(57)【要約】【課題】比較的小さい読取ヘッドサイズを有する２Ｄ光学式絶対位置エンコーダを提供する。【解決手段】２Ｄ絶対位置測定システム１００は、２Ｄスケール１１０を含み、２Ｄスケール１１０は、各測定軸１１１および１１２に沿って伸びる２Ｄ統合スケールパターン３００’を含む。統合スケールパターン３００’は、複数の非周期部分３３０と交互に配置された複数の周期部分３１０を含む。各周期部分３３０は、周期的に配置された複数のスケール要素を含む。各非周期部分３３０は、絶対測定値を示す符号要素を含む。符号要素は、スケール要素の長さより各測定軸１１１および１１２に沿って狭い長さを有する。読取ヘッド１２６に対する周期要素のオフセットは、絶対値を求めるために、絶対測定値と結合される。【選択図】　　　図３
2004053606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の測定軸に沿って第２の部材に関して第１の部材の位置を測定するのに使用可能な絶対二次元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、前記第１および第２の測定軸に沿って伸びる二次元統合スケールパターンを含み、
前記二次元統合スケールパターンは、前記第１および第２の測定軸に沿って伸びる少なくとも１つの周期部分を備え、
前記少なくとも１つの周期部分は、
少なくとも第１の範囲に渡って第１の方向に沿って周期的に配置され、少なくとも第２の範囲に渡って第２の方向に沿って伸びる複数の細長い第１の周期スケール要素ゾーンであって、それぞれが前記第２の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第１の配置を含む、第１の周期スケール要素ゾーンと、
少なくとも前記第２の範囲に渡って前記第２の方向に沿って周期的に配置され、少なくとも前記第１の範囲に渡って前記第１の方向に沿って伸びる複数の細長い第２の周期スケール要素ゾーンであって、それぞれが前記第１の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第２の配置を含む、第２の周期スケール要素ゾーンと、
二次元統合スケールパターン内に分散され、前記第２の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第１の配置を含む少なくとも２つの第１の周期スケール要素ゾーンにわたる第１の距離で第１の方向に間隔があけられ、前記第１の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第２の配置を含む少なくとも２つの第２の周期スケール要素ゾーンにわたる第２の距離で第２の方向に間隔があけられている複数の非周期部分であって、それぞれが少なくとも１つの符号語を定義する複数の符号要素を含み、前記少なくとも１つの符号語が前記第１および第２の測定軸のそれぞれに沿ったローカル基準の測定値を特定するのに使用可能である、複数の非周期部分とを備え、
少なくとも１つの前記周期部分と前記複数の非周期部分とは、前記第１および第２の測定軸のそれぞれに沿って伸びる前記読取ヘッドの検出窓が少なくとも１つの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、前記定義された少なくとも１つの符号語は、前記二次元統合スケールパターン内の検出窓の位置に関係なく、前記第１および第２の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可能であることを特徴とする絶対二次元位置検出装置。
【請求項２】
少なくともいくつかの前記符号要素の前記第１の方向に沿った長さは、前記第１の方向に沿った前記第１の周期スケール要素ゾーンの長さより狭いことを特徴とする請求項１記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項３】
少なくともいくつかの前記符号要素の前記第２の方向に沿った長さは、前記第２の方向に沿った前記第２の周期スケール要素ゾーンの長さより狭いことを特徴とする請求項１記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項４】
前記第２の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第１の配置は、ａ）少なくとも２つの第２の周期スケール要素ゾーンを横切るように、前記第２の方向に沿って伸びるスケール要素、ｂ）少なくとも２つの第２の周期スケール要素ゾーンを横切るように、前記第２の方向に沿って伸びるスケール空間、およびｃ）前記第２の方向に沿った第２の周期スケール要素ゾーンのピッチと同じピッチで、前記第２の方向に沿って周期的に配置されたスケール要素およびスケール空間の代替パターン、の少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項１記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項５】
前記第２の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第２の配置は、ａ）少なくとも２つの第１の周期スケール要素ゾーンを横切るように、前記第１の方向に沿って伸びるスケール要素、ｂ）少なくとも２つの第１の周期スケール要素ゾーンを横切るように、前記第１の方向に沿って伸びるスケール空間、およびｃ）前記第１の方向に沿った第１の周期スケール要素ゾーンのピッチと同じピッチで、前記第１の方向に沿って周期的に配置されたスケール要素およびスケール空間の代替パターン、の少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項１記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項６】
前記複数の非周期部分のそれぞれの所定部分は、前記複数の非周期部分のそれぞれに対して同一のパターンを備えることを特徴とする請求項１記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項７】
前記二次元統合スケールパターンは、少なくとも１つの拡散的に反射する表面を備えることを特徴とする請求項１記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項８】
前記スケールは、透明の基板を備え、前記二次元統合スケールパターンは、前記読取ヘッドから最も遠い前記基板の表面に設けられ、
前記少なくとも１つの拡散的に反射する表面は、前記読取ヘッドから最も遠い表面上の二次元統合スケールパターン上にまたは渡って設けられた少なくとも１つの裏層の少なくとも１つの部分を備えることを特徴とする請求項７記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項９】
前記定義された少なくとも１つの符号語を定義するのに十分ないくつかの符号要素の第１の部分が、少なくとも部分的に前記検出窓に含まれる複数の非周期部分の第１の非周期部分に含まれ、前記定義された少なくとも１つの符号語を定義するのに十分ないくつかの符号要素の第２の部分が、少なくとも部分的に前記検出窓に含まれる複数の非周期部分の第１の非周期部分に含まれることを特徴とする請求項１記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項１０】
前記読取ヘッドの前記検出窓は、前記二次元統合スケールパターン内の前記検出窓の位置に関係なく、前記定義された少なくとも１つの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少なくとも１つの完全な非周期部分を含むことを特徴とする請求項１記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項１１】
前記読取ヘッドは、光源と、前記検出窓と同一の広がりを有するスケールの画像を検出するのに使用可能な二次元検出アレイとを備え、
前記複数の符号要素と前記インクリメンタルスケール特徴とは、読取ヘッドがスケールに対して操作可能に位置決めされているときに、前記二次元統合スケールパターンに沿った前記読取ヘッドの位置に関係なく、前記スケールの検出された画像が前記ローカル基準として使用可能な特徴を含むように、前記統合スケールパターンに沿って配置されていることを特徴とする請求項１記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項１２】
前記検出された画像は、前記第１および第２の測定軸に対応する２つの方向のそれぞれに沿ったローカル基準ポイントに対する読取ヘッドオフセットの測定値をそれぞれ求めるのに使用可能であることを特徴とする請求項１１記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項１３】
前記二次元検出アレイは、前記第１の測定軸に対応する方向に沿った検出素子第１ピッチに従って配列された複数の検出素子を備え、
前記読取ヘッドは、少なくとも１つの光学素子を備え、前記スケールからの光が検出素子によって検出されたスケールの画像が拡大されるように少なくとも１つの検出素子を通過し、前記検出された画像に対する倍率を与え、
各符号要素は、前記第１の測定軸に沿った長さＬｃを有し、前記長さＬｃの前記読取ヘッド倍率は、少なくとも前記検出素子第１ピッチの３倍であることを特徴とする請求項１１記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項１４】
少なくとも１つの符号語は、ルックアップテーブルを参照することなく、前記第１および第２の測定軸のそれぞれに沿ったローカル基準の測定値を求めるのに直接使用可能であることを特徴とする請求項１記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項１５】
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スケールの画像を検出するとき、前記信号処理ユニットは、検出された画像に含まれる十分な数の符号要素に基づいて前記第１および第２の測定軸のそれぞれに沿ったローカル基準の絶対測定値を求めるのに使用可能であることを特徴とする請求項１記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項１６】
前記信号処理ユニットは、さらに、前記検出された画像に含まれる複数のインクリメンタルスケール特徴に少なくとも一部基づいて、前記第１および第２の測定軸に対応する２つの方向のそれぞれに沿ったローカル基準ポイントに対する読取ヘッドのオフセットの測定値をそれぞれ求めるのに使用可能であることを特徴とする請求項１５記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項１７】
前記信号処理ユニットは、さらに、前記第１の測定軸に沿ったローカル基準の絶対測定値と前記第１の測定軸に沿った前記ローカル基準ポイントに対する前記読取ヘッドのオフセットの測定値とを結合し、前記第１の測定軸に沿った絶対位置測定値を求めるのに使用可能であることを特徴とする請求項１６記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項１８】
前記信号処理ユニットは、さらに、前記第２の測定軸に沿ったローカル基準の絶対測定値と前記第２の測定軸に沿った前記ローカル基準ポイントに対する前記読取ヘッドのオフセットの測定値とを結合し、前記第２の測定軸に沿った絶対位置測定値を求めるのに使用可能であることを特徴とする請求項１７記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項１９】
前記第１の方向は前記第１の測定軸に平行であり、前記第２の方向は前記第２の測定軸に平行であり、前記第１および第２の測定軸は、互いに直交することを特徴とする請求項１記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項２０】
前記スケールは円柱状に形成され、前記第１および第２の測定軸の一方は円柱の軸に平行であり、前記第１および第２の測定軸の他方は前記円柱の周面に沿って置かれていることを特徴とする請求項１９記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項２１】
前記二次元統合スケールパターンは、さらに、少なくとも前記第１の範囲に対して前記第１の方向に沿って伸び、前記第２の方向に沿って間隔があけられている複数の細長い領域を備え、前記検出窓における前記第２の方向に沿ったラインが前記複数の細長い領域の少なくとも１つを横切って伸び、前記複数の細長い領域は、スケール特徴を備え、前記第２の測定軸に沿ったラインが前記第２の方向に沿った前記検出窓に対するその細長い領域を見つけるのに使用可能なスケール特徴のパターンを含み、前記複数の細長い領域は、さらに、前記第１の方向に沿って伸びるラインに沿って位置する複数の指標スケール特徴を備え、前記指標スケール特徴は、その指標スケール特徴に関連する非周期部分の少なくとも１つの符号要素の位置を示すことを特徴とする請求項１記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項２２】
前記第２の方向に沿った前記検出窓に対する前記細長い領域を見つけるのに使用可能な前記スケール特徴のパターンは、一意に位置決めされたスケール空間を含むことを特徴とする請求項２１記載の絶対二次元位置検出装置。
【請求項２３】
二次元絶対スケールに沿った二次元検出アレイの高分解能位置を求めるための絶対二次元位置測定方法であって、
前記二次元絶対スケールは第１および第２の測定軸に沿って伸びる二次元統合スケールパターンを含み、
前記二次元統合スケールパターンは、前記第１および第２の測定軸に沿って伸びる少なくとも１つの周期部分を備え、
前記少なくとも１つの周期部分は、
少なくとも第１の範囲に渡って第１の方向に沿って周期的に配置され、少なくとも第２の範囲に渡って第２の方向に沿って伸びる複数の細長い第１の周期スケール要素ゾーンであって、それぞれが前記第２の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第１の配置を含む、第１の周期スケール要素ゾーンと、
少なくとも前記第２の範囲に渡って前記第２の方向に沿って周期的に配置され、少なくとも前記第１の範囲に渡って前記第１の方向に沿って伸びる複数の細長い第２の周期スケール要素ゾーンであって、それぞれが前記第１の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第２の配置を含む、第２の周期スケール要素ゾーンと、
前記二次元統合スケールパターン内に分散され、前記第２の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第１の配置を含む少なくとも２つの第１の周期スケール要素ゾーンにわたる第１の距離で第１の方向に間隔があけられ、前記第１の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第２の配置を含む少なくとも２つの第２の周期スケール要素ゾーンにわたる第２の距離で第２の方向に間隔があけられている複数の符号群であって、それぞれが少なくとも１つの符号語を定義する複数の符号要素を含み、前記少なくとも１つの符号語が前記第１および第２の測定軸のそれぞれに沿ったローカル基準の測定値を特定するのに使用可能である、複数の符号群とを備える、絶対二次元位置測定方法であって、
