TWI642896B - 利用光學感測器之耐磨液壓／氣動活塞位置感測裝置及方法 - Google Patents

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Abstract

一種利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置及方法，係提供在操作期間做檢測及校正活塞桿及光學感測器之磨損及損壞；光學感測器利用光學電腦滑鼠之雷射或暗視野透鏡，使校準位置成像於活塞桿之表面並可使用自然表面圖樣，其減少或免除標記該位置之需要；校準位置係判定活塞桿絕對位置所使用之空間獨特編碼序列，只儲存該位置的顯著特徵以省下記憶體；使多個校準位置與光學感測器提供的表面免於局部損壞，使用接近感測器、飛行時間感測器及累積相對位移以估計活塞桿絕對位移及減少為判定活塞桿絕對位移用於比較所需空間獨特校準位置數目。

Description

利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置及 方法
一種利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置及方法，係藉此能進行初始現場校準及重新校準用以校正磨損及損壞，及使用接近感測器、飛行時間感測器、累積相對位移以估算活塞桿絕對位移，及減少為要判定活塞桿絕對位移用於比較所需的空間獨特校準位置數目，藉此減低所需記憶體儲存及計算資源，其能做出密集或連續的校準位置，及使用自然發生的斑點圖樣作為校準位置減低使用標記編碼序列作為校準位置的需求。
有關活塞位置感測器(例如美國專利號US9027460 B2)，藉由串聯電共振以測量位置，實際上並不容易實施，油傳導性相對於溫度及壓力係可變的，此外油傳導性對溫度及壓力的關係需再描述為石油時代的特徵。
而光學運動感測器(例如美國專利號US8525777 B2、US9086738 B2、US9342164 B2、US7737947 B2、US8692880 B2)測量表面的相對移動，但無法判定相對於表面的絕對位 置。
而光學位置感測器(例如美國專利號US8482607 B2)能用以判定在校準位置的絕對位置，並不包括有效率構件以儲存校準位置影像，結果只有少數校準位置可與結果儲存起來，以致所估算絕對位置誤差可一直明顯成長，直到在校準位置加以校正。
而光學位置感測器(例如歐洲專利號EP2769104 B1)依賴一光學檢測碼圖樣及利用光導管，蝕刻或以其他方式添加此等光學檢測碼圖樣明顯增加製造成本。
而光學位置感測器(例如美國專利號US9134116 B2)利用多個雷射及/或感測器，比起利用單一雷射及感測器可能做到的，提供弧形活塞表面較大覆蓋率，但無法判定相對於表面的絕對位置。
而光學位置感測器(例如歐洲專利號EP2775268 A1)利用同調或近乎同調光以聚集斑點干擾影像用於各位置，所儲存斑點干擾影像之間的位置係完全未知。不用影像壓縮及/或顯著點識別，儲存大量足夠有用點所需記憶體大小係大到不能實現。
而光學對準感測器(例如中國專利號CN2015/075823)利用影像顯著特徵以對準影像，然而不儲存影像顯著特徵及絕對位置，結果不可能判定絕對位置。
而光學特徵匹配(例如美國專利號US9449238 B2)係使用在衝擊影像外觀的不利條件中提高影像相關性，然而未提供影像收集構件且受限於界限分明的正規影像。
而光學表面移動感測器使用限定短波長的光(例如美國專利號US8847888 B2)以減低光表面透射及增加光表面反射，然而減低光透射未提供最常使用金屬活塞桿任何優勢，窄頻帶紅光與藍光的組合較適合用以穿透可能存在的油膜且達到光學上極緻密的金屬。
而光學表面移動感測器(例如美國專利號US7728816 B2、US9052759 B2)調整沿著X及Y軸的量測解析度係根據沿著該軸的估算速度，然而未提供收集及儲存影像的構件。
而光在該領域中已完善建立內部含有磁性、微波及光學感測器的中空活塞桿，然而深孔鑽或鍛造長直徑或小直徑活塞桿並不實際或不符成本效益；當光學特性更動時，光學及無線飛行時間感測器需要校準及重新校準，低成本的外部飛行時間感測器對於使光路徑模糊的物件係有弱點的，結果由於低可靠度，因此單獨使用光學飛行時間感測器來判定絕對活塞桿位移的評價不佳。
因此，申請人遂開發出本發明。其中
本發明之目的，在提供一種利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置及方法，自校準能進行未校準光學感測器的現場校準，在操作期間，重新校準能檢測及校正活塞桿及/或光學感測器的磨損及損壞。在需要校準位置的位置可使用自然斑點圖樣，其減少或免除標記校準位置的需要；標記的校準位置係判定活塞桿絕對位置所使用的空間獨特編碼序列，只儲存校準位置的顯著特徵省下大 量記憶體，減低各校準位置的記憶體需求能做出密集或連續的校準位置；多個校準位置特徵與多個光學感測器共同集體地提供局部損壞的免除，使用接近感測器、飛行時間感測器及累積相對位移以估計活塞桿絕對位移及減少為判定活塞桿絕對位移用於比較所需的空間獨特校準位置數目。
本發明之目的，在提供一種利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置及方法，其中，將判定液壓或氣動活塞桿相對於其氣缸的絕對位移所使用的光學感測器在校準位置進行校準，及藉由從該絕對位移所測得相對位移的累積以估算出絕對位移；估算絕對位移的步驟如下：藉由CMOS(互補金屬氧化物半導體)或CCD(電荷耦合元件)影像感測器使用設計用於光學電腦滑鼠的低成本雷射或暗視野透鏡以擷取活塞表面的影像，從所擷取影像中選取與鄰近環境形成對比的點排列，將此等選取的顯著點排列映射到其對應的絕對活塞桿位置及儲存為校準位置；此等識別校準絕對活塞桿位置的顯著點係一已知校準點排列，從目前影像中選取的點排列係對準一校準位置的已知校準點排列。
001‧‧‧斑點影像
004‧‧‧影像均等標度校正
005‧‧‧保持到更新
006‧‧‧利用Gabor小波盤旋
008‧‧‧Gabor選組器
009‧‧‧位置選組器
010‧‧‧用於選組的估算絕對位置
012‧‧‧SURF/SIFT描述符選擇器
014‧‧‧目前斑點影像顯著特徵(亦稱為感興趣點)
015‧‧‧延遲到下一影像擷取
016‧‧‧找出標度間隔
018‧‧‧特徵描述符
020‧‧‧候選匹配SIFT/SURF特徵描述符
024‧‧‧斑點圖樣選擇器
026‧‧‧在校準位置顯著特徵210與目前影像顯著特徵014之間的斑點特徵圖樣相關位移
027‧‧‧在先前影像顯著特徵014與目前影像顯著特徵014之間的斑點特徵圖樣相關性
030‧‧‧增大成功匹配計數
031‧‧‧從最近已知位置累積的相對斑點位移
032‧‧‧測試條件，已知係絕對位置
033‧‧‧估算絕對位置
034‧‧‧用於已知位置的新SURF/SIFT描述符，新斑點顯著點
036‧‧‧校準儲存程序
038‧‧‧相對斑點位移
039‧‧‧不成功的相對位移計數
040‧‧‧所計算相對斑點校準位置210
041‧‧‧從活塞衝程極限感測器918、919(或從複式位置識別感測裝置的一或多個子組件)來的絕對位置，或具有斑點全視圖209的部分(或完整)校準斑點特徵210的相對位置
042‧‧‧圖1所示位置感測演算法來的絕對位置
100‧‧‧用以將SURF/SIFT特徵描述符分組的Gabor小波的資料庫
102‧‧‧由Gabor小波及由位置分組的SURF/SIFT特徵描述符的資料庫
104‧‧‧由SURF/SIFT特徵描述符編索引的校準顯著點斑點圖樣210的資料庫
105‧‧‧用於飛行時間感測器925的校準資料
110‧‧‧紅光雷射表面斑點區域
112‧‧‧藍光雷射表面斑點區域
114‧‧‧綠光雷射表面斑點區域
116‧‧‧暗視野表面區域208
120‧‧‧紅光雷射
121‧‧‧紅色LED
122‧‧‧藍光雷射
124‧‧‧綠光雷射
130‧‧‧可選源透鏡
135‧‧‧聚光透鏡
200‧‧‧所觀察圓柱狀或扁平部件如活塞桿
202‧‧‧CMOS或CCD影像感測器
