(57)【要約】    【課題】  与えられた分解能および絶対範囲に対して、比較的狭いスケール幅および／または比較的小さい読取ヘッド検出器サイズを有する絶対位置検出装置を提供する。    【解決手段】  統合スケールトラック３００’は、複数の符号化されたセグメント３１０を含む。各符号化されたセグメント３１０は、符号部分３４０および周期部分３２０を含む。複数の周期部分３２０は、それぞれ、名目上のトラック幅３５０で測定軸方向を横切って完全に延び、複数の符号部分３４０は、この同じトラック幅内にある。周期部分３２０および符号部分３４０は、スケール１１０の全長に沿って交互に繰り返し列状態で配置されている。符号部分３４０は、スケール１１０の測定軸方向１１２に沿って位置し、測定軸方向１１２と直交する方向に沿って延びる符号要素領域３５０を含む。符号要素領域３５０は、複数の名目上の符号要素境界３５２によって分離されている個々の符号要素サブ領域３５１に分割される。【選択図】      図３
2004163435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの要素間の相対位置を測定するのに使用可能な絶対位置検出装置であって、
読取ヘッドおよびスケールを含み、前記スケールは測定軸に沿って延びる統合スケールトラックを含み、前記統合スケールトラックは、前記測定軸に沿って前記統合スケールトラック内に置かれた複数の符号化されたセグメントを含み、各符号化されたセグメントは、周期部分および符号部分を備え、
前記周期部分は、前記測定軸方向に沿って複数の細長い第２の増加スケール要素と交互配置された複数の細長い第１の増加スケール要素を備え、
前記符号部分は、前記測定軸に沿ったローカル基準の測定値を特定するのに使用される符号語を定義する複数の符号要素を備え、前記複数の符号要素は、それぞれ、符号要素領域内に測定軸方向と直交する方向に沿って配置された符号要素の少なくとも１つの組を備え、前記それぞれの符号要素領域は、前記測定軸に沿って置かれ、前記統合スケールトラックの幅の少なくとも一部に亘って前記測定軸方向と直交する方向に沿って延び、
前記複数の第１の増加スケール要素、前記複数の第２の増加スケール要素および前記複数の符号要素は、前記スケールの前記測定軸に沿った前記読取ヘッドの検出窓の位置に関係なく、前記読取ヘッドの検出窓が該検出窓に含まれるローカル基準の絶対測定値を特定するのに使用される符号語を定義するのに十分ないくつかの符号要素を含むように構成されていることを特徴とする絶対位置検出装置。
【請求項２】
前記細長い第１および第２の増加スケール要素の狭い幅が前記測定軸方向に沿って延び、前記細長い第１および第２の増加スケール要素の少なくともいくつかは、前記測定軸方向と直交する方向に沿って前記統合スケールトラックの一端へ延び、前記細長い第１および第２の増加スケール要素の少なくともいくつかは、前記測定軸方向と直交する方向に沿って前記統合スケールトラックの他端へ延び、前記細長い第１の増加スケール要素および前記細長い第２の増加スケール要素は、ピッチ寸法Ｐに従って測定軸方向に沿って周期的に交互に位置決めされていることを特徴とする請求項１記載の絶対位置検出装置。
【請求項３】
前記各符合要素は、前記測定軸方向と直行する方向に沿った名目上の符合要素寸法を有し、該符号要素寸法は、前記測定軸方向と平行に延びる名目上の符合要素境界に対応することを特徴とする請求項１または２記載の絶対位置検出装置。
【請求項４】
前記複数の第１の増加スケール要素、前記複数の第２の増加スケール要素および前記複数の符号要素は、さらに、前記検出窓の全領域の少なくとも５０％が少なくとも１つの周期部分の第１の増加スケール要素および第２の増加スケール要素を含むように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の絶対位置検出装置。
【請求項５】
前記符号部分の前記測定軸方向に沿った全長は、前記周期部分の前記測定軸方向に沿った全長未満であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の絶対位置検出装置。
【請求項６】
前記符号部分は、前記周期部分に埋め込まれていることを特徴とする請求項５記載の絶対位置検出装置。
【請求項７】
少なくとも１つの符号要素領域は、前記測定軸方向に沿ったその位置および広がりが、ピッチ寸法Ｐに従って前記測定軸方向に沿って周期的に交互に位置決めされた前記第１の増加スケール要素および前記第２の増加スケール要素の１つに使用可能である前記測定軸方向に沿った位置および広がりに一致するように配置されていることを特徴とする請求項６記載の絶対位置検出装置。
【請求項８】
前記符号部分の前記測定軸方向に沿った全長は、最大で前記ピッチ寸法Ｐの３倍であることを特徴とする請求項７記載の絶対位置検出装置。
【請求項９】
前記符号要素領域内に測定軸方向と直交する方向に沿って配置された符号要素の少なくとも１つの組は、少なくとも３つの符号要素を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の絶対位置検出装置。
【請求項１０】
前記符号要素領域内に測定軸方向と直交する方向に沿って配置された符号要素の少なくとも１つの組は、当該符号部分における符号語を定義する符号要素を全て備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の絶対位置検出装置。
【請求項１１】
前記第１の増加スケール要素は、暗い画像タイプのスケール要素であり、前記第２の増加スケール要素は、明るい画像タイプのスケール要素であり、前記第２の増加スケール要素は、前記第１の増加スケール要素の対応する寸法に多くとも等しい前記測定軸方向に沿った寸法を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の絶対位置検出装置。
【請求項１２】
前記測定軸方向と直交する方向に沿った前記符号要素の少なくともいくつかの前記名目上の符号要素寸法は、前記第２の増加スケール要素の対応する寸法に多くとも等しい前記測定軸方向に沿った寸法を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の絶対位置検出装置。
【請求項１３】
前記読取ヘッドは、前記測定軸方向に対応する行方向に沿った複数の行に画素ピッチＰrowで周期的に、前記行方向と直交する列方向に沿った複数の列に画素ピットＰcolumnで周期的に配置された複数の撮像素子を備え、
前記読取ヘッドの検出窓の広がりは、前記読取ヘッドが前記スケールに対して操作可能に位置決めされたときに前記複数の撮像素子によって受光された前記スケールの映し出された画像の広がりに対応し、
前記スケールの映し出された画像の読取ヘッド倍率Ｍが、前記第２の増加スケール要素の前記測定軸方向に沿った寸法のＭ倍が少なくとも３Ｐrowに等しく、前記第２の増加スケール要素の前記測定軸方向に沿った寸法のＭ倍が少なくとも３Ｐcolumnに等しいことを特徴とする請求項１１記載の絶対位置検出装置。
【請求項１４】
前記検出窓の全域の少なくとも７５％は、前記スケールの前記測定軸に沿った前記検出窓の位置に関係なく、前記少なくとも１つの周期部分の前記第１の増加スケール要素および前記第２の増加スケール要素を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の絶対位置検出装置。
【請求項１５】
ピッチ寸法Ｐに従って前記測定軸方向に沿って周期的に交互に位置決めされた、少なくともサブ複数隣接符号化されたセグメント、前記第１の増加スケール要素、および前記第２の増加スケール要素は、前記ピッチ寸法Ｐを有し、前記少なくともサブ複数隣接符号化されたセグメントに亘って前記測定軸に沿って連続して周期的である基本的な周期的配置パターンに従って位置決めされていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の絶対位置検出装置。
【請求項１６】
前記符号化されたセグメントのそれぞれは、さらに、所定部分を備え、前記所定部分は、前記符号部分のそれぞれに対して同じであるスケール要素パターンを備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の絶対位置検出装置。
【請求項１７】
さらに、信号処理ユニットを備え、操作可能に位置決めされた読取ヘッドが前記検出窓に前記スケールの画像を検出したときに、前記信号処理ユニットは、
符号語を定義するのに十分である前記検出窓に含まれる符号要素のいくつかに基づいて前記検出窓に含まれる前記ローカル基準の測定値を特定し、
前記検出窓に含まれる前記第１の増加スケール要素および前記第２の増加スケール要素に少なくとも一部基づいて前記ローカル基準に対する読取ヘッドのオフセットの測定値を求め、
前記ローカル基準の測定値と前記ローカル基準に対する読取ヘッドのオフセットの測定値とを結合して位置測定値を求める
のに使用されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の絶対位置検出装置。
【請求項１８】
２つの要素間の相対位置を測定するのに使用可能な絶対位置検出装置であって、
読取ヘッドおよびスケールを含み、前記スケールは測定軸に沿って延びる統合スケールトラックを含み、前記統合スケールトラックは、前記測定軸に沿って前記統合スケールトラック内に置かれた複数の符号化されたセグメントを含み、各符号化されたセグメントは、周期部分および前記周期部分内に埋め込まれた符号部分を備え、
前記周期部分は、前記測定軸方向に沿って複数の細長い第２の増加スケール要素と交互配置された複数の細長い第１の増加スケール要素を備え、前記細長い第１および第２の増加スケール要素の狭い幅が前記測定軸方向に沿って延び、前記細長い第１および第２の増加スケール要素は、名目上、前記符号部分が埋め込まれた場所を除いて、前記測定軸方向と直交する方向に沿って前記統合スケールトラックの完全な幅で延び、前記細長い第１および前記細長い第２の増加スケール要素は、ピッチ寸法Ｐを有しかつ複数の符号化されたセグメントに亘って前記測定軸方向に沿って連続的に周期的である基本的な周期的配置パターンに従って、前記測定軸方向に沿って周期的に交互に位置決めされ、
前記符号部分は、前記測定軸に沿ったローカル基準の測定値を特定するのに使用される符号語を定義する複数の符号要素を備え、前記複数の符号要素は、それぞれ、符号要素領域内に測定軸方向と直交する方向に沿って配置された符号要素の少なくとも１つの組を備え、前記それぞれの符号要素領域は、前記測定軸に沿って置かれ、前記統合スケールトラックのいずれかの端を含まない前記統合スケールトラックの幅の少なくとも一部に亘って前記測定軸方向と直交する方向に沿って延び、前記各符合要素は、前記測定軸方向と直行する方向に沿った名目上の符合要素寸法を有し、該符号要素寸法は、前記測定軸方向と平行に延びる名目上の符合要素境界に対応し、
前記複数の第１の増加スケール要素、前記複数の第２の増加スケール要素および前記複数の符号要素は、前記スケールの前記測定軸に沿った前記読取ヘッドの検出窓の位置に関係なく、前記読取ヘッドの検出窓が該検出窓に含まれるローカル基準の絶対測定値を特定するのに使用される符号語を定義するのに十分ないくつかの符号要素を含み、かつ前記検出窓の全領域の少なくとも５０％が少なくとも１つの周期部分の第１の増加スケール要素および第２の増加スケール要素を含むように構成されていることを特徴とする絶対位置検出装置。
【請求項１９】
前記周期部分は、名目上、少なくとも１つの前記符号部分および所定部分が埋め込まれた場所を除いた符号化されたセグメントを満たすことを特徴とする請求項１８記載の絶対位置検出装置。
【請求項２０】
絶対スケールに沿って検出アレイの高分解能位置を求めるための測定方法であって、
前記スケールは測定軸に沿って延びる統合スケールトラックを含み、前記統合スケールトラックは、前記測定軸に沿って前記統合スケールトラック内に置かれた複数の符号化されたセグメントを含み、各符号化されたセグメントは、周期部分および符号部分を備え、
前記周期部分は、前記測定軸方向に沿って複数の細長い第２の増加スケール要素と交互配置された複数の細長い第１の増加スケール要素を備え、前記細長い第１および第２の増加スケール要素の狭い幅が前記測定軸方向に沿って延び、前記細長い第１および第２の増加スケール要素の少なくともいくつかは、前記測定軸方向と直交する方向に沿って前記統合スケールトラックの一端へ延び、前記細長い第１および第２の増加スケール要素の少なくともいくつかは、前記測定軸方向と直交する方向に沿って前記統合スケールトラックの他端へ延び、前記細長い第１の増加スケール要素および前記細長い第２の増加スケール要素は、ピッチ寸法Ｐに従って測定軸方向に沿って周期的に交互に位置決めされ、
前記符号部分は、前記測定軸に沿ったローカル基準の測定値を特定するのに使用される符号語を定義する複数の符号要素を備え、前記複数の符号要素は、それぞれ、符号要素領域内に測定軸方向と直交する方向に沿って配置された符号要素の少なくとも１つの組を備え、前記それぞれの符号要素領域は、前記測定軸に沿って置かれ、前記統合スケールトラックの幅の少なくとも一部に亘って前記測定軸方向と直交する方向に沿って延び、前記各符合要素は、前記測定軸方向と直行する方向に沿った名目上の符合要素寸法を有し、該符号要素寸法は、前記測定軸方向と平行に延びる名目上の符合要素境界に対応する測定方法であって、
前記検出アレイを使用して現在の位置に対応する統合スケールトラックの一部の画像を検出する工程と、
前記検出された画像に含まれる少なくとも１つの符号部分に基づいてローカル基準の測定値を求める工程と、
前記検出された画像に含まれる複数の増加スケール要素に少なくとも一部基づいて前記ローカル基準に対する前記検出アレイのオフセットの測定値を求める工程と、
前記ローカル基準の測定値と前記ローカル基準に対する前記検出アレイのオフセットの測定値とを結合して前記絶対スケールに沿った前記検出アレイの高分解能位置を求める工程と
を備えることを特徴とする測定方法。
【請求項２１】
各符号化されたセグメントは、所定部分を含み、
前記検出された画像に含まれる少なくとも１つの符号部分に基づいてローカル基準の測定値を求める工程は、
前記検出された画像に含まれる少なくとも１つの所定部分の位置を求める工程と、
前記求められた前記所定部分の位置に基づいて前記検出された画像中の前記符号要素の位置を求める工程と、
前記符号要素の位置に対応する検出された画像を処理し、前記検出された画像に出現する前記符号要素の符号要素値を求める工程と、
前記求められた符号要素値に基づいて前記ローカル基準の測定値を求める工程と
を備えることを特徴とする請求項２０記載の測定方法。
【請求項２２】
前記検出アレイは、前記測定軸方向と直交する方向に対応する方向に沿って延びる複数の列を備え、各列は、複数の検出素子を備え、
前記検出された画像に含まれる少なくとも１つの符号部分に基づいてローカル基準の測定値を求める工程は、
前記検出された画像を処理し、前記検出された画像に含まれる少なくとも１つの符号要素領域の位置を求める工程と、
前記少なくとも１つの符号要素領域における検出素子の少なくとも１つの列に沿って前記検出された画像を処理し、前記少なくとも１つの符号要素領域に含まれる符号要素の符号要素値を求める工程と、
前記少なくとも１つの符号要素領域に含まれる符号要素の符号要素値に基づいて前記ローカル基準の測定値を求める工程と
を備えることを特徴とする請求項２０記載の測定方法。
【請求項２３】
前記検出アレイは、前記測定軸方向に対応する方向に沿って複数の行に延びる複数の検出素子を備え、各行は、検出素子行ピッチに従って間隔があけられている複数の検出素子を備え、
前記ローカル基準に対する前記検出アレイのオフセットの測定値を求める工程は、
前記検出された画像における基本的な増加ピッチの１／２に対応する距離より、検出された画像において細かい分解能で、前記検出アレイに対するローカル基準特性のオフセットのオフセットを測定する工程と、
前記検出素子行ピッチとして少なくとも前記検出された画像における細かさである分解能で、前記検出素子に対する複数の増加スケール要素のオフセットを測定する工程と、
前記検出アレイに対する複数の増加スケール要素のオフセットの測定値に少なくとも一部基づいて前記ローカル基準に対する前記検出アレイのオフットの測定値を求める工程と
を備えることを特徴とする請求項２０記載の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの要素間の相対位置を測定するのに使用可能な絶対位置検出装置および絶対スケールに沿って検出アレイの高分解能位置を求めるための測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶対位置エンコーダがスケール構造を使用し、このスケール構造は、スケールに沿って与えられた開始点に対するいかなる基準も必要とせずに、スケールに相対する読取ヘッドの位置が求められることを許容する。スケールに沿った多重情報トラックを使用する様々な絶対位置エンコーダが知られている。
【０００３】
多くの従来の容量型および誘導型絶対位置エンコーダにおいて、スケール構造は、組み合わせにおいて、限定的な距離内のスケールに相対する読取ヘッド位置を一意に特定する異なる周期的空間波長を有する２以上のトラックを含む。米国特許5,886,519は、そのような誘導型絶対位置エンコーダの１つの実施例を開示する。
【０００４】
米国特許5,886,519は、また、周期的空間配置の検知素子を含むトラックと、擬似ランダム列で配置された一連の検知素子を含む個々の分離符号トラックとを含む実施例を開示する。特に、読取ヘッド検知素子の境界内に位置するこの符号トラックの検知素子の一部に関して、検知素子は、第１分解能でスケールに相対する読取ヘッドの位置を一意に特定する一意の二値、三値またはさらに高い値の符号語を形成し、一方、周期空間配置を有するトラックは、さらに高い分解能に対してスケールに相対する読取ヘッドの位置を特定する。
【０００５】
同様に、多くの従来の光学式位置エンコーダは、スケールに沿った多重情報トラックを使用し、ここで、スケールに沿った各位置に対して、符号トラックまたは符号トラックの組合せが、スケールに沿ったその位置を一意に特定する固有値を決定する。しばしば、１つ以上の符号トラックだけによって提供される分解能より小さい分解能で読取ヘッドに相対する周期トラックの位置を決定する複数の方法が、また使用される。米国特許3,882,482、5,965,879および5,279,044は、そのような多重符号トラック光学式エンコーダを開示する。
【０００６】
米国特許4,631,519は、米国特許5,279,044と同様に、前述した符号トラック機能および周期トラック機能を、平行トラックすなわち単一の複合トラックに統合する光学式絶対位置エンコーダの実施例を開示する。このような実施例において、検知符号要素は、トラックに沿って擬似ランダム列で配置され、増加トラックの１以上のピッチに亘る感知装置の変位が常時ピッチ毎に特定の符号を生成するように、増加スケールの連続周期ピッチで並ぶように位置決めされた個々の符号要素を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した光学式エンコーダ構成は、いくつかの不利な点を有する。多重トラックの不利な点は、非常に大きなサイズの読取ヘッド、非常に広いスケールおよび少なくともいくつかのトラックにおける少ない「情報密度」を必要とすることである。逆に、多重トラック構成が狭くされるならば、静的および／または動的取付けミスアライメントに対する感度および／またはより複雑な読取ヘッド検知または信号処理の必要性が生じる。また、前の複合トラック光学式エンコーダ構成には、多くの不利な点がある。これらの不利な点は、高分解能が要求されるならばスケール長が制限され、長いスケール長が要求されるならば分解能が比較的低くなり、そして、比較的複雑な読取ヘッド検知または信号処理が、周期的に配置されている要素のトラックを使用して達成可能なスピード、精度、および分解能に匹敵するスピード、精度、および分解能を実現する必要性がある。さらに、正確で高分解能絶対測定を提供するために、スケールに沿ってあらゆる所で一意であるが、それにもかかわらず基本的な連続した周期的な格子に正確に並べなければならない符号要素列を有するスケールを製作するのは、比較的高価である。
【０００８】