前記検出アレイを用いて、現在の位置に対応する前記二次元統合スケールパターン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つの符号群に基づいて前記第１および第２の測定軸に沿った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インクリメンタルスケール特徴に少なくとも一部基づいて前記第１および第２の測定軸のそれぞれに沿った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、
前記第１および第２の測定軸のそれぞれに沿ったローカル基準の測定値と前記第１および第２の測定軸のそれぞれに沿った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、前記二次元絶対スケールの前記第１および第２の測定軸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絶対二次元位置測定方法。
【請求項２４】
前記各符号群は、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つの符号群に基づいて前記第１および第２の測定軸に沿ったローカル基準の測定値を求める工程は、
前記少なくとも１つの符号群の少なくとも１つに含まれる前記所定部分の測定値を求める工程と、
前記所定部分の求められた位置に基づいて前記検出された画像における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を備え、
前記ローカル基準の測定値を求める工程は、前記求められた符号要素値に基づいて前記第１および第２の測定軸のそれぞれに沿った前記ローカル基準の測定値を求める工程を備えることを特徴とする請求項２３記載の絶対二次元位置測定方法。
【請求項２５】
前記検出アレイは、前記第１の測定軸方向に対応する方向に沿った少なくとも１つの行上を伸びる複数の検出素子を備え、前記各検出素子は、検出素子第１ピッチに従って前記少なくとも１つの行に沿って間隔があけられており、
前記検出アレイは、前記第２の測定軸方向に対応する方向に沿った少なくとも１つの列上を伸びる複数の検出素子を備え、前記各検出素子は、検出素子第２ピッチに従って前記少なくとも１つの列に沿って間隔があけられており、
前記第１および第２の測定軸のそれぞれに沿った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の基本的な第１のインクリメンタルピッチの半分に対応する距離より前記検出された画像において細かい分解能で、前記第１の測定軸方向に沿った前記検出アレイに対するローカル基準特徴のオフセットを測定する工程と、
少なくとも前記検出素子第１ピッチと同じ前記検出された画像における細かさである分解能で、前記第１の測定軸方向に沿った前記検出アレイに対する複数のインクリメンタルスケール特徴のオフセットを測定する工程と、
前記検出された画像の基本的な第２のインクリメンタルピッチの半分に対応する距離より前記検出された画像において細かい分解能で、前記第２の測定軸方向に沿った前記検出アレイに対するローカル基準特徴のオフセットを測定する工程と、
少なくとも前記検出素子第２ピッチと同じ前記検出された画像における細かさである分解能で、前記第２の測定軸方向に沿った前記検出アレイに対する複数のインクリメンタルスケール特徴のオフセットを測定する工程と、
前記第１の測定軸に沿った前記検出アレイに対するローカル基準のオフセットの測定値に少なくとも一部、そして前記第１の測定軸に沿った前記検出アレイに対する複数のインクリメンタルスケール特徴のオフセットの測定値に少なくとも一部基づいて、前記第１の測定軸に沿ったローカル基準に対する検出アレイのオフセットの測定値を求める工程と、
前記第２の測定軸に沿った前記検出アレイに対するローカル基準のオフセットの測定値に少なくとも一部、そして前記第２の測定軸に沿った前記検出アレイに対する複数のインクリメンタルスケール特徴のオフセットの測定値に少なくとも一部基づいて、前記第２の測定軸に沿ったローカル基準に対する検出アレイのオフセ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２３記載の絶対二次元位置測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１および第２の測定軸に沿って第２の部材に関して第１の部材の位置を測定するのに使用可能な絶対二次元位置検出装置および絶対二次元位置測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶対位置エンコーダは、スケールに沿った与えられた開始ポイントを参照することなく、スケールに対する読取ヘッドの位置を求めることを可能にするスケール構造を使用する。一次元スケールに沿って平行に伸びる多重情報パターンを使用する一次元（１Ｄ）絶対位置エンコーダが知られている。また、１Ｄおよび二次元（２Ｄ）符号は、１Ｄスケールに沿った位置を特定する手段として使用されている。しかしながら、基本的に一次元であるそのような絶対位置エンコーダの構造は、一般に、二次元平面上の任意の位置で高分解能および高精度絶対位置測定を提供することに適合または組み合わされないものである。
【０００３】
２Ｄ平面上の任意の位置で高分解能および高精度を提供する二次元（２Ｄ）増加（非絶対）位置エンコーダが、米国特許５，８８６，５１９（Ｍａｓｒｅｌｉｅｚ）に開示されている。しかしながら、米国特許５，８８６，５１９に開示されている格子スケールおよび読取ヘッドは、絶対位置測定を提供することに適合しない。
【０００４】
多数の２Ｄバーコードシステムが知られている。しかしながら、そのような２Ｄバーコードシステムの「情報格納」構造は、一般に、高分解能絶対位置測定用２Ｄスケールとして十分に適さない。さらに、如何に、そのような符号を２Ｄスケールに配列し、隣接する符号間を確実に識別するかが明確でない。
【０００５】
位置測定システム用２Ｄ絶対スケールパターンは、スケール部材の二次元表面に担持された二次元パターンである。１Ｄ絶対位置測定システムおよび２Ｄ格子増加測定システムを、高分解能２Ｄ絶対測定システムとしての使用に適合させることは、一般に、難しい、高価、または不可能である。さらに、各種２Ｄバーコード構成のパターンは、一般に、高分解能絶対位置測定用２Ｄスケールのパターンとして作用するのにあまり適さない。
【０００６】
そのようなバーコードパターンは、特に、高速で高分解能位置測定を提供するのにあまり適さない。複雑で変化するパターン構造の位置を高分解能で求めるには、そのような構造を、同様に複雑で変化するテンプレートまたは検出パターンなどと比較することが必要である。そのような比較は、一般に、位置測定および運動制御アプリケーションに一般的に要求される高分解能および高速度の両方で、検出器に対するそのようなパターンの動きを追跡するのに非常に時間が費やされる。さらに、多重で複雑なパターンが連続的な２Ｄスケールを形成するために２Ｄパターン上に互いに隣接して配列されるとき、様々な個別パターン間の識別は、さらに、信号処理の複雑化を追加し、さらに、高分解能および高速の両方で、そのようなパターンの位置を求めることの困難性を増す。さらに、唯一の広がった二次元領域に渡ってその領域内にそのようなパターンを生成し、その上、正確で高分解能絶対測定スケールを提供するために基本的な連続周期格子を有するこれらのパターンを同時に並べることは、技術的に困難でかつ／または高価である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そのようなパターンの空間分解能および／または配置を減少させることによって先の問題を回避する試みは、一般に、高分解能でこれらのパターンの位置を求める能力を低下させ、高分解能は、一般に、位置測定スケールに存在する空間周波数すなわち「情報密度」、すなわち「転移の密度」に依存する。代わりに、パターンの複雑さを減少させることによって先の問題を回避する試みは、いずれの場所においても唯一特定することができる領域量を減少させるであろう。すなわち、２Ｄ絶対スケールの可能範囲が減少されるであろう。
【０００８】
これらの不利のいずれか１つ以上を回避することができる光学式絶対位置エンコーダは、有用である。評価すべきことは、一般に、高い分解能および精度で、そして適正なコストで、長い範囲に渡って高速位置測定を提供する２Ｄ絶対位置測定システムを提供する２Ｄ絶対スケールパターンの特定の配置である。
【０００９】
本発明の第１の目的は、比較的小さい読取ヘッドサイズを有する２Ｄ光学式絶対位置エンコーダを提供することにある。
【００１０】
本発明の第２の目的は、別々に、非周期符号部分および周期部分の両方を含む２Ｄ統合スケールの画像から、光学式絶対位置エンコーダの２Ｄスケールに対する二次元上の光学式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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記第１の目的を達成するため、第１および第２の測定軸に沿って第２の部材に関して第１の部材の位置を測定するのに使用可能な絶対二次元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、前記第１および第２の測定軸に沿って伸びる二次元統合スケールパターンを含み、前記二次元統合スケールパターンは、前記第１および第２の測定軸に沿って伸びる少なくとも１つの周期部分を備え、前記少なくとも１つの周期部分は、少なくとも第１の範囲に渡って第１の方向に沿って周期的に配置され、少なくとも第２の範囲に渡って第２の方向に沿って伸びる複数の細長い第１の周期スケール要素ゾーンであって、それぞれが前記第２の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第１の配置を含む、第１の周期スケール要素ゾーンと、少なくとも前記第２の範囲に渡って前記第２の方向に沿って周期的に配置され、少なくとも前記第１の範囲に渡って前記第１の方向に沿って伸びる複数の細長い第２の周期スケール要素ゾーンであって、それぞれが前記第１の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第２の配置を含む、第２の周期スケール要素ゾーンと、二次元統合スケールパターン内に分散され、前記第２の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第１の配置を含む少なくとも２つの第１の周期スケール要素ゾーンにわたる第１の距離で第１の方向に間隔があけられ、前記第１の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第２の配置を含む少なくとも２つの第２の周期スケール要素ゾーンにわたる第２の距離で第２の方向に間隔があけられている複数の非周期部分であって、それぞれが少なくとも１つの符号語を定義する複数の符号要素を含み、前記少なくとも１つの符号語が前記第１および第２の測定軸のそれぞれに沿ったローカル基準の測定値を特定するのに使用可能である、複数の非周期部分とを備え、少なくとも１つの前記周期部分と前記複数の非周期部分とは、前記第１および第２の測定軸のそれぞれに沿って伸びる前記読取ヘッドの検出窓が少なくとも１つの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、前記定義された少なくとも１つの符号語は、前記二次元統合スケールパターン内の検出窓の位置に関係なく、前記第１および第２の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可能であることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、上記第２の目的を達成するため、二次元絶対スケールに沿った二次元検出アレイの高分解能位置を求めるための絶対二次元位置測定方法であって、前記二次元絶対スケールは第１および第２の測定軸に沿って伸びる二次元統合スケールパターンを含み、前記二次元統合スケールパターンは、前記第１および第２の測定軸に沿って伸びる少なくとも１つの周期部分を備え、前記少なくとも１つの周期部分は、少なくとも第１の範囲に渡って第１の方向に沿って周期的に配置され、少なくとも第２の範囲に渡って第２の方向に沿って伸びる複数の細長い第１の周期スケール要素ゾーンであって、それぞれが前記第２の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第１の配置を含む、第１の周期スケール要素ゾーンと、少なくとも前記第２の範囲に渡って前記第２の方向に沿って周期的に配置され、少なくとも前記第１の範囲に渡って前記第１の方向に沿って伸びる複数の細長い第２の周期スケール要素ゾーンであって、それぞれが前記第１の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第２の配置を含む、第２の周期スケール要素ゾーンと、前記二次元統合スケールパターン内に分散され、前記第２の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第１の配置を含む少なくとも２つの第１の周期スケール要素ゾーンにわたる第１の距離で第１の方向に間隔があけられ、前記第１の方向に沿ったインクリメンタルスケール特徴の固有の第２の配置を含む少なくとも２つの第２の周期スケール要素ゾーンにわたる第２の距離で第２の方向に間隔があけられている複数の符号群であって、それぞれが少なくとも１つの符号語を定義する複数の符号要素を含み、前記少なくとも１つの符号語が前記第１および第２の測定軸のそれぞれに沿ったローカル基準の測定値を特定するのに使用可能である、複数の符号群とを備える、絶対二次元位置測定方法であって、前記検出アレイを用いて、現在の位置に対応する前記二次元統合スケールパターン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つの符号群に基づいて前記第１および第２の測定軸に沿った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インクリメンタルスケール特徴に少なくとも一部基づいて前記第１および第２の測定軸のそれぞれに沿った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、前記第１および第２の測定軸のそれぞれに沿ったローカル基準の測定値と前記第１および第２の測定軸のそれぞれに沿った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、前記二次元絶対スケールの前記第１および第２の測定軸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、二次元に沿って伸びる２Ｄ統合スケールパターンを含む。統合スケールパターンは、二次元のそれぞれに伸びる１つ以上の周期部分を含み、各周期部分は、二次元のそれぞれに沿った広がりを有する複数の周期要素を定義する。また、統合スケールパターンは非周期符号部分を含み、非周期符号部分は、１つ以上の周期部分内および／またはその間に二次元上に分散されている。各非周期符号部分は、符号要素の唯一の組または群を含み、その結果、スケール内の特定の２Ｄ位置を特定する。すなわち、符号要素の唯一の組または群のそれぞれは、二次元の第１次元に沿った第１位置および二次元の第２次元に沿った第２位置を定義する。