208‧‧‧所觀察部件200的表面
209‧‧‧斑點全視圖
210‧‧‧由Gabor小波、SURF/SIFT特徵描述符及對應顯著點斑點圖樣所描述斑點特徵區域的校準斑點影像位置
212‧‧‧週期性地連接像素以形成斑點影像群組001
215‧‧‧以間隔分開的二元序列一維(1D)校準圖樣
216‧‧‧以間隔分開的二元序列二維(2D)校準圖樣
230‧‧‧光學位移感測器組件
231‧‧‧微處理器、FPGA及/或ASIC
233‧‧‧不變性記憶體
234‧‧‧依電性記憶體
242‧‧‧磨損所造成校準斑點影像特徵
300‧‧‧扁平部件參考平面
400‧‧‧平均正規化校準斑點影像
401‧‧‧平均正規化目前斑點影像
405‧‧‧平均正規化校準斑點影像的傅立葉變換
406‧‧‧平均正規化目前斑點影像的傅立葉變換
410‧‧‧傅立葉變換乘積的逆傅立葉變換
415‧‧‧在傅立葉變換405×406乘積的最大值逆傅立葉變換410的FFT-CC x及y位移，其係校準位置顯著特徵210與目前影像顯著特徵014之間的低解析度斑點特徵圖樣相關位移026
420‧‧‧已知校準點的扭曲排列
421‧‧‧具有三角變形位移的扭曲目前影像顯著圖樣特徵
425‧‧‧三角變形位移的最小平方計算
430‧‧‧三角變形位移收斂條件
440‧‧‧IC-GN子像素三角位移，其係校準位置顯著特徵210與目前影像顯著特徵014之間的高解析度斑點特徵圖樣相關位移026
800‧‧‧起始狀態
804‧‧‧初始化、自檢查及通訊狀態
820‧‧‧完整校準影像，包括有合成校準影像
825‧‧‧未由足夠校準點包圍或在端限
832‧‧‧圖1、圖2及圖3所示操作狀態
836‧‧‧圖5所示精確位置的同時計算
901‧‧‧液壓汽缸筒
902‧‧‧活塞
903‧‧‧飛行時間活塞反射器(亦稱為光學距離反射器)
904‧‧‧底止檔
905‧‧‧頂止檔
906‧‧‧汽缸中的封件
907‧‧‧液壓汽缸頂部小室
908‧‧‧液壓汽缸底部小室
910‧‧‧感測裝置外殼
912‧‧‧用於感測裝置的封件
918‧‧‧底部接觸壓力感測器，衝程極限感測器
919‧‧‧頂部接觸壓力感測器，衝程極限感測器
925‧‧‧飛行時間感測器(亦稱為光學距離感測器)
930‧‧‧感測器電路板
圖1：係以流程圖表示在操作期間的位置識別感測裝置。
圖2：係以流程圖表示在校準初始化期間的位置識別感測裝置。
圖3：係以流程圖表示校準儲存程序036及校準資料庫儲存體100、102、104。
圖4：係以流程圖表示在使用FFT-CC的正常操作期間，斑點特徵圖樣與目前影像顯著特徵014的相關性026/027。
圖5：係以流程圖表示在使用FFT-CC及IC-GN的校準操作期間，斑點特徵圖樣與目前影像顯著特徵014的相關性026/027。
圖6：係以流程圖表示整體操作。
圖7：係以側面圖表示單一雷射位置識別感測裝置。
圖8：係以沿著圖24的A--A切割平面看去的剖面圖表示雷射斑點圖樣影像感測裝置，表示所觀察圓形部件200的光學效應。
圖9：係以示意圖表示空間加法暗視野。
圖10：係以示意端視圖表示多個複式斑點圖樣影像感測裝置。
圖11：係以示意上視圖表示一複式斑點圖樣影像感測裝置，下方具有所觀察部件200的表面208。
圖12：係以沿著圖14的切割平面B--B看去的示意端視圖表示具有多個雷射LED的複式斑點圖樣影像感測裝置。
圖13：係以沿著圖14的切割平面B--B看去的示意端視圖表示具有多個斑點影像收集器的複式斑點圖樣影像感測裝置。
圖14：係以示意下視圖表示一複式斑點圖樣影像感測裝置。
圖15：係以圖表顯示位置誤差偏對斑點/像素大小用於多個斑點特徵大小。
圖16：表示在所觀察部件200的表面208建構一連續校準位置圖。
圖17：表示在所觀察部件200的表面208重新選擇校準位置。
圖18：表示斑點相關性演算法。
圖19：表示相鄰非獨特校準斑點影像210。
圖20：表示在所觀察部件200的表面208間隔分布的非獨特校準斑點影像210。
圖21：表示在校準期間取得的框擷取004映射到校準斑點影像框210。
圖22：表示校準斑點影像210映射到正常操作期間取得的框擷取004。
圖23：係以沿著圖24的切割平面A--A看去的剖面圖表示具有附加光子影像感測器的液壓汽缸。
圖24：係以等角視圖表示具有附加光子影像感測器的液壓汽缸。
圖25：係以側面圖表示所觀察部件，在三個位置具有一維(1D)校準圖樣。
圖26：係以側面圖表示所觀察部件，具有間隔分布的二維(2D)校準圖樣。
首先，敬請參閱如圖1所示詳細說明：本發明一種 利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置及方法，係以下所描述斑點影像係同調雷射光介面造成的真實斑點影像，或暗視野表面繞射造成的傳真斑點影像，兩類斑點影像皆可藉由重疊空間區域以加法建構，如圖9、圖10、圖11、圖12及圖13所示。
圖7係以側面圖表示單一雷射位置識別感測裝置，雷射120、122或124的同調光通過一可選源透鏡130，照明所觀察部件200的表面208上的斑點區域110、112或114。可選源透鏡130折射/彎曲窄雷射光束以照明所觀察部件200的較大面積表面208。根據惠更斯-菲涅爾(Huygens-Fresnel)原理，可將每一折射表面點視為新小波的源頭，不用透鏡，小波自由地朝向其干擾的觀察平面傳播，其造成建構及解構干擾局部分布的發生。可從金屬表面觀察到斑點，及斑點顯示高對比，通常不需要人造標記，由CMOS或CCD影像感測器所觀察的平均平面內斑點尺寸d係以提供，其中λ係光波長，u係CMOS或CCD影像感測器202與所觀察部件200的表面208之間的距離，D係所觀察部件200的表面208上的照明直徑。在CMOS或CCD影像感測器202與所觀察部件200的表面208之間，可使用一影像均等標度校正步驟以補償在跨越CMOS或CCD影像感測器的距離u中的顯著差異。
圖1係指位置識別感測裝置的控制邏輯，其資料流及處理步驟如下，單一或複式圖樣影像感測裝置的一CMOS或CCD影像感測器202擷取斑點影像001，可應用影像均等標度校正004以校正曲面活塞桿200的表面208所造成的非均等 平均斑點尺寸d。在雷射圖樣影像感測器的情形，非均等平均斑點大小d係由CMOS或CCD影像感測器與所觀察部件200的表面208之間的可變距離u造成。影像均等標度校正004所處理的均等標度斑點影像001係利用自Gabor小波資料庫100擷取的Gabor小波加以盤旋006，使用估算絕對位置010以提供SURF/SIFT特徵描述符的位置分組選擇009，Gabor選組器008係與位置選組器009配合使用，作為到SURF/SIFT描述符選擇器012的輸入。SURF/SIFT描述符選擇器012選擇候選匹配SIFT/SURF特徵描述符的分級組，結果係SIFT/SURF特徵描述符資料庫102來的候選SURF/SIFT特徵描述符020的數目縮減，以Gabor小波分組及以位置分組，需要加以考慮。
Gabor小波資料庫100、SURF/SIFT特徵描述符資料庫102，及顯著點斑點圖樣資料庫104係儲存在可讀/寫不變性記憶體233中，控制邏輯係在一微處理器231(FPGA(現場可程式閘陣列)及/或ASIC(特定應用積體電路))上執行，較佳將暫時執行結果儲存在依電性記憶體234中。可使用誤差校正編碼及冗餘以提供可靠的長期儲存及無誤差控制邏輯執行及資料處理。
以圖1所示資料流及處理步驟，將SIFT/SURF演算法應用如下，平行地進行選擇均等標度斑點影像001的顯著特徵014與利用Gabor小波盤旋006斑點影像。SURF演算法使用基於赫士矩陣(Hessian matrix)的blob檢測器(散斑檢測器)以找出感興趣點。下一步驟係從先前選取的顯著點中找出標度間隔016，作為結果的特徵描述符018係匹配從資料庫102 擷取的候選匹配SIFT/SURF特徵描述符020。若發生匹配，則斑點圖樣選擇器024係從以SURF/SIFT特徵描述符編索引的顯著點斑點圖樣特徵的資料庫104，擷取一顯著特徵校準影像斑點圖樣210。最終結果係目前斑點影像001之顯著特徵係與自資料庫104擷取的校準影像斑點特徵圖樣210相關。
