TWI532016B - A Method of Absolute Positioning of Fast Sub - pixels - Google Patents

Description

一種快速次像素絕對定位之方法

本發明係關於一種定位方法，特別是關於一種光斑次像素絕對定位方法。

許多CCD自動定位商品，利用攝影機拍照獲得工件的圖像，再利用現有軟體比對定位功能，執行幾何匹配定位、灰度匹配定位、圓心視覺定位、圖像定位、自動跟蹤定位，自動計算出到達定位座標所需之位移向量，再控制多軸平移台之運動，達到精確智慧定位的目的；然而CCD自動定位技術，基本上是利用CCD攝取工件之圖像，再利用圖形之影像灰階比對，所以圖像灰階分布之對比度、銳度，將影響比對定位精度。製作擁有空間高頻之物件，使其灰階圖像對比度、銳度都非常高，進而可以增加圖像比對定位精度。然而擁有空間高頻之識別、定位物面，有時不易製作，更需要較高製作經費。

不變形光斑影像是利用雷射光照射物面，由物面三維紋理散射雷射光，在感測器成像面所產生之干涉光斑影像，具有與三維物面紋理一一對應之特徵光斑，可以精確定位三維物面紋理；由於雷射光斑是一種干涉斑點，因此在一 個波長尺度(約1um)，就可能從完全破壞性光場(暗點)轉成完全建設性光場(亮點)，得到極高對比度及銳度之灰階圖像，使光斑影像之圖像定位非常精確，更由於光斑特徵點與物面三維紋理一一對應，因此能辨識、定位不變形光斑影像，等於對物面三維紋理做精確之辨識及定位。

然而不變形光斑影像之定位精度及定位速度目前無法兼得，若使用NCC、SAD、SSD等影像比對定位方法，雖然其影像比對定位速度較快，但其影像比對定位精度將被限制於一個影像感測器之像素大小，若利用SIFT、SURF等計算影像特徵多點定位方法，雖然可以獲得次像素定位精度，但其計算量龐大，會使影像定位速度變慢。

因此目前業界極需發展出一種高定位速度及精度的光斑影像比對方法，如此一來，方能同時兼具高定位精度與高定位速度，有效利用不變形光斑影像比對來完成精確定位。

鑒於上述悉知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種次像素絕對定位之方法，整合一即時光斑影像、一粗精度光斑座標影像、一細精度光斑座標影像及一演算法等，以完成快速比對、高精度的次像素定位。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種次像素絕對定位之方法，步驟包括：(A)擷取一目 標物表面之一即時光斑影像；(B)提供一組粗精度光斑座標影像及複數組細精度光斑座標影像，該粗精度光斑座標影像及該細精度光斑座標影像包含一座標值；(C)利用一演算法先比對該即時光斑影像與該粗精度光斑座標影像後再與該細精度光斑座標影像比對而得一座標值；其中每一張該粗精度光斑座標影像係對應一組細精度光斑座標影像，該細精度光斑座標影像係再擷取該粗精度光斑座標影像後，以一固定的細精度位移重覆取像而獲得。

步驟(C)中的演算法，可選自選自下列群組之任一者：SAD(Sum of Absolute Difference)、SSD(Sum of Square Difference)、NCC(Normalized Cross Correlation)、SIFT(Scale Invariant Feature Transform)、與SURF(Speed-Up Robust Features)。

本發明步驟(B)中的每一張粗精度光斑座標影像或細精度光斑座標影像皆包含一座標值，該座標值可以是線性座標值，或是角度座標值，其中，當該座標值是線性座標值時，該粗精度光斑座標影像可設置於一粗精度光斑座標影像資料庫中，該細精度光斑座標影像可設置於一細精度光斑座標影像資料庫中，或該粗精度光斑座標影像及細精度光斑座標影像設置在同一個光斑座標影像資料庫裏。