【００１４】
様々な実施の形態において、各非周期符号部分は、二次元のそれぞれに沿った広がりを有する所定部分を含む。各次元において、所定部分は、所定特性を有する単一の要素または空間であってもよいし、要素の所定パターンであってもよい。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即座に見つけられ、そして／またはスケールの他の部分から生じる読取ヘッド信号から区別されることを可能にする。
【００１５】
本発明による様々な他の実施の形態において、たとえいくつかの実施の形態において、次元に沿った周期要素の連続性がスケールのいくつかの領域で割り込まれても、周期スケール要素は、周期部分間の次元に沿って連続し空間的に同期する次元に対する基本的なインクリメンタルピッチに一致するように各次元においてスケールに沿って置かれる。
【００１６】
本発明による様々な他の実施の形態において、二次元の少なくとも１つの次元に関して、非周期符号部分の個々の符号要素の少なくともいくつかの広がりは、個々の周期スケール要素の広がりによりその次元に沿って狭い。
【００１７】
本発明による様々な他の実施の形態において、二次元の少なくとも１つの次元に関して、符号要素の１つの組は、その次元に沿った読取ヘッドの検出アレイの広がりおよび読取ヘッドによるスケール画像に適用されるその次元に沿った倍率に基づいて求められた限界値に至るまで、符号要素の隣接する組からその次元に沿って間隔があけられるようにしてよい。
【００１８】
様々な実施の形態において、符号要素の組のそれぞれは、実際、ローカル基準特徴の各次元に沿った位置すなわち測定値を示し、粗い間隔の２Ｄ絶対位置値を提供する。ローカル基準特徴は、各次元に対して複数の周期スケール要素に関連付けられる。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、周期スケール要素の各次元に沿った周期より細かいさらに高い分解能で検出アレイに対するローカル基準特徴の二次元のそれぞれに沿った位置を求める。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、読取ヘッドおよび／または検出アレイに対する周期スケール要素の少なくともいくつかのそれぞれの次元に沿って位置を求め、最高分解能２Ｄ絶対位置測定を提供する。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、二次元の少なくとも１つに沿って、アレイによって撮像された各周期スケール要素に対して複数の検出素子があるように、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、二次元の少なくとも１つに沿って、アレイによって撮像された各符号要素に対して複数の検出素子があるように、選択される。
【００１９】
本発明による２Ｄ絶対スケールの様々な実施の形態において、符号要素の組は、２Ｄスケールを横切って伸びる符号語の２Ｄ列を形成する。本発明による様々な他の実施の形態において、符号語の列は、スケール内の対応する２Ｄ位置を直接示す。様々な他の実施の形態において、符号語は、デコードルックアップテーブルを用いて、二次元のそれぞれに沿った絶対位置測定値に変換される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
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。
【００２１】
図１は、２Ｄ絶対位置測定値を生成する、本発明に係る２Ｄ統合スケールパターンを使用可能な２Ｄ絶対位置測定システム１００のブロック図である。図１に示す２Ｄ絶対位置測定システム１００は、読取ヘッド１２６、信号生成処理回路２００および２Ｄスケール１１０を含む。２Ｄスケール１１０は、２Ｄ統合スケールパターン３００を含む。図１において、読取ヘッド１２６の構成部品、および２Ｄスケール１１０と２Ｄ統合スケールパターン３００とのそれらの関係は、以下にさらに説明されるように、全般に例示的な物理的構成に対応するレイアウトで概略的に示される。
【００２２】
特に、２Ｄスケール１１０は、読取ヘッド１２６の照明／受光端部に近接して位置決めされ、２Ｄ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により照明されたとき、放射光が２Ｄスケール１１０上の２Ｄ統合スケールパターン３００によって選択的に反射されて、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向けて戻される。２Ｄ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。２Ｄスケール１１０は、図１に示すように、第１測定軸方向１１１および第２測定軸方向１１２のような、相対運動の２つの軸に沿って読取ヘッド１２６に対して移動する。
【００２３】
第１および第２測定軸１１１および１１２に直交する第３の次元での相対移動は、一般に、例えば、読取ヘッド１２６と２Ｄスケール１１０間の適切な相対距離すなわち隙間を維持するために、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２Ｄスケール１１０の相対運動軸１１１および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。
【００２４】
２Ｄスケール１１０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、２Ｄスケール１１０は、一般的に、非反射性スケール要素が形成されている拡散反射面を有する反射性部材である。２Ｄ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、２Ｄスケール１１０は、適切な拡散反射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、反射性材料から構成することができる。非反射性スケール要素は、２Ｄスケール１１０の表面をコーティングすること、２Ｄ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２Ｄスケール１１０の表面を区別して処理すること、２Ｄスケール１１０の表面上に非反射性材料を選択的に蒸着させることなどによって、形成することができる。
【００２５】
様々な他の実施の形態において、２Ｄスケール１１０は、非反射性材料から構成されるが、２Ｄスケール要素は、適切な拡散反射表面構造を有する反射性材料から構成される。この場合、２Ｄスケール１１０は、コーティングするかそうでなければ、２Ｄスケール１１０の表面を処理するか、または、スケールに沿って適切な場所における反射性を選択的に減少させ、そして／または増加させる公知のおよび／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。
【００２６】
様々な実施の形態において、２Ｄスケール１１０は、多少の反射表面部分を有する。しかしながら、そのようなスケールに関して、画像コントラストおよび／または強度は、２Ｄ絶対位置測定システム１００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であろう。また、様々な他の実施の形態において、２Ｄスケール１１０および／または２Ｄスケール１１０上に形成された表面要素は、光検出器１６０によって検出された２Ｄスケール１１０の画像中の２Ｄスケール１１０の２Ｄスケール要素とその残り部分の間のコントラストを強調する色を含むようにしてもよい。
【００２７】
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、レンズ１４０は、レンズ１４０の光軸１４４が一般に２Ｄ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２Ｄ統合スケールパターン３００の画像の倍率を、レンズ１４０から２Ｄ統合スケールパターン３００までの撮影距離ｇとほぼ独立させる。
【００２８】
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、十分満足に制御されると、開口プレート１５０は、削除してもよい。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２Ｄ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。
【００２９】
２Ｄ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。
【００３０】
読取ヘッド１２６が２Ｄ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、２Ｄ統合スケールパターン３００の２Ｄ部分を含むであろう。
【００３１】
光検出器１６０は、公知の間隔で２つの測定軸１１１および１１２のそれぞれに対応する２つの方向にそれぞれ沿って離された撮像素子１６２の２Ｄアレイ１６６を有する。この公知の間隔は、２つの測定軸１１１および１１２に対応する２つの方向に対して同一でもよいし、２つの方向のそれぞれに対して異なってもよい。上記公知の間隔は、光検出器１６０上に映し出された２つの類似画像、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測定軸１１１または１１２に沿った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、各測定軸１１１および１１２に沿った方向における公知の間隔は、また、各測定軸１１１または１１２に沿った公知間隔より細かいまたはさらに細かい分解能で、２Ｄ統合スケールパターン３００の画像の変位を各測定軸１１１および１１２に沿って測定するための基準を提供する。次の説明において、便宜上、測定軸１１１はＸ軸と呼び、測定軸１１２はＹ軸と呼ぶことにする。ＸおよびＹ軸は、スケールアライメントに関してかつ互いに定義され、空間上の２Ｄ光学式絶対位置測定システム１００の特定の配置を意図して示さない。
【００３２】
様々な実施の形態において、光検出器１６０の撮像素子１６２は、直交する行と列上に配置され、行は取得された画像上の測定軸の一方に対応する方向と協調され、列は取得された画像上の他方に対応する方向と協調される。しかしながら、より一般には、様々な他の実施の形態において、測定軸１１１および１１２にそれぞれ対応する２つの方向のそれぞれ沿った撮像素子１６２の公知の間隔を求めることができれば、光検出器１６０の撮像素子１６２は、取得された画像上の測定軸と協調する、直交する行と列上に配置されない。そのような場合、それぞれの測定軸に対応する方向に沿った公知の間隔は、それでも、光検出器１６０上に映し出された２つの類似画像、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測定軸１１１または１１２に沿った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。
【００３３】
さらに、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１２を参照してさらに以下に詳細に説明する。
【００３４】
図１に示すように、光線１３４が光源１３０によって放射され、２Ｄスケール１１０によって担持された２Ｄ統合スケールパターン３００に導かれ、２Ｄ統合スケールパターン３００の一部を照明する。その結果、２Ｄ統合スケールパターン３００の照明された部分は、２Ｄ統合スケールパターン３００の照明された部分に生じる２Ｄ統合スケールパターン３００の要素に依存しながら、光軸１４４の周りに、選択的に、光１３６を反射する。
【００３５】
光線１３４の照明角度が傾斜しているとき、入射した光線１３４と光軸１４４との間の角度は、２Ｄ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、照明を受ける比較的散乱する面部分を提供するために、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２Ｄスケール１１０の部分が比較的拡散するようにすれば、役立つ。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比較的散乱するようにしてもよいし、拡散コーティングまたは表面構造などの適用によって比較的散乱するようにしてもよい。これらの拡散面部分は、それらの拡散性質により、傾斜して受けた光の少なくともいくつかを光軸１４４に向け直す。この場合、拡散面部分は、比較的拡散しないものより、明るくそして／または高い画像コントラストを提供するであろう。
【００３６】
１つの実施の形態において、拡散面部分がスケール要素である。いくつかのそのような実施の形態において、スケール要素の周りの領域は鏡面的に反射する。他の実施の形態において、拡散部分は、比較的暗いおよび／または鏡面反射スケール要素の周りの領域に位置する。様々な実施の形態において、２Ｄスケール要素は、一般に、２Ｄスケール１１０の前または後のいずれかに、材料の比較的薄い層によって形成される。
【００３７】
図２は、入射光線と光軸との間の角度がスケール表面に入射した光をすなわち読取ヘッド１２６で検出されたフィールドから離れた反射光１３６を反射するようなものであるときに使用可能な２Ｄ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２Ｄスケール要素１１５と空間１１９のサイズは、図の目的のために大いに誇張されている。
【００３８】
図２に示すように、２Ｄスケール１１０のスケール特徴は、一般に、２Ｄスケール要素１１５および空間１１９を含む。２Ｄスケール要素１１５は、第１測定軸１１１に沿って伸びる第１スケール要素部分１１６および第２測定軸１１２に沿ってかつ第１スケール要素部分１１６を横切って伸びる第２スケール要素部分１１７を含む。２Ｄスケール要素１１５は、２Ｄスケール１１０を形成するのに使用される基板１１３の第１表面１１４上に形成されているが、２Ｄスケール１１０は、２Ｄスケール１１０の基板１１３の第２表面１１４’が光線１３４の源に近接するように配置されている。この場合、基板１１３は、光線１３４の少なくとも１つの波長を透過する。拡散裏層１１８が、スケール要素１１５間の空間１１９に拡散反射面を提供するように、第１表面１１４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、光線１３４の入射光のいくつかを光軸１４４に沿って拡散して導く。
【００３９】
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１１５間の空間１１９における表面１１４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１１４に隣接しており、スケール要素１１５間の空間１１９で光線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、２Ｄ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。
【００４０】
