der annähernde Offset der quasizufälligen 2D-Musterabschnitte 310 im Verhältnis zu dem Detektionsfenster 340 bekannt ist, sowie aufgrund der hohen räumlichen Frequenz der Merkmale der quasizufälligen 2D-Musterabschnitte 310 sowohl auf der X- als auch der Y-Achse in dem Bild.
Auf diese Weise ermöglicht eine integrierte 2D-Skala gemäß dieser Erfindung eine hoch auflösende 2D-Positionsbestimmung bei hoher Geschwindigkeit, um die 2D-Absolutpositionsmessbestimmung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Auflösung insgesamt zu unterstützen.
Man wird verstehen, dass, wenn ein integriertes 2D-Skalenmuster 300 eine Parkettierung von einem oder mehreren wiederholten und vorhersagbaren quasizufälligen 2D-Mustern aufweist; wie z. B. dem quasizufälligen 2D-Muster oder den quasizufälligen 2D-Mustern, die in die quasizufälligen 2D-Musterabschnitte 310 des integrierten Skalenmusters 300' gemäß dieser Erfindung aufgenommen sind, die Positionsbestimmungsverfahren mit hoher Auflösung oder dritter Auflösung, die mit solchen quasizufälligen 2D-Mustern nutzbar sind, besonders einfach, genau, schnell und zuverlässig sind, im Verhältnis zu den Verfahren und Ergebnissen, die erreicht werden könnten, wenn 2D-Muster parkettiert werden, die nicht das Wiederholen großer Abschnitten jedes Flächenstücks aufweisen, wie z. B. bestimmte 2D-Strichcodemuster und Ähnliches.
Beispielsweise kann in Ausführungsformen, die software- und/oder hardwarebasierte Korrelationsverfahren zum Bestimmen der hoch aufgelösten Position benutzen, das Referenzbild oder die Hardware-Detektorstruktur ein einzelner fest angeordneter Aufbau sein. Modifikationen der Hardwaredetektoranordnung, oder das Aktualisieren und Zuordnen des Referenzbildes zu dem aktuellen Bild sind nicht nötig, da alle Bilder des einzelnen quasizufälligen Musters, das in jedem quasizufälligen Musterabschnitt 310 wiederholt wird, im Wesentlichen ähnlich und vorhersagbar sind. Außerdem neigt die Genauigkeit von software- oder hardwarebasierter Detektion der Position eines im Wesentlichen oder vollständig wiederholten Bildes oder Bildabschnitts dazu, weniger empfindlich gegenüber Bildunschärfe aufgrund von Fehlausrichtungen des Lesekopfes usw. zu sein. Da außerdem das Referenzbild oder die Referenzbilder, die dazu benutzt werden, in Korrelation zu den verschiedenen aktuellen Bilder der quasizufälligen Musterabschnitte 310 gesetzt zu werden, aus einem statischen Satz von Bilddaten im Speicher stammen, und da das quasizufällige Muster oder die quasizufälligen Muster der quasizufälligen Abschnitte 310 über die Skala hinweg wiederholt werden, akkumulieren sich, anders als bei Fleckenkorrelations-Messsystemen, bei weit reichenden Verschiebungsmessungen keine signifikanten Fehler.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist jeder quasizufällige Musterabschnitt 310 ein im Wesentlichen identisches quasizufälliges Muster auf. Dieses quasizufällige Muster kann auf einem echten Fleckenmuster oder einem synthetischen Fleckenmuster basieren, wie im Folgenden genauer ausgeführt werden soll.
6 und 7 zeigen beispielhafte quasizufällige Muster. Insbesondere 6 zeigt ein quasizufälliges Muster, das auf einem echten Fleckenmuster basiert. Im Allgemeinen kann ein Fleckenmuster durch Beleuchten einer optisch rauen Fläche mit einer gleichmäßigen Lichtquelle erzeugt werden.
Wie in 6 gezeigt, enthält das quasizufällige Muster verschiedene nominale Skalenmerkmalbereiche, die hauptsächlich Schwarzintensitätsstufen entsprechen, verschiedene nominale Skalenmerkmalbereiche, die hauptsächlich Weißintensitätsstufen entsprechen, und verschiedene nominale Skalenmerkmalbereiche, die eine Verteilung von hoch aufgelöst gemusterten Skalenelemente aufweisen, die eine mittlere Grauintensitätsstufe für solche Skalenmerkmalbereiche bereitstellen. Solche nominalen Skalenmerkmalbereiche führen zu Bildern mit Pixelintensitätsstufen, die in der Korrelationsanalyse benutzt werden. Es wird angenommen, dass das Vorsehen von Merkmalen mit mittleren Graustufen die Genauigkeit von einigen Korrelationsanalysealgorithmen verbessert. Allerdings werden in verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen nur nominale Skalenmerkmalbereiche benutzt, die hauptsächlich Weiß- oder Schwarzintensitätsstufen aufweisen. In verschiedenen Ausführungsbeispielen beträgt eine nominale Größe der nominalen Skalenmerkmalbereiche aus 6 etwa 5 Mikrometer.
7 zeigt ein quasizufälliges Muster, das künstlich erzeugt wurde. Ähnlich wie bei den vorangegangenen Ausführungen zu 6, entsprechen, wie in 7 gezeigt, verschiedene nominale Merkmalbereiche verschiedenen Intensitätsstufen. Die Nenngröße der nominalen Skalenmerkmalbereiche aus 7 liegt ebenfalls im Bereich von 5 Mikrometern.
8 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer integrierten 2D-Absolutskala 400, die dem integrierten 2D-Skalenmuster 300' aus 5 entspricht. Wie in 8 gezeigt, weist die integrierte 2D-Skala 400 mehrere quasizufällige Codeabschnitte 410 sowie mehrere 2D-Codeabschnitte 430 auf, die entlang den beiden Messachsen 111 und 112 angeordnet sind. Zusätzlich weisen in dem Ausführungsbeispiel aus 8 die Codeabschnitte 430 vorbestimmte Musterabschnitte 420 auf, die die gleichmäßig gemusterten oberen Reihen und linken Spalten der Codezonen der Codeabschnitte 430 enthalten, wie weiter unten genauer beschrieben.
Man wird verstehen, dass in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein einzelnes quasizufälliges Muster im Allgemeinen mit dem quasizufälligen Muster 410 übereinstimmt und in diesem wiederholt ist. Das heißt, ein einzelnes quasizufälliges Muster ist wiederholt sowohl auf der X- als auch auf der Y-Achse „parkettiert". Gemäß den Prinzipien dieser Erfindung ist es vorteilhaft, die Anzahl unterschiedlicher wiederholter quasizufälliger Muster auf eine Anzahl zu begrenzen, die leicht und wirtschaftlich in dem Speicher gespeichert und effizient mit hoher Geschwindigkeit in Korrelation zu tatsächlichen Bildern gesetzt werden kann. So ist es in vielen beispielhaften Ausführungsformen besonders wirtschaftlich und effizient, ein einzelnes quasizufälliges Muster zu verwenden, jedoch ist diese Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
In verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen werden mehrere unterschiedliche, verhältnismäßig kleinere quasizufällige 2D-Muster in den quasizufälligen Musterabschnitten 410 benutzt. Beispielsweise werden in verschiedenen Ausführungsbeispielen jeweils um die zwei bis sechs kleinere quasizufällige Muster benutzt. Man wird verstehen, dass, wenn alle solchen quasizufälligen Muster voneinander unterschiedlich sind, der Nettoeffekt derjenige eines einzelnen kombinierten quasizufälligen Zufallsmusters bleibt. Allerdings können in verschiedenen Ausführungsbeispielen wenigstens zwei solcher quasizufälligen Muster identisch sein, vorausgesetzt, dass, wenn dies die Möglichkeit einer Scheitel-Offset-Positionsuneindeutigkeit herbeiführt, wenn ein erfasstes Bild gemäß den Prinzipien dieser Erfindung in Korrelation gesetzt wird, eine solche Uneindeutigkeit anhand von wenigstens einem der zuvor beschriebenen ersten und zweiten Auflösungsmesswerte eliminiert werden kann. In solchen Ausführungsformen kann die Nettomenge des Speicherplatzes, der benötigt wird, um vergleichbare Referenzbilddaten zu speichern, die mit verschiedenen erfassten Bildern der quasizufälligen 2D-Musterabschnitte 410 in Korrelation gesetzt werden können, verhältnismäßig kleiner sein kann. Allerdings kann die zugehörige Korrelationsverarbeitung in verschiedenen solcher Ausführungsformen komplizierter sein. In einigen dieser Ausführungsbeispiele kann die Graustufe eines Merkmals oder Pixels in einem quasizufälligen Muster ein Komplement des entsprechend angeordneten Pixel in dem anderen quasizufälligen Muster sein. Wenn beispielsweise in solchen Ausführungsbeispielen die Graustufe eines Merkmals oder Pixels in einem quasizufälligen Muster schwarz ist, ist das entsprechend angeordnete Merkmal oder der entsprechend angeordnete Pixel in dem anderen quasizufälligen Muster weiß.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel benutzen verschiedene quasizufällige 2D-Musterabschnitte 410 verschiedene Abschnitte von verhältnismäßig größeren quasizufälligen 2D-Mustern. In solchen Ausführungsformen kann die Nettomenge des Speicherplatzes, der benötigt wird, um vergleichbare Referenzbilddaten zu speichern, die mit verschiedenen erfassten Bildern der quasizufälligen 2D-Musterabschnitte 410 in Korrelation gesetzt werden können, verhältnismäßig größer sein, aber die zugehörige Korrelationsverarbeitung kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen schneller sein.
Der Lesekopf 126 bewegt sich im Verhältnis zu der integrierten Skala 400 entlang den Messachsenrichtungen 111 und 112. Jeder quasizufällige Musterabschnitte 410 weist ein quasizufälliges Muster 412 auf, das eine erste Dimension 414, die sich entlang der ersten Messachse 111, d. h. der X-Achse, erstreckt, und eine zweite Dimension 416 aufweist, die sich entlang der zweiten Messachse 112, d. h. der Y-Achse, erstreckt. In verschiedenen Ausführungsbeispielen enthält oder erstreckt sich jeder quasizufällige Musterabschnitt 410 um einen der 2D-Codeabschnitte 430.
Man wird verstehen, dass in dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel die erste und die zweite Dimension 414 und 416 dieselbe Erstreckung entlang der jeweiligen Y- und X-Achse aufweisen. So sind die quasizufälligen Abschnitte 410 und so das oder die quasizufälligen Muster 412 Quadrate mit denselben Erstreckungen entlang der X- und Y-Achse. Allerdings wird man verstehen, dass die ersten Dimensionen 414 und die zweiten Dimensionen 416 in verschiedenen Ausführungsbeispielen nicht identisch sind, so dass die Erstreckungen der quasizufälligen Musterabschnitte 410 entlang der X- und der Y-Achse nicht dieselben sind. Das heißt, in diesem Fall sind die quasizufälligen Muster 412 Rechtecke.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen weisen die Codeabschnitte 430 der integrierten Skala 400 mehrere Codezonen auf, die in 8 durch die Matrix von Begrenzungslinien in den Codeabschnitten 430 angezeigt sind. Ein Codeelement 432 oder ein Zwischenraum 434 ist in jeder Codezone vorhanden, um ein distinktives und/oder einzigartiges Muster von hoch kontrastiven Codeelementen und Zwischenräumen in jedem Codeabschnitte 430 bereitzustellen, wie oben beschrieben.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen sind die Erstreckungen jeder Codezone in geeigneter Weise identisch gehalten. Allerdings können in verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen die Erstreckungen verschiedener Codezonen variieren. In diesem Fall wird diese Variation in den entsprechenden Signalverarbeitungsalgorithmen berücksichtigt.
Entlang jeder der ersten und zweiten Messachse 111 und 112 ist ein Codeabschnitt 430 von den benachbarten Codeabschnitten 430 durch eine oder mehrere quasizufällige Musterregionen von einem der quasizufälligen Musterabschnitte 410 getrennt. Jeder Codeabschnitt 430 zeigt für jede der ersten und zweiten Messachse 111 und 112 die Messwerte entlang der ersten und zweiten Messachse 111 und 112 an, die mit einem lokalen Bezugspunkt 436 assoziiert sind. Wie zuvor ausgeführt, ist der lokale Bezugspunkt 436 nicht notwendigerweise ein separates Merkmal oder eine separate Eigenschaft der integrierten 2D-Skala 400. Vielmehr wählt das Signalverarbeitungsverfahren, das zu der integrierten 2D-Skala 400 gehört, jedes spezifisch erkennbare lokalisierbare Merkmal oder jede solche Eigenschaft der integrierten 2D-Skala 400 implizit als den lokalen Bezugspunkt 436 aus.
In dem ersten Ausführungsbeispiel der integrierten 2D-Skala aus 8 ist der lokale Bezugspunkt 436 in geeigneter Weise als die obere linke Ecke der Codezone 439 in dem vorbestimmten Abschnitt 420 ausgewählt. Allerdings sollte erkannt werden, dass diese Wahl in gewissem Maße beliebig ist, wie oben beschrieben. So kann in verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen der lokale Bezugspunkt 436 eine einzigartig identifizierbare Merkmalposition sein, die wiederholt in den quasizufälligen Musterabschnitten 410 auftritt.
In dem Ausführungsbeispiel aus 8 ist jeder lokale Bezugspunkt 436 von dem benachbarten lokalen Bezugspunkt 436 entlang der ersten Messachse 111 mit einer Distanz d₀ beabstandet. Ähnlich ist in dem Ausführungsbeispiel aus 8 jeder lokale Bezugspunkt 436 von dem benachbarten lokalen Bezugspunkt 436 entlang der zweiten Messachse 112 mit einer Distanz d₁ beabstandet. In verschiedenen Ausführungsbeispielen werden die Distanzen d₀ und d₁ auch hinsichtlich der Eigenschaften des Lesekopfes 126 ausgewählt, so dass stets wenigstens ein vollständiger Codeabschnitt 430 innerhalb des Detektionsfensters 440 vorliegt.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen sind die Codeelemente 432 relativ reflektive Elemente, und die Zwischenräume 434 sind relativ weniger reflektiv in Abwesenheit von einem Codeelement 432. Insbesondere wenn die Codezonen mit den relativ reflektiven Codeelementen 432 als ein Binär 1 decodiert werden, werden die leeren Codezonen, das heißt, die Zwischenräume 434, als Binär 0 decodiert. So bildet das Muster aus Codeelementen 432 und Zwischenräumen 434 in den Codezonen eine binäre Zahl oder ein binäres Codewort, die decodiert werden können, um die Messwerte des lokalen Bezugspunkts 436 entlang der ersten und zweiten Messachse 111 und 112 mit erster Auflösung zu identifizieren. So können die Position des Detektionsfensters 440 und des Lesekopfes 126 im Verhältnis zu der 2D-Skala entlang der ersten und zweiten Messachse 111 und 112 mit der ersten Auflösung bestimmt werden.