上述粗精度光斑座標影像資料庫可依下列步驟建立：在該目標物表面上定一量測起點，利用一不變形光斑取 像裝置取得第一張粗精度光斑座標影像，並利用一雷射干涉儀標定此粗精度光斑座標影像座標，再利用一伺服馬達移動目標物一粗精度光斑座標影像位移距離，再使用該不變形光斑取像裝置取得第2張粗精度光斑座標影像，同時記錄雷射干涉儀位移距離標定該第2張粗精度光斑座標影像座標，重覆上述動作，完成該組粗精度光斑座標影像建立，其中，該粗精度光斑座標影像資料庫可依下列原則擷取該定位用粗精度光斑座標影像而建立：D2△、ε1/2 D、△+ε=D D：粗精度光斑座標影像取像範圍、△：兩張相鄰粗精度光斑座標影像位移距離、ε：相鄰兩張粗精度光斑座標影像之重疊取像範圍。

上述細精度光斑座標影像資料庫可依下列步驟建立：(A)在第1張粗精度光斑座標影像取像後，立即以該伺服馬達移動目標物一細精度位移距離，再使用該不變形光斑取像裝置取得第1張細精度光斑座標影像，同時記錄雷射干涉儀位移距離標定該第1張細精度光斑座標影像座標，再重複上述步驟連續取得其他細精度光斑座標影像，並配合干涉儀定位座標，完成相對於第1張粗精度光斑座標影像的第一組細精度光斑座標影像；重複步驟(A)連續取得其他組細精度光斑座標影像及定位座標。

當該座標值是角度座標值時，該粗精度光斑座標 影像可設置於一粗精度光斑座標影像資料庫中，該細精度光斑座標影像可設置於一細精度光斑座標影像資料庫中，或該粗精度光斑座標影像及細精度光斑座標影像設置在同一個光斑座標影像資料庫裏；上述粗精度光斑座標影像資料庫可依下列步驟建立：在該目標物表面上定一量測起點，利用一不變形光斑取像裝置取得第一張粗精度光斑座標影像，並利用一角度定位裝置標定此光斑影像座標，再利用一伺服馬達轉動目標物一粗精度光斑座標影像位移角度，再使用該不變形光斑取像裝置取得第2張粗精度光斑座標影像，同時記錄角度定位裝置位移角度標定該第2張粗精度光斑座標影像座標，重覆上述動作，完成該組粗精度光斑座標影像建立，其中該角度定位裝置可選自雷射干涉儀、雷射陀螺儀或光纖陀螺儀其中之一。

上述細精度光斑座標影像資料庫係依下列步驟建立：(A)在第1張粗精度光斑座標影像取像後，立即以該伺服馬達轉動目標物一細精度位移角度，再使用該不變形光斑取像裝置取得第1張細精度光斑座標影像，同時記錄角度定位裝置位移角度標定該第1張細精度光斑座標影像座標，再重複上述步驟連續取得其他細精度光斑座標影像，並配合角度定位裝置定位座標，完成相對於第1張粗精度光斑座標影像的第一組細精度光斑座標影像；(B)重複步驟(A)連續取得其他組細精度光斑座標影像及定位座標。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

21‧‧‧前級光欄

22‧‧‧成像透鏡

23‧‧‧後級光欄

D‧‧‧粗精度光斑座標影像取像範圍

△‧‧‧相鄰兩張粗精度光斑座標影像位移 距離

△'‧‧‧細精度位移距離

ε‧‧‧相鄰兩張粗精度座標光斑影像之重疊取像範圍

第一圖係為一種目標物表面三維紋理結構散射雷射光分佈示意圖；第二圖係為本發明一種不變形光斑讀取頭之取像結構示意圖；第三圖係為本發明一種不變形光斑影像在二維影像感測器之成像(顯示器成像)示意圖；第四圖係為本發明一種次像素切割光斑影像示意圖；第五圖係為本發明一種粗精度光斑座標影像取像結構示意圖；第六圖係為本發明一種細精度光斑座標影像取像結構示意圖；第七圖係為本發明一種利用安捷倫5530雷射干涉儀來直接量測細精度光斑座標影像資料與本發明一種次像素絕對定位方法之實驗結果圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施 方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