図２に示す２Ｄ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、２Ｄスケール１１０は、２Ｄスケール１１０の拡散部分の実施可能な広がりおよび位置がスケール要素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、２Ｄスケール１１０の拡散部分は、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２Ｄスケール１１０の方向性に関して、第２表面１１４’上の汚れは、２Ｄスケール１１０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１１４は、基板１１３および／または拡散裏層１１８によって、そして／または表面１１４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向いているとされている。
【００４１】
そして、レンズ１４０に到達した、２Ｄ統合スケールパターン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上の統合スケールパターン３００の画像の倍率を作る。
【００４２】
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２Ｄアレイ１６６の２Ｄ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、統合スケールパターン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。
【００４３】
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が削除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２Ｄアレイ１６６上の統合スケールパターン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、
【００４４】
【数１】
2004053606.tif 000003
【００４５】
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、２Ｄアレイ１６６の表面までの距離である。
【００４６】
様々な実施の形態において、２Ｄ絶対位置測定システム１００のこれらのパラメータの代表値は、ｇ≒４．５ｍｍ、ｆ＝４．５ｍｍ、ｄ＝２３．８５ｍｍ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、統合スケールパターン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。また、倍率を正確に計算することが難しい場合、有効倍率は、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。例えば、有効倍率は、それぞれの軸に沿った撮像素子の既知の間隔と既知の次元の様々なスケール特徴の観測された画像サイズとに基づいて求めることができる。
【００４７】
高分解能を達成するために、２Ｄスケール１１０の映し出された画像において、測定軸１１１および１１２に沿った二次元のそれぞれに関して、２Ｄ統合スケールパターン３００の周期部分の周期スケール要素の平均画像サイズは、その次元に沿ったインクリメンタルスケール要素として参照され、その次元に沿った光検出器１６０の撮像素子１６２の画素ピッチより大きい。すなわち、与えられた次元に沿って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スケール要素のサイズは、その次元に沿った画素ピッチより大きい。さらに、読取ヘッド１２６の様々な実施の形態において、２Ｄスケール１１０の映し出された画像において、周期部分の周期スケール要素のそれぞれの次元に沿った平均サイズは、およそ、撮像素子１６２のそれの次元に沿った画素ピッチの２倍から１０倍である。
【００４８】
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、光線１３４を放射するように光源１３０を駆動する。光線１３４は、２Ｄ統合スケールパターン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２Ｄ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。
【００４９】
２Ｄ統合スケールパターン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。もちろん、データが進行中に計算されるならば、このステップは、省略することができる。そして、現在の画像は、各次元に沿って読取ヘッド１２６と２Ｄスケール１１０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、解析の一部で、測定軸１１１および１１２の少なくとも１つに対応する方向に伸びる撮像素子１６２の１つの行または列、または多くとも少数の行または列が、解析のために選択される。
【００５０】
以下により詳細に述べるように、解析の一部において、選択された１つ以上の行または列は、現在の画像に出現する２Ｄ符号部分を見つけるために、解析される。この見つけられた２Ｄ符号部分は、見つけられた符号部分によって定義される第１分解能２Ｄ絶対位置を求めるために、デコードされる。見つけられた符号部分の、または見つけられた符号部分の所定部分のまたは関連の２Ｄ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２Ｄアレイ１６６に対して求められる。
【００５１】
この求められた現在の画像フレームに対する２Ｄ位置は、２Ｄ統合スケールパターン３００に対する読取ヘッド１２６の２Ｄ絶対位置を、デコードされた符号部分によって示された第１分解能２Ｄ位置から第２分解能２Ｄ位置まで精密化する。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、２Ｄアレイ１６６における２つの次元または軸のそれぞれに沿った撮像素子１６２の画素間隔またはピッチに対応する。
【００５２】
最高達成可能第２分解能２Ｄ位置は、真の画素分解能に対応する。すなわち、各軸に沿った第２分解能は、読取ヘッド１２６によって提供されたその次元に沿った倍率と２Ｄアレイ１６６の１ないし２画素ピッチ増加に対応する分解能でのその軸に沿った絶対位置測定の不確実性を減少させる分解能に対応する。もちろん、補間または重心基準定量法が使用されれば、第２分解能は画素ピッチを超えるものとすることができる。
【００５３】
しかしながら、より一般的には、第２分解能２Ｄ位置は、２Ｄ統合スケールパターン３００の２Ｄ周期部分のそれぞれのＸおよびＹ軸に沿った特定周期長さｐｘおよびｐｙ内で、読取ヘッド１２６に対する２Ｄスケール１１０の位置を示すであろう。２Ｄ統合スケールパターン３００の２Ｄ周期部分のそれぞれのＸおよびＹ軸に沿った特徴的周期長さｐｘおよびｐｙは、また、ＸおよびＹインクリメンタルピッチと呼ばれ、長さにおいて、それぞれの軸の１つに沿って周期的に置かれたインクリメンタルスケール要素の１つと隣接する空間とに等しい。
【００５４】
また、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対する参照画像と、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および／または谷を生成する。
【００５５】
すなわち、参照画像と現在の画像は、相関関数値ポイントを生成するために、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、オフセット、すなわち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整列させるオフセットを含む空間転移位置の範囲に亘り、参照画像に対して移動される。相関関数値ポイントは、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、２Ｄ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のいずれかまたは両方の軸における１画素ピッチ増加未満に極めて対応する第３分解能まで精密化するのに用いられる。
【００５６】
様々な実施の形態において、参照画像は、２Ｄ統合スケールパターン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２Ｄ統合スケールパターン３００から捕らえられた代表画像である。
【００５７】
多数の異なる、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「変位された」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。他の実施の形態においては、部分画像が比較される。いずれの場合も、相関ピークおよび／または谷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。
【００５８】
図３は、本発明による２Ｄ統合スケールパターン３００の第１実施の形態３００’の配置図である。図３に示すように、２Ｄ統合スケールパターン３００’は、複数の２Ｄ周期部分３１０、および複数の２Ｄ非周期部分３３０を含む。本発明の原理によれば、２Ｄ統合スケールパターン３００’の複数の２Ｄ周期部分３１０および複数の２Ｄ非周期部分３３０は、分けられたり、以下により詳細に述べる検出窓３４０のサイズにほぼ対応する２Ｄ統合スケールパターン３００’のそれぞれのローカル領域に組み込まれたりする。
【００５９】
図３に示す２Ｄ統合スケールパターン３００’は、２つの測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿って伸びる本発明による２Ｄスケール３００の全体領域に渡って伸びる。すなわち、複数の２Ｄ周期部分３１０および複数の２Ｄ非周期部分３３０は、それぞれ、２つの軸のそれぞれに沿った広がりを有する。様々な実施の形態において、２Ｄ周期部分３１０および２Ｄ非周期部分３３０は、２Ｄスケール１１０の全領域に渡って繰り返し列状態で配置されている。随意に、いくつかの実施の形態においては、２Ｄ非周期部分３３０のそれぞれが、以下の詳述するように、所定特徴３２０を含む。
【００６０】
２Ｄ周期部分３１０および２Ｄ非周期部分３３０の両方を２Ｄ統合スケールパターン３００の各ローカル領域における単一の統合構造に組み込むことによって、光検出器１６６の撮像素子１６２など、２Ｄ統合スケールパターン３００の境界内で２Ｄ統合スケールパターン３００に渡って位置決めされた検知要素の組は、測定軸方向１１１および１１２に沿った読取ヘッド１２６に相対する２Ｄスケール１１０の位置の組合せで２Ｄ周期部分３１０および／または２Ｄ非周期部分３３０に含まれる情報を検出するのに使用される。
【００６１】
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２Ｄ統合スケールパターン３００’の一部に対応する検出窓３４０が、２Ｄ統合スケールパターン３００の少なくとも一部に渡って２Ｄスケール１１０に沿って二次元に広がる。本発明の様々な実施の形態において、本発明による２Ｄ統合スケールパターン３００の構成によって、２Ｄ統合スケールパターン３００内のＹ軸に沿った検出窓３４０の幅は、以下に詳述するように、検出窓３４０が２つの隣接する非周期部分の対応する境界間のＹ軸に沿った距離と通常同じ幅であるならば、重要ではない。同様に、本発明による２Ｄ統合スケールパターン３００の構成によって、２Ｄ統合スケールパターン３００内のＸ軸に沿った検出窓３４０の長さは、以下に詳述するように、検出窓３４０が２つの隣接する非周期部分の対応する境界間のＸ軸に沿った距離と通常同じ幅であるならば、重要ではない。
【００６２】
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１１１および１１２に沿った２Ｄ周期部分３１０および２Ｄ非周期部分３３０の広がりと協働して、検出窓３４０が測定軸１１１および１１２に沿って十分に広がり、完全な非周期部分３３０が２Ｄスケール１１０に沿った読取ヘッド１２６の部分に関係なく、検出窓３４０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３４０が少なくともこの長さと幅であれば、完全な２Ｄ非周期部分３３０をデコードすることは、読取ヘッド１２６のいくつかの位置が結果として検出窓３４０に出現する２つ以上の不完全な２Ｄ非周期部分３３０になることに対して、非常に簡単化される。
【００６３】
代わりに、図３に概略的に示すように、様々な実施の形態において、検出窓３４０は、測定軸方向１１１および１１２のそれぞれに沿って十分に伸び、完全な非周期部分３３０を読取ヘッド１２６と２Ｄスケール１１０の相対位置に関係なく、完全な非周期部分３３０に対応する情報がいくつかの２Ｄ非周期部分３３０の２つ以上の分離されたセグメントから「再構成」することができるものとして使用することができる。この条件を満たすために、検出窓３４０は、一般に、２Ｄスケール１１０の１つの２Ｄ非周期部分３３０の端から隣接する２Ｄ非周期部分３３０の対応する端までの測定軸１１１または１１２に沿った距離に等しいかまたは幾分大きい量で、測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿って広がる。このような距離は、一般に、多数の潜在的スケール位置で完全な２Ｄ非周期部分３３０を含む。読取ヘッド１２６のいくつかの位置で、そのような検出窓３４０は、また、一般に、２Ｄ周期部分３１０のいくつかのスケール要素によって少なくとも境界が示される１つの完全な２Ｄ非周期部分３１０を含むのに十分である。いかなる場合でも、これらの程度の２つの測定軸１１１または１１２の１つまたは両方に沿った広がりを有する検出窓３４０に関して、２Ｄ非周期部分３３０のパターンは、意図された再構成技術に鑑みて、選択しなければならない。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「チェーン」符号技術などに従って、選択されてもよい。関連する再構成操作は、２Ｄ非周期部分３３０における所定の特徴３２０を含む実施の形態において、簡素化し、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。
【００６４】
図３に示す２Ｄ統合スケールパターン３００’の第１実施の形態において、所定部分３２０は、２Ｄ非周期部分３２０の一方の側に位置決めされている。しかしながら、様々な実施の形態において、所定部分３２０は、２Ｄ非周期部分３３０の先頭に沿って、または２Ｄ非周期部分３３０の２つ以上の端などに位置決めされている。このような場合、非周期部分３３０の一端に沿って配置されている所定部分３２０は、非周期部分３３０の他端の所定の部分３２０と区別されるようにしてもよい。様々な他の実施の形態において、所定部分３２０は、非周期部分３３０の中央にさらに向けて位置決めされている。
【００６５】
所定部分３２０は、２Ｄ周期部分３１０および／または２Ｄ非周期部分３３０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１１１に沿った一意の長さを有するそして／または測定軸１１２に沿った一意の長さを有する明るいまたは暗い特徴、測定軸１１１および１１２に沿った明るいそして／または暗いスケール特徴の唯一のパターン、および／または光検出器１６０の画像素子１６２によって検出可能な唯一の色または強度を有する１つ以上のスケール特徴を含む。様々な実施の形態において、所定部分３２０の全ては、同一のものである。