さらに、運動制御系速度が連続的に増加し、上述した光学エンコーダ構成は、高速運動中に結果として生じる「汚れた」符号トラック画像に関連した問題を十分考慮していない。そのような高速での符号を汚す問題は、絶対スケールが高分解能および長い絶対測定範囲の両方を提供する必要があるとき、悪化される。これらの不利な点の１つ以上を避けることができる光学式絶対位置エンコーダが、役に立つであろう。
【０００９】
本発明は、与えられた分解能および絶対範囲に対して、比較的狭いスケール幅および／または比較的小さい読取ヘッド検出器サイズを有する絶対位置検出装置および測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するため、２つの要素間の相対位置を測定するのに使用可能な絶対位置検出装置であって、読取ヘッドおよびスケールを含み、前記スケールは測定軸に沿って延びる統合スケールトラックを含み、前記統合スケールトラックは、前記測定軸に沿って前記統合スケールトラック内に置かれた複数の符号化されたセグメントを含み、各符号化されたセグメントは、周期部分および符号部分を備え、前記周期部分は、前記測定軸方向に沿って複数の細長い第２の増加スケール要素と交互配置された複数の細長い第１の増加スケール要素を備え、前記符号部分は、前記測定軸に沿ったローカル基準の測定値を特定するのに使用される符号語を定義する複数の符号要素を備え、前記複数の符号要素は、それぞれ、符号要素領域内に測定軸方向と直交する方向に沿って配置された符号要素の少なくとも１つの組を備え、前記それぞれの符号要素領域は、前記測定軸に沿って置かれ、前記統合スケールトラックの幅の少なくとも一部に亘って前記測定軸方向と直交する方向に沿って延び、前記複数の第１の増加スケール要素、前記複数の第２の増加スケール要素および前記複数の符号要素は、前記スケールの前記測定軸に沿った前記読取ヘッドの検出窓の位置に関係なく、前記読取ヘッドの検出窓が該検出窓に含まれるローカル基準の絶対測定値を特定するのに使用される符号語を定義するのに十分ないくつかの符号要素を含むように構成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、上記目的を達成するため、２つの要素間の相対位置を測定するのに使用可能な絶対位置検出装置であって、読取ヘッドおよびスケールを含み、前記スケールは測定軸に沿って延びる統合スケールトラックを含み、前記統合スケールトラックは、前記測定軸に沿って前記統合スケールトラック内に置かれた複数の符号化されたセグメントを含み、各符号化されたセグメントは、周期部分および前記周期部分内に埋め込まれた符号部分を備え、前記周期部分は、前記測定軸方向に沿って複数の細長い第２の増加スケール要素と交互配置された複数の細長い第１の増加スケール要素を備え、前記細長い第１および第２の増加スケール要素の狭い幅が前記測定軸方向に沿って延び、前記細長い第１および第２の増加スケール要素は、名目上、前記符号部分が埋め込まれた場所を除いて、前記測定軸方向と直交する方向に沿って前記統合スケールトラックの完全な幅で延び、前記細長い第１および前記細長い第２の増加スケール要素は、ピッチ寸法Ｐを有しかつ複数の符号化されたセグメントに亘って前記測定軸方向に沿って連続的に周期的である基本的な周期的配置パターンに従って、前記測定軸方向に沿って周期的に交互に位置決めされ、前記符号部分は、前記測定軸に沿ったローカル基準の測定値を特定するのに使用される符号語を定義する複数の符号要素を備え、前記複数の符号要素は、それぞれ、符号要素領域内に測定軸方向と直交する方向に沿って配置された符号要素の少なくとも１つの組を備え、前記それぞれの符号要素領域は、前記測定軸に沿って置かれ、前記統合スケールトラックのいずれかの端を含まない前記統合スケールトラックの幅の少なくとも一部に亘って前記測定軸方向と直交する方向に沿って延び、前記各符合要素は、前記測定軸方向と直行する方向に沿った名目上の符合要素寸法を有し、該符号要素寸法は、前記測定軸方向と平行に延びる名目上の符合要素境界に対応し、前記複数の第１の増加スケール要素、前記複数の第２の増加スケール要素および前記複数の符号要素は、前記スケールの前記測定軸に沿った前記読取ヘッドの検出窓の位置に関係なく、前記読取ヘッドの検出窓が該検出窓に含まれるローカル基準の絶対測定値を特定するのに使用される符号語を定義するのに十分ないくつかの符号要素を含み、かつ前記検出窓の全領域の少なくとも５０％が少なくとも１つの周期部分の第１の増加スケール要素および第２の増加スケール要素を含むように構成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、上記目的を達成するため、絶対スケールに沿って検出アレイの高分解能位置を求めるための測定方法であって、前記検出アレイを使用して現在の位置に対応する統合スケールトラックの一部の画像を検出する工程と、前記検出された画像に含まれる少なくとも１つの符号部分に基づいてローカル基準の測定値を求める工程と、前記検出された画像に含まれる複数の増加スケール要素に少なくとも一部基づいて前記ローカル基準に対する前記検出アレイのオフセットの測定値を求める工程と、前記ローカル基準の測定値と前記ローカル基準に対する前記検出アレイのオフセットの測定値とを結合して前記絶対スケールに沿った前記検出アレイの高分解能位置を求める工程とを備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明によるスケールの様々な実施の形態において、スケールは、測定軸に沿って延びる統合スケールトラックを含む。この統合スケールトラックは、測定軸に沿って置かれた１つ以上の符号化されたセグメントを含む。符号化されたセグメントは、測定軸に沿って置かれた１つ以上の周期部分を含み、各周期部分は、複数の周期的に置かれた増加スケール要素を有する。統合スケールトラックの符号化されたセグメントは、また、周期部分内または周期部分間に位置する符号部分を含む。各符号部分は、符号要素の一意の組すなわちグループであり、よって、スケールに沿った特定の位置を特定する。様々な実施の形態において、符号要素は、測定軸を横断する方向に沿って配置される。
【００１４】
様々な実施の形態において、各符号部分は、所定部分を含む。この所定部分は、所定の特性を有する単一の要素または空間、または要素の所定のパターンとしてもよい。様々な他の実施の形態において、符号部分に関連する所定部分は、各符号部分に対する一貫した空間関係で、各符号部分に隣接してスケール上に設けられる。いかなる場合でも、この所定部分は、スケールの符号部分から生じる読取ヘッド信号が、スケールの他の部分から生じる読取ヘッド信号と素早く区別されることを許す。
【００１５】
本発明による様々な他の実施の形態において、周期増加スケール要素は、たとえ符号部分および／または空間が測定軸に沿って周期的に置かれた増加スケール要素の連続性を妨げるとしても、周期部分間で連続しかつ空間的に同期する基本増加ピッチに一致するように、スケールに沿って置かれる。本発明による様々な他の実施の形態において、１つの符号化されたセグメントの符号部分は、読取ヘッドの検出アレイの寸法および読取ヘッドによるスケール画像に適用される倍率に基づいて求められた限界値以下に、隣接する符号化されたセグメントの符号部分と間隔があけられてもよい。
【００１６】
本発明による様々な他の実施の形態において、符号部分の個々の符号要素の少なくともいくつかは、測定軸に沿った増加スケール要素の少なくともいくつかの寸法より、測定軸に直交する方向に狭い。
【００１７】
様々な実施の形態において、各符号化されたセグメントの符号要素は、粗い分解能絶対位置を提供するための位置すなわちローカル基準の測定値を示す。ローカル基準は、複数の周期的に置かれた増加スケール要素と関連する。本発明による様々な他の実施の形態において、読取ヘッドの検出アレイが、さらに、周期的に置かれた増加スケール要素の周期より細かい高分解能で、検出アレイに対するローカル基準特性の位置を求める。本発明による様々な他の実施の形態において、読取ヘッドの検出アレイは、さらに、最高分解能絶対位置測定値を提供するために、検出アレイおよび／または読取ヘッドに対する周期的に置かれた増加スケール要素の少なくともいくつかの位置を求める。
【００１８】
本発明による様々な他の実施の形態において、検出アレイピッチは、アレイによって撮像される各周期スケール要素に対する複数の検出アレイがあるように、測定軸方向に対応する第１の方向で選択される。様々な実施の形態において、検出アレイピッチは、アレイによって撮像される各符号要素に対する複数の検出アレイがあるように、測定軸方向に直交する方向に対応する第２の方向で選択される。
【００１９】
本発明による絶対スケールの様々な実施の形態において、各符号化されたセグメントにおける符号要素は、スケールに沿って連続した符号語を形成する。本発明による様々な他の実施の形態において、連続した符号語は、スケールに沿った対応する位置を直接示す。本発明による様々な他の実施の形態において、連続した符号語は、復号ルックアップテーブルを用いて絶対位置測定値に変換される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、与えられた分解能および絶対範囲に対して、比較的狭いスケール幅および／または比較的小さい読取ヘッド検出器サイズを有する絶対位置検出装置および測定方法が提供される。
【００２１】
また、本発明は、さらに、周期および符号構造の両方を統合する統合スケールトラックを用いることによって読取ヘッドのサイズおよび／またはスケールの幅を減少させる光学絶対位置エンコーダを提供する。
【００２２】
本発明は、別々に、測定軸を横断する方向におけるスケールの静的および動的ミスアライメントを感知しない光学絶対位置エンコーダを提供する。
【００２３】
本発明は、別々に、長いスケール長および高分解能の両方を有する光学絶対位置エンコーダを提供する。
【００２４】
本発明は、さらに、長いスケール長を許す符号部分と読取ヘッドとスケール間の相対位置の高分解能測定値を許す周期部分と含む統合スケールトラックを使用することによって、長いスケール長および高分解能を得る光学絶対位置エンコーダを提供する。
【００２５】
本発明は、別々に、高分解能および高速での確実な動作の両方を有する光学絶対位置エンコーダを提供する。
【００２６】
本発明は、さらに、高分解能、高速での確実な動作および長い絶対スケール長を有する光学絶対位置エンコーダを提供する。
【００２７】
本発明は、別々に、符号部および周期部分の両方を含む統合スケールトラックを有する光学絶対位置エンコーダのためのスケールを提供する。
【００２８】
本発明は、さらに、符号部分が周期部分に埋め込まれている統合スケールトラックを有するスケールを提供する。
【００２９】
本発明は、さらに、符号部分と周期部分がスケールの長さに沿って交互に発生する統合スケールトラックを有するスケールを提供する。
【００３０】
本発明は、さらに、スケールの長さに沿って交互に発生する符号部分と周期部分が互いに隣接するスケールトラックを提供する。
【００３１】
本発明は、別々に、符号部分および周期部分の両方を含む統合スケールトラックの画像から、光学絶対位置エンコーダのスケールに対する光学絶対位置エンコーダの読取ヘッドの絶対位置を求めるための方法を提供する。
【００３２】
本発明は、さらに、スケールの画像内に現れる符号部分を見つけることによってスケールに対する読取ヘッドの絶対位置を求め、見つけられた符号部分に現れる符号に基づいて第１分解能相対位置を求めるための方法を提供する。
【００３３】
本発明は、さらに、測定軸を横断する方向に沿ってスキャンすることによってスケールの画像内に現れる符号を求めるための方法を提供する。
【００３４】
本発明は、さらに、スケールの画像内に現れるローカル基準特性を見つけることによってスケールに対する読取ヘッドの絶対位置を求め、スケールの画像内のローカル基準特性の位置に基づいて第２分解能相対位置を求めるための方法を提供する。
【００３５】
本発明は、また、画像内に現れる周期部分と周期基準構造との間のオフセット距離を求めることによってスケールに対する読取ヘッドの絶対位置を求め、オフセット距離に基づいて第３の分解能相対位置を求めるための方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３７】
図１は、絶対位置測定を生成するための、統合スケール付きの使用可能な光学式絶対位置エンコーダ１００のブロック図である。図１に示される光学式絶対位置エンコーダ１００は、読取ヘッド１２６、信号生成処理回路２００およびスケール１１０を含む。スケール１１０は、統合スケールトラック３００を含む。図１において、読取ヘッド１２６の部品、およびスケール１１０と統合スケールトラック３００とのそれらの関係は、以下でさらに説明されるように、一般に、例示的な物理的構成に対応するレイアウトで図示される。
【００３８】
特に、スケール１１０は、読み取りヘッド１２６の照明／受光端部に近接して位置決めされる。スケール１１０が光源１３０によって読取ヘッド１２６の上記端部から放射された光ビーム１３４により照明されたとき、放射された光ビーム１３４が反射光１３６として、スケール１１０上の統合スケールトラック３００によって選択的に反射される。反射光１３６は、読取ヘッド１２６の上記端部に位置決めされている画像受光素子によって受光される。各種画像受光素子については、さらに以下に述べる。スケール１１０は、一般的に、読取ヘッド１２６内に収容された光源１３０と光学系から安定した距離で位置決めされている。スケール１１０は、図１に示すように、測定軸方向１１２のような、相対運動の軸に沿って読取ヘッド１２６に対して相対移動する。上記相対移動は、一般に、例えば、読取ヘッド１２６とスケール１１０間の適切な相対位置を維持するために、フレームに装着された通常の案内路または軸受（図示せず）などによって拘束される。読取ヘッド１２６は、読取ヘッド１２６の装着を助成し、装着フレームおよび／またはスケール１１０の相対運動軸１１２の予想された軸に関して読み取りヘッド１２６の内部部品を調整する調整機能（図示せず）を含むようにしてもよい。
【００３９】
スケール１１０は、一般に、第１のタイプのスケール要素と第２のタイプのスケール要素を含み、第１および第２のタイプのスケール要素は、光源１３０によって供給された光の波長で照明されたときに比較的に高コントラスト画像を提供する。様々な実施の形態において、パターン化された材料がスケール１１０の表面にある領域は、第１のタイプのスケール要素を構成し、パターン化された材料がない領域は、第２のタイプのスケール要素を構成する。ここで用語として使用される「スケール要素」のそれぞれは、必ずしも、自身のタイプの他のスケール要素に関して物理的境界を有するわけではない。むしろ、それは、次の議論における個々の要素としてそれらを区別する、他のタイプのスケール要素とのそれらのコントラストと、それらが占有する統合スケールトラック３００の指定された設計領域などにおけるそれらの存在である。従って、本発明による様々な実施の形態において、スケール１１０の表面上の他の明確にパターン化された材料の周囲の連続する「背景」または「間隙」として現れるスケール１１０の基板表面領域が、スケールトラック３００に沿って複数の対照的なスケール要素を提供する。
【００４０】
様々な実施の形態において、スケール１１０は、一連の非反射性スケール要素がパターン化された材料で形成されている拡散反射性面を有する基板を含む。スケール１１０の比較的高い反射性は、公知のまたは後に開発される材料および／または構造によって得ることができる。例えば、スケール１１０は、適切な拡散反射性面構造を有することができ、金属またはガラス、若しくはマイラー（Mylar；登録商標）のようなポリマーなどの、反射性材料から製作することができる。非反射性スケール要素を形成するのに用いられるパターン化された材料は、パターンを形成するようにスケール１１０の表面をコーティングし材料を除去すること、スケール１１０を形成するのに使用される材料の反射性を減少させるように非反射性スケール要素のパターンでスケール１１０の表面を区別して処理すること、パターンで、スケール１１０の表面上に非反射性材料を選択的に蒸着または塗ることなどによって、形成することができる。
【００４１】
様々な他の実施の形態において、スケール１１０は、一連の非反射性スケール要素がパターン化された材料で形成されている非反射性面を有する基板を含む。この場合、スケール１１０の非反射面は、コーティングするかそうでなければ、スケール１１０の表面を処理するか、または、スケール１１０に沿った適切な場所における反射性を選択的に減少させるための公知のおよび／または後に開発される処理を用いることによって、それが形成される素材に基づいて非反射性にすることができる。反射性スケール要素を形成するのに用いられるパターン化された材料は、パターンを形成するようにスケール１１０の表面をコーティングし材料を除去すること、スケール１１０を形成するのに使用される材料の反射性を減少させるように反射性スケール要素のパターンでスケール１１０の表面を区別して処理すること、パターンで、スケール１１０の表面上に反射性材料を選択的に蒸着または塗ることなどによって、形成することができる。
【００４２】
様々な実施の形態において、スケール１１０は、多少の反射性表面部分から形成されたスケール要素を有する。多少の反射性表面部分から形成されたスケール要素が主に光源１３０からの光ビーム１３４を読取ヘッド１２６の画像受光素子へ反射するそのような実施の形態において、これらのスケール要素は、反射性スケール要素である。多少の反射性表面部分から形成されたスケール要素が主に光源１３０からの光ビーム１３４を読取ヘッド１２６の画像受光素子から離れて反射するそのような実施の形態において、これらのスケール要素は、非反射性スケール要素である。しかしながら、そのようなスケールのいずれの場合においても、画像コントラストおよび／または強度は、絶対測定システムの信頼性および測定精度を減少させるアライメント変化および／または表面汚れに対してより感度を示す。様々な他の実施の形態において、スケール１１０および／またはスケール１１０上に含まれるスケール要素は、光検出器１６０によって検出されたスケールトラック３００の画像におけるスケール要素間のコントラストを強調する色を含む。
【００４３】
図１に示すように、読取ヘッド１２６の画像受光素子は、レンズ１４０を含み、該レンズ１４０は、レンズ１４０の光軸１４４が一般にスケール１１０の照明される領域に対して協調されるように、読取ヘッド１２６の照明／受光端に位置決めされている。図１に示す実施の形態において、読取ヘッド１２６は、さらに、レンズ１４０の焦点距離に一致する距離によって光軸１４４に沿ってレンズ１４０から離されたピンホール開口プレート１５０と、光軸１４４に沿って開口プレート１５０から離された光検出器１６０とを含む。そのようなテレセントリック配置は、光検出器１６０上の統合スケールトラック３００の画像の倍率を、レンズ１４０から統合スケールトラック３００までの撮影距離ｇとほぼ独立させる。様々な実施の形態において、撮影距離ｇが例えば精密な軸受などによって、十分に制御されると、開口プレート１５０は、削除してもよい。
【００４４】
スケール１１０と、レンズ１４０、開口プレート１５０および光検出器１６０を含む読取ヘッド１２６との間隔および位置決めの例を、さらに、以下に説明する。光源１３０、レンズ１４０、開口プレート１５０および光検出器１６０の読取ヘッド１２６のハウジング内への装着は、部品が正確で安定した方式で装着される小型光学系製造および／または工業カメラの製造の従来の方法に従って行われてもよい。
【００４５】
読取ヘッド１２６がスケール１１０に対して近接して位置決めされたとき、光検出器１６０によって捕らえられた各画像は、統合スケールトラック３００の一部を含むであろう。
【００４６】
様々な実施の形態において、光検出器１６０は、公知の間隔で少なくとも２つの軸に沿って離された撮像素子１６２のアレイ１６６を有する。対応する測定軸方向に対応する公知の間隔が、光検出器１６０上に映し出された２つの類似画像間、または光検出器１６０上に映し出された画像と得られた画像に一般に対応する合成画像間の変位またはオフセットを測定するための基準を提供する。従って、測定軸方向に対応する公知の間隔は、また、細かいまたは上記公知の間隔より細かい分解能で、統合スケールトラック３００の画像の変位を測定するための基準を提供する。光検出器１６０は、カメラ、電子またはデジタルカメラ、ＣＣＤアレイ、ＣＭＯＳ光検知要素などの、独立して個々の光検知要素のアレイに組み込まれる周知のまたは後に開発されたタイプの光検知材料または装置とすることができる。
【００４７】