本發明擷取目標物表面之即時光斑影像，係為一不變形光斑之取像，該不變形光斑取像架構不採用入射角等於反射角之鏡面反射取像架構，因為鏡面反射(入射角等於反射角)取像架構，所取得入射角等於反射角之零階繞射影像，將很容易與鄰近物面之高階繞射影像重疊，進而將此高階小訊號放大，而使原先零階繞射影像產生變化，大大降低光斑不變形特性。

本發明之不變形光斑取像架構，可利用在入射角±10度方向來量取光斑影像，並利用2個光欄21、23(optical aperture)徹底阻擋入射角等於反射角之光斑能量進入感測器，此種取像架構，去除鏡面反射光斑噪音，並在最靠近入射角(即儘量獲得高入射能量之取像角度)的方向(約±10度方向)來取得光斑影像，可以獲得訊噪比最佳之不變形光斑影像。

請參考第一圖，為一種目標物表面三維紋理結構散射雷射光分佈示意圖、請參考第二圖，為本發明一種不變形光斑讀取頭之取像結構示意圖。如圖所示，目標物表面三維紋理結構中之大範圍平坦物面可視為許多不同小角度之小物面連接而成，此小角度定義為小物面法線與大範圍平坦物面法線之夾角，每個小物面之法線不一樣，其平面可視為光學平面，可以產生小面積之鏡面反射，而不同方向之小物面 接軌區域，會產生高階繞射光，這是光斑噪音來源；如第一圖所示，一般光斑影像之取像面為平坦物面，此平坦物面三維紋理結構中，與水平面夾角為零度之小物面的比例最高、密度最大，所以入射角等於反射角之鏡面反射光斑影像能量最大，但也是噪音最大之取像角度，因為高密度零度小物面之鏡面反射光斑很容易與其他高階光斑互相重疊、干射，形成光斑噪音。

從光學反射原理知道，當入射光角度相對於水平面法線改變δ角，反射光角度會改變2δ角。令光斑讀取頭(未顯示)之取像角度與入射光角度偏差2Φ度，原先物面三維紋理結構中與水平面夾角Φ度之小物面，對此偏差2Φ取像結構，變成鏡面反射之取像物面。而如第二圖所示，若原先入射光線與水平面之夾角為θ，則相對於物面三維紋理結構中與水平面夾角0°小物面之鏡面反射光的角度亦為θ，此0°小物面之鏡面反射光因為光欄21、23阻擋，無法進入二維影像感測器；反觀，物面三維紋理結構中與水平面夾角為Φ度之小物面，其鏡面反射光與水平面夾角變為θ+2Φ，此角度剛好是不變形光斑取像結構之取像角度，Φ度小物面之鏡面反射光可以直接成像於二維影像感測器，形成不變形特徵光斑影像，例如：物面三維紋理結構中與水平面夾角為5°度之小物面，其鏡面反射光與水平面夾角變為θ+10°，又因為本發明不變形光斑取像裝置使用二個光欄21、23，將0°小物面之鏡面反射光斑能量完全阻 檔，只允許5°小物面之鏡面反射光斑進入二維感測器，由於5°小物面之鏡面反射光斑密度遠低於0°小物面，如此將使高階繞射光斑不易與5°小物面之鏡面反射光斑重疊，形成光斑噪音，因此，此種偏轉10°之光斑取像架構，將可以獲得訊噪比最佳之光斑影像，而其中5°小物面就是此10°偏轉取像架構之光斑影像成像物面，即是不變形光斑特徵小物面，此特徵小物面會依光學成像原理，在二維影像器之成像面形成光斑影像，又因為這是鏡面反射之成像點，因此成像點內之光場相位一致，會形成亮點光斑，這就是不變形光斑影像特徵點。

由於本發明係採用10°偏轉之不變形光斑取像架構，其不變形特徵物面就是三維物面紋理5°小物面，而5°小物面之鏡面反射光斑影像，依成像原理，像平面之光斑影像會與物平面之5°小物面，依光學放大倍率M等比例放大，所以在物平面以次像素位移距離連續移動、連續切割物平面取像，等於在像平面可獲得以次像素切割之光斑影像組，當二維影像感測器之填充率(fill factor)接近100%，次像素位移在影像感測像素引起之能量變化量若大於影像感測器背景噪音，則可利用SAD(Sum of Absolute Difference)、SSD(Sum of Square Difference)、或NCC(Normalized Cross Correlation)等影像比對、定位方法，精確比對、定位出每張次像素位移之光斑影像，這等於可以對物面做次像素精密定位。