Wie in 8 gezeigt, benutzen die beispielhaften vorbestimmten Abschnitte 420 die erste Reihe von Codezonen an der Stirnseite der Codeabschnitte 430 und die erste Spalte von Codezonen zur Linken der Codeabschnitte 430. Wie in 8 gezeigt, sind die beispielhaften vorbestimmten Abschnitte 420 unabhängig von der Position eines bestimmten vorbestimmten Abschnitts 420 entlang der ersten und zweiten Messachse 111 und 112 identisch. Man wird verstehen, dass die Funktion dieser vorbestimmten Abschnitte 420 hauptsächlich die ist, zu ermöglichen, dass die Signalverarbeitung, die nach einem Codeabschnitt 430 in dem Detektionsfenster 440 sucht, einfach, schnell und robust ist. In verschiedenen Ausführungsbeispielen weisen die Codezonen entlang der Reihe des vorbestimmten Abschnitts 420 stets abwechselnde Codewerte auf, die hoch kontrastive Intensitätswerte bei entsprechenden Bildabschnitten bereitstellen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen nehmen die Codeabschnitte weniger als drei Prozent des Bereichs der integrierten 2D-Skala 400 ein. So werden in verschiedenen Ausführungsbeispielen wenigstens 90% des Bereichs der integrierten Skala 400 für ein oder mehrere quasizufällige Muster 412 benutzt, was die Genauigkeit der hoch auflösenden Positionsbestimmung verbessert, wie oben beschrieben. In einer beispielhaften Ausführungsform erstrecken die Codezonen sich über 10 μm entlang jeder der ersten und zweiten Messachse 111 und 112. Der Abstand d₀ entlang der ersten Messachse 111 zwischen entsprechenden Punkten auf den Codeabschnitten 430 beträgt 320 μm. Der Abstand d₁ entlang der zweiten Messachse 112 zwischen entsprechenden Punkten auf den Codeabschnitten 430 beträgt 280 μm. Das Detektionsfenster 440 entspricht einem Lichtdetektor 160, der beispielsweise annähernd 352 Pixel in der Richtung aufweist, die der ersten Messachse 111 entspricht, und beispielsweise 288 Pixel in der Richtung, die der zweiten Messachse 112 entspricht, so dass eine Region von 11 μm auf der Skala 110 ein Bild projiziert, das annähernd 10 Pixeln auf dem Lichtdetektor 160 entspricht. So ermöglichen in Ausführungsbeispielen mit diesen Abmessungen die 15-bit-Codes, die in den Codeabschnitten 430 angeordnet sind, einen 2D-Absolutpositionsmessbereich von nahezu 3000 Quadratmillimetern. Dies würde es einer 2D- Absolutskala 110 ermöglichen, ein quadratisches 2D-Skalenmuster 300 mit Seitenlängen von 54 mm aufzuweisen. Die Erfinder haben mit vergleichbaren Skalenparametern und einem kompakten Lesekopf zuverlässige Submikrometermessungen erreicht. So stellen kompakte und praktische Absolutwertmessvorrichtungen gemäß den Prinzipien dieser Erfindung eine besonders nützliche Kombination von hoher Auflösung, Geschwindigkeit und 2D-Absolutmessbereichsumfang bereit.
Hinsichtlich der Anordnung aus 8 wird man verstehen, dass das einzigartige Muster der hoch kontrastiven Intensitätswerte der vorbestimmten Abschnitte 420 und, allgemeiner, der Codezwischenräume 434 und Codeelemente 432 vorgesehen ist, um von den sie umgebenden quasizufälligen Intensitätswerten des quasizufälligen Musters 412 unterscheidbar zu sein. Außerdem sind in solchen Ausführungsformen die Codezwischenräume 434 und Codeelemente 432 trotz Verschmutzung, Defekten, und statischen und dynamischen Variationen in der Lücke zwischen der Skala 110 und dem Lesekopf 126 adäquat sichtbar, aber fein genug, um einen großen Absolutbereichsumfang zuzulassen, indem eine große Anzahl von Bits in einem geringen Anteil der Skalenlänge oder des Skalenbereichs bereitgestellt wird, so dass mehr von der Skalenlänge oder von dem Skalenbereich der Information in den quasizufälligen Mustern 412 vorbehalten bleiben kann, die die Positionsbestimmung mit hoher Auflösung verbessert. Natürlich können die Codezonen verhältnismäßig gröber ausgebildet sein. Allerdings wird in solchen Fällen der Codeabschnitt 430 verhältnismäßig größer, und die entsprechende Länge des Lesekopfes 126 nimmt verhältnismäßig zu, und/oder der maximale Absolutbereichsumfang nimmt für eine reduzierte Anzahl von Codebits, die innerhalb einer bestimmten Lesekopfgröße lesbar sind, verhältnismäßig ab.
Für das Ausführungsbeispiel aus 8 wird beim Betrieb ein Bild der integrierten 2D-Skala 400 entsprechend dem Detektionsfenster 440 aus 8 erfasst. In verschiedenen Ausführungsbeispielen befinden sich in dem erfassten Bild die hellen und dunklen Zonen des Codeabschnitts 430 auf maximalen Helligkeits- und Dunkelheitsstufen. Solche maximalen Helligkeits- und Dunkelheitsstufen ermöglichen ein leichtes und einfaches Identifizieren des vorbestimmten Abschnitts 420. Das erfasste Bild wird dann analysiert, um die Position des vorbestimmten Abschnitts 420, der in dem Detektionsfenster 440 erscheint, zu identifizieren. In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine einfache Suche durchgeführt, um einen vorbestimmten Abschnitt 420 zu lokalisieren, der in dem Detektionsfenster 440 erscheint. Das heißt, beabstandete Reihen des Bildes werden durchsucht, um ein Muster aus hellen und dunklen Abschnitten des erfassten Bildes zu finden, das dem vorbestimmten Muster von Codeelementen 432 und Zwischenräumen 434 entspricht, das in einem oberen Abschnitt von jedem vorbestimmten Abschnitt 420 erscheint.
Beispielsweise wird in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine Reihe, die annähernd die Hälfte der Codezonenhöhe von dem oberen Abschnitt des erfassten Bildes in dem Detektionsfenster 440 beträgt, als eine Anfangssuchreihe ausgewählt. In verschiedenen Ausführungsbeispielen, wobei die Codezonen der vorbestimmten Abschnitte 420 sich annähernd 10 Pixel entlang der zweiten Achse 112 in dem erfassten Bild erstrecken, beträgt diese Distanz von dem oberen Abschnitt des erfassten Bilds 5 Pixel. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Anfangsreihe analysiert, um zu bestimmen, ob sie eine Serie von Übergängen enthält, die etwa 10 Pixel voneinander beabstandet sind. Der 10-Pixel-Abstand wird gewählt, weil die Codezonen der vorbestimmten Abschnitte 420 sich ebenfalls etwa 10 Pixel entlang der ersten Messachse 111 in dem erfassten Bild erstrecken.
Wenn die Anfangsreihe keine Serie von Übergängen enthält, die etwa 10 Pixel voneinander beabstandet sind, wird in einer Abwärtsbewegung im Detektionsfenster 440 jede fünfte Reihe ausgewählt und analysiert, bis eine Reihe, die eine Serie von Übergängen enthält, die etwa 10 Pixel voneinander beabstandet sind, lokalisiert ist. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann auch eine beschränkte Anzahl von benachbarten Reihen in der Nachbarschaft der Serie von Übergängen analysiert werden, um die obere und untere Begrenzung von wenigstens einer Reihe von Codeelementen zu bestimmen, und um als ein Resultat eine mittlere Reihe von Pixeln zu bestimmen, die annähernd an der Mitte der Codeelemente ausgerichtet ist. Nachfolgende Verarbeitung, die zu anderen Reihen oder bekannten Merkmalpositionen im Bild springt, kann robust und/oder einfach gehalten werden, indem diese Sprünge auf diese mittig angeordnete Pixelreihe bezogen werden.
Man wird verstehen, dass in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine zusätzliche Analyse der Position der Reihe, die den vorbestimmten Abschnitt 420 enthält, durchgeführt werden kann, um sicherzustellen, dass der lokalisierte vorbestimmte Abschnitt 420 und der entsprechende Codeabschnitt 430 vollständig innerhalb des Detektionsfensters 440 liegen. Im Allgemeinen wird die Verarbeitung vereinfacht, wenn ein einzelner Codeabschnitt 430, der vollständig innerhalb des Detektionsfensters 440 liegt, benutzt wird, anstatt Abschnitte von zwei Codeabschnitten 430 zu benutzen, wobei sich von jedem ein Abschnitt außerhalb des Detektionsfensters 440 erstreckt.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird, um sicherzustellen, dass ein einzelner Codeabschnitt 430 benutzt wird, der vollständig innerhalb des Detektionsfensters 440 liegt, sobald eine Reihe lokalisiert ist, die anscheinend den vorbestimmten Abschnitt 420 enthält, die Anzahl der Reihen zwischen der lokalisierten Reihe und dem oberen Abschnitt des Detektionsfensters 440 mit einem Paar von Schwellenwerten verglichen. Wenn die Anzahl der Reihen höher ist als ein erster Schwellenwert, aber niedriger als ein zweiter Schwellenwert, liegen der lokalisierte vorbestimmte Abschnitt 420 und der entsprechende Codeabschnitt 430 vollständig innerhalb des Detektionsfensters 440.
Wenn allerdings die Anzahl der Reihen niedriger ist als der erste Schwellenwert, ist es möglich, dass das, was eine Reihe zu sein scheint, die einen vorbestimmten Abschnitt enthält, stattdessen eine Reihe ist, die sich durch einen „passenden" Code des Codeabschnitts erstreckt. In diesem Fall wird eine Reihe, die um eine vorbestimmte Anzahl von Reihen unterhalb der lokalisierten Reihe liegt, zur weiteren Analyse ausgewählt.
Beginnend mit der neuen Reihe, die um eine vorbestimmte Anzahl von Reihen unterhalb der lokalisierten Reihe liegt, wird jede fünfte Reihe wie oben dargestellt analysiert, um eine zweite Reihe zu finden, die einen zweiten vorbestimmten Abschnitt 420 enthält. Aufgrund des Wertes für die vorbestimmte Anzahl ist es sicher, dass die zweite Reihe einen „tatsächlichen" zweiten vorbestimmten Abschnitt 420 enthält. wenn diese Reihe auch über dem zweiten Schwellenwert liegt, ist der zweite vorbestimmte Abschnitt 420 „zufrieden stellend", und es ist sicher, dass der entsprechende Codeabschnitt 430 vollständig innerhalb des Detektionsfensters 440 liegt. Anderenfalls liegt der erste scheinbare vorbestimmte Abschnitt 420 in der Nachbarschaft eines tatsächlichen zufrieden stellenden vorbestimmten Abschnitts 420, und es ist sicher, dass der entsprechende Codeabschnitt 430 vollständig innerhalb des Detektionsfensters 440 liegt.
Man wird verstehen, dass anstelle der oben dargestellten Verfahren jedes andere geeignete Verfahren zum Lokalisieren eines vorbestimmten Abschnitts 420 benutzt werden kann, um den vorbestimmten Abschnitt 420 zu lokalisieren.
Sobald die mittlere Reihe lokalisiert ist, die durch einen zufrieden stellenden vorbestimmten Abschnitt 420 verläuft, der in dem erfassten Bild erscheint, ist bekannt, dass der Codeabschnitt 430 an einer vorbestimmten 2D-Position im Verhältnis zu der vorbestimmten Übergangsserie in der lokalisierten Reihe auftritt. Der vorbestimmte Abschnitt 420 dient als ein zufrieden stellender „Codepositionsindikator". Beispielsweise erscheint in dem Ausführungsbeispiel aus 8 der Codeabschnitt des Codeabschnitts 430 bei einem Schritt, der eine geringe Distanz, wie z. B. etwa 10 Pixelreihen, unterhalb des vorbestimmten Abschnitts 420 liegt, und mit seiner rechten Begrenzung ausgerichtet an der rechten Begrenzung des vorbestimmten Abschnitts 420. Das Muster und die Erstreckungen der hellen und dunklen Abschnitte des erfassten Bildes, die den Codeelementen 432 und den unbesetzten Zwischenräumen in den Codezonen entsprechen, die in dem Codeabschnitt 430 erscheinen, der benachbart zu dem lokalisierten vorbestimmten Abschnitt 420 angeordnet ist, werden bestimmt, um das Codewort zu extrahieren, das durch diese Muster und Erstreckungen definiert ist.
Dann wird das extrahierte Codewort entweder als ein Adresseintrag in einer Suchtabelle benutzt, oder es wird als eine Variable in einer Formel benutzt, um die X- und Y-Absolutpositionsmesswerte des lokalen Bezugspunktes 436 entlang jeder der ersten und zweiten Messachse 111 und 112 zu bestimmen. Diese Messwerte zeigen die Position des Detektionsfensters 440 und des Lesekopfes 126 im Verhältnis zu der 2D-Skala 110 entlang der ersten und zweiten Messachse 111 und 112 mit einer ersten Auflösung entlang der ersten und zweiten Messachse 111 und 112 an. Die erste Auflösung entlang jeder Messachse 111 und 112 entspricht annähernd jeweils den Beabstandungsdistanzen d₀ und d₁ entlang der ersten bzw. zweiten Messachse 111 bzw. 112, den lokalen Bezugspunkte 436 und/oder den Codeabschnitte 430. In dem Ausführungsbeispiel aus 8 dient ein bestimmtes Merkmal der lokalisierten vorbestimmten Abschnitte 420, das in dem Detektionsfenster 440 nahe dem analysierten Codeabschnitt 430 erscheint, als der lokale Bezugspunkt 436.
Alternativ kann, wenn die volle Erstreckung der integrierten 2D-Skala 400 entlang wenigstens einer der ersten und zweiten Messachse ein Zweierpotenz-Mehrfaches der entsprechenden Beabstandungsdistanz d₀ und/oder d₁ entlang der ersten und/oder zweiten Messachse 111 und/oder 112 ist, der Binärcode, der von den Codeelementen 432 und den Abständen 434 definiert ist, in zwei Codewörter aufgeteilt werden. Beispielsweise könnte die Erstreckung der integrierten 2D-Skala 400 entlang der ersten Messachse 111 2ⁿd₀ sein. Dann wäre die Erstreckung der integrierten 2D-Skala 400 entlang der ersten Messachse 111 kleiner als oder gleich 2^md₁, wobei n + m kleiner als oder gleich wie die Anzahl der Codezonen in den Codeabschnitten 430 ist.