また、読取ヘッド１２６は、少なくとも信号生成処理回路２００の一部を含む。図１に示すように、光源１３０を制御および／または駆動するために、信号生成処理回路２００からの信号線１３２が光源１３０に接続される。信号線１６４が光検出器１６０と信号生成処理回路２００を接続する。特に、アレイ１６６の各撮像素子１６２は、個々にアドレス指定され、信号線１６４を介して信号生成処理回路２００へ、撮像素子１６２上の光強度を表す値を出力することができる。信号生成処理回路２００の付加部分が読取ヘッド１２６から離れた位置に置かれ、読取ヘッド１２６の機能は、遠隔的に操作され、表示することができる。信号生成処理回路２００は、図１３を参照してさらに以下に詳細に説明する。
【００４８】
図１に示すように、光ビーム１３４が統合スケールトラックの一部を照明するとき、光軸１４４に沿って反射された光１３６のみが光検出器１６０上の統合スケールトラック３００の画像に貢献する。
【００４９】
光ビーム１３４の照明角度が傾斜しているとき、入射した光ビーム１３４と光軸１４４との間の角度は、スケール１１０上の反射性面が読取ヘッド１２６によって検出されたフィールドから離れた反射性面上に入射した光を反射するようにしてもよい。その場合、様々な実施の形態において、それは、検出された画像における比較的高い強度を意図的に提供するスケール１１０の一部が光軸１４４の方向に沿って拡散反射を提供するようにすれば、役立つ。この場合、拡散表面部は、拡散性がないものより、明るくなる傾向がありそして／またはより高い画像コントラストを提供するであろう。様々な実施の形態において、拡散面部分は、それらの表面仕上げまたは材料特性により、または、拡散コーティングまたは表面構造などの適用によって拡散性を有するようにしてもよい。
【００５０】
図２は、入射光ビーム１３４と光軸１４４との間の角度が鏡面状スケール表面が鏡面状表面に入射した光をすなわち読取ヘッド１２６で検出された領域から離れた反射光１３６を反射するようなものであるときに使用可能なスケール１１０の一部の一実施の形態の側面図である。図２において、垂直方向における第１のスケール要素１１６の厚さは、図の目的のために大いに誇張されている。様々な実施の形態において、第１のスケール要素１１６は、一般に、材料の比較的薄い層によって、スケール１１０の表面上に形成されるであろう。
【００５１】
図２に示す実施の形態において、第１のスケール要素１１６は、増加ピッチｐを有する周期パターンで、スケール１１０を形成するのに使用される基板１１４の第１の表面１１５上に形成されている。この増加ピッチｐ（また周期ｐと呼ばれる）は、以下により詳細に述べるように、統合スケールトラック３００の様々な周期部分の特性である。図２に示すように、増加ピッチｐは、長さにおいて、周期的に置かれた第１のスケール要素１１６および隣接する交互配置の第２のスケール要素１１９の１つによって測られた距離に等しい、または、連続して配置された同一のタイプのスケール要素の対応する端部間の距離と同等である。図２に示す様々な実施の形態において、スケール１１０は、スケール１１０の基板１１４の第２の表面１１７が光ビーム１３４の光源に近接するように方向付けられている。この場合、基板１１４は、光ビーム１３４の少なくとも１つの波長に対して透過性がある。拡散裏層１１８が、第１のスケール要素１１６間の第２のスケール要素１１９のパターンで拡散反射面を提供するように、第１の表面１１５上に渡りまたは近接して形成または設けられている。この拡散裏層またはコーティング１１８は、光軸１４４に沿った光１３６として、光ビーム１３４の入射光のいくつかを拡散して導く。
【００５２】
１つの実施の形態において、拡散裏層１１８は、拡散的に反射するコーティングタイプの裏層１１８Ａであり、それは、スケール要素１１６間の第２のスケール要素１１９を形成する空間における表面を覆う噴霧されたコーティングである。他の実施の形態において、拡散裏層１１８は、拡散的に反射する基板タイプの裏層１１８Ｂであり、それは可能な限り近くに表面１１５に隣接しており、第１のスケール要素１１６間の第２のスケール要素１１９を形成する空間で光ビーム１３４を反射する。様々な実施の形態において、基板タイプの裏層１１８Ｂは、スケール１１０を支持する装着部材の表面として設けられている。
【００５３】
図２に示すスケール１１０の実施の形態は、いくつかの利点を提供する。本実施の形態において、スケール１１０は、スケール１１０の第２のスケール要素１１９を形成する拡散面部分の実施可能な広がりおよび位置が第１のスケール要素１１６の端で効果的に規定されるという点で、製作が容易である。従って、スケール１１０の第２のスケール要素１１９を形成する拡散部分は、これらの拡散部分の広がりおよび位置を制御するための特別な処理を必要としない。さらに、図２に示すスケール１１０の方向性に関して、表面１１７上の汚れは、スケールの検出された画像において、焦点がはずれたものになる傾向があるであろう。さらに、表面１１５は、基板１１４および／または拡散裏層１１８によって、そして／または表面１１５に接する外部装着要素によって可能な限り、損傷から保護される。しかしながら、前述したように、一般に、スケール構成または方向が、光源１３０によって供給される光の波長で照明されるときに本発明による比較的高コントラストのスケール画像を提供するのに用いられてもよい。
【００５４】
そして、レンズ１４０に到達した、統合スケールトラック３００の照明された部分からの反射光１４２は、光検出器１６０上に映し出される。様々な実施の形態において、レンズ１４０は、約３ｍｍの直径と約４．５ｍｍの焦点距離を有する両凸レンズとすることができる。前述したように、様々な実施の形態において、光１４２は、ピンホール開口プレート１５０におけるピンホール開口１５２を通過する。レンズ１４０は、レンズ１４０の焦点距離に等しい距離で、ピンホール開口プレート１５０から離されており、撮影距離ｇとほぼ独立して光検出器１６０上の統合スケールトラック３００の画像の倍率を作る。
【００５５】
特に、ピンホール開口プレート１５０が使用されるとき、ピンホール１５２を通過した光１５４は、光軸１４４に沿った距離ｄで光検出器１６０のアレイ１６６の撮像素子１６２の表面上に映し出される。よって、このようなテレセントリック構成に対して、統合スケールトラック３００の画像特徴の倍率は、主に焦点距離ｆと距離ｄの間の関係に依存し、ほぼｄ／ｆに等しい。
【００５６】
より一般には、開口が比較的大きいまたはピンホール開口プレート１５０が省略されている構成に対して、倍率は被写体距離ｇによって変わる。この場合、撮像素子１６２のアレイ１６６上の統合スケールトラック３００の照明された部分から反射された光の検知された部分内の画像特徴のおおよその倍率は、
【００５７】
【数１】
2004163435.tif 000003
ここで、ｇは撮影距離、
ｆはレンズ１４０の焦点距離、
ｄはレンズ１４０の焦点距離を超えた、アレイ１６６の表面までの距離である。
【００５８】
様々な実施の形態において、光学式位置トランスデューサ１００のこれらのパラメータの代表値は、ｇ≒４．５ｍｍ、ｆ＝４．５ｍｍ、ｄ＝２８．３５ｍｍを含む。その結果、おおよその対応する倍率Ｍは、７．３である。また、ピンホール開口１５２のサイズの選択において、統合スケールトラック３００の画像のフィールドの深さ、すなわち、撮影距離ｇが読取ヘッドギャップミスアライメントなどによって変わるときの画像のぼけの量と、アレイ１６６上の画像強度との間のトレードオフがある。１つの実施の形態において、ピンホール開口１５２は、０．８ｍｍの直径を有する。様々な他の実施の形態において、ピンホール開口１５２は、０．５と２．０ｍｍの間の直径を有する。倍率を正確に計算することが難しい場合、有効倍率は、また、与えられた位置エンコーダ設計と規定された操作パラメータに対して、実験的に求めることができる。
【００５９】
高分解能を達成するために、周期的に置かれた増加スケール要素は、各増加スケール要素が画像における測定軸方向に沿った少なくとも１つの画素を補うように光検出器１６０の撮像素子１６２上に撮像されるべきである。すなわち、読取ヘッドによって提供された映し出された画像倍率の周期的に置かれた増加スケール要素の測定軸方向に沿った寸法は、画像における対応する方向に沿った撮像素子１６２の画素ピッチより有効に大きい。さらに、読取ヘッド１２６の様々な実施の形態において、画像における測定軸方向に沿って周期的に置かれた増加スケール要素の拡大された寸法は、およそ、その方向に沿った撮像素子１６２の画素ピッチの２倍から１０倍である。
【００６０】
画像を獲得するために、信号生成処理回路２００は、駆動信号を信号線１３２に出力し、光ビーム１３４を放射するように光源１３０を駆動する。光ビーム１３４は、統合スケールトラック３００の一部を照明し、その一部は光検出器１６０の撮像素子１６２のアレイ１６６上に撮像される。そして、信号生成処理回路２００は、信号線１６４を介して複数の信号部分を入力し、ここで、各信号部分は、個々の撮像素子１６２の１つ以上によって検出された画像値に対応する。
【００６１】
統合スケールトラック３００に相対する読取ヘッドの現在の変位を求めるために、信号生成処理回路２００によって光検出器１６０から受信された現在の画像に対する信号部分は、メモリに入力され、保存される。そして、現在の画像は、読取ヘッドとスケール間の絶対位置を求めるように解析される。様々な実施の形態において、現在の画像の、測定軸方向１１２に対応する方向に延びる撮像素子１６２の１つの行、または多くても小数の行が、解析のために選択される。
【００６２】
そして、選択された１つ以上の行は、現在の画像に出現する符号部分の１つ以上の符号要素領域に対応する現在の画像の１つ以上の列を見つけるために、解析される。この符号部分の符号要素領域は、復号される。スケール１１０に沿った特定の符号部分のそれぞれの位置は予め決められているから、現在の画像フレームに出現する符号部分を特定すなわち復号することは、スケール１００に沿った符号部分間の間隙と同等の第１分解能で、現在の画像フレームの絶対位置、その結果スケール１１０に対する読取ヘッド１２６の位置を求める。第１分解能での位置の測定については、以下にさらに詳細に述べる。
【００６３】
また、符号部分または符号部分に関連するローカル基準特性の位置は、現在の画像フレームに対して、すなわち、撮像素子１６２のアレイ１６６に対して求められる。この求められた現在の画像フレームに対する位置は、スケールトラック３００に対する読取ヘッド１２６の絶対位置を、復号された符号部分によって示された第１分解能から、第２分解能まで精緻化する。様々な実施の形態において、この第２分解能は、画素分解能で、アレイ１６６における撮像素子１６２の画素間隔またはピッチに対応する。最高達成可能第２分解能は、読取ヘッド１２６によって提供される倍率とアレイ１６６の１ないし２のみの画素ピッチ増加とに対応する分解能での絶対位置測定値の不確実性を減少させる分解能に対応する。しかしながら、より一般的には、第２分解能は、統合スケールトラック３００の周期部分の長さｐの特定の周期内で、読取ヘッド１２６に対するスケール１１０の位置を見つけるであろう。統合スケールトラック３００の周期部分の特徴的周期ｐについては、また、増加ピッチと呼ばれ、図２を参照して述べた。第２分解能での位置の測定については、以下にさらに詳細に述べる。
【００６４】
そして、現在の画像の少なくとも一部は、第３分解能でスケールに対する読取ヘッドの絶対位置を求めるために、いくつかのオフセット位置のそれぞれについて参照画像と、画素毎に比較される。様々な実施の形態において、第３分解能は、アレイ１６０上の画像のサブ画素分解能位置測定に対応する。その一連の比較は、米国特許出願09/731,671に詳細に開示されているように、少なくとも１つの相関曲線ピークを生成する。
【００６５】
すなわち、参照画像と現在の画像は、相関関数を生成するために、処理される。１つの実施の形態において、現在の画像は、デジタル的に、２つの画像パターンを前回に見つけられた特定周期の近傍で、最も近くに並べさせるオフセットを含むオフセットまたは空間転移位置の範囲に渡り、参照画像に対して移動される。相関関数は、パターンアライメントの程度を示し、よって、２つの画像がデジタル的に移動されるときにこれらの画像を整列させるのに必要なオフセットの量を示す。そして、このオフセットは、スケール１１０に対する読取ヘッド１２６の絶対位置を、第２分解能から、読取ヘッド１２６が提供する倍率によって分割されるアレイ１６６の１画素ピッチ増加未満に極めて対応する第３分解能まで精緻化するのに用いられる。第３分解能での位置の測定については、以下にさらに詳細に述べる。
【００６６】
様々な実施の形態において、参照画像は、統合スケールトラック３００の周期部分の合成画像である。様々な他の実施の形態において、参照画像は、現在の画像における予測および／または表示された染み効果に基づいて求められた画像染み効果を模造するように修正された統合スケールトラック３００の周期部分の合成画像である。様々な他の実施の形態において、参照画像は、読取ヘッド１２６を用いて統合スケールトラック３００から捕らえられた代表画像である。様々な他の実施の形態において、参照画像は、現在の画像における予測および／または表示された染み効果に基づいて求められた画像染み効果を模造するように修正された、読取ヘッド１２６を用いて統合スケールトラック３００から捕らえられた代表画像である。
【００６７】
いくつかの異なる、参照画像と現在の画像を比較するための技術がある。例えば、第１例の技術において、現在の画像のフレームの全体長さは、単一の相関値を生成するために、画素毎に、選択された１つ以上の行を参照画像の全体フレームの幅と比較するときに用いられる。この場合、他の現在の参照および変位された画像の領域と重ならない参照および現在の画像の領域にあるそれらの画素が、初期比較値を有する画素と比較されたり、初期比較値が割り当てられたりする。他の技術においては、部分画像が比較される。いずれの場合も、相関ピークを示す一連の相関値は、各比較が行われた後に参照画像に対する１つ以上の画素で現在の画像を移動させることによって、生成される。
【００６８】
図３は、スケール１１０と本発明による統合スケールトラック３００の第１の実施の形態３００’との配置図である。図３に示すように、統合スケールトラック３００’は、複数の符号化されたセグメント３１０を含む。各符号化されたセグメント３１０は、符号部分３４０および周期部分３２０を含む。周期部分３２０と符号部分３４０は、各符号化されたセグメント３１０を共用し、または各符号化されたセグメント３１０に「組み込まれ」る。随時、いくつかの実施の形態において、符号化されたセグメント３１０は、また、さらに以下に述べるように、所定の特徴３３０を含む。随時、いくつかの実施の形態において、符号化されたセグメント３１０は、また、符号部分３４０および周期部分３２０に加えて、１つ以上の空白部分を含む。すなわち、符号部分３４０、周期部分３２０、および所定の特徴３３０は、各符号化されたセグメント３１０に完全に詰める必要はない。
【００６９】
様々な実施の形態において、周期部分３２０は、本質的に、符号部分３４０または所定の特徴３３０でない符号化されたセグメント３１０の部分を含む。よって、ある意味では、そのような実施の形態において、符号部分３４０および／または所定の特徴３３０は、代わりに、符号化されたセグメント３１０の周期部分３２０に「埋め込まれる」と記述されてもよい。
【００７０】
よって、前述から、図３に示すように、複数の周期部分３２０および複数の符号部分３４０は、分けられ、または、トラック幅３５０を有し、測定軸方向１１２に沿って延びる単一のスケールトラック３００に「組み込まれ」る。すなわち、複数の周期部分３２０は、それぞれ、名目上のトラック幅３５０で測定軸方向を横切って完全に延び、複数の符号部分３４０は、この同じトラック幅内にある。様々な実施の形態において、周期部分３２０および符号部分３４０は、スケール１１０の全長に沿って交互に繰り返し列状態で配置されている。様々な他の実施の形態において、符号部分３４０は、周期部分３２０に埋め込まれる、すなわち、周期部分は、スケール１１０の長さに沿って、符号部分３４０のいずれか側に平行して延びる。
【００７１】
図３に示すように、符号部分３４０は、スケール１１０の測定軸方向１１２に沿って位置し、測定軸方向１１２と直交する方向に沿って延びる符号要素領域３５０を含む。符号要素領域３５０は、複数の名目上の符号要素境界３５２によって分離されている個々の符号要素サブ領域３５１に分割される。名目上の符号要素境界３５２は、一般に、個々の符号要素サブ領域３５１に位置する個々の符号要素間の境界すなわち変わり目に一致する。従って、符号要素境界は、一般に、測定軸方向１１２に沿って延び、この測定軸方向は、また、動作中のスケール１１０と読取ヘッド１２６の間の相対運動の方向である。同様に、個々の符号要素間の変わり目は、運動方向と直交するすなわち測定軸方向１１２と直交する方向に沿って生じる。以下に詳述するように、この特徴は、本発明による様々実施の形態における高速運動中に、より堅牢でより速い信号処理操作である操作を容易にする。
【００７２】
周期部分３２０および符号部分３４０の両方をトラック幅３７０に組み込むことによって、光検出器１６０の撮像素子１６２などの、トラック幅３７０内の単一の統合スケールトラック３００に亘って位置決めされた検知素子は、スケール１１０に沿った読取ヘッド１２６の位置に拘わらず、周期部分３２０および／または符号部分３４０のいずれかに含まれる情報を検知するのに使用される。従って、様々な実施の形態において、測定軸方向１１２を横断する方向における統合スケールトラック３００と読取ヘッド１２６の配置は、重要ではなく、以下にさらに述べるように、簡単なセットアップを提供し、測定操作をより堅牢でそして／またはよりすばやく実行可能にすることを許容する。さらに、スケール１１０と読取ヘッド１２６の全体幅を減少させることができる。
【００７３】
図３に示すように、光検出器１６６によって単一画像として捕らえられ得る統合スケールトラック３００の一部に対応する検出窓３６０が、スケール１１０に沿ってかつスケール１１０上の統合スケールトラック３００の幅３７０の少なくともいくつかを横切って延びる。本発明による統合スケールトラック３００の構成によって、様々な実施の形態において、統合スケールトラック３００内の測定軸方向１１２に対して横切る検出窓３６０の幅および特定の位置は、検出窓３６０の幅がほぼトラック幅３７０に近づき、測定軸方向１１２を横切るその幅が測定軸方向１１２を横切る符号部分３４０の幅を包含するように見つけられるならば、重要でない。しかしながら、検出窓３６０の幅が増加し統合スケールトラック３００’の幅３７０に近づくとき、測定システムのＳ／Ｎ比は、一般に良くなる。
【００７４】
様々な実施の形態において、光検出器１６０のサイズおよび読取ヘッド１２６の光学素子１４０〜１５２によって提供される倍率は、測定軸方向１１２に沿った部分３２０および３４０の広がりと協働して、検出窓３６０が測定軸方向１１２に沿って十分に広がり、完全な符号部分３４０がスケール１１０に沿った読取ヘッド１２６の位置に関係なく、検出窓３６０に現れることを保証されているようなものである。検出窓３６０が少なくともこの長さであれば、完全な符号部分３４０を復号することは、読取ヘッド１２６のいくつかの位置が結果として検出窓３６０に出現する２つの不完全な符合部分３４０になることに対して、非常に簡単化される。
【００７５】
代わりに、様々な実施の形態において、検出窓３６０は、読取ヘッド１２６とスケール１１０の相対位置に関係なく、完全な符号部分３４０に対応する情報を連続した符号部分３４０の２つの分離されたセグメントから「再構成」することができるよう、測定軸方向１１２に沿って十分に延びる。この条件を満たすために、検出窓３６０は、一般に、スケール１１０の１つの符号部分３４０の端から隣接する符号部分３４０の対応する端までの距離に等しいかまたは幾分大きい量で、測定軸方向１１２に沿って延びる。このような距離は、一般に、測定軸方向１１２に沿って完全な符号部分３４０と完全な周期部分３２０をいくらか以上、すなわち、完全符号化されたセグメント３１０をいくらか以上含む。
【００７６】
いかなる場合でも、そのような検出窓３６０の広がりに関して、符号部分３４０のパターンは、意図された再構成手法の見地から選択する必要がある。例えば、そのパターンは、連続したバイナリ符号として、または公知の擬似ランダム「チェイン」符号技術などに従って、選択されてもよい。しかしながら、本発明による符合部分３４０の構成および配置は、連続したバイナリ符号などを採用するのに役立ち、本発明による様々な実施の形態において、各種信号処理と位置測定操作を簡素化し、高速化する。関連する再構成操作は、符号部分３４０に近接しまたは含まれる所定の特徴３３０を含む実施の形態において、簡素化され、そして／またはより堅牢にまたは速くされるかもしれない。