請參考第三圖，為本發明一種不變形光斑影像在 二維影像感測器之成像(顯示器成像之)示意圖、請參考第四圖，為本發明一種次像素切割光斑影像示意圖。上述NCC、SAD、SSD等影像比對、定位方法，雖然比對、定位速度快，但定位精度限制於擷取光斑影像取像裝置感測器(detector)的像素(pixel)大小，但若利用切割光斑影像取像技術，可獲得次像素定位精度之複數細精度光斑座標影像組，再用NCC、SAD、SSD等影像比對、定位方法來比對定位細精度光斑座標影像組，就可獲得次像素之定位精度，突破原先一個像素定位精度之限制；如圖(第三、第四圖)所示，在不變形光斑影像取像裝置(光斑影像的取像裝置(detector))的成像透鏡22放大率為M=1的情況下，若是想獲得1/4像素定位精度之光斑影像，就須將光斑取像裝置以1/4像素大小(細精度位移距離)來移動切割物平面，每次移動1/4像素，移動3次，即可取得相應4(1+3=4)張細精度光斑影，由於不變形光斑影像為5°小物面之鏡面反射影像，因此1/4像素移動距離，移動3次，連續取像4次，等於對5°小物面影像在二維影像感測器做1/4像素之細分，只要取像裝置的二維影像感測器之影像填充率(fill factor)接近100%、系統取像噪音低於1/4像素位移量在影像感測器所產生之訊號差，則使用NCC、SAD、SSD等影像快速比對定位方法，就可以比對、定位1/4像素位移大小之4張細精度光斑座標影像，即可以對目標物表面(物面)做1/4像素位移之次像素定位精度。

但在物平面(目標物表面)執行次像素位移光斑取像時，隨著次像素切割愈精細，光斑座標資料庫影像張數愈多，比對定位速度會變得更慢，例如：一個光斑取像直徑20公分之光斑解角器，光斑取像圓周長度約62.8公分，若光斑定位精度要求為一個像素(10um大小)，則相鄰兩張座標光斑影像之位移距離為10um，因此整個光斑座標影像資料庫需要建立62.8k(62.8cm/10um=62800)張光斑座標影像。若要求定位精度為1/10像素(1um)，則相鄰兩張座標光斑影像之位移距離為1um，因此整個光斑座標影像資料需建立628K(62.8cm/1um=628000)張光斑影像，此10倍之資料量會使即時光斑影像比對定位次數增加10倍，導致比對定位時間增加10倍，定位速度變慢10倍。

請參考第五圖，為本發明一種粗精度光斑座標影像取像結構示意圖。為了解決上述問題，本發明揭露一種光斑影像雙精度資料庫比對、定位方法，用來同時解決定位精度及定位速度不相容的問題，其中粗精度光斑資料庫建立原則如下：1.先確定不變形光斑取像裝置的不變形光斑影像可移動距離L，相鄰兩張粗精度光斑影像位移距離△，若△小於此光斑不變形可移動距離L，△<L，則可保證用SAD、SSD、NCC、SIFT或SURF等方法做光斑影像位移比對時，可正確比對此二張光斑影像之位移距離，比對定位精度可達到一個像素大小；2.設計之粗精度光斑座標影像取像範圍D，必須小於 或等於光斑影像取像裝置的光斑不變形可移動距離(DL)，但大於相鄰兩張粗精度光斑座標影像取像位移距離(△)的2倍長度(D2△)，且相鄰兩張粗精度座標光斑影像之重疊取像範圍ε，需大於1/2粗精度光斑座標影像取像範圍(ε1/2D)，如圖五所示，粗精度光斑座標影像取像位移距離(△)加上相鄰兩張粗精度光斑座標影像之重疊取像範圍ε，等於粗精度光斑座標影像取像範圍D(△+ε=D)。在重疊取像範圍內之2張粗精度座標光斑影像，因為光斑影像的位移距離小於光斑不變形位移距離，所以會有幾乎完全一樣之光斑影像，可利用SAD、SSD、或NCC等快速比對、定位方法做光斑影像位移比對，精確計算出，相鄰二張座標光斑影像的位移向量。