圖1所示裝置的資料流及處理步驟繼續進行斑點影像顯著特徵014相關性，使目前斑點影像001的顯著特徵014與前一斑點影像001的顯著特徵014相關027以找出相對斑點位移038。前一斑點影像001的顯著特徵014係目前斑點影像001的顯著特徵014，一直延遲到下一影像擷取，目前與前一斑點影像001係設計成重疊且將在正常操作期間相關。藉由相關性操作發現目前斑點影像001與前一斑點影像001不相關時，裝置遞增不成功相對位移計數039，高的不成功相對位移計數039指出CMOS或CCD影像感測器202無法可靠地解析表面208影像，或者目前與前一斑點影像001不重疊，其或許係因所觀察部件200以極高速移動所造成。
在圖1所示的資料流及處理步驟，將校準位置檢測說明如下，使先前選取斑點顯著點的校準位置排列210與目前影像顯著點相關，用以找出所觀察部件200相對於匹配校準位置210的絕對位置，將校準位置210的組成儲存在校準點資料庫100、102、104中。校準位置210顯著特徵與目前影像顯著特徵014之間的斑點特徵圖樣相關性026係判定如下，相關性過程的細節如圖4所示，使用較不精確的快速FFT-CC"快速傅立葉變換交互相關"，使校準影像斑點特徵圖樣210 與均等標度的斑點影像001相關。將在校準位置的校準斑點影像210正規化以產生一平均正規化校準斑點影像400，接著產生平均正規化校準斑點影像的傅立葉變換405，將目前斑點影像顯著特徵014正規化以產生一平均正規化目前斑點影像401，接著產生平均正規化目前斑點影像的傅立葉變換406。組合傅立葉變換405及406以產生傅立葉變換405×406乘積的逆傅立葉變換410。如圖18所示，在傅立葉變換405×406乘積的最大值逆傅立葉變換410發現到斑點影像001在相同斑點全視圖209內從校準影像斑點位置210的x,y位移415。
以下進一步說明圖1所示的資料流及處理步驟，當校準位置顯著特徵210與目前影像顯著特徵014之間有斑點特徵圖樣相關性026時，使用該相關性取得斑點全視圖209內的計算相對斑點040的校準位置210。當使用FFT-CC演算法取得斑點全視圖209內的計算相對位置040時，提供斑點影像001從校準斑點影像位置210的x,y位移415，若使用圖5所示IC-GN演算法以取得斑點全視圖209內的計算相對位置040，則提供斑點影像001從校準斑點影像位置210的高準確度IC-GN子像素三角位移440，結果得知在所觀察部件200的表面208的校準斑點影像位置210關連到CMOS或CCD感測器202。無論何時發生一成功相關性匹配，即遞增校準斑點影像210的成功匹配計數030。
圖1所示發生在無法匹配校準影像斑點位置210時的資料流及處理步驟係如下，當最高分級候選匹配SIFT/SURF特徵描述符020無法成為一靠近匹配時，則在資料庫102來以 Gabor分組008及位置分組009選取的SURF/SIFT特徵描述符分組中，根據其分級，考慮另一候選匹配SIFT/SURF特徵描述符020。同樣地，若對應到候選SIFT/SURF特徵描述符的校準位置斑點特徵圖樣210係不夠靠近斑點影像001，則藉由Gabor分組008及位置分組009以選取另一候選SIFT/SURF特徵描述符。若不存在任何候選者，則未發現任何匹配。若校準斑點影像210充分地靠近斑點影像001，則計算校準斑點影像210在斑點全視圖209內的相對位置040。
在圖1及圖2所示資料流及處理步驟，說明校準位置更新程序如下，在圖1、2、6中顯示用以更新校準位置的全程序，當斑點全視圖209內找不到任何候選匹配SIFT/SURF特徵描述符用於目前斑點影像001時，或利用斑點全視圖209找不到任何校準斑點特徵210用於斑點影像001時，此程序啟動。可藉由(或從)一複式位置識別感測裝置(如圖10所示)的一或多個位置識別感測裝置以得知絕對位置041，或藉由一極限感測器或藉由斑點全視圖209內到部分或完整校準斑點特徵210的相對位置以提供絕對位置041。若已知絕對位置041，則可將Gabor小波、SURF/SIFT特徵描述符及斑點全視圖209內來的一斑點影像001的斑點特徵儲存到資料庫100、102及104中。圖3係校準儲存程序036中所含處理步驟。在以下校準儲存程序036的說明中，參考校準儲存程序036相關(但未包含在內)的組件，如圖3所示，若沒有足夠周圍校準斑點影像位置210或活塞桿200係在位移端限825，則將使用一極限感測器(或一複式位置感測器的一或多個子組件)來 的絕對位置041。當在並非從一極限感測器(或一複式位置感測器的一或多個次元件)來的絕對位置041所得知位置需要一校準位置210時，則使用圖5所示IC-GN演算法以判定前一絕對位置041來的精確位移836。當光學位移感測器230係在一絕對位置041時，則在一已知絕對位置的測試032為真，並可使用絕對位移以取得目前斑點影像顯著特徵014，並用於飛行時間感測器925的校準資料105。當測試條件032指出一已知絕對位置時，使用圖3所示校準儲存程序036以儲存新的校準位置資料210。
若到達周圍校準位置的距離太遠，則應從斑點全視圖209內選擇一或多個校準斑點影像210並加以儲存，藉由最大累積位置誤差以判定校準位置之間的最大距離。累積位置誤差係估算絕對位置033與真實絕對位置041之間的誤差，藉由將累積相對位移加到最後可信賴校準斑點影像210的真實絕對位置041以計算估算絕對位置033。藉由Gabor小波與到周圍校準斑點影像210的相對位置，將選取的校準斑點影像210編索引，將校準斑點影像210的對應SURF/SIFT特徵描述符儲存到SURF/SIFT特徵描述符資料庫102中，並將校準斑點影像210的顯著點圖樣以其SURF/SIFT特徵描述符編索引及儲存到顯著點斑點圖樣資料庫104中。
若具有高成功匹配計數的校準斑點特徵圖樣210係具有穩定顯著斑點圖樣特徵的校準斑點影像210，當校準斑點特徵圖樣210變為表面磨損或突然表面損壞的結果時，遞增成功匹配計數030不再增加。當需要不變性記憶體233以儲 存新的校準斑點特徵位置210時，可替換掉這些不再遞增其成功匹配計數030且與其他校準位置斑點圖樣特徵夠接近的校準位置斑點圖樣。當校準位置斑點圖樣特徵不再遞增成功匹配計數030且與其他校準斑點特徵位置210不夠接近的數量足夠時，可能會需要校準。
圖2係指位置識別感測裝置的校準初始化控制邏輯，藉由單一或複式圖樣影像感測裝置的一CMOS或CCD影像感測器202以擷取斑點影像001，可應用影像均等標度校正004以校正非均等平均斑點大小d。初始地，未儲存有任何校準斑點影像位置210，校準點資料庫100、102、104係空的。儲存新校準位置210的第一步係從均等標度斑點影像001中選擇顯著特徵014，可由圖23所示活塞衝程極限感測器918、919(或從一複式位置識別感測裝置的一或多個子組件或到具有斑點全視圖209的部分或完整校準斑點特徵210的相對位置)以提供絕對位置041。在初始校準過程期間，只可由一活塞衝程極限感測器918、919作出絕對位置041。若測試條件032為偽，則未得知絕對位置，並如圖6所示再次檢查該位置，直到如活塞衝程極限918、919提供一絕對位置041，此步驟能使測試條件032為真及得知絕對位置。當檢測到周圍缺少已儲存校準斑點特徵位置210時，必須指定新的已儲存校準斑點特徵位置210。準確地指定新校準斑點特徵210的位置係重要的，在校準期間，使用IC-GN逆組合高斯-牛頓子像素三角位移計算440(其係極精確，通常範圍介於0.01到0.05像素)，以測量先前影像顯著特徵014與目前影像顯著特徵 014之間的斑點特徵圖樣相關性027。與正常模式期間用以計算x及y位移所使用的高速FFT-CC快速傅立葉變換交互相關(其通常範圍介於1到2像素)相比，這計算較精確20到200倍。當位置識別感測裝置正搜尋新校準位置時，位置識別感測裝置係在校準模式中，由於CMOS或CCD影像感測器移動係遍及所觀察圓柱狀或扁平部件200，因此週期地擷取到斑點全視圖209的視窗。在校準模式中，使CMOS或CCD移動遍及圓柱狀或扁平部件200的移動速度慢下來，以便斑點全視圖的209的視窗總由至少一校準斑點影像位置210重疊。IC-GN演算法亦比FFT-CC演算法花費多倍較久時間，必須減慢校準期間的移動速度以容許此較久處理時間。