【００７７】
図３に示す統合スケールトラック３００’の第１実施の形態において、所定部分３３０は、符号部分３４０の一端に置かれている。しかしながら、様々な他の実施の形態において、所定部分３３０は、各符号部分３４０の両端に置かれている。この場合、符号部分３４０の一端の所定部分３３０は、符号部分３４０の他端の所定部分３３０と区別されてもよい。様々な他の実施の形態において、所定部分３３０は、符号部分３４０の中央にさらに向けて置かれる。様々な他の実施の形態において、測定軸方向１１２に沿って符号部分３４０に隣接する。様々な他の実施の形態において、所定部分３３０は、一貫した特徴または各符号部分３４０に含まれる特徴の組み合わせを備える。すなわち、様々な実施の形態において、所定部分３３０は、符号部分３４０と合体され、そして／または区別されてなくてもよい。
【００７８】
所定部分３３０は、周期部分３２０および／または符号部分３４０の他のパターン特徴から確実にかつ容易に区別されるような特徴または特徴の組合せとしてもよい。例えば、そのような特徴は、限定はされないが、測定軸方向１１２に沿ったそして／または測定軸方向１１２に対して横切った一意の長さを有する明るいまたは暗いスケール要素、測定軸方向１１２に沿ったそして／または測定軸方向１１２に対して横切った明るいそして／または暗いスケール要素の一意のパターン、および／または光検出器１６０の撮像素子１６２によって検出可能な唯一の色または強度を有する１つ以上のスケール要素を含む。様々な実施の形態において、所定部分３３０の全ては、同一のものである。
【００７９】
図４は、スケール１１０と本発明による統合スケールトラック３００の第２の実施の形態３００”の配置図である。第２の実施の形態３００”の特徴と要素は、同様の事項に従って設計され、別段示されていなければ、図３に示す第１の実施の形態３００’の同様に符号が付された特徴および要素と同様に動作する。図４に示すように、統合スケールトラック３００”は、複数の符号化されたセグメント３１０を含み、各符号化されたセグメント３１０は、符号部分３４０’および周期部分３２０を含む。随時、いくつかの実施の形態において、符号化されたセグメント３１０は、また、図示されていないが、所定の特徴３３０を含む。
【００８０】
様々な実施の形態において、周期部分３２０は、明確に符号部分３４０’でないまたは所定の特徴３３０でない符号化されたセグメント３１０の一部を含む。従って、ある意味、そのような実施の形態において、符号部分３４０’および／または所定の特徴３３０は、代わりに、符号化されたセグメント３１０の周期部分３２０に「埋め込まれている」と記述されるかもしれない。
【００８１】
第１の実施の形態３００’と同様に、複数の符号部分３４０’は、単一のスケールトラック３００’’を共有し、または、単一のスケールトラック３００”に組み込まれ、スケールトラック３００’’は、測定軸方向１１２と直交する方向に沿って周期部分３２０の広がりによって規定され、一致するトラック幅３７０を有する。複数の符号部分３４０’は、この同じトラック幅内にある。図４に示す実施の形態において、符号部分３４０’は、周期部分３２０、すなわち、スケール１１０の測定軸方向に沿っていずれかの側において符号部分３４０’に平行して延びる周期部分に、埋め込まれている。
【００８２】
図４に示すように、符号部分３４０’は、複数の符号要素領域３５０すなわち符号要素領域３５０Ａ〜Ｃを含む。各符号要素領域３５０Ａ〜Ｃは、スケール１１０の測定軸方向１１２に沿って置かれ、測定軸方向１１２と直交する方向に沿って延びる。各符号領域３５０Ａ〜Ｃは、複数の名目上の符号要素境界３５２によって分離された複数の符号要素サブ領域３５１に分割される。名目上の符号要素境界３５２は、一般に、個々の符号要素サブ領域３５１に置かれた個々の符号要素間の境界または変わり目に一致する。従って、個々の符号要素の変わり目は、運動方向と直交するすなわち測定軸方向１１２と直交する方向に沿って生じる。以下に詳述するように、この特徴は、本発明による様々な実施の形態において、高速運動中に、より堅牢でより速い信号処理操作を容易にする。
【００８３】
本発明による様々な実施の形態において、符号部分３４０’などの符号要素部分に含まれる複数の符号要素領域３５０は、同様の寸法を有し、それぞれの複数の符号要素サブ領域３５１は、図４に示すように、ほぼ測定軸方向１１２に沿って並べられている。これは、本発明による様々な実施の形態における様々な画像検索および信号処理操作を簡素化し、高速化する。
【００８４】
第１の実施の形態３００’と同様に、第２の実施の形態３００”において、周期部分３２０および符号部分３４０’の両方をトラック幅３７０に組み込むことによって、光検出器１６０の撮像素子１６２などの、トラック幅３７０内に単一の統合スケールトラック３００に亘って位置決めされた検知素子は、スケール１１０に沿った読取ヘッド１２６の様々な位置で、周期部分３２０および／または符号部分３４０’のいずれかに含まれる情報を検知するのに使用される。従って、様々な実施の形態において、測定軸方向１１２を横断する方向における統合スケールトラック３００と読取ヘッド１２６の配置は、重要ではなく、以下にさらに述べるように、簡単なセットアップを提供し、測定操作をより堅牢でそして／またはよりすばやく実行可能にすることを許容する。さらに、スケール１１０と読取ヘッド１２６の全体幅を減少させることができる。
【００８５】
図４は、また、検出窓３６０’を示す。図４に示す実施の形態において、検出窓３６０’の幅は、ほぼトラック幅３７０に近づき、測定軸方向１１２を横切るその長さが測定軸方法１１２を横切る符号部分３４０’の幅を包含するように見つけられる。さらに、検出窓３６０’は、読取ヘッド１２６とスケール１１０の相対位置に拘わらず、完全な符号部分３４０’に対応する情報を連続した符号部分３４０’の２つの分離されたセグメントから「再構成」することができるよう、測定軸方向１１２に沿って十分に広がる。この条件を満たすために、検出窓３６０’は、一般に、スケール１１０の１つの符号部分３４０’の端から隣接する符号部分３４０’の対応する端までの距離に等しいかまたは幾分大きい量で、測定軸方向１１２に沿って延びる。このような距離は、一般に、測定軸方向１１２に沿って完全な符号部分３４０’と完全な周期部分３２０をいくらか以上、すなわち、完全符号化されたセグメント３１０をいくらか以上含む。読取ヘッド１２６のいくつかの位置で、そのような検出窓３６０’は、また、一般に、符号化されたセグメント３１０の周期部分３２０に名目上含まれる周期スケール要素の数未満のものである周期部分３２０の完全周期スケール要素の数によって少なくとも拘束される１つの完全な中央位置の符号部分３４０’を含むのに足る。
【００８６】
検出窓３６０’の広がりおよびスケール１１０に沿って隣接する符号化されたセグメント３１０における符号部分３４０’は、一般に、相まって選択される。すなわち、隣接する不完全な符号断片は、意図された符号再構成または復号手法において組み合わせ可能であり、符号構造は、検出窓３６０’における単一の画像が隣接する不完全な符号断片を適切に組み合わせるのに十分な情報を含むようにしなければならない。例えば、パターンは、連続したバイナリ符号として、または公知の擬似ランダム「チェイン」符号技術などに従って選択されてもよい。
【００８７】
しかしながら、上述したように、本発明による符号部分３４０’の構造および配置は、連続するバイナリ符号などを採用することを容易にし、本発明による様々な実施の形態における信号処理および位置測定操作を簡素化し、高速化する。さらに、関連する再構成操作は、図３に示すような所定の特徴３３０が符号部分３４０’に近接しまたはそれに含まれる実施の形態において、簡素化され、そして／またはより堅牢またはより速くされるかもしれない。
【００８８】
今後、以下の説明において、本発明による統合スケールトラック３００の第１の実施の形態３００’および第２の実施の形態３００”の同様に符号が付された特徴は、同様の考慮に従って設計され、操作される。従って、以下の一般的な説明は、以下の説明における前後関係または内容によって別段示されない限り、第１の実施の形態３００’の明確に符号が付された要素の動作と同様に、第２の実施の形態３００”の同様に符号が付された要素の動作を包含することなどを理解されるであろう。
【００８９】
本発明による統合スケールトラック３００の第１の実施の形態３００’および第２の実施の形態３００”の両方に関して、使用される信号処理アルゴリズムに応じて、所定部分３３０は、省略されてもよい。しかしながら、そのような所定部分３３０を使用することは、検出窓３６０内の符号部分３４０を素早く確実に特定し見つけるために使用される信号処理アルゴリズムを簡素化するかもしれない。
【００９０】
所定部分３３０が含まれるか否かに拘わらず、各符号化されたセグメント３１０のそれぞれにおける各符号部分３４０は、符号要素の識別可能そして／または一意のパターンを含む。この符号要素の識別可能そして／または一意のパターンは、検出窓３６０に現れる特定の符号部分３４０が確実に求められることを許す。スケール１１０に沿った各特定の符号化されたセグメント３１０における特定の符号部分３４０の位置は予め求められまたは計算することができるから、検出窓３６０に出現する符号部分３４０を特定することは、検出窓３６０の絶対位置、その結果としてスケール１１０に対する読取ヘッド１２６の絶対位置が符号化されたセグメント３１０の長さおよび／または符号部分３４０間の間隙と同様の第１分解能で概略求められることを許す。
【００９１】
与えられた基点に対するスケール１１０上の与えられた符号部分３４０の位置は高度の正確さよび精度で知られている一方、検出窓３６０に対する符号部分３４０および周期部分３２０の位置は、検出窓３６０に出現する符号部分３４０の符号値を単に求める操作に基づいて知られる必要はない。特に、符号部分３４０は、検出窓３６０内のどこかに見つけることができる。
【００９２】
上述したように、特定の符号部分３４０に対応する測定値は、それが含む識別可能そして／または一意のパターンによって予め求めるまたは計算することができる。様々な実施の形態において、識別可能そして／または一意のパターンは、その識別可能そして／または一意のパターンを含む符号部分３４０に対応するスケール１１０上の名目上の位置の測定値を格納するルックアップテーブル内に格納される。この場合、様々な実施の形態において、識別可能そして／または一意のパターンは、所望の順番または列で発生することができ、ここでは、隣接する符号部分３４０の識別可能そして／または一意のパターン間の関係が出現する必要はない。
【００９３】
様々な実施の他の形態において、識別可能そして／または一意のパターンは、それらを含む符号部分３４０の位置に何らかの方法で客観的に対応することができる。そして、この対応は、スケール１１０に沿った符号部分３４０の絶対位置、その結果として検出窓３６０の絶対位置および読取ヘッド１２６の絶対位置を直接求めまたは計算するのに使用することができる。様々な実施の形態において、符号部分３４０は、一定のピッチまたは間隔でスケール１１０に沿って配置される。特定の符号部分３４０の識別可能そして／または一意のパターンは、一意のパターンまたは符号語として２値またはより高い数値を規定する。また、スケール１１０に沿って連続する符号部分３４０によって示される数値は、連続するものである。
【００９４】
従って、例えば、第１の連続符号部分３４０は、数値「１」を規定する識別可能そして／または一意のパターンを有するであろう。そして、数値は、各連続した一連の符号部分３４０に対して、１ずつ増加することができる。様々な実施の形態において、特定の数値がスケール１１０上の符号部分３４０のピッチまたは間隔によって増すときに、数値が１から始まり、１ずつ増加すると、基点からの符号部分３４０の絶対位置が知られる。
【００９５】
連続した数または符号語が使用されるとき、検出窓３６０の左部分において撮像された符号部分３４０の数値または符号語の後縁セグメントおよび検出窓３６０の右部分において撮像された符号部分３４０の数値または符号語の先導セグメントから、完全な符号を再構成することは、特に、速くて容易である。従って、統合スケールトラック３００’または３００”に対する検出窓３６０のスパンが、少なくとも１つの完全な連続した符号部分３４０ができる限りスケール画像に含まれることを保証するサイズより小さい最小使用可能なサイズであることが要求されるとき、連続した数値または符号語は、特に有用である。もちろん、より複雑で不規則な構成、方式および方法を、識別可能そして／または一意のパターンとそれらの識別可能そして／または一意のパターンを含む符号部分３４０の位置を関係付けるのに使用することができる。
【００９６】
それぞれの特定の符号部分３４０は、測定軸方向に沿って広がる領域に渡って分散されるけれども、それぞれの特定の符号部分３４０は、それにも関わらず、スケール１１０に沿った特定のポイントに関連する測定値に一意に対応しまたは特定する。特定の符号部分３４０によって示される測定値に対応するスケールに沿ったそれぞれの特定のポイントに対して、その特定のポイントはローカル基準として参照することができる。
【００９７】
一般に、本発明による最高分解能で測定値を求めるとき、ローカル基準は、複数の周期的に置かれた増加スケール要素の名目上の位置に関連する。また、一部でありまたは別の点で複数の周期的に置かれた増加スケール要素の名目上の位置と高い相関があるより簡単なローカル基準の特性は、検出窓３６０に対するローカル基準のオフセットを評価するのに有用である。ローカル基準は、検出窓３６０に対して位置決め可能であるスケール１１０上の１つ以上の特別に認識可能な明るいそして／または暗いバーの端、中央、他の局地化された特性としてもよい。本発明によれば、ローカル基準および／またはローカル基準特性は、統合スケールトラック３００に特別に付加しなければならない個々の特徴または特性とする必要はない。むしろ、統合スケールトラック３００の画像に関連する信号処理は、ローカル基準および／またはローカル基準特性として、統合スケールトラック３００の特別に認識可能な局所化された特徴または特性を暗に選択し、使用してもよい。
【００９８】
１つの実施の形態において、ローカル基準は、そのローカル基準に関連する測定値を示す符号部分３４０に直接に隣接する周期部分３２０のバーの特性として便宜上選択される。さらなる実施の形態において、ローカル基準は、そのローカル基準に関連する測定値を示す符号部分３４０に関連する所定部分３３０の特性として便宜上選択される。そのような実施の形態は、検出窓３６０内のローカル基準を素早く確実に特定し、見つけることが要求される信号処理アルゴリズムを簡単化するかもしれない。
【００９９】
検出窓３６０に出現する符号部分３４０が第１分解能絶対位置を求めるために解析される前、その最中、またはその後に、ローカル基準は、検出窓３６０に対して見つけることができる。例えば、ローカル基準を特定しそして／また見つけることは、様々な撮像素子１６２に関連する画像強度値に適用される、公知の端探索または中央探索技術などに基づいてもよい。いかなる場合でも、検出窓３６０に対するローカル基準の位置は、絶対位置測定の分解能を前述した第１分解能より細かい第２分解能に精緻化するのに用いられる。
【０１００】
本発明による統合スケールトラック３００の様々な実施の形態において、ローカル基準特性は、測定軸方向１１２に横切る読取ヘッド１２６およびスケール１１０の予測された静的および動的ミスアライメントを超える距離で測定軸方向１１２と直交する方向に沿って広がる。従って、本発明による読取ヘッドとスケールの様々な実施の形態において、一般に測定軸方向１１２に対応する方向に広がる撮像素子１６２の１つのみの予測可能な行、または多くても数の予測可能な行は、第２分解能でローカル基準特性の位置を求めるために解析される必要がある。従って、本発明による統合スケールトラック３００を使用するシステムは、測定軸方向１１２に対して横切る読取ヘッド１２６およびスケール１１０の静的または動的ミスアライメントに関して堅牢さを保つ一方、速い信号処理を達成することができる。
【０１０１】
一般に、第２分解能位置測定値における不確実性が増加ピッチの１つのそのような増分値内にあることを保証するために、第２分解能位置測定値が周期部分３２０の増加ピッチの約１／２より細かい分解能で信頼できて、堅牢で正確であることが必要でかつ十分である。このような場合、たとえ周期部分３２０に含まれる１つの周期が一般に次の周期と区別することができなくても、検出窓３６０における周期部分３２０の解析に基づいたさらなる分解能精緻化を含む位置測定は、明白であろう。
【０１０２】
光検出器１６０上に映し出されたスケール画像に関して、一般に、ローカル基準位置の不確実性が光検出器１６０上の１つのそのような増分値内にあることを保証するために、ローカル基準特性の位置が光検出器１６０上の周期部分３２０のスケールバーの映し出された画像のピッチの約１／２より細かい分解能で求められることが必要でかつ十分である。様々な実施の形態において、増加ピッチおよびレンズ１４０により提供された倍率は、光検出器１６０上の周期部分３１０のスケールバーの映し出された画像のピッチが少なくとも撮像素子１６２の画素ピッチの３倍であるように選択される。よって、ローカル基準特性の位置は、ほぼ撮像素子１６２の１画素ピッチと変わりない分解能で検出窓３６０に対して求められる必要がある。
【０１０３】
様々な他の実施の形態において、堅牢で簡単なローカル基準特性探索技術は、例えば１画素ピッチ以上の分解能での端探索など、画素強度値変化に基づいて選択される。そして、予測された簡単なローカル基準特性探索技術を使用して、画素ピッチに関する達成可能なローカル基準探索分解能が、該当する予測されたスケール特徴および実際のミスアライメント、汚れなどに関して、実験によって求められるか確認される。最終的には、周期部分３２０に用いられる増加ピッチは、様々な実際の実験環境下で達成可能なローカル基準探索分解能が光検出器１６０上の周期部分３２０のスケールバーの映し出された画像のピッチのほぼ３／８倍以下であるように選択される。このような構成は、堅牢で、さらに簡素で速い信号処理を可能にする。
【０１０４】
周期部分３２０は、検出窓３６０に対する絶対位置スケールの測定、その結果読取ヘッド１２６に対する第３分解能での測定を精緻化するのに使用することができる。第３分解能は、少なくとも数倍細かい精度を有し、そして、増加ピッチにより数倍細かくてもよい。第３分解能は、サブ画素分解能で検出窓３６０に対する映し出されたスケール画像を見つけ出すことに対応可能にする。
【０１０５】
図２を参照して前述したように、スケール１１０は、一般に、第１のスケール要素１１６および第１のスケール要素１１６を分離する第２のスケール要素１１９を含む。周期部分３２０は、様々な実施の形態において、基本的な増加ピッチに従って配置された第１の増加スケール要素１１６および第２の増加スケール要素１１９のパターンを有する。１つの増加ピッチは、周期的に置かれた第１のスケール要素１１６および隣接する交互配置の第２のスケール要素１１９の１つによって測られた距離、または同じタイプの連続して配置されたスケール要素の対応する端間の距離に同等に対応する。様々な実施の形態において、第２のスケール要素１１９および第１のスケール要素１１６は、測定軸方向１１２に沿って等しくない寸法を有するが、それらは等しくない必要はない。
【０１０６】
様々な実施の形態において、周期部分３２０は、基本的な増加ピッチに従う周期部分３２０に含まれることができる第１の増加スケール要素１１６および第２の増加スケール要素１１９の完全な周期の最大可能数を含む。しかしながら、様々な他の実施の形態において、この完全な周期の最大可能数以下は、周期部分３２０に含まれる。さらに他の実施の形態において、第１の増加スケール要素１１６および第２の増加スケール要素１１９の完全な「通常」の周期の数、および基本的なピッチに対するこれらのスケール要素の配置の精度が検出窓３６０に対する周期部分３２０の映し出されたスケール画像をサブ画素分解能で求めることを可能にするに十分であれば、「奇数サイズ」または「配置ずれ」のスケール要素でも周期部分３２０に含まれることができる。
【０１０７】
例えば、１つの実施の形態において、以下にさらに詳細に述べるように、周期部分３２０に含まれる完全な周期の数は、比較的良好な相関を示すピークまたは谷の振幅を有する相関曲線を求めるのに十分な数である。画像において画像行が測定軸方向に沿って延びる様々な実施の形態において、周期部分３２０に相当する現在画像の少なくとも１部のいくつかのまたは全ての行を、少なくとも同様の周期部分を含む参照画像と画素毎に比較し、そして、現在および参照画像のそれぞれの比較値を生成するために、それぞれを相対的に１画素移動することによって、相関曲線を生成することができる。