In diesem Fall hätte eins der Codewörter wenigstens n Codezonen. Als Ergebnis kann für jeden jeweiligen Codeabschnitt 430 eins der Codewörter benutzt werden, um das Mehrfache der Beabstandungsdistanz d₀ für den Absolutpositionsmesswert erster Auflösung entlang der ersten Messachse 111 zu definieren. Ebenso definiert das andere der Codewörter das Mehrfache der Beabstandungsdistanz d₁ für den Absolutpositionsmesswert erster Auflösung entlang der zweiten Messachse 112. Durch Multiplizieren der Beabstandungsdistanzen d₀ und d₁ mit dem entsprechenden Mehrfachen können die Absolutpositionsmesswerte entlang der ersten und zweiten Messachse 111 und 112 direkt aus den zwei Codewörtern ermittelt werden.
In verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen kann, unter der Annahme, dass der Gesamtbereich der integrierten 2D-Skala 400 es zulässt, auf eine ausreichende Anzahl der möglichen Werte für das Codewort, das in Codeabschnitt 430 definiert ist, zu verzichten, dieses Ausführungsbeispiel auch dann benutzt werden, wenn keine der Erstreckungen entlang der ersten und zweiten Messachse 111 und 112 der integrierten 2D-Skala 400 ein Zweierpotenz-Mehrfaches der entsprechenden Beabstandungsdistanzen d₀ und d₁ ist.
Um die Auflösung der Absolutpositionsmessung entlang der ersten Messachse 111 weiter zu verfeinern, ist es praktisch und ausreichend, die Position des lokalen Bezugspunkts 436 im Verhältnis zu einer linken Kante 442 oder einer rechten Kante 444 des Detektionsfensters 440 zu finden. Wenn die linke Kante 442 des Detektionsfensters 440 als der Referenzpunkt im Verhältnis zu dem lokalen Bezugspunkt 436 benutzt wird, wie in 8 gezeigt, ist die Anzahl der Pixel, die einer Offset-Distanz d₂ des lokalen Bezugspunkts 436 zu der linken Kante 442 entspricht, leicht bis auf ein oder einige wenige Pixel zu bestimmen. Diese Pixeldistanz kann in die tatsächliche Offset-Distanz d₂ umgewandelt werden, basierend auf den bekannten geometrischen Eigenschaften des Lichtdetektors 160 und der Vergrößerung des Lesekopfs 126.
Es ist ähnlich praktisch und ausreichend, zum weiteren Verfeinern der Messauflösung der Absolutposition entlang der zweiten Messachse 112 die Position des lokalen Bezugspunkts 436 im Verhältnis zu einer Oberkante 446 oder einer Unterkante 448 des Detektionsfensters 440 zu finden. Wenn die Oberkante 446 des Detektionsfensters 440 als der Referenzpunkt im Verhältnis zu dem lokalen Bezugspunkt 436 benutzt wird, wie in 8 gezeigt, ist die Anzahl der Pixel, die einer Offset-Distanz d₃ des lokalen Bezugspunkts 436 zu der Oberkante 446 entspricht, leicht bis auf ein oder einige wenige Pixel zu bestimmen. Diese Pixeldistanz kann in die tatsächliche Offset-Distanz d₃ umgewandelt werden, basierend auf den bekannten geometrischen Eigenschaften des Lichtdetektors 160 und der Vergrößerung des Lesekopfs 126.
Wenn die Offset-Distanzen d₂ und d₃ jeweils zu den codebestimmten Absolutwert-X-und-Y-Absolutpositionsmesswerten des lokalen Bezugspunktes 436 hinzuaddiert werden, ist die jeweilige 2D-Absolutposition des Lesekopfes 126 im Verhältnis zu der 2D-Skala 110 entlang der ersten und zweiten Messachse 111 bzw. 112 mit einer zweiten Auflösung entlang jeder der ersten und zweiten Messachse 111 und 112 bekannt, und entspricht annähernd einem Einfachen oder geringen Mehrfachen des entsprechenden Pixelabstands, geteilt durch die Vergrößerung des Lesekopfes 126.
Man wird verstehen, dass die oben beschriebenen Positionsbestimmungsvorgänge mit verhältnismäßig geringerer Auflösung einen relativ geringen Teil der in dem Detektionsfenster 440 bereitstehenden Positionsinformation benutzen. Um die Absolutpositionsmessung zwischen dem Lesekopf 126 und der 2D-Skala 110 weiter zu verfeinern, ist es wünschenswert, mehr von der Information in dem Detektionsfenster 440 zu benutzen, so dass die Auswirkungen lokaler Herstellungsungenauigkeiten, Defekte, Verschmutzungen usw. ausgeglichen werden, um ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und eine genauere Positionsbestimmung bereitzustellen.
Insbesondere ist es wünschenswert, eine Positionsbestimmung anhand eines Teils oder der Gesamtheit der Information und/oder Signale durchzuführen, die aus wenigstens einigen der quasizufälligen Muster 412 hervorgehen, die in dem quasizufälligen Musterabschnitt 410 auftreten können, der in dem Detektionsfenster 440 vorhanden ist, beispielsweise wie zuvor für die Korrelationsvorgänge beschrieben, die die Messwerte dritter Auflösung für die erste und zweite Messachse 111 und 112 bereitstellen. Letztlich ist es das Ziel, die Schätzung der zuvor beschriebenen Offset-Distanzen d₂ und d₃ zu verfeinern. Die Differenz zwischen den tatsächlichen Scheitel- oder Talwerten auf den X- und Y-Achsen und ihren erwarteten Offset-Werten für ein Bild, wobei der lokale Bezugspunkt mit einer feststehenden Referenzposition übereinstimmt, kann benutzt werden, um die Auflösung und die Genauigkeit der geschätzten Offset-Distanzen d₂ und d₃ und die resultierende Absolutpositionsbestimmung zu verfeinern. Spezifisch wird die Differenz zwischen den tatsächlichen Korrelationsscheitel- und -Tal-Offsetwerten auf der X- und Y-Achse und ihren jeweiligen erwarteten Offsetwerten bei einem Bild, bei dem der lokale Bezugspunkt mit seiner 2D-Referenzposition übereinstimmt, benutzt, um die zuvor geschätzten Offset-Distanzen d₂ und d₃ zu ersetzen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen können etwas weniger genaue Korrelationskurvenwerte bestimmt werden, basierend auf kleineren Abschnitten, wie z. B. einigen Reihen und/oder Spalten des quasizufälligen Musters 412 in dem Bild, und solche Werte können trotzdem benutzt werden, um den Pixel-Offsetwert des Scheitels oder Tales mit der bestmöglichen Auflösung zu bestimmen, wie in der Patentanmeldung 671 dargestellt, und die Genauigkeit reicht immer noch für eine Anzahl nützlicher Anwendungen aus. In verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen können, da wenigstens ein Viertel des quasizufälligen Musters 412 üblicherweise als ein ununterbrochener Block in einem erfassten aktuellen Bild erscheint, Korrelationskurvenwerte anhand von etwa einem Viertel des quasizufälligen Musters 412 bestimmt werden, und die Genauigkeit reicht für eine Mehrheit von nützlichen Anwendungen aus. Solche Ausführungsformen vermeiden die Notwendigkeit, verschiedene Abschnitte von verschiedenen quasizufälligen Mustern 412, die über verschiedene quasizufällige Musterabschnitte 410 verteilt sind, die in einem aktuellen Bild enthalten sein können, zu „rekonstruieren" oder „umzuordnen", um das aktuelle Bild effektiv mit dem Referenzbild in Korrelation zu setzen.
Allerdings können in verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen das quasizufällige Muster 412 oder die quasizufälligen Muster 412 entweder des aktuellen Bildes oder des Referenzbildes vor der Verarbeitung des Korrelationssignals effektiv „rekonstruiert" oder „umgeordnet" werden, so dass die verschiedenen Abschnitte der verschiedenen quasizufälligen Muster 412, die über verschiedene quasizufällige Musterabschnitte 410 verteilt sind, die in dem aktuellen Bild enthalten sind, zur Anpassung an das Referenzbild geordnet werden, um wenigstens das gesamte quasizufällige Muster 412 oder die gesamten quasizufälligen Muster 412 des aktuellen Bildes mit dem quasizufälligen Muster des Referenzbildes effektiv in Korrelation setzen zu können. Solche Ausführungsformen bieten die höchstmögliche Stufe von Auflösung und Genauigkeit.
Man wird auf jeden Fall verstehen, dass, um die Absolutpositionsmessung entlang jeder Messachse zu verfeinern, es im Allgemeinen nötig ist, die Offset-Position des Korrelationsfunktionsscheitels oder -tals zu bestimmen, je nach der Art der benutzten Korrelation, im Verhältnis zu der oder den erwarteten Offsetposition(en) für ein Bild, wobei der lokale Bezugspunkt 436 mit seiner Referenzposition übereinstimmt, um die zuvor beschriebenen Vorgänge auszuführen, um die Auflösung und die Genauigkeit der geschätzten Offset-Distanzen d₂ und d₃ sowie die resultierende Absolutpositionsbestimmung auf eine hohe Auflösungsstufe zu verfeinern.
Eine Korrelationsfunktion wird erzeugt, indem der gewählte Abschnitt eines aktuellen erfassten Bildes mit einem entsprechenden Referenzbild verglichen wird. Wie zuvor ausgeführt, wird man verstehen, dass, da die zuvor geschätzten Offset-Distanzen d₂ und d₃ auf einige wenige Pixel genau sind, diese Distanzen benutzt werden können, um den Bereich von Offsets oder räumlichen Translationen, über die das aktuelle Bild im Verhältnis zu dem Referenzbild digital verschoben wird, um den Offset zu bestimmen, der das Muster der zwei Bilder dazu veranlasst, sieh so nah wie möglich zueinander auszurichten, auszuwählen und/oder einzugrenzen. Ein erster Punkte der Korrelationsfunktion wird erzeugt, indem jeder Pixel des ausgewählten Abschnitts des aktuellen Bildes mit dem Referenzbild auf einer Pixel-für-Pixel-Basis verglichen wird, wie in der durch Querverweis zitierten Patentanmeldung 671 beschrieben. Die zusätzlichen Punkte der Korrelationsfunktion werden erzeugt, indem der ausgewählte Abschnitt um einen Pixel für jeden Punkt über einen Bereich einer Anzahl von Pixeln verschoben wird. In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die Anzahl der Pixel eins. In verschiedenen Ausführungsbeispielen erfolgt die Verschiebung auf der X-Achse und/oder der Y-Achse.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine erste eindimensionale Korrelationsfunktion durch Verschieben auf einer der Achsen X-Achse oder Y-Achse erzeugt. Die erste Korrelationsfunktion wird unter Benutzung von einem der Verfahren, die in der zitierten Patentanmeldung 671 und/oder in den hier in ihrer Gesamtheit für alle ihre relevanten Lehren durch Querverweis zitierten US-Patentanmeldungen 09/584,264, 09/921,711, 09/860,636, 09/921,889, und 09/987,162 offenbart sind, erzeugt und analysiert, um einen Korrelationsscheitel zu finden und möglicherweise zwischen den Punkten um den Korrelationsscheitel zu interpolieren, um die tatsächliche Scheitel-Offsetposition zu bestimmen. Diese bestimmt eine Position auf der einen Achse von X-Achse und Y-Achse im Verhältnis zu einer Kante des Detektionsfensters 440. Als nächstes wird unter Benutzung dieser Position auf der anderen Achse von X-Achse und Y-Achse eine Verschiebung durchgeführt, um eine zweite eindimensionale Korrelationsfunktion zu erzeugen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen werden an diesem Punkt die Messwerte dritter Auflösung für die erste und zweite Messachse 111 und 112 bestimmt. In diesem Fall werden anhand der Scheitel-Offsetpositionen der ersten und zweiten Korrelationsfunktion zweidimensionale Korrelationsfunktionen für die 2D-Scheitelposition bestimmt, die diesen Scheitel-Offsetpositionen entspricht, und für eine Anzahl von Positionen in zwei Dimensionen um diese 2D-Scheitelposition, beispielsweise über einen Bereich, der einigen oder mehreren Bildpixeln entspricht, oder in jeder Richtung.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen, wenn quasizufällige Muster benutzt werden, wird die Schätzung des Offsets entlang dem quasizufälligen Muster im Verhältnis zu dem Detektorarray entlang der ersten Messachse benutzt, um den Offset des Detektorarrays im Verhältnis zu dem lokalen Messwert entlang der ersten Messachse zu bestimmen. Ähnlich wird die Schätzung des Offsets entlang dem quasizufälligen Muster im Verhältnis zu dem Detektorarray entlang der zweiten Messachse benutzt, um den Offset des Detektorarrays im Verhältnis zu dem lokalen Bezugspunkt entlang der zweiten Messachse zu bestimmen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird anhand der Verschiebung des ausgewählten Abschnitts sowohl auf der X-Achse als auch der Y-Achse eine zweidimensionale Korrelationsfunktion erzeugt. Die zweidimensionale Korrelationsfunktion wird analysiert, um eine 2D-Scheitelposition zu ermitteln.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen sind die Scheitel-Offsetpositionen der ersten und zweiten Korrelationsfunktion ausreichend genau, so dass nur etwa vier zusätzliche 2D-Positionen um diese 2D-Scheitelposition benutzt werden, um die zusätzlichen Korrelationsfunktionen zu erzeugen. In verschiedenen Ausführungsbeispielen stellen diese vier zusätzlichen Positionen jeweils Verschiebungen von (0, –1), (–1, 0), (0, 1) und (1, 0) von der 2D-Scheitelposition dar. In verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen stellen diese vier zusätzlichen Positionen jeweils Verschiebungen von (–1, –1), (–1, 1), (–1, 1) und (1, 1) von der 2D-Scheitelposition dar.
Wie oben dargestellt, wird die Korrelationsfunktion in verschiedenen Ausführungsbeispielen erzeugt, indem das erfasste Bild, das dem Detektionsfenster 440 entspricht, mit einem Referenzbild verglichen wird, das passend zu der Struktur ausgewählt ist, die in dem Detektionsfenster 440 erscheint. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Referenzbild ein tatsächliches Bild eines typischen quasizufälligen Musterabschnitts der 2D-Skala 110 sein, das durch den Lesekopf 126 erfasst wurde, wie z. B. das quasizufällige Muster 412 der 2D-Skala 110. Alternativ kann es ein tatsächliches oder synthetisches quasizufälliges Bild sein, das ursprünglich benutzt wurde, um die 2D-Skala 110 zu erzeugen, oder Ähnliches. Die einzige Anforderung an das Referenzbild ist, dass das Referenzbild ein quasizufälliges Muster aufweist, das dem oder den quasizufälligen Muster(n) entspricht, die für die 2D-Skala 110 benutzt werden, und das ausreichend groß ist, um eine Erzeugung einer adäquaten 2D-Korrelationskurve zu ermöglichen.