圖16表示校準模式斑點全視圖209視窗步驟，初始步驟係斑點全視圖209的左上角，在初始視窗步驟期間，從斑點全視圖209的四個角落中選擇四個校準斑點影像位置210。若一校準斑點影像位置210係完全包圍在重疊的斑點全視圖209之內，如第二斑點全視圖209視窗步驟的左上角，則不需儲存該校準斑點影像位置。使用IC-GN"逆組合高斯-牛頓"以精確地測量到斑點全視圖209之間的位移。
如圖5所示，使用較慢的精確IC-GN "逆組合高斯-牛頓"以使校準影像斑點特徵圖樣210與斑點影像001相關。在圖5中，類似於圖4，將在校準位置的校準斑點影像210正規化以產生一平均正規化的校準斑點影像400，將目前斑點影像顯著特徵014正規化以產生一平均正規化的目前斑點影像401。下一步驟係產生平均正規化校準斑點影像的傅立葉 變換405，同時下一步驟係產生平均正規化目前斑點影像001的傅立葉變換406。組合傅立葉變換405與406以產生傅立葉變換405×406乘積的逆傅立葉變換410。如圖18所示，斑點影像001從校準斑點影像位置210的x,y位移415係在相同斑點全視圖410之內。在圖5中，在傅立葉變換405×406乘積的最大值逆傅立葉變換410找到FFT-CC x & y位移415，算出的FFT-CC x & y位移415係IC-GN演算法440中使用的初始猜測x & y位移。計算扭曲的目前影像以作為平均正規化目前斑點影像401與目前變形的函數，計算已知校準點的扭曲排列以作為平均正規化校準斑點影像400的函數，在組合的已知校準點扭曲排列400與平均正規化目前斑點影像401上計算三角變形位移的最小平方計算425。當三角變形位移的最小平方計算425符合三角變形位移條件430時，三角變形的目前最小平方計算425係最終IC-GN子像素三角位移440，否則使用三角變形的目前最小平方計算425以計算下一扭曲目前影像421。
圖17表示右下角從先前已刪除並由具有高密度顯著特徵的校準斑點影像位置210所取代的斑點全視圖來的校準斑點影像位置210。如圖17所示，當顯著特徵的密度高時，單個校準斑點影像210足以在所觀察部件200的表面208獨特地定義一校準位置。如圖18所示，當顯著特徵的密度低時，使用二或多個相鄰校準斑點影像210在所觀察部件200的表面208獨特地定義一校準位置。由於校準持續進行，將足以獨特地定義一校準位置的單個校準斑點影像210或足以獨特 地定義一校準位置的二或多個相鄰校準斑點影像210加以儲存，以用於各接續斑點全視圖209視窗步驟。在校準模式中，不需系統地掃描遍及所觀察圓柱狀或扁平部件200，各斑點全視圖209視窗步驟中的校準斑點影像210係保留到所有方向中有足夠校準斑點影像位置210用於所觀察圓柱狀或扁平部件200。此等保留的校準斑點影像位置210係作為參考絕對位置041使用以沿著交替路徑測量到校準斑點影像位置210的位移。當校準斑點影像位置210係在所有方向由足夠校準斑點影像位置210包圍時，單個校準影像斑點210即足以提供校準位置的局部獨特識別，而且保留具有較高顯著特徵密度的校準位置210及刪除先前需要的相鄰校準斑點影像210。
圖6係以流程圖表示位置識別感測裝置的整體操作，一啟動或重設位置識別感測裝置，即進入起始狀態800，在起始狀態800中，登入開機碼，其可包括微碼、韌體及軟體。從起始狀態800，位置識別感測裝置進入初始化、自檢查及通訊狀態804，在狀態804中，位置識別感測裝置準備開始其識別所觀察圓柱狀或扁平部件相對於CMOS或CCD影像感測器202的位置。
從位置感測演算法來的絕對位置042及估算絕對位置033係判定絕對位置所使用的假設輸出，初始的估算絕對位置033係從一活塞極限延伸/縮回感測器918、919或從一已校正飛行時間感測器925來的已知絕對位置041中取得。若飛行時間感測器925係未校準，則可使用已知絕對位置041加以校準(如圖3所示)，在各框擷取的斑點影像001上執行圖1中 說明的操作程序，選組使用的估算絕對位置010大大縮減可能與目前斑點影像顯著特徵014匹配的校準位置210已知顯著特徵組。校準模式期間的操作係取決於一活塞延伸/縮回極限感測器918、919或一已校準飛行時間感測器925來的已知絕對位置，以用於新校準位置210的校準儲存程序036。當在正常模式中操作時，藉由計算出相對斑點040校準位置210或藉由校準儲存程式036所算出的位置以判定絕對位置042，優先地選擇校準儲存程序036所算出的絕對位置042為最可靠者。將最近絕對位置042及飛行時間925估算位置保持在依電性記憶體中直到以較新值更新。藉由保持在依電性記憶體的最近已知位置005與累積相對斑點位移031組合以計算估算絕對位置033。累積相對斑點位移031係累加的相對斑點位移038。相對斑點位移031的外在來源可提升及/或驗證淨相對斑點位移038估算。
圖6所示的操作狀態832係在圖1、2、3、4及5說明，如圖1及圖2所示，測試條件032係對應到一極限感測器(或一複式位置識別感測裝置的一或多個子組件)來的已知絕對位置041的絕對位置，或到斑點全視圖209內的部分或完整校準斑點特徵210的相對位置。若尚未識別絕對位置，則由於CMOS或CCD影像感測器移動遍及所觀察部件200的表面208，因此感測裝置將繼續應用測試條件032以判定是否已知絕對位置。在測試條件032判定已知該絕對位置及CMOS或CCD影像感測器202係在一校準斑點影像位置210後，下一步驟係核對此是否相鄰校準斑點影像位置210所構成不完整的 複合校準影像820。若目前校準斑點影像位置210係相鄰校準斑點影像位置210所構成複合校準影像820的不完整部分，則以複合校準影像820的已發現部分來更新已知絕對位置測試條件032。
圖7表示變動的斑點大小，其發生在正觀察所觀察圓形部件200的同時，可選源透鏡使雷射120來的光不聚焦以覆蓋斑點區域110。當CMOS或CCD影像感測器202與所觀察部件200的表面208之間的距離u較大時，平均斑點大小因而較大，可使用一影像均等標度校正步驟004以補償非均等平均斑點大小d。
圖8表示所觀察部件200的彎曲表面208所造成的非均等斑點大小，在CMOS或CCD影像感測器202與雷射斑點表面反射110之間的距離u 1 ，當所觀察部件200的彎曲表面208較遠離時，係比到扁平部件參考平面300的距離u 2 大。
圖9係以圖顯示空間加法暗視野，物鏡係用以選擇具有夠高密度顯著特徵的校準斑點影像210，用以在所觀察部件200的表面208上獨特地定義一校準位置，物鏡並非用以測量所觀察部件200的表面208的拓樸。一LED光源121係透過一可選源透鏡130發光及照亮所觀察部件200的表面208，各聚光透鏡135或複式聚光透鏡135係從分開或重疊暗視野區域16中收集暗視野散射光。光導管能作為多個/複式聚光透鏡135以提供相同功能。在此實作中，多個/複式聚光透鏡135由於其較優低變形光學特性係優於光導管，CMOS或CCD影像感測器202以加法收集多個暗視野區域116來的暗視野 散射光，選擇聚光透鏡135的放大功率，以便傳真斑點大小係比4像素×4像素大。如圖8所示，所觀察部件200的變曲表面208縮小所反射的斑點區110，將多個或複式聚光透鏡135理想地沿著所觀察彎曲部件200的長度設置。
圖10及圖11表示多個複式斑點圖樣影像感測裝置正覆蓋所觀察部件200的表面208的分開區域，圖10係以端視圖表示多個複式斑點圖樣影像感測裝置，圖11係以上視圖表示一複式斑點圖樣影像感測裝置，在下方具有所觀察部件200的表面208。試驗性觀察已指出所觀察部件200的表面208受損造成局部損壞的事件，將多個集體獨特校準斑點影像210儲存以用於各校準位置210，防止失去用於最常見損壞事件的校準位置210。當一些校準斑點影像210受損時，假定有局部獨特的其餘校準斑點影像210，仍可辨識校準位置。校準斑點影像210到其他校準斑點影像位置的相對位置可由其他類似校準斑點影像位置210獨特地解決校準斑點影像位置210。