【０１０８】
第２分解能が１画素ピッチの分解能に対応する様々な実施の形態において、相関曲線は、サブ画素分解能を得るためのみに生成される。米国特許出願09/731,671は、相関曲線のピークまたは谷の画素またはサブ画素の位置を、高精度で求めるための各種方法を開示する。これらの技術または公知のまたは後に開発される他の適当な技術のいずれも、画素および／またはサブ画素分解能で検出窓３６０に対する映し出されたスケール画像のオフセット位置を画素および／またはサブ画素分解能で求めるのに使用することができる。従って、読取ヘッド１２６に対するスケール１１０の位置は、第３分解能で、かつ増加ピッチより少なくとも数倍細かい精度で求められる。
【０１０９】
符号化スケールトラックが、本発明による統合スケールトラックの形態３００’の周期部分３２０のような予測可能な周期部分を含むとき、そのような周期部分を使用可能な高分解能または第３分解能位置測定技術は、擬似ランダムスケールトラックなどのような他のタイプの符号化スケールトラックに関連する技術および結果に対して特に簡単で、速くて正確である。例えば、高分解能位置測定用の相関技術に基づいたソフトウェアまたはハードウェアを使用する実施の形態において、参照画像またはハードウェア検出構造は、単一の固定された周期的構成とすることができる。全ての周期部分が実質的に同様で、予測可能であるから、ハードウェア検出構成の改良、または参照画像を現在の画像に更新または合致させることなどは必要でない。さらに、実質的にまたは完全に周期的画像または画像部分の位置の検出に基づいたソフトウェアまたはハードウェアの精度は、読取ヘッドミスアライメントなどに起因する画像ぼけをほとんど検出しない傾向がある。
【０１１０】
図５は、スケール１１０、検出窓４６０および図３に示す統合スケールトラック３００’に相当する統合絶対スケールトラック４００の一実施の形態を示す図である。読取ヘッド１２６は、測定軸方向１１２に沿って統合スケールトラック４００に対して相対移動する。図５に示すように、統合スケールトラック４００は、スケール１１０の全長に沿って繰り返す複数の符号化されたセグメント４１０を含む。各符号化されたセグメント４１０は、測定軸方向１１２に沿って配置された符号部分４４０と周期部分４２０を含む。各符号化されたセグメント４１０は、また、各符号部分４４０の上、下端のそれぞれに隣接して置かれている所定のパターン部分４３０を含む。
【０１１１】
符号部分４４０は、それぞれ、スケール１１０の測定軸方向１１２に沿って置かれ、測定軸方向１１２に沿って広がる符号要素領域４５０を含む。各符号要素領域４５０は、距離４５５に含まれる指標空間４５１’によって図５にマークされている複数の符号要素サブ領域４５１に分割される。符号要素サブ領域４５１は、距離４５５に含まれる指標ライン４５２’によって図５にマークされている複数の名目上の符号要素境界４５２によって分離され、各符号要素境界は、個々の符号要素サブ領域４５１にある個々の符号要素間の境界または変わり目に一致する。
【０１１２】
図５に示すように、個々の符号要素は、第１および第２の実施の形態３００’および３００”を参照して上述したように、各符号要素サブ領域４５１に存在したり不在であったりし、各符号部分４４０における符号要素の識別可能そして／または一意のパターンを提供する。測定軸方向１１２に沿った個々の符号要素の広がりは、測定軸方向１１２に沿った符号要素領域４５０の広がりに一致する。測定軸方向１１２と直交する個々の符号要素の広がりは、それらが干渉し個々の符号要素間の識別可能な物理的境界または画像端変わり目を示さない様々な符合例においてさえ、名目上の符号要素境界４５２に一致する。様々な実施の形態において、測定軸方向１１２と直交する個々の符号要素の広がりは、多数の符号要素が各符号化されたセグメント４１０の小さい割合の領域に設けられるように、測定軸方向１１２に沿ったそれらの広がり未満である。様々な実施の形態において、各符号要素の広がりは、便宜上同じにされる。しかしながら、様々な他の実施の形態において、様々な個々の符号要素の広がりは、変えてもよい。この場合、この変化は、対応する信号処理アルゴリズムに適用される。
【０１１３】
各符号部分４４０における個々の符号要素のパターンは、ローカル基準および／またはローカル基準特性４３６に関連する測定値を示す。前述したように、ローカル基準は、複数の周期的に置かれた増加スール要素の名目上の位置に関連する。周期的に置かれた増加スケール要素の一部またはそうでなければそれの名目上の位置に非常に関連するより簡素なローカル基準特性４３６は、また、検出窓３６０に対するローカル基準のオフセットを評価するのに使用される。ローカル基準特性４３６は、統合スケールトラック４００の分離特徴または特性を必要としない。むしろ、統合スケールトラック４００に関連する信号処理は、ローカル基準特性４３６として、統合スケールトラック４００の明確に認識可能な局所化可能特徴か特性を暗黙的に選択する。図５に示す実施の形態において、ローカル基準特性４３６は、符号部分４４０の右に直接隣接する周期部分４２０の増加スケール要素４２９の中央として便宜上選択される。しかしながら、この選択は上述したようにいくらか任意のものであることを認識すべきであろう。代わりに、ローカル基準特性４３６は、符号部分４４０における特定可能な特性とすることができる。図５に示す実施の形態において、各ローカル基準特性４３６は、距離ｄ0で、隣接するローカル基準特性４３６と間隔をあけられている。様々な実施の形態において、距離ｄ0は、常時少なくとも１つのローカル基準特性４３６が検出窓４６０内にあるように選択される。
【０１１４】
様々な実施の形態において、図５における様々な符号要素サブ領域４５１に示される個々の符号要素は、光検出器１６０で生成される画像におけるスケール要素の暗いタイプの第１の符号要素と、光検出器１６０で生成される画像におけるスケール要素の明るいタイプの第２の符号要素とを含む。特に、第１の「暗い画像」符号要素がバイナリコード１として復号されると、第２の「明るい画像」符号要素は、バイナリコード０として復号される。従って、各符号部分４４０における個々の符号要素のパターンは、ローカル基準特性４３６の測定値をそしてその結果、第１分解能で検出窓４４０および読取ヘッド１２６の位置を特定するように復号されることが可能であるバイナリ数または符号語を形成する。
【０１１５】
周期部分４２０は、それぞれ、測定軸方向１１２に沿って同じ広がりをそれぞれ有し、第２の増加スケール要素４２９によって互いに分離されている第１の増加スケール要素４２６を含む。第２の増加スケール要素４２９は、それぞれ測定軸方向１１２に沿って同じ広がりを有する。第１および第２の増加スケール要素４２６，４２９の各隣接する対は、増加ピッチｐの１つのユニットの橋渡しをする。図５に示すように、そして図５を参照して詳細に述べたように、様々な実施の形態において、第２の増加スケール要素４２９は、光検出器１６０上に生成される画像における明るいタイプのスケール要素であり、光検出器１６０上で生成された画像における暗いタイプのスケール要素である第１の増加スケール要素４２６より測定軸方向１１２に沿って狭い。しかしながら、様々な他の実施の形態において、第２の増加スケール要素４２９の広がりは、第１の増加スケール要素４２６の広がりと同じまたはそれ以上である。
【０１１６】
図５に示す実施の形態において、前述したように、各符号部分４４０の上、下端それぞれに隣接する所定部分４３０を含む。各所定部分４３０は、図５に示す実施の形態において、測定軸方向１１２に沿った隣接する符号領域４５０の位置および寸法と同じである測定軸方向１１２に沿った位置および寸法を有する所定部分スケール要素４３２を含む。図５に示すように、各所定部分４３０の例は、測定軸方向４３２に沿ったそれぞれの符号化されたセグメント３１０の位置に関係なく、同一の所定部分スケール要素４３２を含む。また、スケールトラック４００の下部に沿った所定部分４３０の例は、スケールトラック４００の下部に沿った所定部分４３０の例の鏡像に反転され、それは、スケールが読取ヘッド１２６に対して反転された方向に置かれることを許す様々な設置および／または調整手順、および／または様々な信号処理手順において有用である冗長性および対象性を提供する。これら所定部分４３０の機能は、主に、検出窓４６０に含まれる符号部分４４０および個々の符号要素を探索する信号処理を簡素化し、速くし、堅牢にすることを可能にする。
【０１１７】
例えば、図５に示す実施の形態において、所定部分スケール要素４３２は、光検出器１６０上で生成された画像における「明るいタイプ」すなわち明るい画像スケール要素であり、該明るい画像スケール要素は、周期部分４２０における明るいタイプのスケール要素より測定軸方向１１２に沿って広い一意の幅を有する。各所定部分スケール要素４３２は、検出器１６０上で生成された画像における「暗いタイプ」すなわち暗い画像スケール要素である隣接のスケール要素と対照させることによって、測定軸方向１１２に沿った左右に隣接され、該暗い画像スケール要素は、同様に、周期部分４２０における暗いタイプのスケール要素より測定軸方向１１２に沿って広い一意の幅を有する。様々な実施の形態において、読取ヘッド１２６は、検出窓４６０が常時少なくとも上部の所定部分スケール要素４３２の一部を含むことを保証するように、スケール１１０に対して装着され、案内される。特に、図５におけるライン４６３は、検出窓４６０の上端に近い光検出器１６０の画素の１つの所定の行４６３または小数の画素の所定の行４６３を示す。画素のこれらの行が上部の所定部分スケール要素４３２を経て延びることが保証される。従って、スケール１１０の統合スケールトラック４００に沿った検出窓４６０の位置で、所定の行４６３に沿った画像データを解析することによって、所定部分スケール要素４３２は、関連する一意の幅により容易に識別される。
【０１１８】
従って、さらにまたはより複雑な探索または解析を必要とすることなく、所定部分スケール要素４３２の中央に一致する画素の１つの中央列４６４または画素の少数の中央列４６４は、容易に見つけられる。図５のライン４６４は、センタ列４６４を示す。従って、中央の列４６４に沿って所定部分スケール要素４３２の下端より下に所定距離で位置する特定数の符号要素サブ領域４５１がローカル基準および／またはローカル基準特性４３６の測定値に対応する一意の符号を含むことが設計によって知られている。前述したように、様々な他の実施の形態において、所定部分４３０は、様々な代替信号処理方法を補足する、図５に示される所定部分に対する様々な代替パターンを使用する。
【０１１９】
図５に示す様々な実施の形態において、中央の列４６４に沿った符号領域４５０に最も近い所定部分スケール要素４３２の端は、所定スペーサ要素４５４との境界で規定される。符号領域４５０は、測定軸方向１１２と直交する方向に沿ってスペーサ要素４５４に隣接し、各符号領域４５０に含まれる１７個の符号要素サブ領域４５１における１７個の個々の符号要素に対応するバイナリビット値によって規定される。
【０１２０】
統合スケールトラック４００の１つの実施の形態において、測定軸方向１１２に沿って、暗い画像の第１増加スケール要素４２６は、それぞれ、２５μｍの広がりを有し、明るい画像の第２増加スケール要素４２９は、それぞれ、１５μｍの広がりを有し、それぞれの広がりは、４０μｍの増加ピッチｐに対応し、左、右における所定部分スケール要素４３２と符号ゾーン４５０に境界をそれぞれつける対照隣接スケール要素は、４０μｍの広がりを有し、距離ｄ0は２８０μｍであり、増加ピッチの７倍である。測定軸方向１１２に直交する統合スケールトラック幅４７０は、０．５ｍｍ過ぎず、各符号要素サブ領域４５１および各スペーサ要素４５４は、１５μｍを有する。
【０１２１】
検出窓４４０は、スケール１１０上の５μｍの領域が光検出器１６０上の約４．４画素に対応する画像を映し出すように、測定軸方向１１２に対応する行寸法４６８に沿った約３５２画素および直交する方向に対応する列寸法４６９に沿った約２８８画素を有する光検出器１６０に対応する。よって、符号領域４５０上に配置されている１７ビットの符号は、ほぼ３７ｍの絶対範囲を可能にする。この実施の形態において、統合スケールトラック４００の領域の大部分は、周期部分４２０に使用され、上述したように、高分解能位置測定の速度および精度を増す。比較可能なスケールパラメータおよび小型の読み取りヘッドを用いて信頼可能なサブミクロン測定が達成される。よって、本発明の原理による小型で実用的な絶対位置測定装置は、高分解能可能と絶対測定範囲の注目すべき組合せを提供する。
【０１２２】
さらに、図５に示すように、連続する２進数がスケール１１０に沿って空間的に連続する符号化されたセグメント４１０に配置されている空間的に連続する１７ビット符号に設けられているとき、それらは、ローカル基準の測定値を直接示すようにしてもよい。これは、擬似ランダム符号などの必要性と、関連するメモリ回路、ルックアップテーブルおよび関連する信号処理とを削除する。よって、特に多数の符号を必要とする長い測定範囲に対して、そして特に信号処理がＤＳＰの数値処理能力を含むときに、連続２進数を含む統合スケールトラックに関連する信号処理システムが擬似ランダム符号などを含むものより一般に非常に速くて経済的であることが見つけられた。
【０１２３】
図５に示す構成に関し、測定軸に沿った暗い画像の第１増加スケール要素４２６の長い広がりは、読取ヘッド１２６とスケール１１０の統合スケールトラック４００間の方向である、測定軸方向１１２と平行な符号要素境界４５２の方向と同様に、高速移動中の、堅牢な操作を容易にし、多数の利点を提供する。高速移動に関するそのような設計事項については、図６を参照して以下に述べる。
【０１２４】
大きな個々の符号要素サブ領域４５１に含まれる大きな個々の符号要素は、汚れ、欠陥、およびスケール１１０と読取ヘッド１２６間のギャップにおける静的および動的変化にも関わらず、十分に目視可能であるが、スケール長／領域の小さい部分における多数のビットを提供することによって長い絶対範囲を許可するに十分細かく、その結果、よりスケール長／領域を、高分解能位置測定を向上させる周期部分４２０における情報に捧げることができる。様々な他の実施の形態において、様々な要素の広がりは、本発明による読取ヘッドおよびスケールの様々な応用において予測される様々な操作に応じて、実質的に減少させることができる。
【０１２５】
周期部分４２０のみが所望の全体スケール精度に比例した正確な位置決めおよび製作を要求されるので、本発明による統合スケールトラックを含むスケールを製作することが特に容易で経済的である。例えば、従来の高精度増加スケールにしばしば用いられる露光方法を使用することによって、第１の増加スケール要素４２６および第２の増加スケール要素４２９のそれぞれは、公知で高精度な連続したステップと反復露光手順を用いることで定義することができる。代わりに、そのような手順で製作された比較的長いマスクを使用することができる。いずれの場合でも、符号部分４４０内の要素は、露光を受けない、またはこの初期製作段階中に処理されない。
【０１２６】
そして、本発明による符号部分４４０が特に正確な位置決めおよび製作を必要としないから、符号部分４４０の一意のパターンは、プログラマブル高速スキャンレーザ露光システムなどを用いて後に露光される。よって、最も正確な操作は、簡素化され、そしてより経済的で正確にされ、一方、一意の符号化操作の精度は、それらをより柔軟で速くて経済的にするために、緩和される。
【０１２７】
操作において、統合スケールトラック４００の画像は、図５に示す検出窓４６０に対応しながら捕らえられる。そして、この画像は、検出窓４６０に現れる所定部分４３０を特定するために解析される。統合スケールトラック４００の構成が先験的に知られているので、いったん所定部分４３０が見つけられると、符号部分は、上述したように、所定部分４３０から測定軸方向１１２と直交する方向に生じることが知られている。捕らえられた画像の明るくそして暗い部分のパターンと広がりは、各符合領域４５０内に含まれる符号要素サブ領域４５１における個々の符号要素に対応し、これらのパターンと広がりによって定義される符号語を抽出するために求められる。
【０１２８】
そして、抽出された符号語は、ルックアップテーブルのアドレスエントリとして使用されるか、ローカル基準および／またはローカル基準特性４３６の測定値、そしてその結果、ローカル基準特性４３６および／または符号部分４４０の間隔にほぼ対応する第１分解能でスケール１１０に対する検出窓４４０と読取ヘッド１２６の位置を求めるための式の変数として使用される。様々な実施の形態において、符号部分４４０の近傍の検出窓４６０に出現する周期部分４２０の与えられた特徴は、ローカル基準特性４３６となる。
【０１２９】
絶対位置測定分解能をさらに精緻化するために、検出窓４６０の左端４６２または右端に対するローカル基準特性４３６の位置を見つけることは、便利で十分である。図５に示すように、検出窓４６０の左端４６２が左のローカル基準特性４３６に対する基準ポイントとして使用されるとき、オフセット距離ｄ1に対応する画素の数は、１または数画素内で容易に求められ、この画素距離は、光検出器１６０の周知の幾何学的特性と読取ヘッド１２６の倍率に基づいて実際のオフセット距離ｄ1に変換されてもよい。
【０１３０】
オフセット距離ｄ1がローカル基準特性４３６の測定値に付加されるとき、スケール１１０に対する読取ヘッド１２６の絶対位置は第２分解能で知られ、第２分解能は、周期部分４２０の増加ピッチの１／２より細かく、読取ヘッド１２６の倍率によって分けられる画素ピッチの１また数倍にほぼ対応する。一般に、オフセット距離ｄ1は、関連信号処理と関係がある検出窓４６０の右端または左端４６２のいずれかに基づいて定義することができる。
【０１３１】
上述した比較的低分解能位置測定は、現時点では、検出窓４４０に利用可能な比較的わずかな位置情報を使用している。読取ヘッド１２６とスケール１１０の間の絶対位置測定をさらに精緻化するために、検出窓４６０におけるさらなる情報を使用することが望ましく、その結果、局所的製作誤り、欠陥、汚れなどの効果が平均化され、より良好なＳ／Ｎ比、より正確な位置測定を提供する。特に、検出窓４６０に現れる周期部分４２０から生じるいくつかのまたは全ての情報および／または信号に基づいて位置測定をすることが望ましい。実際、目標は、前述したオフセット距離ｄ1の評価値を精緻化することである。
【０１３２】
様々な実施の形態において、図９に示すような相関関数が、検出窓４６０に対応する捕らえられた画像を、周期部分４２０の第１の増加スケール要素４２６および第２の増加スケール要素４２９に合致するように選択された参照画像と比較することによって、生成される。参照画像は、スケール１１０から得られた実際の画像または合成画像とすることができる。参照画像に対する唯一の要求は、参照画像が、十分な相関関数を生成することを可能にする十分なサイズの周期部分４２０の構成に対応する周期部分を有することである。例えば、様々な実施の形態において、参照画像は、スケール１１０の全ての検出された画像において連続して生じることが保証された唯一の第１の増加スケール要素４２６および第２の増加スケール要素４２９の数を含むように、スケール１１０の完全な検出された画像より測定軸方向に沿って短くてもよい。
【０１３３】
様々な他の実施の形態において、合成画像が使用されるならば、合成画像は、周期部分４２０の第１の増加スケール要素４２６と第２の増加スケール要素４２９の構成のみを含むようにしてもよいが、その構成は合成画像の全長に渡る。代わりに、合成画像は、周期部分４２０、所定部分４３０および代表する符号部分４４０を含むことができる。同様に、スケール１１０自身から得られた参照画像は、一般に、周期部分４２０、所定部分４３０および符号部分４４０の１つを含むであろう。しかしながら、参照画像のこれらのタイプのいずれもが、相関操作の間に削除またはスキップされた符号部分（複数の符号部分）の位置に対応する画像の適切な部分を有することができる。実際の参照画像に関して、符号部分４４０の位置は、例えば、上述した様々な符号部分探索方法の１つに基づいて求めることができる。
【０１３４】