Man wird verstehen, dass, wenn der Lesekopf 126 im Verhältnis zu der 2D-Skala 110 mit einer Gierfehlausrichtung montiert ist, die tatsächlichen Bilder von der 2D-Skala 110 im Verhältnis zu einem ideal ausgerichteten Referenzbild der 2D-Skala 110 rotiert werden. Allerdings ist eine solche beschränkte Bildrotation aufgrund von Fehlausrichtung im Allgemeinen gleichmäßig, unabhängig von der Position des Lesekopfes 126 entlang der 2D-Skala 110. Aus diesem Grund erzeugt eine solche Bildrotation einen Fehler, der für jede Position annähernd derselbe ist und deshalb in verschiedenen Ausführungsbeispielen ignoriert werden kann.
In verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen wird die Größe der Rotationsfehlausrichtung zwischen einem tatsächlichen Bild und einem ideal ausgerichteten Referenzbild während eines Kalibrierungsprozesses bestimmt, wobei ein bekanntes oder später entwickeltes Rotationskorrelationsverfahren benutzt wird. Die Referenz- oder tatsächlichen Bilder werden dann mit Hilfe eines Computers rotierend ausgerichtet, bevor oder während bei normalem Betrieb die Signalverarbeitung erfolgt, um die Genauigkeit der Positionsbestimmungen zu verbessern. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Referenzbild von einem tatsächlichen Bild einschließlich der gleichmäßigen Rotationsfehlausrichtung abgeleitet. In diesem Fall ist das Referenzbild inhärent zu den folgenden tatsächlichen Bildern rotierend ausgerichtet.
9 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer integrierten 2D-Absolutskala 500, die dem integrierten 2D-Skalenmuster 300' aus 5 entspricht. Wie in 9 gezeigt, weist die integrierte 2D-Skala 500 mehrere der quasizufälligen 2D-Musterabschnitte 410 auf, sowie mehrere 2D-Codeabschnitte 530, die entlang den beiden Messachsen 111 und 112 angeordnet sind.
Das in 9 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel einer integrierten 2D-Absolutskala 500 weist, im Verhältnis zu dem ersten Ausführungsbeispiel einer integrierten 2D-Absolutskala 400 aus 8, außerdem mehrere Regionen 517 auf. In jeder Region 517 wird auf einen Abschnitt des quasizufälligen Musters 412, der anderenfalls vorhanden wäre, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel einer integrierten 2D-Absolutskala 400 aus 8, verzichtet.
Das heißt, jede Region 517 bildet einen Bruch in dem Muster des oder der quasizufälligen Muster(s) 412 in diesem zweiten Ausführungsbeispiel einer integrierten 2D-Absolutskala 300. Man wird verstehen, dass die Regionen 517 innerhalb der integrierten 2D-Absolutskala 500 derart verteilt sind, dass garantiert ist, dass wenigstens eine Region 517 in dem Detektionsfenster 440 von der Oberkante 446 bis zur Unterkante 448 vorhanden ist, wenn das Detektionsfenster 440 irgendwo in dem Bereich der integrierten 2D-Absolutskala 500 angeordnet ist.
Das zweite Ausführungsbeispiel einer integrierten 2D-Absolutskala 500 aus 9 benutzt außerdem einen unterschiedlich ausgebildeten vorbestimmten Abschnitt 520 und Codeabschnitt 530. Insbesondere ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel einer integrierten 2D-Absolutskala 500 aus 9 der vorbestimmte Abschnitt 520 links von dem Codeabschnitt 530 angeordnet.
Wie in 9 gezeigt, erstreckt sich der vorbestimmet Abschnitt 520 über die Region 517. 9 zeigt außerdem ein Ausführungsbeispiel eines Musters von Codeelementen 432 und den Zwischenräumen 434 in dem vorbestimmten Abschnitt 520, die erfassbare Muster von Übergängen entlang den Reihen des erfassten Bildes erzeugen, unabhängig von dem jeweiligen Muster der Codeelemente 432 und Zwischenräume 434, die in einem benachbarten Codeabschnitt vorhanden sein könnten. Entsprechend wird man verstehen, dass die Position der Region 517 innerhalb des Detektionsfensters 440 leicht in jeder Reihe des erfassten Bildes innerhalb des Detektionsfensters 440 lokalisiert werden kann.
So wird man verstehen, dass durch Benutzung des Musters der integrierten 2D-Absolutskala 500 aus 9 die Position der Region 517 innerhalb des Detektionsfensters 440 entlang der ersten Messachse 111, d. h. der X-Achse, so durch Auswählen und Analysieren von irgendeiner Reihe des erfassten Bildes gemäß den vorangegangenen Ausführungen bestimmt werden kann. Sobald diese Position der Region 517 entlang der ersten Messachse 111 bestimmt ist, ist die mittlere Spalte von Pixeln der Region 517 bekannt und kann dann gewählt und abwärts und/oder aufwärts abgetastet werden, um die Position der oberen und unteren Kante der 4 dunklen Codeelemente 432 des vorbestimmten Abschnitts zu bestimmen, die innerhalb der Region 517 erscheinen, da diese Codeelemente 432 den einzigen dunklen Pixeln in der Region 517 entsprechen. Außerdem kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen gemäß dieser Erfindung der X-Y-Schnittpunkt von jeder dieser Ober- oder Unterkanten mit der mittleren Pixelreihe der Region 517 dazu dienen, die zuvor für den Codepositionsindikator und den lokalen Bezugspunkt in der Ausführung zu dem ersten Ausführungsbeispiel einer integrierten 2D-Absolutskala 400 beschriebenen Funktionen zu erfüllen. Man wird so verstehen, dass das Benutzen des Musters der integrierten 2D-Absolutskala 500 aus 9 eine besonders schnelle und deterministische Sequenz von Positionsbestimmungsvorgängen ermöglicht.
Wie zuvor beschrieben, weisen der lokale Bezugspunkt und der Codeabschnitt 430 oder 530 jeweils ein vorbestimmtes Verhältnis zu dem vorbestimmten Abschnitt auf. Sobald also die 2D-Position des vorbestimmten Abschnitts 420 oder 520 bestimmt ist, können die Position des lokalen Bezugspunkts 436 entlang jeder ersten und zweiten Messachse 111 und 112, und so die Distanzen d₂ und d₃ zweiter Auflösung sofort bestimmt werden. Ebenso können die Codeabschnitte 430 oder 530 sofort lokalisiert und analysiert werden, um die Binärwerte zu bestimmen, die in diesem Codeabschnitt 430 oder 530 erscheinen. Die oben dargestellten deterministischen Vorgänge können so benutzt werden, um die 2D-Absolutposition des Detektionsfensters 440, und also des Lesekopfes 126, zu der 2D-Skala 110 bei zweiter Auflösung mit besonders großer Geschwindigkeit zu bestimmen, was auch dazu beiträgt, die 2D-Absolutposition dritter Auflösung mit großer Geschwindigkeit zu bestimmen, wie zuvor beschrieben.
10 zeigt einen 2D-Abschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines integrierten 2D-Absolutskalenmusters, das dem integrierten 2D-Absolutskalenmuster 300' aus 5 entspricht. Wie in 10 gezeigt, weist die integrierte 2D-Skala 600 mehrere quasizufällige 2D-Musterabschnitte 410 auf, sowie mehrere 2D-Codeabschnitte 630, die entlang den beiden Messachsen 111 und 112 angeordnet sind. Zusätzlich weist das in 10 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel einer integrierten 2D-Absolutskala 600 mehrere Regionen 517 auf, wie zuvor hinsichtlich des zweiten Ausführungsbeispiels 500 beschrieben. Das dritte Ausführungsbeispiel einer integrierten 2D-Absolutskala 600 aus 10 benutzt außerdem einen unterschiedlich ausgebildeten Codeabschnitt 630, und der vorbestimmte Abschnitt 620 ist links von dem Codeabschnitt 630 angeordnet. Der Codeabschnitt 630 und der vorbestimmte Abschnitt 620 dienen, wie zuvor für Codeabschnitt 530 und den vorbestimmten Abschnitt 520 beschrieben, dazu, eine schnelle Lokalisierung des Codeabschnitts und des lokalen Bezugspunkts in einem Bild der integrierten 2D-Skala 600 zu ermöglichen.
Wie in 10 gezeigt, sind die 2D-Codeabschnitt 630 als eine relativ schmale Region ausgebildet, die sich entlang der Messachse 111 erstreckt. Alternativ sind in verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen die Codeelemente des Codeabschnitts 630 in relativ schmalen Regionen verteilt, die sich entlang der Messachse 112 erstrecken, und in weiteren Ausführungsbeispielen entlang jeder der Messachsen 111 und 112. In verschiedenen Ausführungsbeispielen erlaubt eine solche relativ schmale Ausbildung der Codeabschnitte 630 ein leichteres Decodieren der Codeabschnitte 630, und erzeugt größere ununterbrochene Blöcke des quasizufälligen Musters in einem typischen erfassten aktuellen Bild, was die Korrelationsanalysevorgänge in verschiedenen Ausführungsbeispielen vereinfacht oder unterstützt.
Die zitierte Patentanmeldung 671 offenbart ein beispielhaftes Einzelachsen-Korrelationsverfahren, das in verschiedenen Verfahren und Systemen gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann. Dieses Korrelationsverfahren ist hier unter Bezugnahme auf 11 dargestellt. 11 zeigt die Resultate eines Vergleichs eines ersten Bildes und eines zweiten Bildes in der Form einer Korrelationsfunktion 700, entlang einer der Richtungen, die der ersten und zweiten Messachse 111 und 112 entsprechen. In der Korrelationsfunktion wird eine absolute Differenz benutzt:
wobei:

p: ein aktueller Offsetwert ist, in Pixeln;
R(p): ein Korrelationsfunktionswert für den aktuellen Offsetwert ist;
q: eine aktuelle Reihe (Spalte) ist;
m: ein aktueller Pixel für die aktuelle Reihe (Spalte) ist;
I₁: ein Bildwert für den aktuellen Pixel in dem ersten Bild ist; und
I₂: ein Bildwert für den aktuellen Pixel in dem zweiten Bild ist.

Wie in 11 gezeigt, weist die Korrelationsfunktion 700 mehrere diskrete Korrelationsfunktionswertpunkte 701 auf, die entlang der X-Achse (oder Y-Achse) durch ein vorbestimmtes Offset-Inkrement beabstandet sind, das dem Pixelabstand P entspricht, wie durch die Distanz 708 angezeigt.
Jeder Korrelationsfunktionswertpunkt 701 wird erzeugt, indem das zweite Bild im Verhältnis zu dem ersten Bild verschoben wird. Die Korrelationsfunktion 700 aus 11, deren Korrelationsfunktionswerte in beliebigen Einheiten dargestellt sind, zeigt ein Extremum der wahren stetigen Korrelationsfunktion 705 an dem Offsetwert, wo die Bild- oder Intensitätsmuster in jedem ersten und zweiten Bild am besten zueinander ausgerichtet sind.
Hier soll der Offsetwert in Pixeln, der mit dem Extremum einer wahren stetigen Korrelationsfunktion assoziiert ist, als Scheitel-Offset bezeichnet werden, unabhängig davon, ob die zugrunde liegende Korrelationsfunktion einen Scheitel oder ein Tal ergibt, und die Flächenverschiebung, die dem Scheitel-Offset entspricht, soll als Scheitelverschiebung bezeichnet werden, oder einfach als Verschiebung, unabhängig davon, ob die zugrunde liegende Korrelationsfunktion einen Scheitel oder ein Tal ergibt.
In 11 tritt das Extremum der wahren stetigen Korrelationsfunktion 705 an einem Scheitel-Offset auf. Das Extremum der wahren stetigen Korrelationsfunktion 705 ist von dem extremen Korrelationsfunktionswertpunkt 704 ununterscheidbar. Allerdings tritt das Extremum im Allgemeinen nicht an einem Offset auf, der ein ganzzahliges Vielfaches des Pixelabstands ist, und stimmt also nicht genau mit dem extremen Korrelationsfunktionswertpunkt überein.
Die in der Patentanmeldung 671 offenbarten Systeme und Verfahren werden in verschiedenen Ausführungsbeispielen benutzt, um den X-Koordinatenwert (oder Y-Koordinatenwert) des tatsächlichen Scheitel-Offset oder der tatsächlichen Scheitelverschiebung für einen ausgewählten Satz von Korrelationsfunktionswertpunkten 701 zu bestimmen. Der X-Koordinatenwert (oder Y-Koordinatenwert) des tatsächlichen, oder wahren, Scheitel-Offsets oder der tatsächlichen, oder wahren, Scheitelverschiebung ist durch eine Linie 703 angezeigt, die sich parallel zu der R-Achse erstreckt und den Punkt enthält, der das Extremum der wahren stetigen Korrelationsfunktion 705 ist. Unter der Annahme, dass die wahre stetige Korrelationsfunktion 705 in der Region 702 symmmetrisch ist, ist jeder Punkt auf der Linie 703 für den X-Koordinatenwert (oder Y-Koordinatenwert) des Scheitel-Offset oder der Scheitelverschiebung der wahren stetigen Korrelationsfunktion 705 mit einer Subpixel-Genauigkeit indikativ. Zahlreiche Verfahren, um den X-Koordinatenwert eines Punktes, der auf der Linie 703 angeordnet ist, sind mit Subpixel-Genauigkeit zu ermitteln, sind in der Patentanmeldung 671 offenbart.
Im Allgemeinen werden nur die diskreten Korrelationsfunktionswertpunkte 701, die Werte aufweisen, die sich wesentlich von dem Rauschpegel oder Mittelwert 706 unterscheiden, in den Systemen und Verfahren dieser Erfindung benutzt. Das heißt, nur Korrelations funktionswertpunkte, die innerhalb der Region 702 liegen, werden benutzt. wie zuvor besprochen, wird man verstehen, dass, da die geschätzten Offset-Distanzen d₂ und d₃ zweiter Auflösung bis auf einige wenige Pixel genau sind, diese Distanzen benutzt werden können, um den Bereich von Offsets und/oder räumlichen Translationspositionen auszuwählen und/oder einzugrenzen, über den die diskreten Korrelationsfunktionswertpunkte 701 bestimmt werden müssen. Der Korrelationsfunktionswert des extremen Korrelationsfunktionswertpunkts, angezeigt durch Linie 707, kann zusammen mit dem Wert des Rauschpegels oder des Mittelwerts 706 benutzt werden, um die Korrelationsfunktionswertpunkt-Werte in der Region 702 zu normieren, so dass die Korrelationsfunktionswertpunkte in einigen Ausführungsbeispielen gemäß einem normierten Wertbereich ausgewählt werden können. Auf jeden Fall kann dieses Korrelationsverfahren oder jedes andere jetzt bekannte oder später entwickelte Korrelationsverfahren, Musterzuordnungsverfahren, Vorlagenzuordnungsverfahren oder Ähnliches benutzt werden, um eine 2D-Absolutpositionsmessung dritter Auflösung mit hoher Genauigkeit gemäß den Prinzipien dieser Erfindung bereitzustellen. Alternative 1D- und 2D-Korrelationsfunktionen und Verfahren, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung nutzbar sind, sind in der zitierten Patentanmeldung 711 beschrieben.