【００６６】
使用される信号処理アルゴリズムに応じて、所定部分３２０は、削除してもよい。しかしながら、そのような所定部分３２０を使用することは、検出窓３４０内の２Ｄ非周期部分３３０を迅速かつ確実に特定し、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。
【００６７】
所定部分３２０が含まれているか否かに関係なく、２Ｄ非周期部分３３０のそれぞれは、識別可能そして／または一意の符号要素のパターンまたは符号グループを含む。この識別可能そして／または一意の符号要素のパターンは、検出窓３４０に出現する特定の２Ｄ非周期部分３３０に関連する少なくとも１つの位置値が確実に求められることを可能にする。２Ｄスケール１１０内の各特定の２Ｄ非周期部分３３０の２Ｄ位置が予め決められているかまたは計算することができるから、２Ｄ非周期部分３３０の符号要素の特定の識別可能そして／または一意のパターンを求めることによって、どの非周期部分３３０が検出窓３４０に出現するかを特定することが、検出窓３４０の２Ｄ絶対位置、その結果２Ｄスケール１１０に相対する読取ヘッド１２６の絶対位置を、検出窓３４０のサイズおよび／または２Ｄ非周期部分３３０の間の間隔と同様の第１分解能で粗く決定することを可能にする。
【００６８】
すなわち、与えられた基点に相対する２Ｄスケール１１０内の与えられた２Ｄ非周期部分３３０の２Ｄ位置は、高度の正確さおよび精度で知られる一方、検出窓３４０に相対する２Ｄ非周期部分３３０および１つ以上の周辺の２Ｄ周期部分３１０の位置は、検出窓３４０に出現する２Ｄ非周期部分３３０の符号値を簡単に求める操作に基づいて知られる必要はない。特に、１つ以上の２Ｄ周期部分３１０および２Ｄ非周期部分３３０は、２Ｄ検出窓３４０内のいずれかに位置決めされるであろう。
【００６９】
上記したように、特定２Ｄ非周期部分３３０に対応する、２つの測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿った測定値は、識別可能そして／または一意のパターンによって予め決定し、または識別可能そして／または一意のパターンから計算し、または別の方法で求めることができる。すなわち、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２Ｄ非周期部分３３０に対応する２Ｄスケール１１０上の名目上の２Ｄ位置の２つの測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿った測定値を保存するルックアップテーブル内に保存される。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、所望の順序または連続して発生することができ、ここでは、隣接する２Ｄ非周期部分３３０の識別可能そして／または一意のパターン間の関係は、示される必要はない。この場合、識別可能そして／または一意のパターンは、例えば、隣接する非周期部分の識別可能そして／または一意のパターン間の違いを増すように、所望の方法により２Ｄ非周期部分３３０間で分散することができる。
【００７０】
様々な他の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、それらを含む２Ｄ非周期部分３３０の２Ｄ位置に、ある方法で、客観的に対応することができる。そして、この対応は、２Ｄスケール１１０に沿った２Ｄ非周期部分３３０の２Ｄ絶対位置を、そしてその結果、検出窓３４０の絶対位置、そして読取ヘッド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、２Ｄ非周期部分３３０は、ＸおよびＹ軸のそれぞれに沿った規則的なピッチまたは間隔で、２Ｄスケール１１０内に配置される。
【００７１】
特定の２Ｄ非周期部分３３０の識別可能そして／または一意のパターンは、少なくとも１つの２値またはより高い数値を、一意のパターンまたは符号語における２つのそれぞれのＸおよびＹの２値またはより高い数値として定義する。２つのそれぞれのＸおよびＹの２値またはより高い数値が定義されている様々な実施の形態において、２Ｄスケール１１０のそれぞれの測定軸１１１または１１２に沿って連続する２Ｄ非周期部分３３０によって示される数は、それぞれの測定軸１１１または１１２に沿った特定の列を定義する。
【００７２】
従って、そのような実施の形態において、例えば、それぞれの軸のいずれかに沿って、その軸に沿って伸びるそのような２Ｄ周期部分３３０の列における第１の２Ｄ非周期部分３３０は、その軸に沿ったいくつかの定義された数列における第１の数を定義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、その数値は、その軸に沿ったその列における一連の２Ｄ非周期部分３３０に対して、１ずつ増加することができる。
【００７３】
連続した数または符号語が使用されるとき、検出窓３４０の左および／または上部分において撮像された１つの２Ｄ非周期部分３３０数値または符号語の後続セグメントおよび検出窓３４０の右および／または下部分において撮像された少なくとも１つの隣接する２Ｄ非周期部分３３０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、２Ｄ統合スケールパターン３００’に相対する検出窓３４０のスパンが要求されて、少なくとも１つの完全な連続した２Ｄ非周期部分３３０ができる限り２Ｄスケール１１０の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２Ｄ非周期部分３３０の２Ｄ位置を関係付けるのに使用することができる。
【００７４】
それぞれの特定の２Ｄ非周期部分３３０は、測定軸１１１および１１２に沿って広がる２Ｄ領域に渡って分散されるけれども、それぞれの特定の２Ｄ非周期部分３３０は、それにも関わらず、２Ｄスケール１１０の領域内の特定のポイントに関連する２つの測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿った測定値に一意に対応しまたは特定する。特定の２Ｄ非周期部分３３０によって示される２つの測定軸１１１および１１２に沿った測定値に対応する２Ｄスケール１１０の領域内の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。
【００７５】
一般に、ローカル基準は、検出窓３４０に対して位置決め可能である２Ｄ非周期部分３３０の１つ以上の特別に認識可能な明るいそして／または暗いスケール特徴の端、様々な端または特徴の中央のＸおよびＹ座標の組合せ、または他の局地化された特性に従って定義されたポイントとしてもよい。本発明によれば、ローカル基準は、２Ｄ統合スケールパターン３００に特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、２Ｄ統合スケールパターン３００の画像に関連する信号処理は、２Ｄ統合スケールパターン３００の特別に認識可能な局所化された特徴または特性をローカル基準として、暗に選択し、使用してもよい。
【００７６】
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ＸおよびＹの測定値を示す２Ｄ非周期部分３３０の一部に直接に隣接する２Ｄ非周期部分３３０の２Ｄスケール特徴の特性として都合よく選択される。さらなる実施の形態において、ローカル基準は、以下に詳述するように、符号位置指標など、そのローカル基準に関連するＸおよびＹの測定値を示す非周期部分３３０に関連する所定部分３２０の特性として都合よく選択される。そのような実施の形態は、検出窓３４０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。
【００７７】
一般に、検出窓３４０に出現する２Ｄ非周期部分３３０が第１分解能２Ｄ絶対位置および／または第３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３４０に対して見つけられることができる。例えば、ローカル基準を特定しそして／または見つけることは、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３４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分解能に精密化するのに用いられる。
【００７８】
本発明による２Ｄ統合スケールパターン３００を使用することによって、様々な実施の形態において、測定軸１１１に沿って伸びる撮像素子１６２の限定された数の行または列は、第２分解能でローカル基準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２Ｄ統合スケールパターン３００を使用するシステムは、速い信号処理を達成することができる。
【００７９】
一般に、第２分解能位置測定がそれぞれの測定軸１１１および１１２に沿った２Ｄ周期部分３１０のそれぞれのインクリメンタルピッチ値の約１／２より細かい解像度で信頼できて、堅牢で正確であることが必要でかつ十分である。これは、第２分解能位置測定値における不確実性が測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿った２Ｄ周期部分３１０のインクリメンタルピッチの１つのそのような増分値内にあることを保証する。このような場合、たとえ周期部分３１０におけるスケール特徴が一般にＸおよびＹ軸に沿って互いに区別することができなくても、検出窓３４０における１つ以上の周期部分３１０の解析に基づいたさらなる分解能精密化を含む２Ｄ位置測定値は、明白である。
【００８０】
光検出器１６０上に映し出された２Ｄスケール１１０の画像に関して、２つの測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿ったローカル基準の位置が光検出器１６０上の２Ｄ周期部分３１０のスケール要素の映し出された画像の２つの測定軸１１１または１１２の対応する１つに沿ったピッチの約１／２より細かい解像度で検出窓３４０に対して求められることが必要でかつ十分である。これは、測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿ったローカル基準の位置の不確実性が光検出器１６０上のその測定軸１１１または１１２に沿った１つのそのような増分値内にあることを保証する傾向がある。
【００８１】
様々な実施の形態において、インクリメンタル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２Ｄ周期部分３１０のスケール要素の映し出された画像の２つの測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿ったピッチが少なくとも２つの測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿った撮像素子１６２の画素ピッチの３倍であるように選択される。よって、ローカル基準の２Ｄ位置は、２つの測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿った画像素子１６２の１画素ピッチとほぼ変わりない分解能で検出窓３４０に対して求められる必要がある。
【００８２】
様々な他の実施の形態において、２つの測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿って、堅牢で簡単なデータ探索技術は、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、予期された簡単なデータ探索技術を使用して、軸のそれぞれの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、該当する予期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または確認される。最終的には、２Ｄ周期部分３１０に用いられる２つの測定軸１１１および１１２に沿ったインクリメンタルピッチは、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２Ｄ周期部分３１０のスケール要素の映し出された画像のその測定軸１１１または１１２に沿ったピッチのほぼ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。
【００８３】
１つ以上の２Ｄ周期部分３１０は、検出窓３４０に対する２Ｄスケールの２Ｄ絶対位置の測定、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密化するのに使用することができる。第３分解能は、２つの測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿って、少なくとも数倍細かい精度を有し、そして、それぞれの測定軸１１１および１１２に沿ったインクリメンタルピッチにより数倍細かくてもよい。第３分解能は、２つの測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿って、サブ画素分解能で検出窓３４０に対する２Ｄスケール１１０の映し出された画像を見つけ出すことに対応可能にする。
【００８４】
図２を参照して前述したように、２Ｄスケール１１０は、一般に、第１および第２スケール要素部分１１６および１１７と、第１および第２スケール要素部分１１６および１１７を分離する２Ｄ空間１１９とを含む。様々な実施の形態において、２Ｄ周期部分３１０のそれぞれにおいて、ＹおよびＸ軸に沿った第１および第２スケール要素部分１１６および１１７の広がり、および空間１１９のＹおよびＸの広がりは、それぞれの軸に関するそれぞれの基本的なインクリメンタルピッチに従って測定軸１１２または１１１に沿って配置される。
【００８５】
第１および第２測定軸１１１および１１２に関して、その測定軸１１１または１１２に沿った１つのインクリメンタルピッチは、１つの第１スケール要素部分１１６または１つの第２スケール要素部分１１７、および１つの空間１１９のその測定軸１１１または１１２に沿った寸法に対応する。様々な実施の形態において、空間１１９および第１スケール要素部分１１６は、第２測定軸方向１１２に沿って等しい寸法を有するが、それらは等しい必要はない。同様に、様々な実施の形態において、空間１１９および第２スケール要素部分１１７は、第１測定軸方向１１１に沿って等しい寸法を有するが、それらは、また等しい必要はない。様々な実施の形態において、第１スケール要素部分１１６は、第２測定軸１１２に沿って、第２スケール要素１１７が有する第１測定軸１１１に沿った寸法と同じ寸法を有するが、それらは、また等しい必要はない。
【００８６】
様々な実施の形態において、１つ以上の２Ｄ周期部分３１０は、第１および第２測定軸１１１および１１２に関連する基本的なインクリメンタルピッチに従う２Ｄ周期部分３１０に含まれることができる第１および第２スケール要素部分１１６および１１７と空間１１９と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、この最大可能数未満の第１および第２スケール要素部分１１６が１つ以上の２Ｄ周期部分３１０に含まれる。さらに他の実施の形態において、「通常」の第１および第２スケール要素部分１１６の数と対応する基本的なピッチに対するそのようなスケール要素部分１１６および／または１１７の配置の精度が検出窓３４０に対する１つ以上の２Ｄ周期部分３１０の映し出された画像の２Ｄ位置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」の第１および／または第２スケール要素１１６および／または１１７でも１つ以上の２Ｄ周期部分３１０に含まれることができる。