読取ヘッド１２６がスケール１１０に対してヨーミスアライメントがある状態で装着されると、スケール１１０からの実際の画像は、スケール１１０の理想的に調整された参照画像に対して回転されるであろう。しかしながら、一般に、合理的に予測されたミスアライメントによるそのような限定された画像回転は、スケール１１０に沿った読取ヘッド１２６の位置に関わらず、一致するであろう。よって、そのような画像の回転は、様々な実施の形態において、それぞれの位置でほぼ同じで、無視することができる誤差を生成するであろう。様々な他の実施の形態において、実際の画像と理想的に配置された参照画像の間の回転ミスアライメントの量が、較正手順中に、公知のまたは後に開発される回転相関手法などを用いることによって、求められる。そして、参照または実際の画像は、相関操作の精度および位置測定の精度を増強するために、通常の操作中に生じる信号処理前またはその間に、計算上回転されて整列される。さらに他の実施の形態において、参照画像は、一致した回転ミスアライメントを含む実際の画像から導き出される。この場合、参照画像は、本質的に、連続した実際の画像と回転的に整列される。
【０１３５】
いかなる場合でも、上述した操作によれば、オフセット距離ｄ1の初期評価は、増加ピッチの増加の１／２より改善されるように確かに正確である。従って、検出窓４６０に出現する周期部分４２０から生じる情報および／または信号のいくつかまたは全てに基づいたオフセット位置測定は、増加ピッチの増加の１／２より良い精度および／または分解能が提供されるように、前述したオフセット距離ｄ1の評価値を精緻化または置き換えるのに使用される。相関操作に基づいた様々な適用可能な方法は、図９を参照してさらに以下に述べられる。
【０１３６】
図６は、本発明による読取ヘッドと絶対スケール間の相対運動中に染みが付けられる画像に関する様々な考慮を示す図である。図６は、読取ヘッド１２６がスケール１１０に対して測定軸方向１１２に沿って移動するときに、スケールトラック３００，３００”などの撮像の露光時間中に光検出器１６０のアレイ１６６上に生成された画像を図示する。特に、次の議論を簡素化するために、スケール１１０上の様々な要素が光検出器１６０上の画像中で拡大されず、そして相対移動速度が露光時間中一定であると仮定される。図６の次の議論における語句「名目上の広がり」は、スケール１１０上に製作された様々な要素の名目上の広がり、または同等に、相対移動がない画像中の様々な要素の名目上の広がりと呼ばれる。
【０１３７】
説明のために、図６は、図５を参照して前述した同様に呼ばれる要素に類似する様々な簡素化された要素の一部を示す。図６は、名目上の広がり６０２を有する明るい画像タイプの所定部分スケール要素６３２、名目上の広がり６０３を有する暗い画像タイプの増加スケール要素６２６、および名目上の広がり６０４を有する明るい画像タイプの増加スケール要素６２９の概略画像を示す。また、測定軸方向１１２に沿った名目上の広がり６０２を有する名目上の符号領域６５０が示される。符号領域６５０は、個々の符号要素サブ領域６５１，６５１’および６５１”を含み、それぞれは、名目上の符号要素境界６５２を有し、それぞれは、測定軸方向１１２と直交する広がり６０５を有する。個々の符号要素サブ領域６５１，６５１’および６５１”は、また、同じ参照番号によって表されるそれぞれの符合要素の存在を示すことを理解されるべきである。
【０１３８】
次の議論において、暗い画像タイプのスケール要素は、光検出器１６０上で、画像強度を生成しないすなわち重要でない画像強度を生成する。図６に示す画像の露光時間の開始（start）においては、スケール要素６３２，６２９および６５１〜６５１”の開始位置が、開始位置指標６７１によって示される。様々なスケール要素の開始の「非移行」画像は、図６における第１のタイプの陰影によって示される。
【０１３９】
図６に示す画像の露光時間中の中途（mid）においては、スケール要素６３２，６２９および６５１〜６５１”の中途位置が、中途位置指標６７２によって示される。様々なスケール要素の対応して移行された画像は、図６における第２のタイプの陰影によって示される。
【０１４０】
図６に示す画像の露光時間中の終わり（end）においては、スケール要素６３２，６２９および６５１〜６５１”の終わり位置が、終わり位置指標６７３によって示される。様々なスケール要素の対応して移行された画像は、図６における第３のタイプの陰影によって示される。
【０１４１】
図６に示すように、露光時間中、明るい画像タイプは、測定軸方向１１２と名目上平行である染み方向６１２に沿って染みが付けられる。例えば、相対移動中に露光された画像において、スケール要素６３２および６５１”は、増加された染みの広がり６０２sを有し、スケール要素６２９は、増加された染みの広がり６０４sを有する。さらに、暗い画像タイプのスケール要素６２６の明らかな広がりは、暗い画像タイプのスケール要素６２６の名目上の広がり６０３に対して非常に減少された染みの広がり６０３sまで減少される。強度特徴曲線６８２は、図６に示す画像に関して、光検出器１６０の画素の行に沿って生じる相対強度値を示す。
【０１４２】
前述から、極端な場合において、長い露光時間、速い移動、およびスケール要素６２６などのような暗い画像タイプのスケール要素のより小さい名目上の広がりのいかなる組み合わせも、光検出器１６０上に露光された画像において、「見えなくなり」、さもなければ、非常に暗く使用不能になる。例えば、４０マイクロ秒の露光時間に対して、４０マイクロ未満の名目上の広がりを有する暗い画像タイプのスケール要素は、約１ｍ／秒またはそれ以上の移動速度で、「見えなくなる」。さらなる例として、２０マイクロ秒の露光時間に対して、４０マイクロ未満の名目上の広がりを有する暗い画像タイプのスケール要素は、約２ｍ／秒またはそれ以上の移動速度で、「見えなくなる」。従って、本発明による様々な実施の形態において、少なくとも周期部分３２０，４２０などにおいて、暗い画像タイプのスケール要素は、明るい画像タイプのスケール要素より、測定軸方向に沿って大きな広がりを有する。このようなより大きな広がりは、与えられた増加ピッチｐに対してこの問題を減少させる傾向があり、必要に応じて、より長い露光時間および／またはより高い許容移動速度を許す。いかなる場合でも、様々な実施の形態において、暗い画像タイプのスケール要素は、合理的に予想された操作速度および露光時間に対してそれらが見えなくなることを防止するのに十分な測定軸方向１１２に沿った広がりを有する。
【０１４３】
上述した明るい画像タイプのスケール要素の明らかに増加する染みが付けられた広がりに関しては、いかなる露光時間および移動速度に対しても、期間中ほぼ一定の速度とみなせば、スケール要素６３２の中線６７５またはスケール要素６２９の中線６７６などの明るい画像タイプのスケール要素の染みが付けられた広がりの中線は、常時、露光時間の中途である時間に関連する測定軸方向に沿った適切な位置値を有する。中線６７５および６７６は、例えば強度特徴曲線６８２から、容易に求められる。従って、これらの特定の時間および位置値は、本発明による様々な実施の形態において、様々な信号処理操作、位置測定、および／または位置出力操作を管理するのに使用される。
【０１４４】
例えば、以下にさらに述べるような相関操作を実行する様々な実施の形態において、少なくとも周期部分３２０または４２０などにおける明るい画像タイプのスケール要素は、測定軸方向１１２に沿った中線について、参照画像において対称に横に拡大され、または実際の画像において対称に縮められる。様々な実施の形態において、これは、少なくとも明るい画像タイプのスケール要素の広がりが参照画像と実際画像すなわち検出ハードウェアとの間で合致するように行われる。前述によれば、この操作は、関連する中線位置を変えたり、特定の相関操作に関連するタイミングの位置を合わせたりしない。従って、様々な実施の形態において、これは、相関操作を簡素化または迅速化し、そして／またはそれらの堅牢性または精度を増す。
【０１４５】
相対移動中の測定軸方向１１２に沿って生じる画像染みに対して、符号要素サブ領域広がり６０５、関連する画像特徴および強度特徴曲線６８４によって図６に示すように、画像染みは、測定軸方向１１２と直交する方向、すなわち相対同の方向と直交する方向に沿って生じない。強度特徴曲線６８４は、図６に示す画像に対して、光検出器１６０の画素の列に沿って生じる相対強度値を示す。相対移動中の測定軸方向に沿った強度特徴に対して、測定軸方向１１２と直交して広がる強度特徴曲線６８４に沿って、符号要素６５１〜６５１’の符号値の列は、公知のまたは予測可能な位置および／または間隔で生じる識別値および／または突然の転移から、容易に求められる。公知のそして予測可能な位置および／または間隔で生じる様々な値および／または転移は、強度特徴が中線６７５に対応する、さらに強度特徴曲線６８２のピークに対応する画素の列に沿って求められるときに、最も明確になる。従って、移動速度または露光時間に関係なく、測定軸方向１１２に直交する方向に沿った様々な符号要素６５１〜６５１”の画像広がりおよび位置は、本発明によれば、統合スケールトラック３００，３００’などの特定の実施の形態に対して知られ、予測可能である。
【０１４６】
さらに、測定軸方向１１２と直交する方向に沿った様々な符号要素の画像広がりは、移動速度または露光時間に不感知であるから、様々な実施の形態において、測定軸方向１１２と直交する方向に沿った符号要素の広がりは、測定軸方向１１２に沿った様々な増加スケール要素の許される広がり未満にされる。測定軸方向１１２と直交する方向に沿った符号要素の広がりのこの減少されたサイジングは、本発明の原理による小さい領域における所望の数の符号要素を提供する。言い換えれば、これは、より大きな領域が本発明の原理による最高分解能位置測定に用いられる増加スケール要素に割り当てられることを許可する。これは、本発明の原理による統合スケールトラックの１つの大きな特徴および利点である。
【０１４７】
本発明による読取ヘッド１２６およびスケール１１０の最高の精度および分解能を増すために、本発明の１つの特定の目的は、統合スケールトラック３００，３００’などにおける周期部分３２０，４２０などの割合を最大化することである。本発明による相関操作の基礎となるソフトウェアまたはハードウェアは、スケールトラック、その結果としての各相関画像の大きな割合が参照画像の予測可能な周期パターンすなわちハードウェアベースの相関検出器の予測可能な周期パターンと合致するとき、増大した精度および分解能を達成することができる。
【０１４８】
従って、本発明による様々な実施の形態において、１つの目的は、統合スケールトラック３００，３００’などの最も小さい信頼可能に使用可能な部分における所望数の符号ビットを提供する符号要素の配置を提供することである。そして、上述から、以下の目的がある。
【０１４９】
本目的は、本発明による統合スケールトラックにおける複数の符号要素が予測された運動軸すなわち統合スケールトラック３００，３００’の測定軸などと直交して延びるそれぞれのラインに沿って配置され、検出可能である様々な実施の形態において、第１の程度を達成することである。図６に示すように、これは、複数の符号要素がそのラインに沿って移動関連染み効果をなくすことを許し、そしてその結果、それぞれに減少された広がりを有し、そして／またはそのラインに沿ってより堅牢な検出を可能にする。
【０１５０】
本目的は、本発明による統合スケールトラックにおける符号要素の全てが予測された運動軸と直交して延びるそれぞれのラインに沿って配置され、検出可能である様々な実施の形態において、さらなる程度を達成することである。
【０１５１】
本目的は、本発明による統合スケールトラックにおける複数の符号要素のそれぞれが予測された運動軸と直交して延びるそれぞれのラインに沿って置かれた隣接する符号要素と少なくとも１つの相互の境界を共有するように配置される様々な実施の形態において、さらなる程度を達成することである。
【０１５２】
個々の符号要素が周期的に位置決めされた増加スケール要素の位置と明るい画像または暗い画像タイプの両方に一致する範囲で、符号要素が本発明による周期部分の相互関係がある特徴として適当に作用することができる。従って、実際に、そのような符号要素は、さらに、本発明による統合スケールトラックにおける周期部分の割合を最大化する。すなわち、別の言い方をすれば、前述した目的の少なくともいくつかは、本発明による統合スケールトラックにおける複数の符号要素が埋め込まれ、周期的に置かれた増加スケール要素の位置および測定軸方向に沿った広がりの両方に一致し、そのような要素が予測された運動軸と直交するそれぞれのラインに沿って配置され、検出可能である様々実施の形態においてさらなる程度を達成することである。このような実施の形態については、以下に、図７を参照して述べる。
【０１５３】
図７は、図３に示す全般的な統合スケールトラック３００’の第２の実施の形態である、本発明による統合スケールトラック４００’の第２の実施の形態の一部を示す図である。図７において、図５に示す要素と同様に符号が付された要素は、別段次の説明において示されずまたは明らかでない場合、図５を参照して述べられた対応する要素と同様に配置され、機能する。
【０１５４】
図７は、スケール１１０、検出窓４６０、および図３に示す統合スケールトラック３００’に対応する統合絶対スケールトラック４００’の第２の実施の形態を示す。読取ヘッド１２６は、測定軸方向１１２に沿って統合スケールトラック４００’に対して移動する。図７に示すように、統合絶対スケールトラック４００’は、スケール１１０の全長に沿って繰り返す複数の符号化されたセグメント４１０’を含む。各符号化されたセグメント４１０’は、測定軸方向１１２に沿って配置された符号部分４４０’および周期部分４２０’を含む。各符号化されたセグメント４１０’は、また、符号部分４４０’のそれぞれの上端に隣接して位置する所定パターン部分４３０’を含む。
【０１５５】
符号部分４４０’は、それぞれ、スケール１１０の測定軸方向１１２に沿って置かれ、測定軸方向１１２と直交する方向に沿って広がる符号要素領域４５０’を含む。統合スケールトラック４００’の様々な実施の形態において、測定軸方向１１２に沿った各符号要素領域４５０’の位置および広がりは、測定軸方向１１２に沿った仮定の周期的に置かれた第２の増加スケール要素４２９の名目上の位置および広がりに一致する。すなわち、各符号要素領域４５０’は、周期部分４２０の第２の増加スケール要素４２９であるかのように、測定軸方向１１２に沿って大きさが決められ、置かれる。
【０１５６】
各符合要素領域４５０’は、スパン４５５に含まれる指標空間４５１”によって図７において全般にマークされているように、複数の符号要素サブ領域４５１’に分割される。各符合要素サブ領域４５１’は、スパン４５５に含まれる指標ライン４５２’によって図７において全般にマークされているように、複数の名目上の符号要素境界４５２によって分離され、この境界は、個々の符号要素サブ領域４５１’に位置する個々の符号要素間の境界または変わり目に一致する。随時、スペーサ要素４５４’は、各符号要素領域４５０’の上、下端に置かれる。
【０１５７】
図７に示すように、個々の符号要素は、第１および第２の実施の形態３００’および３００”を参照して上述したように、各符号部分４４０’における符号要素の識別そして／または一意のパターンを提供するように個々の符号要素サブ領域４５１’に存在したり欠いたりする。測定軸方向１１２に沿った個々の符号要素の広がりは、測定軸１１２に沿った符号要素領域４５０’の広がりに一致する。測定軸方向１１２と直交する個々の符号要素の広がりは、接触しかつ個々の符号要素間の識別可能な物理的境界または画像端の変わり目を示さない様々な符合例においてさえ、名目上の符号要素境界４５２に一致する。様々な実施の形態において、測定軸方向１１２と直交する個々の符号要素の広がりは、多数の符号要素を各符号化されたセグメント４１０’の小さい割合で提供可能であるように、測定軸方向１１２に沿った広がり未満である。図７に示す実施の形態において、個々の符号要素広がりは、便宜上同じにされる。
【０１５８】
各符号部分４４０’における個々の符号要素のパターンは、第１分解能で、ローカル基準および／またはローカル基準特性４３６’に関連する測定値、そしてその結果を検出窓４６０および読取ヘッド１２６の位置を特定するように復号されるバイナリ数または符号語を形成する。図７に示す実施の形態において、ローカル基準特性４３６’は、符号部分４４０’の右に直接接する周期的に置かれた増加スケール要素４２９の中心として便宜上選択される。図７に示す実施の形態において、各ローカル基準特性４３６’は、距離ｄ’0で隣接するローカル基準特性４３６’から離されている。様々な実施の形態において、距離ｄ’0は、検出窓４６０内に少なくとも１つのローカル基準特性４３６’が常時あるように選択される。
【０１５９】
周期部分４２０’は、それぞれ、暗い画像タイプの第１の増加スケール要素４２６および明るい画像タイプの第２の増加スケール要素４２９を含む。隣接する第１および第２のスケール要素４２６，４２９の対のそれぞれは、増加ピッチｐの１つユニットを橋渡しする。図７に示す様々な実施の形態において、明るい画像タイプの第２の増加スケール要素４２９は、図６を参照して先に説明した理由により、暗い画像タイプの第１の増加スケール要素４２６より、測定軸方向１１２に沿って狭い。上述した符号部分４４０’および以下に述べる所定パターン部分４３０’の構造上の違いにより、統合スケールトラック４００の先の実施の形態の周期部分４２０と比較すると、本実施の形態の周期部分４２０’は、付加的な第２の増加スケール要素４２９を含む。従って、本実施の形態の周期部分４２０’のそれぞれは、符号部分４４０’および所定パターン部分４３０’の埋め込まれた要素が周期部分４２０’の予測された名目上のパターンに対して明暗を有する最小領域を除いて、名目上、対応する符号化されたセグメント４１０’の全体領域を含む。
【０１６０】
図５に示す統合スケールトラックの先の実施の形態に対して、統合スケールトラック４００’の本実施の形態は、符号部分４４０’のそれぞれの上端のみに隣接する所定パターン部分４３０’を含む。各所定パターン部分４３０’は、タイプの増加ピッチｐの約２倍の測定軸方向１１２に沿った寸法を有する明るい画像タイプの所定部分スケール要素４３２’を含み、所定部分スケール要素４３２’は、明るい画像タイプの第２の増加スケール要素４２９間を橋渡し、関連する一意の連続した特徴幅を提供する。図７のライン４６３は、検出窓４６０の上端に近い光検出器１６０の画素の１つの所定の行４６３または画素の数個の所定の行４６３を示す。読取ヘッド１２６は、画素のこれらの行が所定部分スケール要素４３２’に亘って広がることを保証するように、スケール１１０に対して装着され、案内される。所定の行４６３に沿った画像データを解析することによって、スケール１１０の統合スケールトラック４００’に沿った検出窓４６０のいかなる位置でも、所定部分スケール要素４３２’の位置は、関連する一意の連続した特徴幅により容易に識別され、この特徴幅は、例えば、ピッチｐの寸法を超える統合スケールトラック４００’に沿った唯一の連続した特徴幅である。
【０１６１】
従って、完全な所定部分スケール要素４３２’が検出窓４６０に含まれるとき、画素の１つの中央列４６４、または画素の数個の中央列４６４は、より複雑な探索または解析を必要とすることなく、容易に見つけられる。図７のライン４６４は、中央列４６４であることを示す。統合スケールトラック４００の先の実施の形態と同様に、統合スケールトラック４００’のこの実施の形態において、特定の数の符号要素サブ領域４５１’が、中央列４６４に沿った所定部分スケール要素４３２’の下端の下方に所定の距離で置かれることが意図的に知られている。従って、符号部分４４０’の符号要素は、容易に見つけられ、復号される。不完全な所定部分スケール要素４３２’のみが検出窓４６０に含まれるとき、１つまたは２つの次に隣接する第２の増加スケール要素４２９は、所定行４６３に沿った画像データ中に特定することができ、画素の中央列４６４の位置は、統合スケールトラック４００’に対する公知の設計要素に基づいて推測することができる。
【０１６２】
統合スケールトラック４００’の１つの実施の形態において、様々な特徴が統合スケールトラック４００の１つの実施の形態を参照して前述したと同じである。これらの特徴は、第１の増加スケール要素、第２の増加スケール要素、増加ピッチｐ、検出窓４６０と関連する画素とスケール１１０上の寸法に対するそれらの関係、測定軸方向１１２と直交する個々の符号要素サブ領域４５１’ の間隔４５５および含まれる広がり、および統合スケールトラック幅４７０を含む。各符号要素領域４５０’が周期部分４２０’の第２の増加スケール要素４２９であるかのように測定軸方向１１２に沿って大きさが決められ、置かれるから、符号要素領域４５０’および個々の符号要素サブ領域４５１’の他の寸法は、この情報から推測することができる。
【０１６３】