12 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Bestimmen einer hoch aufgelösten 2D-Absolutpositionsmessung zwischen einem Lesekopf und einer 2D-Skala gemäß dieser Erfindung dar. Beginnend mit Schritt S100, setzt sich der Vorgang des Verfahrens bis zu Schritt S200 fort, wobei ein Bild eines Abschnitts der 2D-Skala gewonnen wird. Natürlich muss dieses Bild des Abschnitts der 2D-Skala Bilder von wenigstens einem Abschnitt von einem oder mehreren quasizufälligen Musterabschnitten sowie das Äquivalent von einem oder mehreren Codeabschnitten gemäß den Prinzipien dieser Erfindung aufweisen. Dann werden in Schritt S300 eine Position eines zufrieden stellenden Codepositionsindikators und ein lokaler Messwert in dem Bild bestimmt. Der Vorgang geht dann zu Schritt S400 über.
In Schritt S400 wird der Bereich der Pixelpositionen, die der Codeabschnittinformation oder Daten eines Codeabschnitts entsprechen, der in dem Bild des Abschnitts der 2D-Skala erscheint, das in Schritt S200 gewonnen wurde, bestimmt oder lokalisiert. Als nächstes wird in Schritt S500 eine 2D-Absolutposition erster Auflösung zwischen dem Lesekopf und der 2D-Skala anhand der Information bestimmt, die in dem Bereich der Adressen oder Pixelpositionen enthalten ist, die dem bestimmten oder lokalisierten Codeabschnitt entsprechen. Der Vorgang geht dann zu Schritt S600 über.
In Schritt S600 wird eine 2D-Position zweiter Auflösung zwischen dem Lesekopf und der Skala bestimmt, basierend auf der Position des lokalen Bezugspunktes, der mit dem identifizierten Codeabschnitt assoziiert ist, der in dem gewonnenen Bild erscheint. Man wird verstehen, dass in verschiedenen Ausführungsbeispielen der lokale Bezugspunkt innerhalb eines quasizufälligen Musters des gewonnenen Bildes erscheinen oder auftreten kann, das zu dem identifizierten Codeabschnitt benachbart angeordnet ist. Im Gegensatz dazu erscheint in verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen der lokale Bezugspunkt innerhalb des identifizierten Codeabschnitts. Der Vorgang geht dann zu Schritt S700 über.
Wie oben ausgeführt, ist Schritt S600 optional. Auf diesen Schritt kann verzichtet werden, wenn die Korrelationsfunktionswerte und/oder die Korrelationskurve erzeugt werden, um die Position des projizierten Bildes der 2D-Skala 110 im Verhältnis zu dem Detektionsfenster 340 direkt mit einer Subpixelauflösung zu bestimmen.
Man wird verstehen, dass, hinsichtlich Schritt S600 die Position zweiter Auflösung bestimmt werden kann, indem die Position eines lokalen Bezugspunktes in dem gewonnenen Bild im Verhältnis zu einer Referenzposition des lokalen Bezugspunkts, die in den zugehörigen Signalverarbeitungsvorgängen implizit ist, bestimmt wird. Jeder der zuvor beschriebenen Typen lokaler Messwerte kann benutzt werden. Unabhängig davon, welches Merkmal oder welche Eigenschaft benutzt wird, um den lokalen Bezugspunkt zu definieren, werden, wenn die Referenzpositionen für den lokalen Bezugspunkt die Kanten des gewonnenen Bildes sind, die Distanzen des lokalen Bezugspunktes zu den Kanten des gewonnenen Bildes bestimmt, indem entlang jeder Messachse die Anzahl der Pixel entlang dieser Messachse zwischen dem Merkmal, das den lokalen Bezugspunkt definiert, und der entsprechenden Kante des gewonnenen Bildes gezählt wird. Allerdings wird man verstehen, dass im Allgemeinen eine gewisse Unsicherheit von einigen Pixeln bei der Pixelposition des lokalen Bezugspunktmerkmals erwartet wird, und also bei den Distanzen d₂ und d₃ zwischen dem lokalen Bezugspunktmerkmal und den Kanten des gewonnenen Bildes. Wie zuvor beschrieben, kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen die 2D-Position zweiter Auflösung benutzt werden, um den Bereich von Offsets oder räumlichen Translationspositionen auszuwählen und/oder einzugrenzen, über den mehrere diskrete Korrelationsfunktionswertpunkte in dem folgenden Schritt S700 bestimmt werden müssen.
In Schritt S700 wird eine 2D-Absolutposition dritter Auflösung zwischen dem Lesekopf und der Skala bestimmt, basierend auf einer oder mehreren erzeugten Korrelationskurven. In verschiedenen Ausführungsbeispielen basiert die 2D-Absolutposition dritter Auflösung zwischen dem Lesekopf und der Skala auf einem hoch aufgelösten Satz von X- und Y-Offset-Positionen des quasizufälligen Musters. Der Vorgang geht dann zu Schritt S800 über.
In Schritt S800 werden wenigstens die 2D-Positionen erster und dritter Auflösung zwischen dem Lesekopf und der Skala kombiniert, um eine 2D-Absolutmessung dritter Auflösung der Position zwischen dem Lesekopf und der 2D-Skala zu erzeugen, die dem gewonnenen Bild entspricht. Dann wird in Schritt S900 die 2D-Absolutposition dritter Auflösung des Lesekopfes im Verhältnis zu der Skala, die anhand der kombinierten Messungen bestimmt wurde, ausgegeben. Der Vorgang geht dann zu Schritt S1000 über, wo der Vorgang des Verfahrens endet.
13 ist ein Flussdiagramm, das das erste Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Bestimmen der Position eines zufrieden stellenden Codepositionsindikators und eines lokalen Bezugspunktes in dem Bild gemäß dieser Erfindung genauer darstellt. Das erste Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist besonders gut zur Benutzung mit dem Ausführungsbeispiel des 2D-Skalenmusters 300' aus 8 geeignet. Wie in 13 gezeigt, beginnt der Vorgang mit Schritt S300, und setzt sich bis Schritt S305 fort, wo eine Anfangspixelreihe ausgewählt wird. Dann erfolgt in Schritt S310 eine Bestimmung, ob die ausgewählte Reihe eine zuverlässige primäre Serie von Übergängen enthält, die dem Muster von Codeelementen und leeren Codezonen entspricht, die in dem vorbestimmten Abschnitt auftreten. Wenn ja, springt der Vorgang zu Schritt S320. Anderenfalls geht der Vorgang zu Schritt S315 über, wo eine nächste Reihe anhand der Größe und/oder Position der Codezonen des vorbestimmten Abschnitts entlang der zweiten Messachse ausgewählt wird. Der Vorgang kehrt dann zu Schritt S310 zurück.
In Schritt S320 wird eine Reihenzahl für die primäre Übergangsserie, d. h. die in Schritt S310 ausgewählte primäre Reihe, bestimmt. In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine mittlere Reihe von Codeelementen der primären Übergangsserie gefunden und als die Reihenzahl benutzt, wie zuvor beschrieben. Als nächstes wird in Schritt S325 eine Bestimmung durchgeführt, ob die bestimmte Reihenzahl für die primäre Übergangsserie größer ist als ein erster Schwellenwert. Wenn ja, springt der Vorgang zu Schritt S355. Anderenfalls geht der Vorgang zu Schritt S330 über, wo eine Reihe ausgewählt wird, die eine vorbestimmte Anzahl von Reihen unter der primär ausgewählten Reihe liegt und die mit Sicherheit über dem nächstniedrigen vorbestimmten Abschnitt des Bildes liegt. Dann wird in Schritt S335 eine Bestimmung durchgeführt, ob die ausgewählte Reihe eine zuverlässige Serie von Übergängen enthält, die dem Muster von Codeelementen und leeren Codezonen entsprechen, die in dem vorbestimmten Abschnitt auftreten. Wenn ja, springt der Vorgang zu Schritt S345. Anderenfalls geht der Vorgang zu Schritt S340 über, wo eine nächste Reihe anhand der Größe und/oder Position des vorbestimmten Abschnitts entlang der zweiten Messachse ausgewählt wird. Der Vorgang kehrt dann zu Schritt S335 zurück.
In Schritt S345 wird eine Bestimmung durchgeführt, ob die bestimmte Reihenzahl für die sekundär ausgewählte Reihe größer ist als ein zweiter Schwellenwert. Wenn ja, springt der Vorgang zu Schritt S355. Anderenfalls geht der Vorgang zu Schritt S350 über, wo die Position der zweiten Serie von Übergängen als der zufrieden stellende Codepositionsindikator und lokale Bezugspunkt benutzt wird. Der Vorgang springt dann zu Schritt S360.
Im Gegensatz dazu wird in Schritt S355 die Position der primären Übergangsserie als der zufrieden stellende Codepositionsindikator und lokale Bezugspunkt benutzt.
Der Vorgang geht dann zu Schritt S360 über, wo der Vorgang zu Schritt S400 zurückkehrt.
14 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens von Schritt S500 zum Bestimmen der 2D-Absolutposition des Lesekopfes zu der integrierten 2D-Absolutskala mit einer ersten 2D-Auflösung anhand des identifizierten Codeabschnitts genauer darstellt. Wie in 14 gezeigt, beginnt der Vorgang des Verfahrens in Schritt S500 und geht über zu Schritt S510, wo eine Anzahl von Pixelreihen des Codeabschnitts in dem gewonnenen Bild ausgewählt wird. Dann wird in Schritt S520 anhand der ausgewählten Pixelreihen der Codeabschnittscodeelemente die Sequenz der Codeelemente dieses Codeabschnitts analysiert. Im Allgemeinen umfasst dies das Analysieren der Sequenz der relativ hellen und dunklen Pixel, oder der Intensitätsübergänge zwischen den relativ hellen und dunklen Pixeln, die in der oder den ausgewählten Reihe(n) auftreten. Der Vorgang geht dann zu Schritt S530 über.
In Schritt S530 wird die analysierte Sequenz der Codeelemente verarbeitet, um ein oder mehrere Codewörter zu bestimmen, die benutzt werden können, um die 2D-Absolutpositionsmesswerte erster Auflösung entlang jeder der ersten und zweiten Messachse zu bestimmen. Man wird verstehen, dass in verschiedenen Ausführungsbeispielen die kodierten Skalenmarkierungen ein binäres Codewort definieren, wobei die dunklen Pixel einem der Binärwerte und die hellen Pixel dem anderen der Binärwerte entsprechen. Natürlich wird man verstehen, dass nicht-binäre Codierungsweisen, wie z. B. trinäre oder solche höherer Ordnung, benutzt werden können.
Als nächstes werden in Schritt S540 das Codewort oder die Codewörter verarbeitet, um ein Paar von 2D-Absolutpositionsmesswerten erster Auflösung zu bestimmen, die mit einer ersten Auflösung den Abschnitt und/oder die 2D-Position der Skala in dem gewonnenen Bild anzeigen, und also die Position der 2D-Skala im Verhältnis zu dem Lesekopf, entlang jeder der ersten und zweiten Messachse. Der Vorgang geht dann zu Schritt S550 über, wo der Vorgang des Verfahrens zu Schritt S600 zurückkehrt.
Man wird verstehen, dass in verschiedenen Ausführungsbeispielen das Codewort oder die Codewörter in die Absolutpositionsmesswerte erster Auflösung umgewandelt werden, wobei das Codewort oder die Codewörter als eine oder mehrere Eingabeadressen für eine Suchtabelle benutzt werden. Die Ausgabe der Suchtabelle, basierend auf der Adresse oder den Adressen, die von dem Codewort oder den Codewörtern angezeigt wurden, zeigt die entsprechenden Absolutpositionsmesswerte erster Auflösung an. Im Gegensatz dazu definieren in verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen das Codewort oder die Codewörter eine Anzahl von Erstauflösungsperioden d₀ und d₁ zwischen einem Ausgangspunkt auf der Skala und einer aktuellen Position des Lesekopfes im Verhältnis zu der Skala entlang jeder der Messachsen. So werden die Erstauflösungsperioden d₀ und d₁ jeweils mit dem Wert des Codeworts oder der Zahl multipliziert, um den Distanzmesswert erster Auflösung entlang der entsprechenden Messachse zu erhalten. In verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen definiert jedes der zwei Codewörter eine Zahl, die selbst der Distanzmesswert erster Auflösung entlang einer der Messachsen ist.
15 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Einzelachsenverfahrens zum Bestimmen von Scheitel-Offsetpositionen genauer darstellt, das gemäß den Prinzipien dieser Erfindung in den Vorgängen zum Bestimmen der Absolutposition dritter Auflösung benutzbar ist. 15 entspricht im Wesentlichen der 11, und entspricht außerdem Verfahren, die genauer in der zitierten Patentanmeldung 671 beschrieben sind. Beginnend mit Schritt S700, geht die Steuerung zu Schritt S710 über, wo ein Satz von Korrelationsfunktionswertpunkten entsprechend der aktuellen Messachse der Messachsen 111 und 112 (X-Achse und Y-Achse) eingegeben wird, die aktuell analysiert werden soll. Diese Punkte können aufweisen, sind aber nicht beschränkt auf, die Korrelationsfunktionswertpunkte in der Nachbarschaft des Korrelationsfunktionsscheitels oder -tals.
Als nächstes wird in Schritt S720 der extreme Korrelationsfunktionswertpunkt CFVPtip aus dem Eingabesatz von Korrelationsfunktionswertpunkten identifiziert. In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird der extreme Korrelationsfunktionswertpunkt CFVP_tip beispielsweise identifiziert, indem anhand aller Korrelationsfunktionswertpunkte in dem Satz der annähernde Rauschpegel oder der mittlere Korrelationsfunktionswert bestimmt wird, und indem dann der Korrelationsfunktionswertpunkt bestimmt wird, der den Korrelationsfunktionswert aufweist, der am weitesten von dem Rauschpegel oder dem mittleren Korrelationsfunktionswert entfernt ist. In 11 ist der annähernde Rauschpegel oder mittlere Korrelationsfunktionswert durch den Wert veranschaulicht, der durch Linie 706 dargestellt ist. In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist der extreme Korrelationsfunktionswertpunkt CFVPtip durch den Korrelationsfunktionswertpunkt 704 in 11 veranschaulicht.