本發明粗精度光斑座標影像建立方法如下：a.在線性座標領域，利用雷射干涉儀架設於光斑取像裝置上，在工作範圍內之起點，利用不變形光斑取像裝置取得第1張光斑座標影像，並利用雷射干涉儀標定此光斑影像座標為x1=0座標(重置雷射干涉儀位置讀值，使位置讀值為0，x1=0)，再利用伺服馬達移動光斑影像讀取頭移動△距離，再使用不變形光斑取像裝置取得第2張光斑座標影像，同時記錄雷射干涉儀位移距離讀值x2，令第2張光斑座標影像之座標值為x2；重覆上述動作，再移動光斑影像讀取頭△距離，並取得第3張光斑座標影像及其干涉儀座標讀值x3，……，再移動光斑影像讀取頭△距離，並取得第n張光斑座標影像及其干涉儀 座標讀值xn，當xn讀值大於工作範圍，完成n張粗精度光斑座標影像建檔，及n個干涉儀粗精度光斑座標位置讀值建檔，結束線性位移之粗精度光斑資料庫建立程序。b.在轉動座標領域，利用雷射干涉儀、雷射陀螺儀或光纖陀螺儀等角度精確量測裝備，架設於光斑解角器取像裝置上，在解角器標定為0°之位置，利用不變形光斑取像裝置取得第1張光斑座標影像，並利用雷射干涉儀、雷射陀螺儀或光纖陀螺儀等角度精確量測裝備，標定此光斑角度座標影像之角度座標讀值為θ1=0°，再利用伺服馬達轉動解角器，使解角器之光斑取像圓周切線位移距離為△，再使用不變形光斑取像裝置取得第2張光斑角度座標影像，同時記錄雷射干涉儀、雷射陀螺儀或光纖陀螺儀等角度精確量測裝備之角度讀值θ2，令第2張光斑角度座標影像之角度座標值為θ2；重覆上述動作，再轉動解角器，使解角器之光斑取像圓周切線位移距離為△，並取得第3張光斑角度座標影像及其角度座標讀值θ3，……，再轉動解角器，並取得第n張光斑角度座標影像及其角度座標讀值θn，當θn讀值大於360°，或是比對第n張光斑角度座標影像與第1張光斑角度座標影像，確認第n張光斑角度座標影像已經超越第1張光斑角度座標影像，完成n張光斑角度座標影像及n個角度座標讀值之建檔，結束光斑解角器之粗精度光斑資料庫建立程序。

請參考第六圖，為本發明細精度光斑座標影像取 像結構示意圖。如圖所示，本發明細精度光斑座標影像建立原則如下：使用單一不變形光斑取像裝置，同時建立粗精度光斑座標影像及細精度光斑座標影像，先設定不變形光斑取像裝置之成像透鏡22放大倍率為M、二維影像感測器之一個像素大小為η，設定相鄰2張粗精度光斑座標影像在物平面之位移距離為△，此相對於像平面之位移距離為N像素，則有N像素距離等於成像透鏡22放大倍率乘於△，(Nη=M×△)，而在物平面上利用伺服馬達驅動光斑讀取頭移動△距離連續取像，此相當於在二維感測器之像平面上，每位移N個像素就取一張粗精度光斑座標影像，同理，在物平面之細精度位移距離△'，相對於像平面之位移距離為δ，且δ=M×△'。因此在物平面要滿足細精度位移距離△'，相對於在像平面上必須將一個感測器像素η切割成P份，即必須建立1/P次像素之細精度光斑座標影像，且P=η/δ；由於每一張粗精度座標光斑影像，就是此粗精度座標光斑影像對應之P張次像素細精度光斑座標影像之第一張細精度光斑座標影像。因此建立P張次像素細精度座標光斑影像方法，就是在每一張粗精度光斑座標影像取完像後，立即利用伺服馬達，以△'位移距離(細精度位移距離)來驅動光斑讀取頭連續取像，再取得P-1張細精度光斑座標影像，並配合干涉儀定位出每張細精度光斑座標影像之位置讀值，整合第一張細精度光斑座標影像及後續P-1張細精度光斑座標影像即完成一個光斑讀取頭取像之粗精度 座標光斑影像及其相應之P張細精度光斑座標影像之建檔。