【００８７】
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、１つ以上の２Ｄ周期部分３１０に含まれる「通常」の第１および／または第２スケール要素部分１１６および／または１１７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である。画像中の画像行および／または列が対応する測定軸方向に沿って伸びる様々な実施の形態において、１つ以上の２Ｄ周期部分３１０に対応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。
【００８８】
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、相関曲線値および／または相関曲線は、少なくとも一つには、サブ画素分解能を得るために生成される。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３４０に対する２Ｄスケール１１０の映し出された画像のオフセット位置を画素および／またはサブ画素解像度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２Ｄスケール１１０の位置は、第３分解能で、かつ第１および第２測定軸１１１および１１２に関連するインクリメンタルピッチより少なくとも２、３倍（または数倍）細かい精度で求められる。
【００８９】
本発明による２Ｄ統合スケールの様々な実施の形態において、画像の大部分は、画像中の１つ以上の非周期部分３３０の位置に関係なく、代表周期基準画像すなわちパターンと効果的に相関することができる周期部分３１０を含む。さらに、ＸおよびＹ方向における相関ピークを見つけるのに必要なＸおよびＹオフセットの範囲は、画像中のＸおよびＹ軸の両方における周期部分３１０の特徴を高空間周波数によって、制限される。従って、本発明による２Ｄ統合スケールは、高分解能２Ｄ位置測定をそれぞれのＸおよびＹインクリメンタルピッチ内で高速で行うことを可能にし、全体的な高分解能および高速２Ｄ絶対位置測定をサポートする。
【００９０】
２Ｄ統合スケールパターン３００が、本発明による２Ｄ統合スケールパターン３００’の１つ以上の２Ｄ周期部分３１０のような、１つ以上の予測可能な２Ｄ周期部分を含むとき、そのような２Ｄ周期部分に使用可能な高分解能すなわち第３分解能位置検出技術は、２Ｄバーコードパターンのような、低空間周波数の周期特徴を含む２Ｄパターンのタイリング（ｔｉｌｉｎｇ；タイル張り）で達成され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。
【００９１】
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成は、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やけをほとんど感知しない傾向がある。
【００９２】
図４は、図３に示す統合スケールパターン３００’に相当する２Ｄ統合絶対スケール４００の第１実施の形態を示す図である。図４に示すように、２Ｄ統合スケール４００は、１つ以上の周期部分４１０と、測定軸１１１および１１２の両方に沿って配置された複数の２Ｄ非周期部分４３０とを有する。さらに、図４に示す実施の形態において、非周期部分４３０は、以下に詳述するように、非周期部分４３０の符号ゾーンの常に模範されたトップ行と左列を備える所定パターン部分４２０を含む。
【００９３】
図４に示す２Ｄ統合スケール４００を見る２つの異なる方法がある。２Ｄ統合スケール４００を見る１つの方法によれば、２Ｄ統合スケール４００は、基本的なＸおよびＹインクリメンタルピッチに従って第１および第２測定軸１１１および１１２の両方に沿って連続的に伸びる単一の「バックグラウンド」２Ｄ周期部分４１０のみを含む。この点において、複数の２Ｄ非周期部分４３０は、単一の２Ｄ周期部分４１０内に二次元上に分散される。この場合、複数の２Ｄ非周期部分４３０は、複数の２Ｄ非周期部分４３０の位置での単一の２Ｄ周期部分４１０の一部に「代えて」、２Ｄ統合絶対スケール４００内に組み込まれる。
【００９４】
２Ｄ統合絶対スケール４００の第２の見方によれば、２Ｄ統合絶対スケール４００は、複数の２Ｄ非周期部分４３０の１つを含むユニットセルを張ることによって形成される。そのようなユニットセル４１１の一実施の形態が図４に示される。２Ｄ周期部分が、その２Ｄ非周期部分を除いて、ユニットセル４１１の残りを充填する。従って、この点において、２Ｄ統合絶対スケール４００は、複数の２Ｄ周期部分４１０を含む。しかしながら、２Ｄ統合絶対スケール４００の見方に関係なく、２Ｄ統合絶対スケール４００の構造上において、実質的な違いはない。
【００９５】
読取ヘッド１２６は、測定軸方向１１２に沿って統合スケール４４０に対して移動する。１つ以上の周期部分４１０は、第１測定軸１１１例えばＸ軸に沿って伸びる第１スケール要素部分４１４および第２測定軸１１２例えばＹ軸に沿って伸びる第２スケール要素部分４１６を備えるスケール要素４１２のパターンを含む。第１および第２要素部分４１４および４１６が複数の空間４１８を規定するように、第１スケール要素部分４１４のそれぞれは、Ｙ軸に沿って狭い寸法を有し、一方第２スケール要素部分４１６のそれぞれは、Ｘ軸に沿って狭い寸法を有する。空間４１８は、１つ以上の周期部分４１０内で二次元上に分散される。
【００９６】
図４に示す実施の形態において、第１および第２スケール要素部分４１４および４１６のそれぞれは、それぞれのＹおよびＸ軸に沿って同じ狭い寸法を有する。従って、空間４１８は、ＸおよびＹ軸に沿って同じ広がりをそれぞれ有する矩形である。しかしながら、様々な実施の形態において、第１スケール要素部分４１４と第２スケール要素部分４１６の狭い寸法は、ＸおよびＹ軸に沿った空間４１８の広がりが同じでないように、同じでない。すなわち、空間４１８は、長方形であるとしてもよい。
【００９７】
第１スケール要素部分４１４、第２スケール要素部分４１６および空間４１８のパターンを含む１つ以上の周期部分４１０を見る代替方法がある。第１の見方によれば、第１スケール要素部分４１４は、一般に、Ｙ軸方向に沿って周期的に配置されかつＸ軸方向に伸びる第１周期スケール要素ゾーンに配置された連続的なインクリメンタルスケール特徴である。同様に、第１の見方において、第２スケール要素部分４１６は、一般に、Ｘ軸方向に沿って周期的に配置されかつＹ軸方向に伸びる第２周期スケール要素ゾーンに配置された連続的なインクリメンタルスケール特徴である。この第１の見方によれば、空間４１８は、一般に、第１および第２周期スケール要素ゾーンの外側にあり、「無いこと」で生じる。
【００９８】
第２の見方によれば、空間４１８およびスケール要素部分４１４のセグメントは、一般に、Ｙ軸方向に沿って周期的に配置されかつＸ軸方向に伸びる第１周期スケール要素ゾーンに沿って固有の交互配列で配置されたインクリメンタルスケールを構成する。同様に、第２の見方において、空間４１８およびスケール要素部分４１４のセグメントは、一般に、Ｘ軸方向に沿って周期的に配置されかつＸ軸方向に伸びる第２周期スケール要素ゾーンに沿って固有の交互配列で配置されたインクリメンタルスケールを構成する。第２の見方によれば、スケール要素部分４１４および４１６は、一般に、第１および第２周期スケール要素ゾーンの外側にあり、「無いこと」で生じる。しかしながら、１つ以上の周期部分４１０の見方に関係なく、１つ以上の周期部分４１０の構造において、実質的な違いはない。
【００９９】
様々な実施の形態において、統合スケール４００の非周期部分４３０は、複数の符号ゾーンを含み、各符号ゾーンは、非周期部分４３０の境界線のマトリクスによって図４に示される。符号要素４３２または空間４３４が、上述したように、各符号ゾーンに現れ、各非周期部分４３０における符号要素および空間の識別可能なそして／または一意のパターンを提供する。様々な実施の形態において、第１測定軸１１１に沿った各符号ゾーンの広がりは、第１測定軸１１１に沿った第２スケール要素部分４１６の広がりより小さい。同様に、第２測定軸１１２に沿った各符号ゾーンの広がりは、第２測定軸１１２に沿った第１スケール要素部分４１４の広がりより小さい。
【０１００】
従って、そのような実施の形態において、個々の符号要素４３２または空間４３４が接し、第１および第２測定軸１１１および１１２の１つ以上に沿って区別可能な境界または端を示さない符号の例においてでも、対応する個々の符号要素４３２および空間４３４は、第２および第１スケール要素部分４１６および４１４より、第１および第２測定軸１１１および１１２に沿ってそれぞれ狭い。様々な実施の形態において、各符号ゾーンの広がりは、便宜上同じである。しかしながら、様々な他の実施の形態において、様々な符号ソーン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で調整される。
【０１０１】
第１および第２測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿って、１つの非周期部分４３０が、１つ以上の周期部分４１０の領域によって隣接する非周期部分４３０から分離されている。各非周期部分４３０は、第１および第２測定軸１１１および１１２のそれぞれに関して、ローカル基準４３６に関連する第１および第２測定軸１１１および１１２に沿って測定値を示す。前述したように、ローカル基準４３６は、必ずしも、２Ｄ統合スケール４００の分離された特徴または特性ではない。むしろ、２Ｄ統合スケール４００に関連する信号処理が、２Ｄ統合スケール４００の明確に認識可能な局地化された特徴または特性を暗黙的に選択する。
【０１０２】
図４に示す２Ｄ統合スケール４００の第１実施の形態において、各ローカル基準４３６は、所定部分４２０における符号ゾーン４３９の上左隅として都合よく選択される。しかしながら、この選択は、上述したように、いくらか任意である。代わりに、ローカル基準４３６は、空間４３８の上右隅のような、周期部分４１０における特徴的な一意に特定可能な位置とすることができる。
【０１０３】
図４に示す実施の形態において、各ローカル基準４３６は、距離ｄ０で、第１測定軸１１１に沿って隣接するローカル基準４３６から離されている。同様に、図４に示す実施の形態において、各ローカル基準４３６は、距離ｄ１で、第２測定軸１１２に沿って隣接するローカル基準４３６から離されている。様々な実施の形態において、距離ｄ０およびｄ１は、また、検出窓４４０内に少なくとも１つの完全な非周期部分４３０が常時あるように、読取ヘッド１２６の特性に関して選択される。
【０１０４】
様々な実施の形態において、符号要素４３２は、反射する要素であり、空間４３４は、符号要素４３２を欠くときには、反射しない。特に、反射する符号要素４３２を有する符号ゾーンが２進数１としてデコードされると、空白符号ゾーン４５０すなわち空間４３４は、２進数０としてデコードされる。従って、符号ゾーンにおける符号要素４３２および空間４３４のパターンは、第１分解能で、第１および第２測定軸１１１および１１２に沿ったローカル基準ポイント４３６の測定値を特定するようにデコード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。従って、第１および第２測定軸１１１および１１２に沿った２Ｄスケールに対する検出窓４４０および読取ヘッド１２６の位置を第１分解能で求めることができる。
【０１０５】
図４に示すように、例示する所定部分４２０は、非周期部分４３０の最上部にある符号ゾーンの第１行と非周期部分４３０の左にある符号ゾーンの第１列を使用する。図４に示すように、例示する所定部分４２０は、第１および第２測定軸１１１および１１２に沿った特定の所定部分４２０の位置に関係なく、特定される。これらの所定部分４２０の機能は、主に、検出窓４４０における非周期部分４３０を探す信号処理を簡単で、速く堅牢にすることを可能にする。例えば、所定部分４２０の左部分の下方に伸びる単一の充満した符号ゾーン４３５および空間４３４は、常に、その左にある第２周期スケール要素部分４１６によって囲まれている。所定部分４２０の行に沿った符号ゾーンは、常に、交互の符号値を有する。
【０１０６】
図４に示す実施の形態において、一意の符号は、非周期部分４３０の下部右端における符号ゾーンの３×５の矩形内の１５個の符号ゾーンに対応するバイナリビット値によって定義される。２Ｄ統合スケール４００の１つの実施の形態において、スケール要素４１２および空間４１８は、それぞれ、２０μｍの第１および第２測定軸１１１および１１２に沿った広がりを有し、よって、第１および第２測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿った４０μｍのインクリメンタルピッチを定義する。符号ゾーンは、第１および第２測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿った１０μｍの広がりを有する。非周期部分４３０上の対応するポイント間の測定軸１１１に沿った距離ｄ０は、３２０μｍであり、それはインクリメンタルピッチの８倍である。非周期部分４３０上の対応するポイント間の測定軸１１２に沿った距離ｄ１は、２８０μｍであり、それはインクリメンタルピッチの７倍である。
【０１０７】
様々な実施の形態において、検出窓４４０は、２Ｄスケール１１０の１１μｍ領域が光検出器１６０上の約１０画素に対応する画像を映し出すように、例えば第１測定軸１１１に対応する方向に３５２画素、そして、例えば第２測定軸１１２に対応する方向に２８８画素を有する。従って、これらの寸法を有する実施の形態において、非周期部分４３０に配置された１５ビット符号は、３００ｍｍ２近くの絶対２Ｄ位置測定領域を可能にする。これは、２Ｄ絶対２Ｄスケール１１０が約５４ｍｍの辺を有する正方形の２Ｄ統合スケール４００を有することを可能にする。
【０１０８】
同時に、様々な実施の形態において、複数の周期部分は、２Ｄ統合スケール４００の３パーセント未満を占める。従って、様々な実施の形態において、統合スケール４００の領域の９０％以上は、１つ以上の周期部分４１０に使用され、上述したように、高分解能位置測定の速度と精度を向上させる。発明者は、比較可能なスケールパラメータと小型の読取ヘッドを用いた信頼できるサブマイクロメータ測定を達成した。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が、高分解能、速度および２Ｄ絶対測定領域範囲の実際に有用な組合せを提供する。
【０１０９】
図４に示す構成に関して、そのような実施の形態において、比較的大きなスケール要素４１２と空間４１８は、確実に目で見え、汚れ、欠陥、および２Ｄ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、関連高分解能位置測定の堅牢さおよび精度を向上させる。逆に、比較的細かい符号ゾーン４５０およびコード要素４３２は、汚れ、欠陥、および２Ｄ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、十分に目で見えるが、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獲得するに十分細かく、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４１０における情報に供することができる。もちろん、符号ゾーンは、例えば符号ゾーンのサイズがスケール要素４１２および空間４１８のサイズに近づくように、比較的粗くすることができる。しかしながら、そのような場合、非周期部分４３０は比較的長くなり、与えられた読取ヘッドサイズ内で読み取り可能な減少された数の符号ビットに対して、読取ヘッド１２６の対応長さは比較的増しそして／または最大絶対範囲は比較的減少する。