當斑點全視圖209(顯示在圖16、17、18)夠大時，可儲存多個集體獨特校準斑點影像210以用於斑點全視圖209內的各校準位置，圖10及圖11所示複式斑點圖樣影像感測裝置增大斑點全視圖區209。然而，當在單一斑點全視圖區內多個集體獨特校準斑點影像210係在附近時，在局部區受損的表面208可對多個校準斑點影像210造成損壞。在圖16、17、18顯示從多重斑點圖樣影像感測裝置來的集體獨特校準斑點影像210所構成的校準位置，其在所觀察部件200的表面 208廣泛分開，寬泛分開的校準斑點影像210較不受到所觀察部件200的表面損壞事件的影響。損壞通常係侷限於多重斑點圖樣影像感測裝置的子組件，集體獨特校準斑點影像210能用以瞬間或快速檢測校準斑點影像210的變動及可靠地更新校準斑點影像210。
圖12及13表示複式影像感測裝置，以圖示範說明CMOS或CCD影像感測器202與雷射120或LED光源121的相對位置，並非圖14所示影像感測裝置的準確剖面圖。圖12所示的單一CMOS或CCD影像感測器202係極為適合用於加法暗視野特徵收集，校準位置210要求所觀察部件200的表面208夠大足以保證獨特斑點圖樣，圖13所示的多個CMOS或CCD影像感測器係適用於雷射斑點圖樣或橫朝向。由於雷射斑點圖樣影像感測裝置通過所觀察部件200的表面208之上，因此可藉由連續觀察以接合連接的表面區域208產生所觀察部件200的大表面區域208，此要求觀察的低誤差拼接一起形成夠大表面區域足以保證在校準位置的獨特斑點圖樣。如圖3所示，對應到所觀察部件200的較大表面208而增大CMOS或CCD影像感測器202的尺寸，使非均等平均斑點大小造成的變形明顯增大，然而，大型CMOS或CCD影像感測器202具有高複雜度及高成本。如圖10所示，複式斑點圖樣影像感測器係藉由使用多個CMOS或CCD影像感測器以增大所觀察部件200的表面208，優點在於所觀察部件200對應到各CMOS或CCD影像感測器的表面208越小，要求越小的影像均等標度004。如圖11所示複式雷射斑點圖樣影像感測器亦可藉由使 用RGB CMOS或CCD影像感測器202以合併分開的雷射斑點區域110或暗視野116表面區域208，用以增大所觀察部件200的合併表面208。
圖14係以下視圖表示一斑點圖樣影像感測裝置，複式影像感測裝置的基本組件係CMOS或CCD影像感測器202、一或多個雷射120、122、124或LED光源121、感測器電路板230、微處理器231、FPGA及/或ASIC、不變性記憶體233，及依電性記憶體234。雷射光源產生雷射斑點影像，而通常將使用LED光源以產生暗視野影像，CMOS或CCD影像感測器202、一或多個雷射同調光源120、122、124、微處理器231、FPGA及/或ASIC、不變性記憶體233及依電性記憶體234等組件係焊接到感測器電路板230及藉由感測器電路板以電互連。可將CMOS或CCD影像感測器202與一或多個雷射同調光源120、122、124建立為子模組以促成所使用任何光學源透鏡130容易正確置放，微處理器231、FPGA及/或ASIC SOC、包括有不變性記憶體233及依電性記憶體234的晶上系統係執行控制邏輯所需。複式雷射斑點圖樣影像感測裝置使用超過一紅光雷射120(藍光雷射122、綠光雷射124)同調光源，及具有對應紅色(藍色、綠色)像素的CMOS或CCD影像感測器202。簡單的非複式雷射斑點圖樣影像感測裝置只使用一個紅光雷射120(藍光雷射122或綠光雷射124)同調光源及一黑白CMOS或CCD影像感測器202。
圖15係位置誤差偏對斑點/像素大小的圖表，圖表上的線條係像素寬度/特徵寬度，其係有效用於單位縱橫比 的像素大小/特徵大小。該圖表要求像素陣列大小係比特徵大小大，結果，特徵大小判定最小值像素陣列大小。夠大足以確保獨特斑點圖樣的校準位置210可係如圖9、10、12及13所顯示的多個複式雷射斑點圖樣影像感測裝置的所有子組件的合併表面208。
顯示用以減為斑點/像素大小的偏效應增大，及因此遵守Nyquist準則，當斑點/像素大小係低於2像素×2像素時，雜訊阻礙斑點位移的精確判斷(Nyquist準則)，及精確判斷斑點位移受阻礙阻止校準位置210具有與鄰近環境形成對比的穩定顯著點排列。在將CMOS或CCD影像感測器202的像素成像誤差及缺陷列入考量時，建議沿著CMOS或CCD影像感測器的水平軸及垂直軸的斑點大小係比4像素×4像素大。
圖17表示所觀察部件200的表面208上的一校準位置自然斑點特徵210，所觀察部件200的整個表面208產生自然斑點圖樣，為求簡潔，圖17只表示在一斑點全視圖209內一校準位置210的自然斑點特徵，由Gabor小波、SURF/SIFT特徵描述符及對應顯著點斑點圖樣來描述校準位置自然斑點特徵210，並不儲存完整斑點圖樣，結果縮減的依電性記憶體234的需求能以校準位置210完整覆蓋所觀察部件200的表面208。
圖19表示相鄰的校準影像位置210，各相鄰校準影像210具有少數感興趣點及具有至少一SURF特徵。在初始化804後，在操作832期間不可能將首先檢測到的校準影像210獨特地映射到一絕對位置041，匹配的校準影像210將協助候 選匹配SIFT/SURF特徵描述符020的位置選組009。由於操作832繼續進行，因此另外匹配的校準影像210的相對位置獨特地定義絕對位置。一旦一校準影像集合210的相對位置已判定絕對位置041，各後續檢測到的校準影像210即藉由校準影像集合210的相對位置指出新的絕對位置，不費力就確保任一校準位置210的確獨特地定義絕對位置。每一相鄰斑點全視圖209包含至少一完整校準影像210，利用簡單校準影像位置210之間無任何間隙，不需基於從最後已知絕對位置的相對位移來估算絕對位置，從先前校準影像210的相對位移再確認目前校準影像210的絕對位置。校準影像210只需在相對位移誤差內係獨特的，每一相鄰斑點全視圖209包含至少一校準影像210，以便相對位移誤差無法在校準影像位置210之間累積。校準影像210要求極少感興趣點及極簡單特徵以成為足夠獨特，若目前校準影像210已遭損壞，則藉由計算從周圍校準影像210的準確相對位移以得知目前絕對位置。如先前藉由圖3的說明，使用目前已知絕對位置，選擇及儲存一替換校準影像210。
圖20表示一些隨機分開的校準影像位置210，由分開一些距離的校準影像210包圍，各校準影像210具有少數感興趣點及具有至少一SURF特徵。在初始化804後，可能完全不知絕對位置，直到匹配到一校準影像210。甚至在操作832期間匹配到一校準影像210後，校準影像亦不可能獨特地映射到一絕對位置。匹配的校準影像210及在周圍校準影像210之間的相對位移將協助候選匹配SIFT/SURF特徵描述符的 位置選組009。由於操作832繼續進行，另一匹配校準影像210的相對位置獨特地定義絕對位置，在已判定絕對位置後，從周圍校準影像210的絕對位置的相對位移中估算出絕對位置。當一校準影像210受到損壞時，並非在預期之處檢測到，每次檢測到一校準影像210皆非靠近其估算絕對位置033，遞增成功匹配計數030並未遞增。利用不夠可靠的校準影像點，計算從周圍校準影像位置210的精確相對位移，直到儲存有一替換校準影像210。當最近校準影像位置210係不同於先前使用的校準影像位置210時，使用新的估算絕對位置(其係較不精確絕對位置)以統計方式驗證新校準影像位置210的既定絕對位移係正確的，不費力就確保任一校準位置210獨特地定義絕對位置041。