本發明細精度光斑座標影像建立方法如下：在第1張粗精度光斑座標影像取像後，立即以細精度位移距離△'，來取細精度光斑座標影像。將不變形光斑讀取頭移動P-1次，每次移動△'距離，連續取得P-1張細精度光斑座標影像，配合干涉儀定位讀值，完成第1張粗精度光斑座標影像相對應之P張細精度光斑座標影像，此細精度光斑座標影像編號為1-1、1-2、......、1-P，編號之前面位置讀值代表粗精度座標影像編號，後面位置讀值代表此粗精度座標影像相應之細精度座標影像編號，其中，編號1-1細精度光斑座標影像就是第一張粗精度座標影像，如此便完成第1張粗、細光斑座標影像及其位置座標讀值資料建檔；完成第一張粗、細精度座標資料建檔後，將不變形光斑讀取頭再移動[△-(P-1)△']距離，到達第2張粗精度光斑座標影像位置，取此位置之光斑影像，並記錄此位置之干涉儀位置讀值，完成第2張粗精度光斑座標影像及其相應之第2-1張細精度光斑座標影像建檔，再移動光斑讀取頭△'距離，取得第2-2張細精度光斑座標影像及記錄此位置之干涉儀位置讀值，完成第2-2張細精度光斑座標影像建檔，再依此步驟，完成第2-P張細精度光斑座標影像建檔，完成第二組粗、細光斑座標影像及其位置座標讀值資料建檔；依上述步驟，再將光斑讀取頭移動到第3張粗精度光斑座標影像位置，連續取像，完成第3組粗、細光斑座標影像及其位置 座標讀值資料建檔，重覆上述步驟，完成第n組粗、細光斑座標影像及其位置座標讀值資料建檔；當第n張粗精度光斑座標位置大於或等於光斑尺設定長度，完成所有粗、細光斑座標影像組之建立，總共建立n張粗精度光斑座標影像、n×P張細精度光斑座標影像及其位置座標讀值之資料庫建檔，其中有n張座標影像是粗、細光斑影像共用。

實施例

請參考第七圖，為本發明利用安捷倫5530雷射干涉儀來直接量測細精度光斑座標影像資料與本發明一種次像素絕對定位方法之實驗結果圖。本發明使用焦距f=13.5m之不變形光斑讀取頭，配合SONY XCL-5005 CCD(像素大小3.45um)、成像透鏡光學放大倍率M=1，執行1um細定位精度之光斑影像次像素比對定位實驗。先建立細精度光斑座標影像，每移動1um取一張光斑影像，採用128*128陣列影像，共取500張光斑影像，利用安捷倫5530雷射干涉儀同步記錄每張細精度光斑座標影像之位置讀值，建立細精度光斑座標影像資料庫位置座標；然後以每次移動1um距離，連續取50個位置之即時光斑影像，共取50張即時光斑影像，同步紀錄此50張光斑影像之5530雷射干涉儀之即時位置讀值，利用NCC比對方法，比對temp plate為32*32陣列影像，將50張即時光斑影像與資料庫500張細精度光斑座標影像比對，定位出50張即時光斑影像之座標位置，如第七圖所示：10點連續比對， 坐標橫軸為光斑資料庫影像之位置讀值，座標縱軸是即時光斑影像與資料庫影像進行NCC比對值，另外附上此10點即時光斑影像之5530雷射干涉儀之位置讀值，如第七圖所示，70-79um之10個位置之即時光斑影像，與資料庫座標光斑影像比對結果與5530雷射干涉儀之位置讀值完全一致，全程50個即時光斑影像定位點之定位結果完全與5530雷射干涉儀定位結果一致，顯示本專利揭露之光斑次像素定位方法實際可行。