【０１１０】
１つ以上の周期部分４１０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パターン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、従来の高精度インクリメンタル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、スケール要素４１２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大きい領域のマスクを使用することができる。いずれの場合でも、非周期部分４３０内のステップは、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。
【０１１１】
そして、本発明による非周期部分４３０が特に正確な位置決めおよび製作を必要としないから、非周期部分４３０の一意のパターンを、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することができる。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。
【０１１２】
図４に示す実施の形態に関して、操作において、２Ｄ統合スケール４００の画像は、図４に示す検出窓４４０に対応して捕らえられる。そして、この画像は、検出窓４４０に現れる周期部分４１０を特定するために解析される。このとき、相関関数が、第１スケール要素部分４１４の最高部の１つの垂直位置を少なくとも明らかに見つけるために、周期部分のこの部分から得られる。米国特許出願０９／７３１，６７１、および米国特許出願０９／８６０，６３６、０９／９２１，７１１および０９／９２１，８８９に開示されている相関技術のいずれもが使用可能である。様々な実施の形態において、求められた相関関数は、以下に詳述するように、さらに、第１および第２測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿って絶対位置測定値の第３分解能部分を求めるのに、使用される。
【０１１３】
そして、この画像は、検出窓４４０に現れる所定部分４２０を特定するために解析される。スケール４００の２Ｄ構造が先験的に知られているので、いったん第１スケール要素部分４１４の最高部の１つの垂直位置が見つけられると、第１測定軸１１１に整列された行のまばらな探索が、検出窓４４０に出現する所定部分を見つけるために、実行される。すなわち、それぞれのまばらに選択された行が、それぞれの所定部分４２０の上部に出現する符号要素４３２および空間４３４の所定パターンに対応する、捕らえられた画像の明るく、暗い部分のパターンを見つけるために、探索される。
【０１１４】
もちろん、行よりむしろ列をこの解析に使用することができる。その場合、第２スケール要素の最も左の１つの水平位置が見つけられる。そして、第２測定軸１１２に整列された列のまばらな探索が、それぞれの所定部分４２０の左部分に出現する符号要素４３２および空間４３４の所定パターンに対応する、捕らえられた画像の明るく、暗い部分のパターンを見つけるために、実行される。
【０１１５】
図４に示す２Ｄ統合スケール４００の実施形態に関し、周期部分４１０の一部は、順番に検出器１６０からの画素の各行を入力することによって見つけられる。最初の行が、それが明るい領域から暗い領域へのまたはその逆の転移を含むかを求めるために解析される。もし含まれていなければ、その行が第１スケール要素部分４１４の１つと整列されて、相関関数を生成するのに使用できない。その場合、そのような転移が見つけられるまで同じ方法で、それぞれの次の行が選択され、解析される。
【０１１６】
いったん最初の転移が見つけられると、その行が、様々な実施の形態において、第２の転移が最初の転移から約２０画素離れているかを求めるために解析される。第１測定軸１１１に沿った第２スケール要素部分４１６と空間４１８の広がりが２０μｍで、様々な実施の形態において、捕らえられた画像の２０画素が２Ｄ統合スケール４００の約２０μｍに渡って伸びるので、第２の転移が最初の転移から約２０画素離れている。従って、第２スケール要素部分４１６と空間４１８が第１測定軸１１１に沿って異なる広がりを有すると、その異なる広がりは、第１の転移からの第２の転移の画素間隔の基準を形成するであろう。
【０１１７】
第２の転移の画素間隔が約２０画素でなければ、その行が所定部分４２０または非周期部分４３０のいずれかと整列されている。様々な実施の形態において、第２の転移から約２０画素離れている第３の転移が見つけられ、第３の転移から約２０画素離れている第４の転移が見つけられると同様に、各次行が第１および第２の転移が見つけられるまで選択される。そのような行が選択されるとき、その行は、２０−マイクロ周期参照パターンすなわち画像に対する良好な相関の基準を提供する。この場合、求められた行の最初の半分は、約１８０画素を備え、第１の一次元相関関数を生成するために選択される。様々な他の実施の形態において、第２の転移が約２０画素内でなければ、その行の半分は、その行の端から行の４分の１で始まり、インクリメンタルピッチにほぼ対応する範囲に渡って第１の一次元相関関数を生成するのに使用される。
【０１１８】
よって、求められた行の選択された部分は、いくらかの空間４１８と第２スケール要素部分４１６を横切って伸びる。第１の一次元相関関数は、求められた行の選択された部分を対応する参照画像と比較することによって生成される。相関関数の第１のポイントは、米国特許出願０９／７３１，６７１に述べられているように、求められた行の選択された部分の各画素を参照画像と画素毎に比較することによって生成される。相関関数の追加ポイントは、４０画素の範囲に渡って求められた行の選択された部分を各ポイントに対して１画素移動することによって、生成される。様々な実施の形態において、４０画素の範囲は、第１測定軸１１１に沿った第２スケール要素部分４１６と空間４１８の広がりの合計に相当する。第２スケール要素部分４１６と空間４１８が第１測定軸１１１に沿って異なる広がりを有すると、求められた行の選択された部分が相関関数を形成するために移動される範囲は、変化する。
【０１１９】
いったん第１の相関関数が生成されると、それは、相関ピークを見つけ、そしてできる限り、相関ピークの周囲のポイント間を補間し、実際のピークオフセット位置を求めるために、米国特許出願０９／７３１，６７１，０９／８６０，６３６，０９／９２１，７１１および／または０９／９２１，８８９に開示されている技術を使用して解析される。これは、検出窓４４０の左端に対する第２スケール要素部分４１６の位置を求める。次に、この情報を用いて、空間４１８の最も左の列の中央にほぼ位置する第１の列が選択され、第２の一次元相関関数に使用可能な列の部分を見つけるための上記の２つの実施の形態の１つを用いて解析される。
【０１２０】
特に、選択された列の開始部分がほぼ間隔があけられた第１〜４転移を有しないと、一実施の形態において、選択された列の右へ４０列の列が選択されて解析される。これは、ほぼ間隔があけられた第１〜４転移を有する列が見つけられるまで繰り返される。その列の最初の半分は、約１４０画素を備え、第２の一次元相関関数を生成するのに選択される。他の実施の形態において、初期に選択された列の半分は、その列の端から列の４分の１で始まり、第１の相関関数について上述したように、第２の一次元相関関数を生成するのに使用される。いったん第２の相関関数が生成されると、それは、相関ピークを見つけ、そしてできる限り、相関ピークの周囲のポイント間を補間し、実際のピークオフセット位置を求めるために、米国特許出願０９／７３１，６７１，０９／８６０，６３６，０９／９２１，７１１および／または０９／９２１，８８９に開示されている技術を使用して解析される。これは、検出窓４４０の上端に対する第１スケール要素部分４１４の位置を求める。
【０１２１】
様々な実施の形態において、第１および第２測定軸１１１および１１２に対する第３分解能測定値は、このポイントで求められる。この場合、第１および第２の相関関数のピークオフセット位置に基づいて、二次元相関関数が、例えばそれぞれの方向のインクリメンタルピッチに対応する範囲に渡って、これらのピークオフセット位置に対応する２Ｄピーク位置と２Ｄピーク位置の周囲の二次元上のいくつかの位置のために求められる。様々な実施の形態において、選択された行の選択された部分またはさらに選択された行よりむしろ全体の捕らえられた画像が、ピーク位置とピーク位置の周囲のいくつかの追加位置のための相関関数を生成するのに使用される。
【０１２２】
しかしながら、様々な実施の形態において、第１および第２の相関関数のピークオフセット位置は、その２Ｄピーク位置の周囲のほぼ４つの追加２Ｄ位置のみが追加相関関数を生成するのに使用されるように、十分に正確である。様々な実施の形態において、これらの４つの追加２Ｄ位置は、２Ｄピーク位置からの（０，−１）、（−１，０）、（０，１）および（１，０）の移動位置をそれぞれ表す。様々な他の実施の形態において、２Ｄピーク位置からの（−１，−１）、（−１，１）、（１，−１）および（１，１）の移動位置をそれぞれ表す。もちろん、解析のこの第３分解能部分は、第１および第２分解能部分が完了した後まで遅延される。
【０１２３】
次に、捕らえられた画像の行は、所定部分４２０を形成する符号ゾーンを通過する行を見つけるためにまばらに探索される。検出窓４４０の上端に対する第１スケール要素部分４１４の相対位置が先の相関に基づいて現在知られ、そして第１スケール要素４１４に対する所定部分４２０の位置の関係が先験的に知られているとき、符号ゾーンの中央を通過する検出窓４４０の行は知られ、そして、所定部分４２０を素早く見つけるために、画素行間で「１０ミクロン」ステップでまばらに探索される。
【０１２４】
様々な実施の形態において、検出窓４４０における最上部の第１スケール要素部分４１４の上端から約「５μｍ」の行は、初期行として選択される。所定部分４２０の符号ゾーンが第２測定軸１１２に沿って約１０μｍ伸びるので、この最上部の第１スケール要素部分４１４の上端からの５μｍの距離が選択される。よって、５μｍの距離は、符号ゾーンの中央をほぼ通過するであろう行に対応する。この実施の形態において、スケール上の１ミクロンは、画像中の１画素ピッチにほぼ対応する。従って、初期行は、それが約１０−画素間隔があけられている一連の転移を含むかを求めるために解析される。所定部分４２０の符号ゾーンが第１測定軸１１１に沿って約１０μｍ伸びるので、１０−画素間隔が選択される。
【０１２５】
初期行が約１０−画素間隔があけられている一連の転移を含むと、検出窓４４０下に向けて移動して５番目の行が順番に選択され、そして約１０−画素間隔があけられている一連の転移を有する行が見つけられるまで解析される。
【０１２６】
様々な他の実施の形態において、行をさらにまばらに探索することができる。図４に示す実施の形態において、所定部分４２０は、第１スケール要素部分４１４の１つの上半分に整列されている。この実施の形態において、第１スケール要素部分４１４は、捕らえられた画像中、約４０画素すなわち行で間隔があけられている。従って、いったん初期行が上述したように選択されると、初期行が約１０画素の間隔があけられている一連の転移を有しないと、検出窓４４０下に向けて移動して４０番目の行が順番に選択され、そして約１０画素の間隔があけられている一連の転移を有する行が見つけられるまで解析される。
【０１２７】
様々な実施の形態において、所定部分４２０を含む行の位置の追加解析が、見つけられた所定部分４２０および対応する非周期部分４３０が検出窓４４０内に完全に位置することを確実するために、実行される。一般に、処理は、検出窓４４０の外側に伸びる２つの非周期部分の部分を使用するよりむしろ検出窓４４０内に完全に位置する単一の非周期部分４３０が使用されると、簡素化されるであろう。
【０１２８】
様々な実施の形態において、検出窓４４０内に完全に位置する単一の非周期部分４３０が使用されることを確実するために、いったん、明らかに所定部分４２０を含む行が見つけられると、見つけられた行と検出窓４４０の上部との間のいくつかの行は、１対の閾値と比較される。いくつかの行が第１の閾値より大きく、第２の閾値より小さいと、見つけられた所定部分４２０および対応する非周期部分４３０は、検出窓４４０内に完全に位置する。
【０１２９】
しかしながら、行が第１の閾値より小さいと、所定部分を含む行らしいものが、代わりに、非周期部分の適合する符号を経て伸びる行である可能性がある。この場合、見つけられた行の下に所定数の行が位置する行がさらなる解析のために選択される。様々な実施の形態において、ここでは、所定部分４２０および非周期部分４３０の高さが約４０画素であり、第１の閾値は４０である。様々な実施の形態において、ここでは、検出窓が約２８８画素の高さであり、所定数は「上」の非周期部分４３０の下端と「次の下」の非周期部分４３０の上端との間の距離に対応する値に設定され、一方、第２の閾値は、画像の最下限の上の完全な非周期部分４３０の垂直スパンより大きい距離に対応する値に設定される。
【０１３０】
見つけられた行の下の所定数の行である新しい行で開始し、５番目（または４０番目）毎の行が、上述したように、第２所定部分４２０を含む第２の行を見つけるために解析される。含有第２の行は、確実に、所定部分に対する値に起因する「実際」の第２所定部分４２０を含む。また、この行が第２の閾値を超えていると、第２所定部分４２０は満たすものであり、対応する非周期部分４３０は確実に検出窓４４０内に完全に位置する。別な方法では、第１の見かけの所定部分４２０と対応する非周期部分４３０が確実に検出窓４４０内に完全に位置する。
【０１３１】
また、上述した技術の代わりに、所定部分４２０を見つけるための他の適切な技術を、所定部分４２０を見つけるために使用することができる。
【０１３２】
いったん、捕らえられた画像中に出現する十分な所定部分４２０を通る中央の行が見つかると、非周期部分４３０の符号部分がその求められた行上の所定転移系列に対する所定２Ｄ位置に発生することが知られている。よって、所定部分は、十分な「符号位置指標」として機能する。例えば、図４に示す実施の形態において、非周期部分４３０の符号部分は、所定部分４２０の下で、所定部分４２０の右境界に整列する右境界を含み、小さな距離例えば１０μｍすなわち約１０画素行で出現する。捕らえられた画像の明るく暗い部分のパターンおよび広がりは、求められた所定部分４２０に隣接する非周期部分４３０に出現する符号部分における符号要素４３２および空きスペースに対応するものであって、これらのパターンおよび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。
【０１３３】