Dann wird in Schritt S730 ein Paar von Korrelationsfunktionswertpunkt-X-Achsen-(Y-Achsen)-Teilsätzen, TeilsatzL und TeilsatzR, von dem Eingabesatz der X-Achsen-(Y-Achsen)-Korrelationsfunktionswertpunkte identifiziert. In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist der X-Achsen-(Y-Achsen)-Korrelationsfunktionswertpunkt-Teilsatz TeilsatzL einen begrenzten Teilsatz der Eingabe-X-Achse-(-Y-Achse)-Korrelationsfunktions wertpunkte mit Offsets, oder X-Koordinaten-(Y-Koordinaten)-Werte, zur Linken des extremen Korrelationsfunktionswertpunkts CFVPtip auf. In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist der X-Achsen-(Y-Achsen)-Korrelationsfunktionswertpunkt-Teilsatz TeilsatzR einen begrenzten Teilsatz der Eingabe-X-Achse-(-Y-Achse)-Korrelationsfunktionswertpunkte mit Offsets, oder X-Koordinaten-(Y-Koordinaten)-Werte, zur Rechten des extremen Korrelationsfunktionswertpunkts CFVPtip auf. In verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Elemente jedes begrenzten Teilsatzes TeilsatzL und TeilsatzR identifiziert werden, indem eine vorbestimmte Anzahl von X-Achsen-(Y-Achsen)-Korrelationsfunktionswertpunkten ausgewählt wird, die auf der richtigen Seite zu dem extremen Korrelationsfunktionswertpunkt CFVPtip benachbart angeordnet sind.
Alternativ können in verschiedenen Ausführungsbeispielen die Elemente jedes begrenzten Teilsatzes TeilsatzL und TeilsatzR identifiziert werden, indem auf der richtigen Seite des Korrelationsfunktionswertpunkts CFVPtip die X-Achsen-(-Y-Achsen)-Korrelationsfunktionswertpunkte ausgewählt werden, die Korrelationswerte in einem vorbestimmten normierten Bereich zwischen dem Wert des extremen X-Achsen-(Y-Achsen)-Korrelationsfunktionswertpunkts CFVPtip und dem zuvor erläuterten annähernden Rauschpegel oder mittleren Korrelationsfunktionswert aufweisen. Die Steuerung geht dann zu Schritt S740 über.
In Schritt S740 wird mit Hilfe irgendeines bekannten oder später entwickelten Verfahrens eine Bestimmung durchgeführt, ob der extreme Korrelationsfunktionswertpunkt CFVPtip auf der linken oder rechten Seite des Extremums der wahren X-Achsen-(Y-Achsen)-Korrelationsfunktion liegt. Als nächstes wird in Schritt S750 ein X-Achsen-(-Y-Achsen)-Korrelationsfunktionswertpunkt CFVPkey ausgewählt. In späteren Schritten wird ein X-Achsen-(-Y-Achsen)-Korrelationsfunktionswertpunkt geschätzt, der im Verhältnis zu dem X-Achsen-(-Y-Achsen)-Korrelationsfunktionswertpunkt CFVPkey symmetrisch um das Extremum oder den Scheitel-Offset der wahren stetigen X-Achsen-(Y-Achsen)-Korrelationsfunktion angeordnet sein soll. In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird der X-Achsen-(-Y-Achsen)-Korrelationsfunktionswertpunkt CFVPkey von dem Teilsatz, TeilsatzL oder TeilsatzR, mit den wenigsten Elementen ausgewählt, oder wie in den verschiedenen Ausführungsbeispielen der Systeme und Verfahren gemäß dieser hier beschriebenen Erfindung in sonstiger Weise angezeigt oder empfohlen. Der Vorgang geht dann zu Schritt S760 über.
In Schritt S760 wird die wahre stetige X-Achsen-(Y-Achsen)-Korrelationsfunktion für einen Abschnitt der wahren stetigen X-Achsen-(Y-Achsen)-Korrelationsfunktion charakterisiert, oder geschätzt, der im Wesentlichen im Verhältnis zu dem X-Achsen-(-Y-Achsen)-Korrelationsfunktionswertpunkt CFVPkey symmetrisch um das Extremum oder den Scheitel-Offset der wahren stetigen X-Achsen-(Y-Achsen)-Korrelationsfunktion angeordnet ist. Es ist nur notwendig, die wahre stetige X-Achsen-(Y-Achsen)-Korrelationsfunktion so weit zu charakterisieren oder zu schätzen, wie dies notwendig ist, um einen X-Achsen-(Y-Achsen)-Korrelationsfunktionswertpunkt zu schätzen, der im Verhältnis zu dem X-Achsen-(-Y-Achsen)-Korrelationsfunktionswertpunkt CFVPkey symmetrisch um das Extremum oder den Scheitel-Offset der wahren stetigen X-Achsen-(Y-Achsen)-Korrelationsfunktion angeordnet ist. Es sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Systeme und Verfahren in der zitierten Patentanmeldung 671 zum Schätzen des gewünschten Abschnitts der wahren stetigen X-Achsen-(Y-Achsen)-Korrelationsfunktion offenbart. Als nächstes wird in Schritt S770 der Wert x_e (y_e) eines X-Achsen-(Y-Achsen)-Punkts, der im Verhältnis zu dem X-Achsen-(-Y-Achsen)-Korrelationsfunktionswertpunkt CFVPkey symmetrisch um das Extremum oder den Scheitel- Offset der wahren stetigen X-Achsen-(Y-Achsen)-Korrelationsfunktion angeordnet ist, geschätzt. Es sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Systeme und Verfahren in der zitierten Patentanmeldung 671 zum Schätzen des Werts x_e (y_e) eines X-Achsen-(Y-Achsen)-Punkts, der im Verhältnis zu dem X-Achsen-(-Y-Achsen)-Korrelationsfunktionswertpunkt CFVPkey symmetrisch um das Extremum oder den Scheitel-Offset der wahren stetigen X-Achsen-(Y-Achsen)-Korrelationsfunktion angeordnet ist, offenbart. Die Steuerung geht dann zu Schritt S780 über.
In Schritt S780 wird der X-Achsen-(Y-Achsen)-Scheitel-Offsetwert als der Offset- oder X-Koordinaten-(Y-Koordinaten)-Wert des Symmetriepunkts, oder Mittelpunkts, zwischen dem zuvor bestimmten Koordinatenwert des X-Achsen-(-Y-Achsen)-Korrelationsfunktionswertpunkts CFVPkey und x_e (y_e) geschätzt. Dann wird in Schritt S790 der X-Achsen-(Y-Achsen)-Scheitel-Offsetwert gemäß den vorbestimmten Aufbaufaktoren in eine X-Achsen-(Y-Achsen)-Verschiebung umgewandelt. Als nächstes wird in Schritt S796 der zuvor bestimmte X-Achsen-(Y-Achsen)-Scheitel-Offset oder die Verschiebung mit Subpixelauflösung ausgegeben. Zuletzt kehrt in Schritt S799 der Vorgang zu Schritt S800 zurück. Es versteht sich, dass in verschiedenen Ausführungsbeispielen gemäß dieser Erfindung die Schritte S710 bis S790 für jede der zu analysierenden Messachsen 111 und 112 (X-Achse und Y-Achse) wiederholt oder gleichzeitig durchgeführt werden, und dass in solchen Ausführungsformen die Schritte S796 und S799 für beide Achsen gleichzeitig durchgeführt werden.
16 ist ein Flussdiagramm, das ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens, das besonders mit den Ausführungsbeispielen der 2D-Skalenmuster 500 und 600 aus 9 und 10 nutzbar ist, zum Bestimmen der Position eines zufrieden stellenden Codepositionsindikators und eines lokalen Bezugspunktes in dem Bild gemäß dieser Erfindung genauer darstellt. Wie in 16 gezeigt, beginnt das Verfahren in Schritt S300 und geht zu Schritt S370 über, wo eine beliebige Reihe des gewonnenen Bildes ausgewählt wird. Dann wird in Schritt S375 die ausgewählte Reihe analysiert, um eine Region zu lokalisieren, die ein einzigartiges vorbestimmtes Übergangsmuster ergibt, oder irgendein Element eines Satzes von einzigartigen vorbestimmten Übergangsmustern, von denen wenigstens eins in jeder Reihe des Bildes vorhanden ist. In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist ein solcher Satz von einzigartigen vorbestimmten Übergangsmustern ein Übergangsmuster auf, das zugehörigen „fehlenden" oder extremwertigen Skalenmerkmalbereichen entspricht. Als nächstes wird in Schritt S380 basierend auf dem lokalisierten vorbestimmten Übergangsmuster eine Spalte basierend auf der Position des lokalisierten vorbestimmten Übergangsmusters ausgewählt. Der Vorgang geht dann zu Schritt S385 über.
In Schritt S385 wird die ausgewählte Spalte analysiert, um die Position eines zufrieden stellenden Codeabschnittindikators und lokalen Bezugspunkts zu lokalisieren, die anhand der Analyse der ausgewählten Spalte sicher lokalisiert werden kann. Als nächstes wird in Schritt S390 die Position des lokalen Bezugspunkts analysiert, um die Offsetpositionsdistanzen zweiter Auflösung d₂ und d₃ in dem Bild entlang jeder der ersten und zweiten Messachse für den lokalen Bezugspunkt zu bestimmen, die mit dem lokalen Bezugspunktabschnitt assoziiert sind. Der Vorgang geht dann zu Schritt S395 über, wo der Vorgang zu Schritt S400 zurückkehrt.
17 ist ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel der Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 200 aus 1 genauer darstellt. Wie in 17 gezeigt, weist die Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 200 eine Steuerung 205, einen Lichtquellentreiber 220, eine Lichtdetektorschnittstelle 225, einen Speicher 230, einen Abschnittslokalisierungsschaltkreis 240, einen Decodierschaltkreis 250, einen Distanzbestimmungsschaltkreis 260, einen Vergleichsschaltkreis 270, eine Vergleichsresultat-Akkumulation 275, einen Interpolationsschaltkreis 280, einen Positionsakkumulator 290, einen Bildschirmtreiber 201 und eine optische Eingabeschnittstelle 203 auf.
Die Steuerung 205 ist mit dem Lichtquellentreiber 220 über eine Signalleitung 206 verbunden, mit der Lichtdetektorschnittstelle 225 über eine Signalleitung 207, und mit dem Speicher 230 über eine Signalleitung 208. Ähnlich ist die Steuerung 205 über Signalleitungen 209 bis 215 jeweils mit dem Abschnittslokalisierungsschaltkreis 240, dem Decodierschaltkreis 250, dem Distanzbestimmungsschaltkreis 260, dem Vergleichsschaltkreis 270, dem Vergleichsresultat-Akkumulator 275, dem Interpolationsschaltkreis 280 bzw. dem Positionsakkumulator 290 verbunden. Schließlich ist die Steuerung 205 mit dem Bildschirmtreiber 201 über eine Signalleitung 216 und, wenn vorgesehen, mit der Eingabeschnittstelle 203 über eine Signalleitung 217 verbunden. Der Speicher 230 weist einen Abschnitt für aktuelle Bilder 232, einen Referenzbildabschnitt 234, und einen Korrelationsabschnitt 236 auf.
Im Betrieb gibt die Steuerung 205 über die Signalleitung 206 ein Steuersignal an den Lichtquellentreiber 220 aus. In Reaktion gibt der Lichtquellentreiber 220 über die Signalleitung 132 ein Antriebssignal an die Lichtquelle 130 aus. Im Folgenden gibt die Steuerung 205 über die Signalleitungen 207 und 208 ein Steuersignal an die Lichtdetektorschnittstelle 225 und den Speicher 230 aus, um die Signalabschnitte, die über die Signalleitung 164 von dem Lichtdetektor 160 empfangen wurden, und die jedem der Bildelemente 162 entsprechen, in dem Abschnitt für das aktuelle Bild 232 zu speichern. Insbesondere werden die Bildwerte von den einzelnen Bildelementen 162 in einem 2D-Array in dem Abschnitt für aktuelle Bilder 232 gespeichert, die den Positionen der einzelnen Bildelemente 162 in dem Array 166 entsprechen.
Nachdem das gewonnene oder aktuelle Bild in dem Abschnitt für aktuelle Bilder 232 gespeichert wurde, wird das aktuelle Bild über eine Signalleitung 238 an den Abschnittslokalisierungsschaltkreis 240 ausgegeben. Dann analysiert der Abschnittslokalisierungsschaltkreis 240 anhand der Steuersignale, die von der Steuerung 205 über die Signalleitungen 209 ausgegeben werden, eine oder mehrere Reihen oder eine oder mehrere Spalten des gewonnenen Bildes, das in dem Abschnitt für aktuelle Bilder 232 gespeichert ist, um den vorbestimmten Abschnitt 320 (oder 520 oder 620) und/oder den Codeabschnitt 330 (oder 530 oder 630) zu lokalisieren. Insbesondere kann diese Analyse, abhängig von dem jeweiligen Aufbau aus 8 bis 10, der in der 2D-Skala 110 implementiert ist, das entsprechende Verfahren benutzen, das oben in Bezug auf 8 bis 10 erläutert wurde. So kann in verschiedenen Ausführungsformen der Abschnittslokalisierungsschaltkreis 240 zusammen mit dem Vergleichsschaltkreis 270 und dem Vergleichsresultat-Akkumulator 275 betätigt werden. Dann gibt der Decodierschaltkreis 250 anhand von Steuersignalen von der Steuerung 205 über die Signalleitung 210 von dem Abschnitt für das aktuelle Bild 232 des Speichers 230 den Codeabschnitt, wie von dem Abschnittslokalisierungsschaltkreis 240 lokalisiert, der in dem gewonnenen Bild erscheint, ein.
Der Decodierschaltkreis 250 wandelt dann das Muster aus hellen und dunklen Pixeln in dem lokalisierten Abschnitt des gewonnenen Bildes in ein oder mehrere Codewörter um und wandelt unter Benutzung eines der verschiedenen oben erläuterten Verfahren das Codewort oder die Codewörter in ein Paar von Absolutpositions messwerten erster Auflösung um. Der Decodierschaltkreis 250 gibt diese Absolutpositionsmesswerte erster Auflösung an den Positionsakkumulator 290 über eine Signalleitung 252 aus.
Als nächstes gibt die Steuerung 205 basierend auf dem vorbestimmten Abschnitt oder Codeabschnitt, der von dem Abschnittslokalisierungsschaltkreis 240 lokalisiert wurde, über die Signalleitung 211 Steuersignale an den Abstandsbestimmungsschaltkreis 260 aus. In Reaktion gibt der Distanzbestimmungsschaltkreis 260 das gesamte gewonnene Bild oder einen Teil des gewonnenen Bildes, einschließlich wenigstens der Referenzposition für den lokalen Bezugspunkt, wie z. B. die Kanten des gewonnenen Bildes, und den Abschnitt des gewonnenen Bildes, der benötigt wird, um die Position des lokalen Bezugspunkts von dem Abschnitt für das aktuelle Bild 232 des Speichers 230 zu bestimmen, aus.