實施例及比較例

一個1米長度之光斑尺，希望獲得絕對定位精度到1um，可利用不同定位方法之定位精度及定位速度來做比較，其中二維影像感測器之像素大小為5um(η=5um)、不變形光斑影像讀取頭之成像透鏡22光學放大倍率為1(M=1)及光斑影像比對定位重覆率為10kHz。

方法1：利用本技術揭露之不變形光斑次像素切割取像技術，將光斑影像以1um距離連續移動、次像素切割取像，同時利用干涉儀建立每張座標光斑影像之位置讀值，則此1um定位精度之光斑座標影像資料庫光斑影像數量為1百萬張(1m/1um=1×10^6)。執行系統開機時，即時光斑影像初始定位所需時間約為100秒(1×10^6/10^4=100)。

方法2：利用本技術揭露之光斑影像雙精度資料庫建立及比對定位方法，所先確認相鄰兩張粗精度光斑座標影像之距 離，參考不變光斑讀取頭特性，可確認相鄰兩張粗精度光斑座標影像正確比對、定位之可移動距離，假設此距離為100um(△=100um)，則需要建立1萬張粗精度光斑座標影像(1m/100um=10000)。再利用本專利揭露之次像素切割取像技術，在每張粗精度光斑座標影像取像後，再以1um距離(△'=1um)，連續移動4次(5um/1um-1=4)，再取得另外4張細精度光斑座標影像，並利用干涉儀記錄每張細精度光斑座標影像之座標讀值。所以，每張粗精度光斑座標影像相應之細精度光斑座標影像有5張及5個細精度定位座標，其中，第一張細精度光斑座標影像，就是原先粗精度座標影像。因此，利用此方法建立之細精度座標影像數目為5萬張[(1m/100um)×5=50000]。執行系統開機，不需對所有細精度光斑座標影像比對，只需將開機取得之即時光斑影像先與粗精度光斑座標影像資料庫內1萬張粗精度座標影像比對，獲得最接近即時座標影像之粗精度座標影像，再將此粗精度座標影像建立之5張細精度座標影像叫出，令即時光斑影像再與此5張細精度座標像比對、定位，可獲得1張最接近即時光斑影像之細精度座標光斑影像，其細精度座標讀值就是此即時光斑影像之定位座標，因此整個定位比對所需次數為1萬零5張(1m/100um+5=10005)，所需比對定位時間(忽略細精度光斑座標影像讀出時間)約為0.1秒(10005/10^41)。利用本專利技術揭露方法，可以使1米長度之光斑尺，在1um 之絕對定位精度要求下，定位比對時間由原先100秒，非常有效縮短為1秒，顯現本專利技術方法之有效性。

在角度定位領域，不變形光斑影像雙資料庫定位、比對方法與線性位移類似，只是將圓周切線位移長度類比為線性位移長度，光斑解角器之圓周長度相當於光斑尺長度，光斑尺使用干涉儀來做初始座標定位，光斑解角器用干涉儀、雷射陀螺儀或光纖陀螺儀等精密角度量測器來做光斑解角器初始座標角度定位。利用不變形光斑影像雙資料庫定位、比對方法，既可以使光斑解角器有高角度定位精度，也可以大大縮短光斑解角器比對、定位時間。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

D‧‧‧粗精度光斑座標影像取像範圍

△‧‧‧相鄰兩張粗精度座標光斑影像位移距離

△'‧‧‧細精度位移距離

ε‧‧‧相鄰兩張粗精度座標光斑影像之重疊取像範圍

Claims (10)