統合スケール４００’の様々な実施の形態において、符号要素は、埋め込まれ、仮定の周期的に置かれた第２の増加スケール要素の測定軸方向に沿った位置および広がりの両方に一致する。符号部分４４０’、所定パターン部分４３０’および周期部分４２０’の構造上の様々な関連する違いは、上述したものである。これらの違いの結果、隣接するローカル基準特性４３６’間の寸法ｄ0は、増加ピッチの８倍、すなわち本実施の形態においては３２０μｍまで増す。従って、符号領域４５０’に配置された１７ビットの符号は、それらの隣接する所定部分スケール要素とともに、統合スケールトラック４００’の１５％未満を占めながら、約４２ｍの絶対範囲を許す。従って、本実施の形態において、統合スケールトラック４００’の領域の少なくとも８５％は、周期部分４２０’に用いることができ、さらに、上述したように、本発明の原理による周期部分に基づいた高分解能位置測定の速度および精度を向上させる。
【０１６４】
図８は、図４に示す全般統合スケールトラック３００”の第１の実施の形態である、本発明による統合スケールトラック５００の第３の実施の形態の一部を示す。図８において、図７に示す要素と同様に符号が付された要素は、別段次の説明において明示されていなければ、図７を参照して述べた対応する要素と同様に配置され、機能する。図７に示す統合スケールトラック４００’の第２の実施の形態と比較すると、図８に示す統合スケールトラック５００の第３の実施の形態における重要な違いは、符号部分５４０および所定部分５３０の異なる構成である。
【０１６５】
図８は、スケール１１０、検出窓４６０および統合スケールトラック５００の第３の実施の形態を示す。読取ヘッド１２６は、測定軸方向１１２に沿って統合スケールトラック５００に対して移動する。図８に示すように、統合スケールトラック５００は、スケール１１０の全長に沿って繰り返す複数の符号化されたセグメント５１０を含む。各符号化されたセグメント５１０は、統合スケールトラック５００の中央ライン５０５に沿って配置された符号部分５４０、および測定軸方向１１２に沿って配置された周期部分５２０を含む。各符号化されたセグメント５１０は、また、符号部分５４０に最も近い中央ライン５０５に沿って配置された所定パターン部分５３０を含む。
【０１６６】
符号部分５４０は、スケール１１０の測定方向軸１１２に沿って置かれ、測定軸方向１１２と直交する方向に沿って広がる複数の符号要素領域５５０を含む。図８に示す統合スケールトラック５００の実施の形態において、測定軸方向１１２に沿った各符号要素領域５５０の位置および広がりは、測定軸方向１１２に沿った周期的に置かれた第２の増加スケール要素４２９の名目上の位置および広がりに一致する。すなわち、各符号要素領域５５０は、周期部分５２０の第２の増加スケール要素４２９の一部であるかのように、測定軸方向１１２に沿って大きさが決められ、置かれる。特に、図８に示す実施の形態において、符号部分５４０に含まれる６個の符号要素領域５５０Ａ〜５５０Ｆは、符号要素領域５５０の各側上を測定軸方向１１２と直交して広がる周期的に置かれた第２の増加スケール要素４２９と同じである。図８に例示する符号要素領域の全般的な配置に関連する様々な利点については、以下にさらに述べる。
【０１６７】
本発明による統合スケールトラックの様々な他の実施の形態において、測定軸方向１１２に沿った各符号要素の位置および広がりは、代わりに、測定軸方向１１２に沿った仮想の周期的に置かれた第１の増加スケール要素４２６の名目上の位置および広がりに一致することができる。代わりに、符号要素領域５５０の様々なものは、第１および第２の増加スケール要素４２６および４２９の様々なものに一致することができる。
【０１６８】
各符号要素領域５５０は、スパン５５５内に配置され、中央ライン５０５近傍またはその上にある。各符号要素領域５５０は、スパン５５５に含まれる指標空間５５１’によって図８において全般にマークされているように、複数の符号要素サブ領域５５１に分割される。各符合要素サブ領域５５１は、スパン５５５に含まれる指標ライン５５２’によって図７において全般にマークされているように、複数の名目上の符号要素境界５５２によって分離され、この境界は、個々の符号要素サブ領域５５１に位置する個々の符号要素間の境界または変わり目に一致する。図８に示す実施の形態において、６個の符号要素領域５５０Ａ〜５５０Ｆのそれぞれは、合計１８個の符号要素サブ領域５５１に対して、測定軸方向１１２と直交する方向に沿って分配されている３個の符号要素サブ領域５５１を含む。従って、図８に示す実施の形態において、各符号要素部分５５０は、１８ビットの符号語を形成するように１８個の符号要素を含むことができる。
【０１６９】
図８に示すように、個々の符号要素は、各符号部分５４０における符号要素の識別そして／または一意のパターンを提供するように個々の符号要素サブ領域５５１に存在したり欠いたりし、第１および第２の実施の形態３００’および３００”を参照して上述したものと同様の機能および利点を提供する。測定軸方向１１２に沿った個々の符号要素の広がりは、測定軸１１２に沿った符号要素領域５５０の広がりに一致し、統合スケールトラック５００のこの実施の形態においては、第２の増加スケール要素４２９の広がりに一致する。測定軸方向１１２と直交する個々の符号要素の広がりは、接触しかつ個々の符号要素間の識別可能な物理的境界または画像端の変わり目を示さない様々な符合例においてさえ、名目上の符号要素境界５５２に一致する。様々な実施の形態において、測定軸方向１１２と直交する個々の符号要素の広がりは、多数の符号要素を各符号化されたセグメント５１０の小さい割合で提供可能であるように、測定軸方向１１２に沿った広がり未満である。図８に示す実施の形態において、個々の符号要素広がりは、便宜上同じにされる。
【０１７０】
図８に示す１つの実施の形態において、各符号部分５４０における個々の符号要素のパターンは、スケール１１０に沿って連続する符号化されたセグメント５１０において連続するバイナリ数または符号語を形成するように配置される。すなわち、符号要素領域５５０Ａは、バイナリ数の３つの最上位のビットまたは符号語を含み、符号要素領域５５０Ｂは、バイナリ数の３つの最上位のビットまたは符号語を含む。最後に、符号要素領域５５０Ｆは、バイナリ数の３つの最下位のビットまたは符号語を含む。従って、スケール１１０に沿った検出窓４６０の位置に関係なく、それは、スケール１１０に沿った検出窓４６０および読取ヘッド１２６の特定の位置に関連する適切な一連のバイナリ数または符号語を特定するように容易に組み合わされる符号要素領域５５０の組み合わせを含むであろう。
【０１７１】
検出窓４６０は、図８に示すように、符号要素領域５５０Ｆおよび５５０Ｆ’のような、「衝突する」または冗長な符号要素領域を含んでもよい。そのような「衝突」また冗長性は、統合スケールトラック５００の実施の形態の公知の設計に従ってまたは適切な相関信号処理によって容易に解かれる。例えば、様々な実施の形態において、所定部分５３０の左の全ての衝突しないまたは冗長でない符号要素領域５５０が保持されるならば、所定部分５３０の左の全ての衝突するまたは冗長な符号要素領域５５０は、無視される。この場合、所定部分５３０の左に保持された全ての衝突しないまたは冗長でない符号要素領域５５０は、適切な符号語の少なくとも重要なビットであろう。
【０１７２】
いかなる場合でも、各符号部分５４０における個々の符号要素のパターンは、第１分解能で、ローカル基準および／またはローカル基準特性５３６に関連する測定値、そしてその結果検出窓４６０および読取ヘッド１２６の位置を特定するように復号されるバイナリ数または符号語を形成する。図８に示す実施の形態において、各ローカル基準特性５３６は、距離ｄ’0で、隣接するローカル基準特性５３６から離されている。様々な実施の形態において、距離ｄ’0は、検出窓４６０内に少なくとも１つのローカル基準特性５３６が常時あるように選択される。図８に示す実施の形態において、ローカル基準特性５３６は、符号部分５４０の右端にある符合要素領域と並べられた周期的に置かれた第２の増加スケール要素４２９の中心として選択される。上述したように、様々な実施の形態において、符号部分５４０の右端にある符号要素領域５５０Ｆは、符号化されたセグメント５１０に含まれる符号語の最下位のビットを含む。従って、図８に示す実施の形態において、検出窓に２つのローカル基準特性５３６があるとき、位置測定のための操作ローカル基準は、保持されたローカル基準、すなわち保持されたＬＳＢ符号要素領域５５０Ｆに関連するものである。
【０１７３】
周期部分５２０は、それぞれ、暗い画像タイプの第１の増加スケール要素４２６および明るい画像タイプの第２の増加スケール要素４２９を含む。隣接する第１および第２のスケール要素４２６，４２９の対のそれぞれは、増加ピッチｐの１つユニットを橋渡しする。上述した符号部分５４０および以下に述べる所定パターン部分５３０の構造上の違いにより、統合スケールトラック４００，４００’の先の実施の形態の周期部分４２０，４２０’と比較すると、本実施の形態の周期部分５２０は、符号部分５４０および所定部分５３０がスパン５５５に亘って測定軸方向１１２に沿って周期部分５２０に埋め込まれた場所を除いて、各符号化されたセグメント５１０における全ての場所で、測定軸方向１１２に沿って連続して周期的である。従って、本実施の形態の各周期部分５２０のそれぞれは、符号部分５４０および所定パターン部分５３０の埋め込まれた要素が周期部分５２０の予測された名目上のパターンに対して明暗を有するスパン５５５に沿った最小領域を除いて、名目上、対応する符号化されたセグメント５１０の全体領域を含む。
【０１７４】
総合スケールトラック４００，４００’の先の実施の形態に対して、統合スケールトラック５００の本実施の形態は、符号部分５４０のそれぞれの上端のみに隣接する所定パターン部分５３０を含む。各所定パターン部分５３０は、増加ピッチｐの約１倍の測定軸方向１１２に沿った寸法を有する明るい画像タイプの所定部分スケール要素５３２を含み、所定部分スケール要素５３２は、２つの明るい画像タイプの第２の増加スケール要素４２９間を橋渡し、関連する一意の連続した特徴幅を提供する。図８のライン４６３は、検出窓４６０の上端に近い光検出器１６０の画素の１つの所定の行４６３または画素の数個の所定の行４６３を示す。読取ヘッド１２６は、画素の所定の行４６３が所定部分スケール要素５３２に亘って広がることを保証するように、スケール１１０に対して装着され、案内される。
【０１７５】
図８に示す実施の形態において、測定軸方向１１２に沿った所定部分スケール要素５３２の中央ラインは、名目上、スパン５５５の中央に一致し、統合スケールトラック５００の中央ライン５０５に一致する。従って、本実施の形態において、所定の行４６３は、名目上、中央ライン５０５に一致する。所定の行４６３に沿った画像データを解析することによって、スケール１１０の統合スケールトラック５００に沿った検出窓４６０のいかなる位置でも、所定部分スケール要素５３２の位置は、関連する一意の連続した特徴幅により容易に識別され、この特徴幅は、例えば、ピッチｐの寸法を超える統合スケールトラック４００’に沿った唯一の連続した特徴幅である。
【０１７６】
従って、完全な所定部分スケール要素５３２が検出窓４６０に含まれるとき、画素の１つの中央列５６４、または画素の数個の中央列５６４は、より複雑な探索または解析を必要とすることなく、容易に見つけられる。図８のライン５６４は、中央列５６４を示す。統合スケールトラック５００の本実施の形態において、特定の数の符号要素サブ領域５５１が、特定数の符号要素サブ領域５５１がスパン５５５内に置かれ、所定部分スケール要素５３２の中央列５６４に対して測定軸方向１１２に沿って特定の方法で位置決めされることが意図的に知られている。従って、所定部分スケール要素５３２の右および左側のいずれかまたは両方に隣接する符号部分５４０の符号要素は、容易に見つけられ、復号される。
【０１７７】
統合スケールトラック５００の１つの実施の形態において、様々な特徴が統合スケールトラック４００の１つの実施の形態を参照して前述したと同じである。これらの特徴は、第１の増加スケール要素４２６、第２の増加スケール要素４２９、増加ピッチｐ、検出窓４６０と関連する画素とスケール１１０上の寸法に対するそれらの関係、測定軸方向１１２と直交する個々の符号要素サブ領域５５１の含まれる広がり、隣接するローカル基準間の距離ｄ0、および統合スケールトラック幅４７０を含む。各符号要素領域５５０が周期部分５２０の第２の増加スケール要素４２９であるかのように測定軸方向１１２に沿って大きさが決められ、置かれるから、符号要素領域５５０および個々の符号要素サブ領域５５１の他の寸法は、この情報から推測することができる。
【０１７８】
先の実施の形態の全てと同様に、本発明による統合スケールトラック５００における各符号要素領域５５０の符号要素は、予測された移動軸と直交して延びるそれぞれのラインに沿って配置され、検出可能である。さらに、先の実施の形態４００’と同様に、統合スケール５００の様々な実施の形態において、符号要素は、埋め込まれ、周期的に置かれた増加スケール要素の測定軸方向に沿った位置および広がりの両方に一致する。従って、符号領域５５０に配置された１８ビットの符号は、それらの隣接する所定部分スケール要素とともに、統合スケールトラック５００の１５％未満を占めながら、約８４ｍの絶対範囲を許す。従って、本実施の形態において、統合スケールトラック５００の領域の少なくとも８５％は、周期部分５２０に用いることができ、さらに、上述したように、本発明の原理による周期部分に基づいた高分解能位置測定の速度および精度を向上させる。
【０１７９】
また、周期部分における測定軸方向に沿って限定されたスパン５５５に符号部分５４０および所定パターン部分５３０を限定することは、高精度音に高速相関操作に関してある信号処理利点を結果として生じる。特に、統合スケールトラック５００の周期部分５２０は、符号部分５４０および所定部分５３０がスパン５５５に亘って測定軸方向１１２に沿って周期部分５２０に埋め込まれた場所を除いて、各符号化されたセグメント５１０のいずれの場所においても、測定軸方向１１２に沿って連続して周期的である。すなわち、統合スケールトラックの全ての非周期特徴は、スパン５５５内に限定される。従って、高精度ソフトウェアまたはハードウェア相関操作は、スパン５５５に対応する測定軸方向１１２に沿った予測可能な「縞」の外側の周期部分に対して容易に実行される。従って、「非周期異常」をなくすであろう高精度相関操作は、スパン５５５における相関操作を連続して排除しまたは無効にする固定された周期参照画像または固定された周期検出器を使用して実行することができる。
【０１８０】
しかしながら、統合スケールトラック５００に含まれる符号要素および所定部分スケール要素は、一般に、統合スケールトラック５００の領域の小さな割合を占めるのみであるから、様々な実施の形態において、それらは、特別な考慮をすることなく、上述したまたは以下に述べる周期部分相関操作に含まれる。
【０１８１】
図９は、参照画像が周期部分４２０，５２０などの第１の増加スケール要素４２６および第２の増加スケール要素４２９の構成に付加された代表する符号部分４４０，５４０を含むときに得られる相関曲線４９０を示す。その結果、参照画像と検出窓４４０に対応する捕らえられた画像間のオフセットが参照画像の符号部分４４０，５４０などを捕らえられた画像の符号部分４４０，５４０などと整列させるとき、相関曲線４９０のピークおよび谷はそれらの最大振幅に到達する。これに対し、参照画像と捕らえられた画像間のオフセットが、一方の画像の周期部分４２０，５２０などが他の画像の符号部分４４０，５４０と整列するようなものであるとき、相関関数のピークおよび谷の振幅は最小値となる。しかしながら、相関関数における隣り合うピーク間および隣り合う谷間の全体的な周期ｐ’は、周期部分４２０，５２０などの増加ピッチｐに対応し、符号部分の出現に関わらず、相関曲線４９０の全体に亘って、目に見えた状態のままである。
【０１８２】
上述した操作によれば、オフセット距離ｄ1の初期評価は、増加ピッチの増分の１／２未満で確かに正確である。従って、絶対位置測定を精緻化するために、使用される相関のタイプに依存する、１つ以上の高い振幅の谷またはピークのオフセット位置を、ローカル基準および／またはローカル基準特性４３６，５３６などがその参照位置に一致する画像に関して、その予測されたオフセット位置に対して、求めることが必要なのみである。
【０１８３】
相関曲線を生成するために、一般に、より速い信号処理に関して、捕らえられた画像の単一の行のみ、または数行のみが最初に解析される。様々な実施の形態において、これは、相関曲線解析の第１部分の間で続行され、この第１部分では、位置評価を精緻化するのに用いられるべき少なくとも１つのピークまたは谷の適当な位置を見つけるために、画像の単一の行のみまたは選択された数行のみを用いることによって、加工されていない相関曲線が生成される。一般に、これは、いくつかの実施の形態において相関曲線のピークまたは谷となる、比較的良好な相関を示す振幅を有するピークまたは谷とすることができる。
【０１８４】
そのような適当なピークまたは谷がいったん特定されると、相関処理の第２部分において、相関曲線が、その選択されたピークまたは谷の周りの近傍における画素オフセット値のそれぞれのために生成される。これは、より時間が掛かる参照および捕らえられた画像の全ての行に対する全画素毎の解析が実行されることを許すが、特定されたピークまたは谷の位置を精緻化するのに用いられる特定されたピークまたは谷の近傍におけるそれらのオフセット位置のみが実際のオフセット位置を求めることを許す。相関処理のこの高精度第２部分の間に使用されるその行の数は、所望の精度に依存する。最も高い精度に関して、検出窓４６０に含まれる全ての行が使用される。
【０１８５】
この高精度相関曲線がピークまたは谷の近傍においていったん生成されると、米国特許出願09/731,671において特定された様々な方法のいずれかが、サブ画素分解能でピークまたは谷の画素オフセット値を特定するために使用される。ローカル基準がその基準位置に一致する画像に対する実際のピークまたは谷のオフセット値とその予測オフセット値の間の差分は、評価されたオフセット距離ｄ1の分解能と精度、および結果として生じる絶対位置測定を精緻化するために使用される。
【０１８６】
例えば、一般に、先に評価されたオフセット距離ｄ1は、増加ピッチの１／２未満の付加量を加算または減算した増加ピッチの整数倍に等しい部分に分解されてもよい。先に評価されたオフセット距離ｄ1を精緻化するために、付加量は、切り捨てられ、ローカル基準がその基準位置に一致する画像に対する実際のピークまたは谷のオフセット値とその予測オフセット値の間の差分と置き換えられる。
【０１８７】
様々な他の実施の形態において、相関処理の第２部分は省かれる。この場合、正確でないまたは完全でない相関曲線は、米国特許出願09/731,671に概説されているように、可能な最高の分解能でピークまたは谷の画素オフセット値を特定するのに使用することができ、そして、多数の有用なアプリケーションに対してまだ十分である。
【０１８８】
図１０は、本発明による読取ヘッドとスケールの間の高分解能絶対位置測定値を求めるための方法の一実施の形態を概要する。ステップＳ１００で開始し、方法の操作はステップＳ２００に続き、スケールの一部の画像が取得される。もちろん、スケールの一部の画像は、１つ以上の周期部分の一部と、完全な符号部分に含まれる情報を求めるために効果的に結合可能である２つの符号部分の１つ以上の符号部分またはセグメントとを少なくとも含む必要がある。そして、ステップＳ３００において、ステップＳ２００において取得されたスケールの一部の画像に現れる符号部分は、符号部分として特定される。次いで、ステップＳ４００において、読取ヘッドとスケールの間の第１分解能絶対位置は、取得された画像に出現する特定された符号部分分に含まれる情報に基づいて求められる。そして、操作はステップＳ５００に続く。
【０１８９】
ステップＳ５００において、読取ヘッドとスケールの間の第２分解能相対位置が、取得された画像に出現する特定された符号部分に関連するローカル基準特性の位置に基づいて求められる。様々な実施の形態において、ローカル基準特性は、特定された符号部分に近接する取得された画像の周期部分内に現れまたは生じるかもしれない。これに対し、様々な他の実施の形態において、ローカル基準特性は、特定された符号部分内に現れる。
【０１９０】