Der Distanzbestimmungsschaltkreis 260 analysiert dann diesen Eingabeabschnitt des gewonnenen Bildes, um die Distanzmesswerte zweiter Auflösung für die 2D-Position des Lesekopfes im Verhältnis zu der 2D-Skala basierend auf den Abständen des lokalen Bezugspunkts zu den entsprechenden Referenzpositionen für den lokalen Bezugspunkt zu bestimmen. Der Distanzbestimmungsschaltkreis 260 gibt diese Distanzmesswerte zweiter Auflösung über eine Signalleitung 262 an den Positionsakkumulator 290 aus.
Dann gibt die Steuerung 205 über die Signalleitung 209 ein Signal an den Vergleichsschaltkreis 270 aus, um die geeigneten Korrelationsverfahren, die oben in Bezug auf 8 bis 11 und 15 erläutert wurden, oder Ähnliches, zu implementieren. In verschiedenen Ausführungsbeispielen werden die verschiedenen eindimensionalen Korrelationskurven oder Korrelationsfunktionswerte für die geeigneten Offsets der geeigneten Reihen- und Spaltenabschnitte bestimmt. Alternativ werden in verschiedenen Ausführungsbeispielen verschiedene zweidimensionale Korrelationsfunktionen oder Korrelationsfunktionswerte für die geeigneten Offsets der geeigneten Reihen- und Spaltenabschnitte bestimmt. Zusätzlich werden, wie oben in Bezug auf den Vorgang bezüglich der beispielhaften Skala aus 8 gezeigt, in verschiedenen Ausführungsbeispielen von der Steuerung 205 Korrelationsfunktionswerte erzeugt, wobei der Vergleichsschaltkreis 270 und der Vergleichsresultat-Akkumulator 275 zusammen mit der Steuerung 205 betätigt werden, die den Abschnittslokalisierungsschaltkreis betätigt, um die geeigneten Reihen- und Spaltenabschnitte zu lokalisieren, wie oben in Bezug auf 8 erläutert.
In Reaktion auf die Steuersignale von der Steuerung 205, eine bestimmte Korrelationskurve oder eine bestimmte der Korrelationskurven oder Korrelationsfunktionswerte zu erzeugen, die für jede geeignete Achse erzeugt werden sollen, gibt der Vergleichsschaltkreis 270 über die Signalleitung 238 einen Bildwert für einen bestimmten Pixel von dem entsprechenden Abschnitt des aktuellen Bildes ein, das in dem Abschnitt für aktuelle Bilder 232 gespeichert ist, und gibt über die Signalleitung 238 basierend auf dem aktuellen Offset den Bildwert für den entsprechenden Pixel von dem geeigneten Referenzbild ein, das in dem Referenzbildabschnitt 234 gespeichert ist. Der Vergleichsschaltkreis 270 wendet dann einen Korrelationsalgorithmus an, um ein Vergleichsresultat zu bestimmen. Jedes geeignete Korrelationsverfahren, bekannt oder später entwickelt, kann von dem Vergleichsschaltkreis 270 benutzt werden, um basierend auf dem aktuellen Offset auf einer Pixel-für-Pixel-Basis das aktuelle Bild, das in dem Abschnitt für aktuelle Bilder 232 gespeichert ist, mit dem Referenzbild zu vergleichen, das in dem Referenzbildabschnitt 234 gespeichert ist. Der Vergleichsschaltkreis 270 gibt das Vergleichsresultat über eine Signalleitung 272 an den Vergleichsresultat-Akkumulator 275 für den aktuellen Korrelationsoffset aus.
Sobald der Vergleichsschaltkreis 270 von dem Abschnitt für aktuelle Bilder 232 den Bildwert für jedes der Bildelemente 162 für die jeweilige Korrelationskurve oder die jeweiligen Korrelationsvergleichswerte extrahiert und verglichen hat und diese mit den entsprechenden Bildwerten verglichen hat, die in dem Referenzbildabschnitt 234 gespeichert sind, und das Korrelationsverfahren angewandt hat, und das Vergleichsresultat an den Vergleichsresultat-Akkumulator 275 ausgegeben hat, definiert der Wert, der in dem Vergleichsresultat-Akkumulator 275 gespeichert ist, den Korrelationswert, der dem aktuellen 2D- oder X- oder Y-Offset in vorbestimmten Einheiten entspricht. Die Steuerung 205 gibt dann über die Signalleitung 213 ein Signal an den Vergleichsresultat-Akkumulator 275 und über die Signalleitung 208 an den Speicher 230 aus. Als Resultat wird das Korrelationswertresultat, das in dem Vergleichsresultat-Akkumulator 275 gespeichert ist, ausgegeben und in dem Korrelationsabschnitt 236 des Speichers 230 an einer Position gespeichert, die dem aktuellen 2D-, X- oder Y-Offset entspricht.
Die Steuerung 205 gibt dann über die Signalleitung 233 ein Signal aus, um den Resultat-Akkumulator 275 zu löschen. Sobald alle Vergleiche für alle gewünschten Offsets zwischen dem aktuellen Bild, das in dem Abschnitt für aktuelle Bilder 232 gespeichert ist, und dem Referenzbild, das in dem Referenzbildabschnitt 234 gespeichert ist, für die jeweilige Korrelationskurve oder die jeweiligen Korrelationsfunktionswerte von dem Vergleichsschaltkreis 270 durchgeführt wurden, und die Resultate, die von dem Vergleichsresultat-Akkumulator 275 akkumuliert wurden und in dem Korrelationsabschnitt 236 unter Steuerung der Steuerung 205 gespeichert wurden, gibt die Steuerung 205 über die Signalleitung 214 ein Steuersignal an den Interpolationsschaltkreis 280 aus und/oder über die Signalleitungen 209 an den Abschnittlokalisierungsschaltkreis 240.
Für die 2D-Korrelationskurve, die von dem Vergleichsschaltkreis 270 und dem Vergleichsresultat-Akkumulator 275 erzeugt wird, wird dann die gespeicherte 2D-Korrelationskurve, die in dem Korrelationsabschnitt 236 des Speichers 230 gespeichert ist, unter Steuerung der Steuerung 205 an den Interpolationsschaltkreis 280 ausgegeben. Das heißt, der Interpolationsschaltkreis 280 gibt die Korrelationsresultate, die in dem Korrelationsabschnitt 236 gespeichert sind, über die Signalleitung 238 für die 2D-Korrelationskurve oder die Korrelationsfunktionswerte ein, und interpoliert unter Benutzung ausgewählter Korrelationsfunktionswertpunkte in der Nachbarschaft des Scheitels/Tals der Korrelationsfunktion, um den Scheitel-Offsetwert oder den Bildverschiebungswert mit Subpixelauflösung in der X- und der Y-Richtung zu bestimmen. Der Interpolationsschaltkreis 280 gibt dann, unter Steuerung des Signals von Steuerung 205 über Signalleitung 214, den bestimmten Messwert von dritter Subpixelauflösung über eine Signalleitung 282 an den Positionsakkumulator 290 aus.
Der Interpolationsschaltkreis 280 benutzt irgendein bekanntes oder später entwickeltes Verfahren, wie z. B. eines der Verfahren, die in der zitierten Patentschrift 671 offenbart sind, um die tatsächliche Position des ausgewählten Scheitels der 2D-Korrelationsfunktion oder Korrelationsfunktionswerte mit einer Subpixelauflösung zu ermitteln. Die Inkremental-Offset-Positionsinformation mit Subpixelauflösung wird von dem Interpolationsschaltkreis 280 über die Signalleitung 282 an den Positionsakkumulator 290 ausgegeben.
Der Positionsakkumulator 290 kombiniert die 2D-Positions- oder Distanzmesswerte, die von jedem der Schaltkreise Decodierschaltkreis 250, Distanzbestimmungsschaltkreis 260 und Interpolationsschaltkreis 280 ausgegeben werden, um eine 2D-Absolutpositionsmessung dritter Auflösung zu erzeugen, die die Position des Lesekopfes im Verhältnis zu der Skala anzeigt. Der Positionsakkumulator 290 gibt die 2D-Absolutpositionsmessung über die Signalleitung 292 an die Steuerung 205 aus. Die Steuerung 205 gibt dann die bestimmte Absolutpositionsmessung über eine Signalleitung 216 an einen Bildschirmtreiber 201 aus. Der Bildschirmtreiber 201 treibt einen Bildschirm (nicht dargestellt) durch Ausgeben von Steuersignalen über eine Signalleitung 202 an, um die bestimmte Absolutpositionsmessung auszugeben.
In Reaktion kann die Steuerung 205 die aktualisierten 2D-Positionswerte über die Signalleitung 217 an den Bildschirmtreiber 201 ausgeben, wenn sie bereitgestellt werden. Der Bildschirmtreiber 201 gibt dann die Antriebssignale über die Signalleitung 202 an die Bildschirmvorrichtung 107 aus, um den aktuellen Verschiebungswert darzustellen.
Eine oder mehrere Signalleitungen 204 ermöglichen, falls sie vorgesehen sind, eine Schnittstelle zwischen einem Nutzer oder einem kooperierenden System und der Steuerung 205. Wenn vorgesehen, kann die Eingabeschnittstelle 203 die Eingabesignale oder Befehle puffern oder umwandeln und das geeignete Signal an die Steuerung 205 übertragen.
Man wird verstehen, dass die vorangegangenen Ausführungen Skalen 110 betonen, wobei jeder der Codeabschnitte 330 (und 530 und 630) eine charakteristische Erstreckung entlang der Messachsenrichtung 112 aufweist und jeder der quasizufälligen Musterabschnitte 310 eine charakteristische Erstreckung entlang der Messachsenrichtung 112 aufweist. Allerdings können die Erstreckungen in verschiedenen anderen Ausführungsformen innerhalb von einem oder mehreren quasizufälligen Musterabschnitten 310 und/oder einem oder mehreren Codeabschnitten 330 variieren. Trotzdem müssen in solchen Fällen die Codeelemente jedes Codeabschnitts 330 immer noch indikativ für einen Messwert eines lokalen Bezugspunkts sein, auch wenn die lokalen Bezugspunkte nicht notwendigerweise periodisch entlang der Skala auftreten.
In verschiedenen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele ist die Skala 110 ein ebenes Element. Allerdings wird man verstehen, dass die Skala 110 in verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen ein zylindrisches Element ist, das eine Rotationsachse aufweist, oder das wenigstens einen Abschnitt einer zylindrischen Fläche begrenzt, die eine Zylinderachse begrenzt. In diesem Fall werden zweidimensionale integrierte Skalenmuster gemäß dieser Erfindung derart auf die zylindrische Skala 110 angewandt, dass eine der ersten und zweiten Messachsen 111 und 112 parallel zu der Zylinderachse ist, während die andere der ersten und zweiten Messachse 111 und 112 entlang dem Umfang des zylindrischen Elements oder der zylindrischen Fläche angeordnet ist. So kann ein zweidimensionales Skalenmuster 300 gemäß dieser Erfindung benutzt werden, um die Absolutposition eines Lesekopfes in Bezug auf eine zylindrische Fläche festzustellen.
Man wird außerdem verstehen, dass, während verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, eine breite Auswahl von alternativen Codes und Erfassungsmodellen für die Codeabschnitte benutzt werden kann, und eine breite Auswahl von alternativen Hardware- und Softwaremodellen anwendbar sind, um die Position der quasizufälligen Muster im Verhältnis zu dem Lesekopf zu erfassen, um den Messwert dritter Auflösung gemäß den Prinzipien dieser Erfindung bereitzustellen. Man wird außerdem verstehen, dass vor allem zum Zweck einer klaren und einfachen Beschreibung in den vorangegangenen Ausführungen verschiedene Vorgänge und Merkmale unter Bezugnahme auf die eine oder die andere der Achsen X-Achse und der Y-Achse beschrieben wurden. Allerdings können die verschiedenen Vorgänge und Merkmale, die hier in Bezug auf eine Achse beschrieben wurden, genauso gut in unterschiedlichen Kombinationen auf andere Achsen in verschiedenen Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung angewandt werden. So wird man verstehen, dass diese und andere verschiedene Veränderungen an den verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, die hier dargestellt und beschrieben wurden, durchgeführt werden können, ohne den Geist und den Umfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Vorrichtung zum Messen einer zweidimensionalen Absolutposition, nutzbar zum Messen einer Position eines ersten Elements in Bezug auf ein zweites Element entlang einer ersten und einer zweiten Messachse, wobei die Vorrichtung zum Messen einer zweidimensionalen Absolutposition einen Lesekopf und eine Skala aufweist, wobei die Skala ein integriertes zweidimensionales Skalenmuster aufweist, das sich entlang der ersten und zweiten Messachse erstreckt, wobei das integrierte zweidimensionale Skalenmuster Folgendes aufweist: mehrere quasizufällige Musterabschnitte, wobei sich jeder quasizufällige Musterabschnitt entlang der ersten und zweiten Messachse erstreckt und eine erste und eine zweite Abmessung aufweist, und wobei jeder quasizufällige Musterabschnitt wenigstens einen Abschnitt von wenigstens einem quasizufälligen Muster aufweist; und mehrere Codeabschnitte, die innerhalb des integrierten zweidimensionalen Skalenmusters verteilt sind und entlang einer ersten Richtung mit im Wesentlichen der ersten Abmessung beabstandet sind und entlang einer zweiten Richtung mit im Wesentlichen der zweiten Abmessung beabstandet sind, wobei jeder Codeabschnitt mehrere Codeelemente aufweist, die wenigstens ein Codewort definieren, wobei das wenigstens eine Codewort benutzbar ist, um einen Messwert eines lokalen Bezugspunkts entlang jeder der ersten und zweiten Messachse zu identifizieren; wobei die quasizufälligen Musterabschnitte und die Codeabschnitte derart vorgesehen sind, dass ein Detektionsfenster des Lesekopfes, das sich entlang jeder der ersten und zweiten Richtung erstreckt, eine Anzahl von Codeelementen aufweist, die ausreichend ist, um wenigstens ein Codewort zu definieren, wobei das definierte wenigstens eine Codewort benutzbar ist, um den Messwert eines entsprechenden lokalen Bezugspunkts entlang der ersten und zweiten Messachse zu identifizieren, unabhängig von der Position des Detektionsfensters innerhalb des integrierten zweidimensionalen Skalenmusters.
Vorrichtung zum Messen einer zweidimensionalen Absolutposition nach Anspruch 1, wobei ein vorbestimmter Abschnitt jedes Codeabschnitts ein Muster aufweist, das für jeden Codeabschnitt identisch ist.