1. 一種快速次像素絕對定位之方法，步驟包括：(A)擷取一目標物表面之一即時光斑影像；(B)提供一組粗精度光斑座標影像及複數組細精度光斑座標影像，該粗精度光斑座標影像及該細精度光斑座標影像包含一座標值，其中，該粗精度光斑座標影像係設置於一粗精度光斑座標影像資料庫，該細精度光斑座標影像係設置於一細精度光斑座標影像資料庫；(C)利用一演算法先比對該即時光斑座標影像與該粗精度光斑座標影像後再與該細精度光斑座標影像比對而得一座標值；其中每一張該粗精度光斑座標影像係對應一組細精度光斑座標影像，該細精度光斑座標影像係再擷取該粗精度光斑座標影像後，以一固定的細精度位移重覆取像而獲得。
2. 如申請專利範圍第1項所述之次像素絕對定位之方法，其中，該演算法係選自下列群組之任一者：SAD(Sum of Absolute Difference)、SSD(Sum of Square Difference)、NCC(Normalized Cross Correlation)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之次像素絕對定位之方法，其中，該座標值係為線性座標值。
4. 如申請專利範圍第3項所述之次像素絕對定位之方法，其中，該粗精度光斑座標影像資料庫係依下列步驟建立：在該目標物表面上定一量測起點，利用一不變形光斑取像裝置取得第一張粗精度光斑座標影像，並利用一雷射干涉儀標定此粗精度光斑座標影像座標，再利用一伺服馬達移動目標物一粗精度光斑座標影像位移距離，再使用該不變形光斑取像裝置取得第2張粗精度光斑座標影像，同時記錄雷射干涉儀位移距離標定該第2張粗精度光斑座標影像座標，重覆上述動作，完成該組粗精度光斑座標影像建立。
5. 如申請專利範圍第4項所述之次像素絕對定位之方法，其中，該粗精度光斑座標影像資料庫係依下列原則擷取該定位用粗精度光斑座標影像而建立：D2△、ε1/2 D、△+ε=D D：粗精度光斑座標影像取像範圍、△：兩張相鄰粗精度光斑座標影像位移距離、ε：相鄰兩張光斑座標影像之重疊取像範圍。
6. 如申請專利範圍第5項所述之次像素絕對定位之方法，其中，該細精度光斑座標影像資料庫係依下列步驟建立：(A)在第1張粗精度光斑座標影像取像後，立即以該伺服馬達移動目標物一細精度位移距離，再使用該不變形光斑取像裝置取得第1張細精度光斑座標影像，同時記錄雷射干涉儀位移距離標定該第1張細精度光斑座標影像座 標，再重複上述步驟連續取得其他細精度光斑座標影像，並配合干涉儀定位座標，完成相對於第1張粗精度光斑座標影像的第一組細精度光斑座標影像；(B)重複步驟(A)連續取得其他組細精度光斑座標影像。
7. 如申請專利範圍第1項所述之次像素絕對定位之方法，其中，該座標值係為角度座標值。
8. 如申請專利範圍第7項所述之次像素絕對定位之方法，其中，該粗精度光斑座標影像資料庫係依下列步驟建立：在該目標物表面上定一量測起點，利用一不變形光斑取像裝置取得第一張粗精度光斑座標影像，並利用一角度定位裝置標定此光斑座標影像座標，再利用一伺服馬達轉動目標物一粗精度光斑座標影像位移角度，再使用該不變形光斑取像裝置取得第2張粗精度光斑座標影像，同時記錄角度定位裝置位移角度標定該第2張粗精度光斑座標影像座標，重覆上述動作，完成該組粗精度光斑座標影像建立。
9. 如申請專利範圍第8項所述之次像素絕對定位之方法，其中，該角度定位裝置係選自雷射干涉儀、雷射陀螺儀或光纖陀螺儀其中之一。
10. 如申請專利範圍第9項所述之次像素絕對定位之方法，其中，該細精度光斑座標影像資料庫係依下列步驟建立：(A)在第1張粗精度光斑座標影像取像後，立即以該伺服馬達轉動目標物一細精度位移角度，再使用該不變形光斑 取像裝置取得第1張細精度光斑座標影像，同時記錄角度定位裝置位移角度標定該第1張細精度光斑座標影像座標，再重複上述步驟連續取得其他細精度光斑座標影像，並配合角度定位裝置定位座標，完成相對於第1張粗精度光斑座標影像的第一組細精度光斑座標影像；(B)重複步驟(A)連續取得其他組細精度光斑座標影像。