次に、ステップＳ６００において、取得された画像が、相関曲線を生成するために、参照画像と比較される。様々な実施の形態において、参照画像は、保存された実際の画像、一般的な方法で取得された画像に対応する保存された合成画像、またはそのような画像の編集保存されたバージョンである。例えば、編集保存された合成画像中に出現する符号部分は、保存された画像符号部分と実際の符号部分のそれぞれとの間の差分が可能な限り減少されるように、変化が全く無いようにするまたはスケール上に出現した符号部分の全てをほぼ代表することができる。様々な他の実施の形態において、一般参照画像は、周期部分に対応する特徴のみを含むことができ、または図８に示す統合スケールトラック５００を参照して前述したように、スケール１１０に沿った全ての位置で、全ての非周期部分特徴を含む画像スパンの外側にある周期部分のそれらの一部を含むことができる。様々な他の実施の形態において、参照画像または実際の画像は、画像染みの効果を打ち消すように編集される。図６を参照して上述したように、様々な実施の形態において、明るい画像タイプのスケール要素は、明るい画像タイプのスケール要素の広がりがほぼ参照画像と実際の画像間で一致するように、測定軸方向に沿った中間ラインについて、参照画像において対称に拡大され、または実際の画像において対称に縮められる。保存された画像または編集保存された画像に対するいかなる構成も、相関曲線が十分な精度で生成されることを許し、使用することができる。様々な他の実施の形態において、スケールから予め得られた実際の画像が、参照画像として使用される。そして、ステップＳ７００において、読取ヘッドとスケールの間の第３分解能相対位置が、生成された相関曲線に基づいて求められる。そして、操作はステップＳ８００に続く。
【０１９１】
ステップＳ８００において、読取ヘッドとスケールの間の第１、第２および第３分解能相対位置が、取得された画像に対応する、読取ヘッドとスケールの間の相対位置の高分解能絶対測定値を生成するように結合される。そして、ステップＳ９００において、結合された測定値に基づいて求められるスケールに対する読取ヘッドの出力位置が出力される。そして、操作はステップＳ１０００に続き、方法の操作が終了する。
【０１９２】
図１１は、ステップＳ３００の取得された画像に出現する符号部分を特定するための方法の一実施の形態をより詳細に示すフローチャートである。図１１に示すように、方法の操作がステップＳ３００で開始され、そしてステップＳ３１０に続き、取得された画像の測定軸方向に沿って広がり１つ以上の行の組が解析のために選択される。もちろん、選択された行の組は、取得された画像の行の全てとすることができる。そして、ステップＳ３２０において、選択された１つ以上の行が、スケール上に形成されたスケールトラックの容易に特定可能な所定部分の構成に対応することが知られている比較的明るくそして暗い画素の列を特定するために解析される。次に、ステップＳ３３０において、特定された所定部分に対する符号部分の符号情報の位置の先験的な知識と共に、取得された画像の１つ以上の選択された行の組における所定部分の特定された位置に基づいて、スケールと読取ヘッドの間の相対位置を求めるのに使用される符号部分に対応する画素が特定される。そして、操作はステップＳ３４０に続き、方法の操作は、ステップＳ４００に戻る。
【０１９３】
図１２は、ステップＳ４００の特定された符号部分に基づいて第１分解能でスケールに対する読取ヘッドの絶対位置を求めるための方法の一実施の形態をより詳細に示すフローチャートである。図１２に示すように、方法の操作がステップＳ４００で開始され、そしてステップＳ４１０に続き、取得された画像のいくつかの列が、取得された画像における符号要素を含む符号領域に対応して選択される。
【０１９４】
そして、ステップＳ４２０において、１つ以上の選択された列における符号要素の画素の特定された位置に基づいて、画素の選択された１つ以上の列に現れる符号要素の列が解析される。一般に、これは、選択された１つ以上の列内に生じる比較的明るいそして暗い画素の列を解析することを意味する。次に、ステップＳ４３０において、解析された符号要素に対応する画素の列は、測定値を求めるのに使用することができる符号語を求めるために処理される。様々な実施の形態において、符号化されたスケール表示は、暗い画素がバイナリ値の一方に対応し、明るい画素がバイナリ値の他方に対応するバイナリ符号語を定義する。もちろん、３値または多値系などの非バイナリ符号化系を使用することができる。そして、操作はステップＳ４４０に続く。
【０１９５】
ステップＳ４４０において、符号語は、第１分解能、取得された画像におけるスケールの部分および／または位置、そしてその結果読取ヘッドに対するスケールの位置を、第１分解能で示す第１分解能距離測定値に変換される。様々な実施の形態において、符号語は、その符号語をルックアップテーブルに対する入力アドレスとして使用して、第１分解能距離測定値に変換される。符号語によって示されるアドレスに基づいたルックアップテーブルの出力は、対応する第１分解能距離測定値を示す。これに対し、様々な他の実施の形態において、符号語は、スケール上の基点とスケールに対する読取ヘッドの現在の位置の間の第１分解能周期ｄ0の数を定義する。よって、第１分解能周期ｄ0は、第１分解能距離測定値を取得するための符号語または数の値が乗じられる。様々な他の実施の形態において、符号語は、第１分解能周期ｄ0自身である数を定義する。そして、操作はステップＳ４５０に続き、方法の操作はステップＳ５００に戻る。
【０１９６】
ステップＳ５００に関して、第２分解能相対位置は、関連する信号処理操作において絶対的であるローカル基準特性の基準位置に対する、取得された画像におけるローカル基準特性の位置を求めることによって、求めることができる。ローカル基準特性の前述したタイプのいずれを使用してもよい。
【０１９７】
ローカル基準特性を定義するのに使用される特徴または特性がいかなるものであるかに関わらず、ローカル基準特性の基準位置が取得された画像の端であるとき、取得された画像の端までのローカル基準特性の距離は、ローカル基準特性を定義する特徴と取得された画像の端の間の画素の数を計数することによって、求められる。しかしながら、ローカル基準特性の画素位置における少数の画素の順序における、そしてその結果、ローカル基準特性と取得された画像の端との間の距離ｄ1における、予測されるいくつかの不確実性がある。
【０１９８】
図１３は、図１に示す信号生成処理回路２００の一実施の形態をより詳細に示すブロック図である。図１３に示すように、信号生成処理回路２００は、コントローラ２０５、光源ドライバ２２０、光検出器インタフェース２２５、メモリ２３０、部分探索回路２４０、復号回路２５０、距離決定回路２６０、比較回路２７０、比較結果累積器２７５、補間回路２８０、位置累積器２９０、表示器ドライバ２０１およびオプション入力インタフェース２０３を含む。
【０１９９】
コントローラ２０５は、信号線２０６によって光源ドライバ２２０に、信号線２０７によって光検出器インタフェース２２５に、信号線２０８によってメモリに接続される。同様に、コントローラ２０５は、信号線２０９〜２１５によって部分探索回路２４０、復号回路２５０、距離決定回路２６０、比較回路２７０、比較結果累積器２７５、補間回路２８０および位置累積器２９０のそれぞれに接続される。最後に、コントローラ２０５は、信号線２１６によって表示器ドライバ２０１に、設けられているならば、信号線２１７によって入力インタフェース２０３に接続される。メモリ２３０は、現在画像部分２３２、参照画像部分２３４および相関部分２３６を含む。
【０２００】
操作において、コントローラ２０５は、信号線２０６を経て光源ドライバ２２０に制御信号を出力する。応答において、光源ドライバ２２０は信号線１３２を経て光源１３０に駆動信号を出力する。
【０２０１】
様々な実施の形態において、有効露光時間および間隔は、コントローラ２０５の操作によって初期化されそして／または保存される。光源ドライバ２２０は、高速移動中に染み（smear）を十分に最小化させるために、光源を発光させ、１０〜２００マイクロ秒のオーダで有効撮像露光時間を生成するように操作可能である。
【０２０２】
次いで、コントローラ２０５は、光検出器インタフェース２２５およびメモリ２３０に信号線２０７および２０８を経て制御信号を出力し、各撮像素子１６２に対応する光検出器１６０から信号線１６４を経て受信された信号部分を現在画像部分２３２に格納する。特に、個々の撮像素子１６２からの画像値は、アレイ１６６における個々の撮像素子１６２の位置に対応する二次元配列で現在画像部分２３２に格納される。
【０２０３】
取得されたすなわち現在の画像が現在画像部分２３２に格納された後、現在の画像は、信号線２３８を経て部分探索回路２４０へ出力される。そして、コントローラ２０５から信号線２０９を経て出力された制御信号に基づいて、部分探索回路２４０は、現在画像部分２３２に格納されている取得された画像の１つ以上の行を解析し、所定部分３３０などおよび／または符号部分３４０などを見つける。そして、コントローラ２０５から信号線２１０を経た制御信号に基づいて、復号回路２５０は、メモリ２３０の現在画像部分２３２から、部分探索回路２４０によって見つけられ、取得された画像内に現れる符号部分を入力する。
【０２０４】
そして、復号回路２５０は、上述した各種技術の１つを使用し、取得された画像の見つけられた部分における明るくそして暗い画素のパターンを符号語に変換し、符号語を第１分解能距離測定値に変換する。復号回路２５０は、第１分解能位置測定値を、信号線２５２を経て位置累積器２９０に出力する。
【０２０５】
次に、部分探索回路２４０によって見つけられた所定部分または符号部分に基づいて、コントローラ２０５は、制御信号を、信号線２１１を経て距離決定回路２６０に出力する。応答において、距離決定回路２６０は、取得された画像の端の１つとメモリ２３０の現在画像部分２３２からローカル基準の位置を求めるために必要である取得された画像の部分など、少なくともローカル基準用参照画像を含む取得された画像の全てまたは一部を入力する。そして、距離決定回路２６０は、取得された画像の入力部分を解析し、ローカル基準に対する基準位置までのローカル基準の距離に基づいて、スケールに対する読取ヘッドの相対位置に対する第２分解能距離測定値を求める。距離決定回路２６０は、この第２分解能距離測定値を、信号線２６２を経て位置累積器２９０に出力する。
【０２０６】
そして、コントローラ２０５は、信号を信号線２１２で比較回路２７０に出力する。応答において、比較回路２７０は、信号線２３８を経て現在画像部分２３２に格納されている現在の画像の選択された、特定の画素に対する画像値を入力し、現在のオフセットに基づいて、参照画像部分２３４から信号線２３８を経て対応する画素に対する画像値を入力する。そして、比較回路２７０は、相関アルゴリズムを適用し、比較結果を求める。公知または後に開発されたいずれの適切な相関技術も、比較回路２７０によって使用することができ、現在のオフセットに基づいて、現在画像部分２３２に格納されている現在画像を参照画像部分２３４に格納されている参照画像と画素毎に比較される。比較回路２７０は、現在の相関オフセットのために、比較結果を信号線２７２で比較結果累積器２７５に出力する。
【０２０７】
いったん、比較回路２７０が、現在画像部分２３２からそれぞれの撮像素子１６２に対する画像値を抽出し、比較し、それらを参照画像部分２３４に格納された対応する画像値と比較し、そして相関技術を適用し、比較結果を比較結果累積器２７５に出力すると、比較結果累積器２７５に格納された値は、図９に例示されるような、現在のオフセットに対応する、所定単位での相関値を規定する。そして、コントローラ２０５は、信号線２１２を経て比較結果累積器２７５に、信号線２０８を経てメモリ２３０に、信号を出力する。その結果、比較結果累積器２７５に格納されている相関アルゴリズムの結果は出力され、メモリ２３０の相関部分２３６に、現在のオフセットに対応する位置で格納される。
【０２０８】
そして、コントローラ２０５は、信号線２１２に信号を出力し、比較結果累積器２７５をクリアする。いったん、コントローラ２０５の制御下で、現在画像部分２３２に格納されている現在の画像と参照画像部分２３４に格納されている参照画像との間の所望のオフセットの全てに対する比較の全てが比較回路２７０によって実行され、その結果が比較結果累積器２７５によって累積され、相関部分２３６に格納されると、コントローラ２０５は、信号線２１４を経て補間回路２８０に制御信号を出力する。
【０２０９】
そして、メモリ２３０の相関部分２３６に格納されている相関曲線は、コントローラ２０５の制御下で、補間回路２８０に出力される。すなわち、補間回路２８０は、信号線２３８を経て相関部分２３６に格納されている相関結果を入力し、相関関数のピークまたは谷に一致する相関値を特定し、サブ画素分解能でピークオフセット値または画像変位値を求めるために相関関数のピーク／谷の近傍の選択された相関関数値点を使用して補間する。そして、補間回路２８０は、コントローラ２０５から信号線２１４を経た信号の制御下で、求められたサブ画素第３分解能測定値を信号線２８２で位置累積器２９０に出力する。
【０２１０】
補間回路２８０は、最初に、読取ヘッドとスケールの間の絶対位置の第３分解能距離測定値を特定するのに使用される相関関数の選択されたピークまたは谷を特定する。初期相関関数が補間回路２８０によって使用される様々な実施の形態において、補間回路２８０は、米国特許出願09/731,671に開示されている技術の１つのような公知または後に開発された技術を使用し、サブ画素分解能で相関関数の選択されたピークの実際の位置を見つける。このサブ画素分解能距離は、補間回路２８０によって、信号線２８２を経て位置累積器２９０に出力される。
【０２１１】
これに対し、様々な他の実施の形態において、いったん補間回路２８０が選択されたピークまたは谷を特定すると、比較回路２７０および比較結果累積器２７５は、相関関数２８０によって選択された、選択された相関曲線のピークまたは谷の周囲の接した領域のみを除いて、全体の取得されたおよび参照画像に対して完全画素毎比較を実行し、高精度相関曲線を生成する。この付加相関曲線は、また、相関部分２３６に格納される。そして、コントローラ２０５の制御下で、補間回路２８０は、この第２相関曲線を入力し、公知または後に開発される補間技術を用いて上記相関曲線の値を補間し、第３分解能で、選択されたピークまたは谷の実際のピークまたは谷オフセットを特定する。再び、この第３分解能距離測定値は、信号線２８２を経て位置累積器２９０に出力される。
【０２１２】
位置累積器２９０は、復号回路２５０、距離決定回路２６０、および補間回路２８０のそれぞれによって出力された距離測定値を結合し、スケールに対する読取ヘッドの位置を示す高分解能絶対位置測定値を生成する。位置累積器２９０は、この絶対位置測定値を、信号線２９２を経てコントローラ２０５へ出力する。そして、コントローラ２０５は、求められた絶対位置測定値を、信号線２１６を経て表示ドライバ２０１に出力する。そして、表示ドライバ２０１は、信号線２０２を経て制御信号を出力することによって、ディスプレイ（図示せず）を駆動し、求められた絶対位置測定値に出力する。
【０２１３】
１つ以上の信号線２０４は、設けられていれば、オペレータまたは協力システムとコントローラ２０５の間のインタフェースを許す。設けられていれば、入力インタフェース２０３は、入力信号またはコマンドを一時的に蓄積したり変換したりし、そして、適切な信号をコントローラ２０５に伝送する。様々な実施の形態において、オペレータまたはホストシステムは、位置要求信号をコントローラ２０５へ伝送することができる。応答において、コントローラ２０５は、現在の絶対位置測定値を初期化し、そして／または現在の絶対位置測定値を表示器ドライバ２０２へ出力し、そして、表示器ドライバ２０２は、現在の絶対位置測定値の表示を更新するように、信号線２０２を経てディスプレイへ、駆動信号を出力する。
【０２１４】
前述においては、符号部分３４０，３４０’などのそれぞれが、測定軸方向１１２に沿ったおよび測定軸方向１１２と直交する固有の広がりを有し、周期部分３２０のそれぞれが測定軸方向１１２に沿った固有の広がりを有するスケール１１０が強調されている。しかしながら、様々な他の実施の形態において、これらの広がりは、１つ以上の符号化されたセグメント３１０など内で変化し、さらに、様々な符号化されたセグメント３１０の広がりは、スケール１１０に沿って変化するようにしてもよい。それにもかかわらず、そのような場合、ローカル基準がスケールに沿って周期的に生じる必要がなくても、各符号部分の符号要素はそれでもローカル基準の測定値を示す必要がある。
【０２１５】
様々な用途において、本発明による統合スケールトラックと、他のタイプのスケールトラックを用いた関連位置検出方法とそれらの関連位置検出方法を組み合わせることは、有利である。例えば、数ミクロンまたはそれ以下のオーダの非常に細かいピッチを有する増加スケールを使用する増加測定システムは、ナノメータオーダの分解能および精度を生むことが知られている。また、本発明による統合スケールトラックおよびシステムがそのような細かいピッチ増加システムと適当に組み合わされるとき、統合スケールトラックおよびシステムは、細かいピッチ増加システムの１つの特定周期内の正確な絶対測定を提供することができる。
【０２１６】
よって、２つのシステムの結果が組み合わされ、組み込まれた細かいピッチ増加システムの分解能および精度を有する、組み合わされた絶対測定システムを生産するようにしてもよい。そのような細かいピッチ増加スケールトラックと組み合わされたスケールトラックシステムにおいて、本発明により提供される、高速信号処理特性、ミスアライメントに対する堅牢さ、分解能対範囲利点、および幅の利点が非常に有用である。
【０２１７】
本発明の様々な実施の形態は、図示されて述べられる一方、多様の代替の符号および検出スキームは、符号部分に使用され、多様の代替のハードウェアおよびソフトウェアスキームは、読取ヘッドに対する周期部分の位置を検出し、本発明の原理に従って第３分解能測定値を提供することに適用可能である。従って、これらおよび他の様々な変更は、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、ここで図示されて述べられた本発明の様々な実施の形態に対して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０２１８】
【図１】絶対位置測定を生成するための、統合スケール付きの使用可能な光学式絶対位置エンコーダ１００のブロック図である。
【図２】本発明に係る拡散的反射スケールの一実施の形態の側面図である。
【図３】本発明に係る統合スケールトラックの第１の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明に係る統合スケールトラックの第１の実施の形態を示す図である。
【図５】図３に示す統合スケールトラックの１つの特定された実施の形態を示す図である。
【図６】本発明に係る読取ヘッドと絶対スケール間の相対運動中に染みが付けられる画像に関する様々な考慮を示す図である。
【図７】図３に示す全般的な統合スケールトラックの特定された第２の実施の形態の一部を示す図である。
【図８】図４に示す全般的な統合スケールトラックの特定された第３の実施の形態の一部を示す図である。
【図９】周期的な現在の画像と参照画像に対する相関曲線結果を示す図である。
【図１０】本発明に係る絶対位置を求めるための方法の一実施の形態を概要するフローチャートである。
【図１１】本発明に係る、取得された画像に出現する非周期部分を特定しそして／または見つけるための方法の一実施の形態をより詳細に示すフローチャートである。
【図１２】本発明に係る、統合絶対スケールの符号部分に基づいて第１分解能で統合絶対スケールに対する読取ヘッドの絶対位置を求めるための方法の一実施の形態をより詳細に示すフローチャートである。
【図１３】本発明に係る統合絶対スケールから絶対位置測定値を取得するのに使用される図１の信号生成処理回路の一実施の形態をより詳細に示すブロック図である。
【符号の説明】
【０２１９】
１００  光学式絶対位置エンコーダ
１１０  スケール
１２６  読取ヘッド
１３０  光源
１６０  光検出器
１６２  撮像素子
１６６  検出アレイ
２００  信号生成処理回路
２０５  コントローラ
２３０  メモリ
３００，３００’，３００”，４００，４００’，５００  統合スケールトラック
３２０，４２０，４２０’  周期部分
３３０，４３０  所定部分
３４０，４４０，４４０’  符号部分
３５０  符号要素領域
３６０，３６０’，４６０  検出窓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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