Vorrichtung zum Messen einer zweidimensionalen Absolutposition nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der wenigstens eine Abschnitt von wenigstens einem quasizufälligen Muster eines von a) ein Abschnitt eines einzelnen quasizufälligen Musters, der größer ist als der Zufallsmusterabschnitt, b) mehrere ähnliche quasizufällige Muster, die kleiner sind als der Zufallsmusterabschnitt, c) mehrere unterschiedliche quasizufällige Muster, die kleiner sind als der Zufallsmusterabschnitt, und d) ein einzelnes vollständiges quasizufälliges Muster, das dieselbe Größe aufweist wie der Zufallsmusterabschnitt, aufweist.
Vorrichtung zum Messen einer zweidimensionalen Absolutposition nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Abschnitt von wenigstens einem quasizufälligen Muster ein Muster aufweist, das für mehrere quasizufällige Musterabschnitte identisch ist.
Vorrichtung zum Messen einer zweidimensionalen Absolutposition nach Anspruch 4, wobei der wenigstens eine Abschnitt von wenigstens einem quasizufälligen Muster ein Muster aufweist, das für alle quasizufälligen Musterabschnitte identisch ist.
Vorrichtung zum Messen einer zweidimensionalen Absolutposition nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Prozentsatz eines Bereichs des Detektionsfensters, der von den Codeabschnitten besetzt ist, höchstens 20% beträgt, unabhängig von der Position des Detektionsfensters entlang der ersten und zweiten Messachse im Verhältnis zu dem wenigstens einen quasizufälligen Muster und den Codeabschnitten.
Vorrichtung zum Messen einer zweidimensionalen Absolutposition nach Anspruch 6, wobei der Prozentsatz höchstens 10% beträgt.
Vorrichtung zum Messen einer zweidimensionalen Absolutposition nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das integrierte zweidimensionale Skalenmuster wenigstens eine diffus reflektierende Fläche aufweist.
Vorrichtung zum Messen einer zweidimensionalen Absolutposition nach Anspruch 8, wobei: die Skala ein transparentes Substrat aufweist, wobei das integrierte zweidimensionale Skalenmuster auf einer Fläche des Substrats vorgesehen ist, die am weitesten von dem Lesekopf entfernt ist; und die wenigstens eine diffus reflektierende Fläche wenigstens einen Abschnitt mit wenigstens einer diffusen Unterschicht aufweist, die an oder über dem integrierten zweidimensionalen Skalenmuster auf der Fläche vorgesehen ist, die am weitesten von dem Lesekopf entfernt ist.
Vorrichtung zum Messen einer Absolutposition nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster Teil der Anzahl von Codeelementen, die ausreicht, um das definierte wenigstens eine Codewort zu definieren, in einem ersten von mehreren Codeabschnitten enthalten ist, die wenigstens teilweise in dem Detektionsfenster enthalten sind, und wobei ein zweiter Teil der Anzahl von Codeelementen, die ausreicht, um das definierte wenigstens eine Codewort zu definieren, in einem zweiten der Codeabschnitte enthalten ist, die wenigstens teilweise in dem Detektionsfenster enthalten sind.
Vorrichtung zum Messen einer Absolutposition nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Detektionsfenster des Lesekopfes wenigstens einen vollständigen Codeabschnitt enthält, der die Anzahl von Codeelementen enthält, die ausreicht, um das definierte wenigstens eine Codewort zu definieren, unabhängig von der Position des Detektionsfensters innerhalb des integrierten zweidimensionalen Skalenmusters.
Vorrichtung zum Messen einer Absolutposition nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: der Lesekopf eine Lichtquelle und einen Zweidimensionaldetektorarray aufweist, der benutzbar ist, um ein Bild der Skala zu erfassen, das sich gemeinsam mit dem Detektionsfenster erstreckt; und die Codeelemente entlang dem integrierten Skalenmuster derart angeordnet sind, dass, wenn der Lesekopf operable im Verhältnis zu der Skala angeordnet ist, das erfasste Bild der Skala ein Merkmal enthält, das benutzbar ist als der lokale Bezugspunkt, unabhängig von der Position des Detektionsfensters innerhalb des integrierten zweidimensionalen Skalenmusters.
Vorrichtung zum Messen einer Absolutposition nach Anspruch 12, wobei das erfasste Bild benutzbar ist, um einen Messwert eines Offset des Lesekopfes im Verhältnis zu dem lokalen Bezugspunkt entlang jeder der zwei Richtungen zu bestimmen, die jeweils der ersten bzw. der zweiten Messachse entsprechen.
Vorrichtung zum Messen einer Absolutposition nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes wenigstens eine Codewort direkt benutzbar ist, um einen Messwert eines lokalen Bezugspunkts entlang jeder der ersten und zweiten Messachse ohne Bezugnahme auf eine Suchtabelle zu bestimmen.
Vorrichtung zum Messen einer Absolutposition nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Signalverarbeitungseinheit aufweist, wobei, wenn ein operabel angeordneter Lesekopf ein Bild der Skala erfasst, die Signalverarbeitungseinheit benutzbar ist, um einen Absolutmesswert erster Auflösung eines lokalen Bezugspunkts entlang jeder der ersten und zweiten Messachse anhand der ausreichenden Anzahl von Codeelementen, die in dem erfassten Bild enthalten sind, zu bestimmen.
Vorrichtung zum Messen einer Absolutposition nach Anspruch 15, wobei die Signalverarbeitungseinheit ferner benutzbar ist, um einen Messwert eines Offsets des Lesekopfes im Verhältnis zu dem lokalen Bezugspunkt entlang jeder der zwei Richtungen zu bestimmen, die der ersten bzw. der zweiten Messachse entsprechen, basierend auf wenigstens einem von a) die Position des lokalen Bezugspunkts in dem erfassten Bild, und b) die Position des wenigstens einen Abschnitts des wenigstens einen quasizufälligen Musters in dem erfassten Bild, wobei der Messwert des Offsets des Lesekopfes im Verhältnis zu dem lokalen Bezugspunkt eine Messauflösung aufweist, die feiner ist als der Absolutmesswert erster Auflösung entlang jeder der ersten und zweiten Messachse.
Vorrichtung zum Messen einer Absolutposition nach Anspruch 16, wobei die Signalverarbeitungseinheit ferner benutzbar ist, um den Absolutmesswert erster Auflösung des lokalen Bezugspunkts entlang der ersten Messachse und den Messwert des Offsets des Lesekopfes im Verhältnis zu dem lokalen Bezugspunkt entlang der ersten Messachse zu kombinieren, um eine Absolutpositionsmessung entlang der ersten Messachse mit einer Messauflösung zu bestimmen, die feiner ist als die Absolutpositionsmessung erster Auflösung.
Vorrichtung zum Messen einer Absolutposition nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Signalverarbeitungseinheit ferner benutzbar ist, um den Absolutmesswert erster Auflösung des lokalen Bezugspunkts entlang der zweiten Messachse und den Messwert des Offsets des Lesekopfes im Verhältnis zu dem lokalen Bezugspunkt entlang der zweiten Messachse zu kombinieren, um eine Absolutpositionsmessung entlang der zweiten Messachse mit einer Messauflösung zu bestimmen, die feiner ist als die Absolutpositionsmessung erster Auflösung.
Vorrichtung zum Messen einer Absolutposition nach Anspruch 16 bis 18, wobei die Signalverarbeitungseinheit einen Speicherabschnitt aufweist, der Daten enthält, die benutzbar sind, um wenigstens eine Referenzbilddarstellung derart zu bilden, dass wenigstens eine Referenzbilddarstellung mit dem wenigstens einen Abschnitt von wenigstens einem quasizufälligen Muster in dem erfassten Bild in Korrelation setzbar ist, um den Messwert eines Offsets des Lesekopfes im Verhältnis zu dem lokalen Messwert entlang jeder der zwei Richtungen zu bestimmen, die der ersten bzw. der zweiten Messachse entsprechen.
Vorrichtung zum Messen einer Absolutposition nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Abschnitt von wenigstens einem quasizufälligen Muster wenigstens einen Abschnitt aufweist, der auf einem echten Zufallsmuster basiert.
Vorrichtung zum Messen einer Absolutposition nach Anspruch 20, wobei das echte Zufallsmuster ein Fleckenmuster aufweist.
Vorrichtung zum Messen einer Absolutposition nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Abschnitt von wenigstens einem quasizufälligen Muster wenigstens einen Abschnitt aufweist, der auf einem synthetisch erzeugten Zufallsmuster basiert.
Vorrichtung zum Messen einer Absolutposition nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Codeabschnitte eine relativ schmale Anordnung von Codeelementen aufweisen, die sich entlang wenigstens einer der ersten und der zweiten Richtung erstrecken, wobei die relativ schmale Anordnung eine relativ längere Abmessung und eine relativ schmalere Abmessung aufweist, wobei die relativ längere Abmessung wenigstens das Achtfache der relativ schmaleren Abmessung beträgt.
Vorrichtung zum Messen einer Absolutposition nach Anspruch 23, wobei sich entlang wenigstens einer Richtung die relativ längere Abmessung über den entsprechenden quasizufälligen Musterabschnitt erstreckt.
Verfahren zum Bestimmen einer Absolutposition eines zweidimensionalen Detektorarrays entlang einer zweidimensionalen Absolutskala mit hoher Auflösung, wobei die zweidimensionale Absolutskala ein integriertes zweidimensionales Skalenmuster aufweist, das sich entlang einer ersten und einer zweiten Messachse erstreckt, wobei das integrierte zweidimensionale Skalenmuster Folgendes aufweist: mehrere quasizufällige Musterabschnitte, wobei sich jeder quasizufällige Musterabschnitt entlang der ersten und zweiten Messachse erstreckt und eine erste und eine zweite Abmessung aufweist, und wobei jeder quasizufällige Musterabschnitt wenigstens einen Abschnitt von wenigstens einem quasizufälligen Muster aufweist; und mehrere Codegruppen, die innerhalb des integrierten zweidimensionalen Skalenmusters verteilt sind und entlang einer ersten Richtung mit im Wesentlichen der ersten Abmessung beabstandet sind und entlang einer zweiten Richtung mit im Wesentlichen der zweiten Abmessung beabstandet sind, wobei jeder Codeabschnitt mehrere Codeelemente aufweist, die wenigstens ein Codewort definieren, wobei das wenigstens eine Codewort benutzbar ist, um einen Messwert eines lokalen Bezugspunkts entlang jeder der ersten und zweiten Messachse zu identifizieren; wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erfassen eines Bildes eines Abschnitts des integrierten zweidimensionalen Skalenmusters, das einer aktuellen Position entspricht, unter Benutzung des Detektorarrays; Bestimmen eines Absolutmesswerts eines lokalen Bezugspunkts entlang jeder der ersten und zweiten Messachse, basierend auf wenigstens einer Codegruppe, die in dem erfassten Bild enthalten ist; Bestimmen eines Messwerts eines Offsets des Detektorarrays im Verhältnis zu dem lokalen Bezugspunkt entlang jeder der ersten und zweiten Messachse, basierend auf wenigstens einer von a) die Position des lokalen Bezugspunkts in dem erfassten Bild, und b) die Position des wenigstens einen Abschnitts von wenigstens einem quasizufälligen Muster in dem erfassten Bild; und Kombinieren des absoluten Messwerts des lokalen Bezugspunkts entlang jeder der ersten und zweiten Messachse und des Messwerts des Offsets des Detektorarrays im Verhältnis zu dem lokalen Bezugspunkt entlang jeder der ersten und zweiten Messachse, um eine Absolutposition des Detektorarrays entlang der ersten und zweiten Messachse der zweidimensionalen Absolutskala mit hoher Auflösung zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei: Jede Codegruppe einen vorbestimmten Abschnitt aufweist; und das Bestimmen des Absolutmesswerts des lokalen Bezugpunkts entlang jeder der ersten und zweiten Messachse, basierend auf wenigstens einer Codegruppe Folgendes umfasst: Bestimmen einer Position des vorbestimmten Abschnitts, der in wenigstens einer der wenigstens einen Codegruppe enthalten ist, Bestimmen einer Position der Codeelemente in dem erfassten Bild, basierend auf der bestimmten Position des vorbestimmten Abschnitts, und Verarbeiten des erfassten Bildes entsprechend der Position der Codeelemente, um Codeelementwerte der Codeelemente zu bestimmen, die in dem erfassten Bild erscheinen; und das Bestimmen der Messwerte des lokalen Bezugspunkts das Bestimmen des Messwerts des lokalen Bezugspunkts entlang jeder der ersten und zweiten Messachse, basierend auf den bestimmten Codeelementwerten, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 25 oder Anspruch 26, wobei: Der Detektorarray mehrere Detektorelemente aufweist, die sich in wenigstens einer Reihe entlang einer Richtung erstrecken, die der ersten Messachsenrichtung entspricht, wobei die Detektorelemente entlang dieser wenigstens einen Reihe gemäß einem ersten Detektorelementabstand beabstandet sind; der Detektorarray mehrere Detektorelemente aufweist, die sich in wenigstens einer Spalte entlang einer Richtung erstrecken, die der zweiten Messachsrichtung entspricht, wobei die Detektorelemente entlang dieser wenigstens einen Spalte gemäß einem zweiten Detektorelementabstand beabstandet sind; und das Bestimmen des Messwerts des Offsets des Detektorarrays im Verhältnis zu dem lokalen Bezugspunkt entlang jeder der ersten und zweiten Messachse Folgendes umfasst: Schätzen eines Offsets einer lokalen Bezugspunkteigenschaft im Verhältnis zu dem Detektorarray entlang der ersten Messachsenrichtung, Schätzen eines Offsets von wenigstens einem Abschnitt von wenigstens einem quasizufälligen Muster in dem erfassten Bild im Verhältnis zu dem Detektorarray entlang der ersten Messachsenrichtung mit einer Auflösung, die in dem erfassten Bild wenigstens so fein ist wie der erste Detektorelementabstand, Schätzen eines Offsets einer lokalen Bezugspunkteigenschaft im Verhältnis zu dem Detektorarray entlang der zweiten Messachsenrichtung, Schätzen eines Offsets von wenigstens einem Abschnitt von wenigstens einem quasizufälligen Muster in dem erfassten Bild im Verhältnis zu dem Detektorarray entlang der zweiten Messachsenrichtung mit einer Auflösung, die in dem erfassten Bild wenigstens so fein ist wie der zweite Detektorelementabstand, Bestimmen des Messwerts des Offsets des Detektorarrays im Verhältnis zu dem lokalen Bezugspunkt entlang der ersten Messachse, basierend wenigstens auf der Schätzung des Offsets des wenigstens einen Abschnitts des wenigstens einen quasizufälligen Musters im Verhältnis zu dem Detektorarray entlang der ersten Messachse, und Bestimmen des Messwerts des Offsets des Detektorarrays im Verhältnis zu dem lokalen Bezugspunkt entlang der zweiten Messachse, basierend wenigstens auf der Schätzung des Offsets des wenigstens einen Abschnitts des wenigstens einen quasizufälligen Musters im Verhältnis zu dem Detektorarray entlang der zweiten Messachse.