在校準模式期間記錄校準位置210的絕對位置041，在圖21顯示將框擷取斑點影像001映射到校準位置框210的過程，在校準模式期間，可在所有斑點影像上執行感興趣點014的選擇，或可將感興趣點014的選擇延遲到要求新斑點顯著點用於已知位置的新SURF/SIFT描述符。一旦已知絕對位置041，可將目前擷取框作為參考框使用。在校準模式操作的第一輪，不曾記錄任何校準位置210且尚未校準飛行時間感測器925，將活塞桿200在全延伸及全縮回的已知位置作為初始已知絕對位置041使用。使用此等已知絕對位置041以校準飛行時間感測器925及選擇一參考框，在校準模式中，利用相鄰選取參考框的框以映射所觀察部件200的表面208。由於光學位移感測器230移動在所觀察部件200的表面 208，因此擷取斑點影像001。許多斑點影像001可與各相鄰框重疊，映射所觀察部件200的表面208，若可用記憶體足夠，則使用每一相鄰框以儲存一校準影像210(如圖19所顯示)。當校準位置之間無任何間隙時，估算絕對位置033即校準位置210的絕對位置，可週期性地連接像素以形成斑點影像001的梳濾鏡分組212。將個別像素或像素分組連接到ADC類比數位轉換器，將像素光子強度轉換成二進制表示法以作為斑點影像001使用，週期性地連接像素以形成斑點影像001梳濾鏡分組212減少儲存校準斑點影像顯著特徵210所需的記憶體，及減少匹配目前斑點影像顯著特徵014與所儲存校準斑點影像顯著特徵210所需的計算工作量。暗視野表面繞射本質上係集中到特徵且在表面並不均勻。週期性連接斑點影像001梳濾鏡群組212的許多像素將不同時接收暗視野表面繞射照明，通常使用的斑點影像001分組實作替代先前技術係將像素分組以形成鄰近像素的2×2斑點影像筐001，鄰近像素的2×2或4×4斑點影像001減低可分解特徵細節。
梳陣列係可替代地表示為離散傅立葉變換(DFT)，可推斷一維(1D)梳陣列基本上係在一特殊頻率的1D相關性。週期性連接斑點影像001梳濾鏡212表示二維(2D)梳陣列，每一單元格具有4×4元素。在各單元格內，藉由線條來表示4×4元素：虛線、短折線、長折線、實線。重複週期性連接的4×4單元格元素的斑點影像001梳濾鏡212，將4×4單元格的各像素元件連接到鄰近單元格的對應像素元件。替代 實作可包括具有不同於每單元格4×4像素元件的2D梳陣列，具有子陣列的2D梳陣列，或具有可動態重組態梳連接能用以動態地更動空間頻率的2D梳陣列。
可修改動態可重組態2D梳陣列的解析度：藉由調整附加ADC的解析度，藉由將像素的電連接重配置到附加ADC，或藉由變動ADC作為斑點影像001使用的二進制像素表示法的組合。ADC產生二進制像素表示法的可重組態組合作為斑點影像001使用係較佳實作，等效地，可將斑點影像001在演算法的影像均等標度校正階段004以重組態方式組合。週期性連接的斑點影像001梳濾鏡212具有硬體賦能像素相關性的有利點。
如圖20所示，當校準位置210之間有間隙時，藉由測量從前一校準位置210的相對位移以取得估算絕對位置033，在測得相對位移的小誤差累積，其造成估算絕對位置033中的誤差。從與校準框210重疊的斑點影像框001以計算出校準框210內像素的變量及平均，若變量係一致地太大，則有像素不對準誤差，要求IC-GN子像素三角位移演算法440，或需要較多迭代的IC-GN子像素三角位移演算法440。具有高變量的點並非目前斑點影像顯著特徵014的好候選者，不應使用於校準影像顯著點210。校準斑點影像選取顯著點210可係自然特徵或蝕刻或雷射黑化的特徵，當蝕刻獨特特徵時不需精確位置控制，好候選特徵係圖25所顯示的1D二進制編碼校準圖樣及圖26所顯示的2D二進制編碼校準圖樣。相對圖樣幾何足以將1D二進制編碼校準圖樣215及2D 二進制編碼校準圖樣216描述為序列，其大大減低儲存1D二進制編碼校準圖樣215及2D二進制編碼校準圖樣216所需的記憶體。使用先前說明用以儲存自然特徵作為校準位置210的方法，以定出二進制編碼圖樣的各元素的精確位置。
在圖22中，先前已在圖21所描述校準模式中記錄校準位置210，此等校準位置210可已係如圖16、17及18所顯示的自然特徵或蝕刻的1D校準位置215/2D校準位置216。藉由測量從前一校準位置210的相對位移及/或藉由飛行時間感測器925以取得估算絕對位置033，飛行時間感測器925的射程速率及其易受光學干擾傷害係飛行時間感測器925的關鍵限制，低成本飛行時間感測器925能估算絕對位置，其動態地縮短定出校準位置210所需的時間。位置選組器009使用估算絕對位置033作為候選校準位置210的SURF/SIFT描述符選擇器012的輸入，利用估算絕對位置033的知識，斑點影像擷取框001內的一些顯著特徵點014即足以檢測校準位置210及判定絕對位置041。
圖23以側剖面圖顯示具有一光學位移感測器組件230的液壓汽缸組件實施例，液壓汽缸組件包括一汽缸筒901及一感測裝置外殼910，在汽缸筒901內設置一活塞902用以沿著一軸往復運動以回應液壓流體。活塞902將汽缸筒901分割成二小室907及908，外殼910係牢固地安裝在汽缸筒901上。一活塞桿200的一端係固定到活塞902及沿著移動軸延伸，活塞桿200的另一端延伸出外殼910，汽缸底部與活塞桿200的外側端中的一者或兩者係可與一機械組件直接(或間 接)連接。
汽缸筒901具有二開口用於流體如油或水流進及流出小室907、908的通道，用以移動活塞902。在汽缸筒901內設置封件906與活塞桿200的表面齊平及藉此防止流體離開小室907。
外殼910包圍一光學位移感測器230，其係用以判定活塞桿200的瞬間位置，外殼910內的封件912係設置用以清理活塞桿200的表面及藉此防止流體或灰塵污染光學位移感測器230，外殼910提供光學位移感測器組件230保護以遠離環境及允許感測單元容易替換。光學位移感測器230係安裝在外殼910內，接近活塞桿的表面，用以允許讀取活塞桿200的移動。
頂部接觸壓力感測器919係安裝在汽缸筒901的頂止檔905，底部接觸壓力感測器918係安裝在汽缸筒901的底止檔904，此二接觸感測器一起提供二位元數位信號以指出活塞902是否達到頂止檔905或底止檔904，或皆未達到，對應地，當活塞902達到頂止檔905或底止檔904時，即調整或更新在儲存體的絕對位移資訊。飛行時間感測器925係安裝在外殼910上及目標指向活塞桿200的附加飛行時間反射器903，飛行時間感測器925係在頂止檔905及/或底止檔904校準，飛行時間感測器925估算活塞桿200延伸，其係利用光學位移感測器230來提升。
在操作中，以時變壓力迫使流體進入小室907、908或從其中移除流體，使活塞902(及活塞桿200因此)相對於光 學位移感測器230前後滑動。光學位移感測器230讀取活塞桿200的相對位移及產生一對應數位信號，在感測器電路板930上的微處理器231、FPGA及/或ASIC係藉由匹配校準圖樣及使用相對位移以計算活塞桿200的絕對位移，所取得絕對位移指出活塞桿200及活塞902的實際位置。
圖24以等角視圖表示具有附加光子影像感測器的液壓汽缸，及顯示用以取得圖23所示剖面所使用的切割線A--A。
圖25係以圖表示所觀察部件200具有一維二進制編碼的校準圖樣215，校準圖樣的數目未限定到三個，校準圖樣的數目及置放係由應用需求來判定，獨特校準圖樣使基於其校準圖樣以判定何為目前校準圖樣成為可能。在校準模式期間判定1D二進制編碼校準圖樣215的絕對位置，其能使用較低成本雷射蝕刻以取得1D二進制編碼校準圖樣215。
圖26係以圖表示所觀察部件200具有2D二進制編碼的校準圖樣216，校準圖樣的數目及置放係由應用需求來判定，獨特校準圖樣使基於其校準圖樣以判定何為目前校準圖樣成為可能。在校準模式期間判定2D二進制編碼校準圖樣的絕對位置，其能使用較低成本雷射蝕刻以取得2D二進制編碼校準圖樣216，間距很大的2D二進制編碼校準圖樣所需蝕刻減少能進一步降低製造成本。
綜上所陳，本發明確實符合專利法第21條之成立要件，懇請 鈞局明鑒，惠予授准合法之專利權成立，至感德便。

Claims (26)

  1. 一種利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置，用以測量包含有相互移動機械部件之致動器、接頭或其他機械裝置之絕對機械位移，包括有：a)一光學構件230，用以擷取影像001，瞄準在所觀察該機械裝置之移動部件200之表面208，所觀察機械裝置係與擷取影像001之光學構件230相對移動，俾擷取影像001之光學構件230係安裝至該機械裝置之另一部件上；b)一選擇構件，用以從該等影像001中選出與鄰近環境形成對比之點014；c)複數個校準位置210，俾在各該校準位置210，在該表面208有一與鄰近環境形成對比之已知校準點排列；d)一檢測對準026之構件，用以藉由匹配該等與鄰近環境形成對比之點014與該等與鄰近環境形成對比之已知校準點，檢測該移動部件200與擷取影像001之光學構件230在該等校準位置210之對準，俾該移動部件200相對於擷取影像001之光學構件230之絕對位置係該已知絕對位置，在該等校準位置210校正該移動部件200相對於擷取影像001之光學構件230之已知絕對位置；該等校準位置210不需標記在所觀察機械裝置之移動部件200之表面208上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置，尚包括有：a)一或多個檢測構件，用以檢測缺少足夠校準位置210用於該移動部件200與擷取影像001之光學構件230之對準；b)一或多個取得構件，用以取得該移動部件200相對於擷取影像001之光學構件230之絕對位移；c)一儲存構件，用以儲存該校準位置210，俾在各該校準位置210已知該移動部件200相對於擷取影像001之光學構件230之絕對位移，及俾在各該校準位置210已知該等與鄰近環境形成對比之校準點；偏及該移動部件200之表面208完成該等校準位置210用於該移動部件200之校準；及儲存該等校準位置210用以取代該等校準位置210中之任何模糊者。
  3. 如申請專利範圍第1項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置，尚包括有：a)一取得構件，用以取得該移動部件200相對於擷取影像001之光學構件230在該表面208之測得絕對位置；b)一識別構件，用以識別該等校準位置210，其中在該等校準位置210之已知絕對位置附近檢測到該檢測對準026，及該移動部件200之測得絕對位置不匹配該校準位置210之已知絕對位置，俾可更新該等校準位置210之已知絕對位置；c)一識別構件，用以識別該等校準位置210，其中不在該等校準位置210之已知絕對位置附近檢測到該檢測對準026，俾可刪除該等識別校準位置210；藉此，該絕對位置測量構件能驗證該等校準位置210之已知絕對位置，是該絕對位置測量構件能提高該等校準位置210之已知絕對位置之準確度；藉此該絕對位置測量構件能識別及刪除該等校準位置210(其係不再可檢測到)；藉此，該光學裝置能釋出該等校準位置210(其係不再可檢測到)所使用之記憶體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置，尚包括有：a)一或多個測量構件，用以從該移動部件200之前一位置中，測出該移動部件200相對於擷取影像001之光學構件230之相對位移；b)一取得構件，用以從累積測得相對位移及從該等校準位置210之已知絕對位置中取得一測得絕對位移；在該等校準位置210之已知絕對位置間估算該測得絕對位移；透過該等校準位置210所需數目減少以降低該機械裝置成本。
  5. 如申請專利範圍第1項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置，其中選取該等已知校準點(其與鄰近環境形成對比)作為總體獨特特徵018，俾在所有該等已知校準點之中，該總體獨特特徵018係獨特的，藉由該等總體獨特特徵018之相對位置以得知總絕對位置。
  6. 如申請專利範圍第1項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置，尚包括有：a)一取得構件，用以取得該移動部件200相對於擷取影像001之光學構件230之測得絕對位置；b)選取該等已知校準點(其與鄰近環境形成對比)作為一局部獨特特徵018，俾在該測得絕對位置之量測誤差內，該局部獨特特徵018係獨特的；該等選取局部獨特特徵018可係極簡單及只需在該測得絕對位置之量測誤差所界定較小區域內係獨特的；該等局部獨特特徵018係簡單的，需要較少不變性記憶體233，因此能用以儲存較多該等局部獨特特徵018。
  7. 如申請專利範圍第1項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置，其中該等校準位置210係鄰近的，俾從該等校準位置210中之一或多者取得絕對位置，及藉此該絕對位置誤差不發生在該等校準位置210之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置，其中該等校準位置210之已知校準點排列之相對位置獨特地定義絕對位置，俾如判定該等校準位置210之相對位置所要求，該等校準位置210之已知校準點排列係局部獨特的；額外該等校準位置210之相對位置提供一或多個該等已知校準點排列中之變動所造成誤差之檢測及校正；局部獨特之已知校準點排列係較不複雜，需要較少不變性記憶體233，因此能用以儲存較多該等局部獨特特徵018。
  9. 如申請專利範圍第1項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置，其中該等校準位置210係產生在該移動部件200之表面208之標記，俾該等校準位置210係編碼序列，俾該等具有一維編碼序列之校準位置210具有其由一維定義之已知絕對位置；在該移動部件200之表面208產生標記，確保具有與鄰近環境形成對比之已知校準點之校準位置210係需要明顯較少不變性記憶體233之編碼序列；在該移動部件200之表面208產生標記，確保具有已知校準點之校準位置之位置足夠接近以確保可接受之量測誤差；在該移動部件200之表面208產生標記，確保具有已知校準點之校準位置210之位置係稀疏分布，使製造成本降到最低。
  10. 如申請專利範圍第1項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置，其中選擇該等校準位置210係與鄰近環境形成對比之自然校準點；不需要在該移動部件200之表面208產生標記之製造過程，使製造成本降低。
  11. 如申請專利範圍第1項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測裝置，其中檢測移動部件200檢測對準026之構件尚包括：a)一或多個光學距離反射器903，係與所觀察機械裝置之移動部件200一起移動；b)一或多個光學距離感測器925，係與擷取影像001之光學構件一起移動，俾該一或多個光學距離感測器925測量至該一或多個光學距離反射器903之距離；該等光學距離感測器925減少待搜尋用於匹配之候選校準位置210之數目；該等光學距離感測器925係利用該等已知校準點以協助檢測對準026該等點014之構件及降低計算成本。
  12. 一種利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測方法，用以測量包含有相互移動機械部件之致動器、接合器或其他機械裝置之絕對機械位移，包括以下步驟：a)藉由該機械裝置之移動部件200之光學擷取影像230以測量該移動部件200(其正相對於該等光學擷取影像構件230移動)之相對位移，俾該等光學擷取影像構件230係安裝至該機械裝置之另一部件上；b)在校準位置210取得該移動部件200之已知絕對位移；c)藉由從該等校準位置210取得之已知絕對位移中累積測得相對位移以估算該移動部件200之絕對位移；在校準位置210校正該移動部件200相對於該等光學擷取影像構件230移動之絕對位移。
  13. 如申請專利範圍第12項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測方法，其中取得該移動部件200之已知絕對位移之方法包括以下步驟：a)藉由該等光學擷取影像構件230以擷取該移動部件200之表面208之影像001；b)從該等與鄰近環境形成對比之擷取影像001中選出點排列014；c)將選取之點排列014儲存在該等校準位置210；d)藉由將選取之點排列014與儲存在該等校準位置210之點排列014匹配，利用該等校準位置210進行檢測對準026，俾該檢測對準026發生時，該移動部件200之絕對位移係該校準位置210之已知絕對位移；在該等校準位置210利用該等儲存選取排列以校正該移動部件200之估算絕對位移，及在該等校準位置210間利用該等儲存選取排列以估算該移動部件之估算絕對位移；在所觀察機械裝置之移動部件200之表面208不需應用標記。
  14. 如申請專利範圍第13項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測方法，尚包括有以下步驟：a)利用儲存選取之點排列014檢測該等校準位置210缺少足夠位置用於該估算絕對位移之充分準確度；b)由一交替構件取得該移動部件200之絕對位移；c)由一取得該絕對位移之交替構件將選取之點排列014儲存在該等校準位置210之位置，俾添加該等校準位置210中具有該等儲存選取排列之位置，及據此提升該估算絕對位移；在該等取得絕對位移之位置所儲存選取點排列014用以產生具有該等儲存選取排列之新校準位置210，一直繼續到校準位置足夠用於影像001之光學擷取構件230之對準遍及該移動部件200之表面208；添加具有該等儲存選取排列之新校準位置210，以該等儲存選取點排列014替換任何已失去或模糊之校準位置210。
  15. 如申請專利範圍第13項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測方法，其中擷取該影像001之方法組合影像001以形成複合影像001之分組212，俾在組合該等影像001以形成分組212時，降低該等選取點排列014之複雜度；降低複雜度之選取點排列014能用以較快速選擇點014，其能使該等相互移動之機械部件較快速移動。
  16. 如申請專利範圍第13項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測方法，其中擷取影像001之方法組合等距分開之影像001之序列以形成複合影像001之分組212，俾在組合該等影像001以形成分組212時，降低該等選擇點排列014之複雜度；降低複雜度之選取點排列014能用以較快速選擇點014，其能使該等相互移動之機械部件較快速移動。
  17. 如申請專利範圍第14項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測方法，其中由一交替構件取得移動部件200之絕對位移之方法係另一光學測量方法，用以測量包含有相互移動機械部件之致動器、接頭或其他機械裝置之絕對機械位移；多個用以測量致動器、接頭或其他機械裝置之絕對機械位移之光學方法能提供交替構件以取得該絕對位移。
  18. 如申請專利範圍第12項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測方法，其中該光學擷取影像之構件230包含一或多個光學距離感測器925，及其中取得該移動部件200之已知絕對位移之方法包括以下步驟：a)在該等校準位置210校準一或多個該光學距離感測器925；b)藉由一或多個該光學距離感測器925以測量絕對位移，藉此，驗證光學距離感測器925之該絕對位移量測，及光學距離感測器925系統量測誤差係可藉由校準加以校正。
  19. 如申請專利範圍第13項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測方法，尚包括有以下步驟：a)藉由一或多個光學距離感測器925以估算絕對位移；b)依該估算絕對位移之局部性以選擇具有該等已知絕對位置排列之校準位置210；該等光學距離感測器925大大地減低需要檢查以找出匹配之校準位置210數目；減低該檢測構件在具有該等儲存選取排列之校準位置210檢測對準026選取點排列014所需計算工作量。
  20. 如申請專利範圍第13項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測方法，尚包括有以下步驟：a)測量該移動部件200相對於影像001光學擷取構件230之絕對位移，俾在該等擷取影像001之選取點排列014與儲存在該等校準位置210之點排列014間發生該檢測對準026時，將該移動部件200之測量絕對位移與該校準位置210之已知絕對位移相比較；b)識別該等校準位置210，其中該移動部件200之測量絕對位移係接近該校準位置210之已知絕對位移，俾可利用該移動部件200之測量絕對位移以更新該已識別校準位置210之已知絕對位移；c)識別該等校準位置210，其中該移動部件200之測量絕對位移係不接近該校準位置210之已知絕對位移，俾可刪除該校準位置210；使用該測得絕對位移以驗證該等校準位置210之取得已知絕對位移；可使用該測得絕對位移以提高該等校準位置210之已知絕對位移之準確度；可使用該測得絕對位移以識別及刪除該等在原位置附近不再能檢測到之校準位置210；可釋出刪除之校準位置210所使用之記憶體。
  21. 如申請專利範圍第13項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測方法，尚包括有以下選擇步驟，用以選擇總體獨特之點排列014，俾在該等校準位置210所儲存所有該等點排列014之中，各該總體獨特點排列014係獨特的；各該校準位置210係可由其儲存在該等校準位置210之總體獨特點排列014加以識別。
  22. 如申請專利範圍第13項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測方法，尚包括有以下選擇步驟，用以選擇局部獨特之點排列014，俾在該估算絕對位移之估算誤差之內，各該局部獨特點排列014係獨特的；選取之各該局部獨特點排列014可係極簡單，及只需在該估算絕對位移之估算誤差所定義之較小區域內係獨特的；選取之各該局部獨特點排列014係簡單的，需要較少不變性記憶體233，因此能用以儲存較多該等局部獨特點排列014。
  23. 如申請專利範圍第12項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測方法，其中該等校準位置210係鄰接或重疊，俾該測得相對位移不在該等校準位置210間移動之同時累積；在該測得相對位移之誤差不累積在該估算絕對位移中。
  24. 如申請專利範圍第12項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測方法，尚包括有標記產生步驟，依該等校準位置210之已知絕對位移，在該移動部件200之表面208上產生標記，俾該等生成標記串列形成編碼序列；在該移動部件200之表面208產生標記容許具有該等編碼序列之校準位置210需要明顯較少之不變性記憶體233；在該移動部件200之表面208產生標記容許該等校準位置210之位置夠靠近，足以提供可接受之估算絕對位移誤差；在該移動部件200之表面208產生標記容許該等校準位置210之位置疏散，使製造成本減到最少。
  25. 如申請專利範圍第13項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測方法，其中該等光學擷取影像構件230包括以下步驟：a)從該移動部件200之表面208之多個區域中擷取複數個影像001；b)組合該複數個影像001，用以從該複數個擷取影像001中產生一合成影像組合光學特徵820；該複數個擷取影像001來之合成影像組合光學特徵820含獨特光學特徵之可能性增加，結果不需多個合成影像以獨特地定義該等校準位置210。
  26. 如申請專利範圍第13項所述利用光學感測器之耐磨液壓/氣動活塞位置感測方法，其中以下步驟：a)選擇該等點排列014涉及從該等影像001中選擇與鄰近自然發生環境形成對比之自然發生點014；b)選擇儲存在該等校準位置210之點排列014涉及選擇與鄰近自然發生環境形成對比之自然發生點014；不需在該移動部件200之表面208產生標記之製造過程，其降低製造成本。
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