そして、抽出された符号語は、第１および第２測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿ったローカル基準４３６のＸおよびＹ絶対位置測定値を求めるための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、上記ＸおよびＹ絶対位置測定値を求めるための式の変数として使用される。これらの測定値は、第１および第２測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿った第１分解能での第１および第２測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿った２Ｄスケール１１０に対する検出窓４４０と読取ヘッド１２６の位置を示す。第１および第２測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿った第１分解能は、ほぼ、ローカル基準４３６および／または非周期部分４３０の第１および第２測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿った空間距離ｄ０およびｄ１にそれぞれ対応する。図４に示す実施の形態において、解析された非周期部分４３０近傍の検出窓４４０に出現する求められた所定部分４２０の与えられた特徴は、ローカル基準４３６となる。
【０１３４】
代わりに、第１および第２測定軸の少なくとも１つに沿った２Ｄ統合スケール４００の完全な広がりは、第１および第２測定軸１１１および１１２に沿った対応する空間距離ｄ０およびｄ１の２乗倍であり、符号要素４３２および空間４３４によって定義されるバイナリコードは、２つの符号語に分けることができる。例えば、第１測定軸１１１に沿った２Ｄ統合スケール４００の広がりは、２ｎｄ０とすることができる。そして、第１測定軸１１１に沿った２Ｄ統合スケール４００の広がりは、２ｍｄ１以下であり、ここで、ｎ＋ｍは、非周期部分４３０における符号ゾーンの数以下である。
【０１３５】
この場合、符号語の１つは、少なくともｎ個の符号ゾーンを有するであろう。その結果、与えられた非周期部分４３０に対して、符号語の１つは、第１測定軸１１１に沿った第１分解能絶対位置測定値に対する空間距離ｄ０の倍数を定義する。同様に、他の符号語は、第２測定軸１１２に沿った第１分解能絶対位置測定値に対する空間距離ｄ１の倍数を定義する。空間距離ｄ０およびｄ１に対応する倍数を乗じることによって、第１および第２測定軸１１１および１１２に沿った絶対位置測定値は、２つの符号語から直接得ることができる。
【０１３６】
他の実施の形態において、２Ｄ統合スケール４００の総領域が非周期部分４３０において定義される符号語に対する十分な数の可能値を削除することを可能にすると仮定すると、第１および第２測定軸１１１および１１２に沿った２Ｄ統合スケール４００の完全な広がりのいずれもが、第１および第２測定軸１１１および１１２に沿った対応する空間距離ｄ０およびｄ１の２乗倍でなくても、この実施の形態は使用することができる。
【０１３７】
第１測定軸１１１に沿った絶対位置測定分解能をさらに精密化するために、検出窓４４０の左端４４２または右端４４４に対するローカル基準ポイント４３６を見つけることは、便利で十分である。図４に示すように、検出窓４４０の左端４４２がローカル基準ポイント４３６に対する基準ポイントとして使用されるとき、左端４４２に対するローカル基準ポイント４３６のオフセット距離ｄ２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ｄ２に変換されてもよい。
【０１３８】
同様に、第１測定軸１１２に沿った絶対位置測定分解能をさらに精密化するために、検出窓４４０の上端４４６または下端４４８に対するローカル基準ポイント４３６を見つけることは、便利で十分である。図４に示すように、検出窓４４０の上端４４６がローカル基準ポイント４３６に対する基準ポイントとして使用されるとき、上端４４６に対するローカル基準ポイント４３６のオフセット距離ｄ３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ｄ３に変換されてもよい。
【０１３９】
オフセット距離ｄ２およびｄ３がローカル基準４３６の符号化され求められた絶対測定ＸおよびＹ絶対位置測定値にそれぞれ加算されるとき、第１および第２測定軸１１１および１１２に沿った２Ｄスケール１１０に対する読取ヘッド１２６の２Ｄ絶対位置は、それぞれ、第２分解能で知られ、この第２分解能は、第１および第２測定軸１１１および１１２のそれぞれに対応する周期部分４１０のインクリメンタルピッチの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または数倍にほぼ対応する。
【０１４０】
上述した比較的低分解能位置測定は、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２Ｄスケール１１０の間の絶対位置測定をさらに精密化するために、検出窓４４０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。
【０１４１】
特に、例えば、第１および第２測定軸１１１および１１２に対する第３分解能測定値を提供する相関操作に関して前述したように、検出窓４４０に現れる１つ以上の周期部分４１０の少なくともいくつ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ｄ２およびｄ３の評価値を精密化することである。ＸおよびＹ軸における実際のピークまたは谷のオフセット値とローカル基準が設けられた基準位置に一致する画像のそれらの予測オフセット値との間の差分は、予測されたオフセット距離ｄ２およびｄ３、そしてその結果絶対位置測定の分解能および精度を精密化するのに使用することができる。
【０１４２】
例えば、一般に、先に予測されたオフセット距離ｄ２およびｄ３は、それぞれのＸおよびＹ軸に沿ったインクリメンタルピッチの整数倍±それぞれのインクリメンタルピッチの半分未満の追加量に等しい部分に分解される。先に予測されたオフセット距離ｄ２およびｄ３を精密化するために、追加量は、切り捨てられ、ＸおよびＹ軸における実際のピークまたは谷のオフセット値とローカル基準がその２Ｄ基準位置に一致する画像のそれらの予測オフセット値との間の差分に置き換えられる。
【０１４３】
様々な他の実施の形態において、前述した、画像の少数の行および少数の列などの小さい分部分に基づいた少ない正確すなわち完全な相関関数値は、米国特許出願０９／７３１，６７１に述べられているように、可能最大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、精度は、いくつかの有用な用途に対してそれでも十分であろう。
【０１４４】
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ｄ２およびｄ３の初期評価値は、たいてい、第１および第２測定軸１１１および１１２の対応する１つに関連する対応するインクリメンタルピッチの増分の半分未満で正確である。従って、各次元に対する絶対位置測定値を精密化するには、前述した操作を実行し、推定されたオフセット距離ｄ２およびｄ３の分解能および精度を、そしてその結果、高レベルの分解能での絶対位置測定を精密化するために、一般に、使用する相関のタイプに応じて、ローカル基準４３６がその基準位置に一致する画像に対して対応する１つ以上の予測されたオフセット位置に対する１つ以上の高振幅の谷またはピークの位置を求めることが必要なのみである。
【０１４５】
上述したように、様々な実施の形態において、相関関数は、検出窓４４０に対応する捕らえられた画像を検出窓４４０に出現するスケール要素４１２および空間４１８の構造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、２Ｄ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２Ｄ相関曲線を生成することを可能にする十分なサイズの１つ以上の周期部分４１０の構造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、２Ｄスケール１１０の検出された画像において、第２測定軸１１２および／または第１測定軸１１１に沿って連続して生じることが保証されたスケール要素４１４および／またはスケール要素部分４１６の連続した１つの数のみを含むように、２Ｄスケール１１０の完全な検出された画像より測定軸１１１および／または１１２の１つまたは両方に沿って短くてもよい。
【０１４６】
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、１つ以上の周期部分４１０のスケール要素４１２と空間４１８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、少なくとも１つの周期部分４１０、少なくとも１つの所定部分４２０および少なくとも１つの代表する非周期部分４３０の少なくとも一部を含むことができる。同様に、２Ｄスケール１１０自身から得られた参照画像は、一般に、少なくとも１つの周期部分４１０、少なくとも１つの所定部分４２０および少なくとも１つの非周期部分４３０の少なくとも一部を含むであろう。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非周期部分（複数の非周期部分）４３０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、非周期部分４３０の位置は、例えば、上述した様々な符号ゾーン探索方法の１つに基づいて求めることができる。
【０１４７】
読取ヘッド１２６が２Ｄ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、２Ｄスケール１１０からの実際の画像は、理想的に配置された２Ｄスケール１１０の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、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、２Ｄ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、それぞれの位置でほぼ同じであり、様々な実施の形態において、無視することができる誤差を生成する。
【０１４８】
様々な他の実施の形態において、実際の画像と理想的な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向上させるために、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。
【０１４９】
図５は、図３に示す２Ｄ統合スケールパターン３００に対応する２Ｄ統合絶対スケール５００の第２実施の形態を示す。図５に示すように、２Ｄ統合スケール５００は、１つ以上の２Ｄ周期部分４１０と、測定軸１１１および１１２の両方に沿って配置された複数の２Ｄ非周期部分４３０とを有する。
【０１５０】
図５に示す２Ｄ統合絶対スケール５００の第２実施の形態は、図４に示す２Ｄ統合絶対スケール４００の第１実施の形態に対し、また、複数の領域４１７を含む。各領域４１７において、別にある第２スケール要素部分４１６は、図４に示す２Ｄ統合絶対スケール４００の第１実施の形態と同様に、省略される。同様に、その領域を横切って別に伸びる第１スケール要素４１４の一部が、また、図４に示す２Ｄ統合絶対スケール４００の第１実施の形態と同様に、省略される。
【０１５１】
すなわち、各領域４１７は、２Ｄ統合絶対スケール３００の第２実施の形態における１つ以上の周期部分４１０の周期スケール要素４１２のパターンにおける途切れを形成する。領域４１７は、検出窓４４０が２Ｄ統合絶対スケール５００の領域に位置決めされるときに、少なくとも１つの領域４１７が検出窓４４０内に存在し、そして上端４４６から下端４４８へ検出窓４４０の高さを完全に横切って伸びることが保証されるように、スケール要素４１２の周期パターン内に分散される。
【０１５２】
図５に示す２Ｄ統合絶対スケール５００の第２実施の形態は、また、異なるスタイルの所定部分４２０および非周期部分４３０を使用する。特に、図５に示す２Ｄ統合絶対スケール５００の第２実施の形態において、所定部分４２０は、非周期部分４３０の左に位置決めされ、第１または第２測定軸１１１または１１２に沿った１インクリメンタルピッチに等しい第１および第２測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿った寸法を有する。従って、第１実施の形態の上述した寸法に対する例示的な値に関して、所定部分４２０は、４０μｍの幅と、４０μｍの高さを有する。
【０１５３】
非周期部分４３０の符号部分は、第１測定軸１１１に沿って第１測定軸１１１のインクリメンタルピッチの約１．５倍、第２測定軸１１２に沿って第２測定軸１１２の約１インクリメンタルピッチ伸びる。よって、図４に示す第１実施の形態と同様に、符号ゾーンが各測定軸１１１および１１２に沿って測定軸１１１または１１２のインクリメンタルピッチの４分の１伸びるとき、非周期部分は２４個の符号ゾーンを含むであろう。同様に、所定部分は、１６個の潜在的な符号ゾーンを含むであろう。
【０１５４】
図５に示すように、所定部分４２０は、領域４１７を横切って広がる。図５は、また隣接する非周期部分に存在するかもしれない符号要素４３２および空間４３４の特定のパターンに関係なく、捕らえられた画像の行に沿った転移の検出可能なパターンを生成する所定部分４２０における符号要素４３２および空間４３４のパターンの一実施の形態を示す。従って、検出窓４４０内の領域４１７の位置は、検出窓４４０内の捕らえられた画像の行上に容易に見つけることができる。
【０１５５】
例えば、約６０個の暗い画素によって両側に立たされている約２０個の明るい画素のパターンは、明らかに、選択された行が第１スケール要素部分４１４の１つと整列され、領域４１７に対応する２０個の明るい画素を含むことを立証する。同様に、約２０画素離されているいくつかの転移によって両側に立たされている約６０個の明るい画素のパターンは、明らかに、選択された行が２つの第１スケール要素部分４１４間に整列され、領域４１７に対応する６０個の明るい画素の中央の２０画素を含むことを立証する。
【０１５６】
同様に、所定部分４２０および非周期部分４３０を経て伸びる行に関して、その所定部分４２０の上部分は、暗い画素の長い列の右と少なくとも１０個の暗い画素の左の１０個の明るい画素のパターンが所定部分の上部分を通過するよう選択された行を明らかに特定するように、第１スケール要素の１つと整列されている。従って、領域４１７は、これらの１０個の明るい画素の左の２０個の暗い画素に直接に関連する。
【０１５７】
同様に、所定部分４２０および非周期部分４３０を経て伸びる行に関して、その所定部分４２０の下部分は、約２０画素離されているいくつかの転移の右と少なくとも１０個の暗い画素の左の５０個の明るい画素のパターンが所定部分の上部分を通過するよう選択された行を明らかに特定するように、２つの第１スケール要素間に整列されている。従って、領域４１７は、これらの５０個の明るい画素の中央の画素に直接に関連する。
【０１５８】
従って、図５に示す２Ｄ統合絶対スケール５００のパターンを使用することによって、第１測定軸１１１すなわちＸ軸に沿った検出窓４４０内の領域４１７の位置は、先の議論に従って、捕らえられた画像の１つの行を選択し、解析することによって求めることができる。いったん領域４１７の位置が求められると、領域４１７の画素の中央列が知られ、領域４１７内に出現する所定部分の４つの暗い符号要素４３２の上端および下端の位置を求めるために、選択し上そしてまたは下にスキャンすることができる。これらの符号要素４３２は、領域４１７内の唯一の暗い画素に対応する。さらに、本発明による様々な実施の形態において、領域４１７の中央の画素行を含む上端または下端のいずれかのＸ−Ｙ交点は、２Ｄ統合絶対スケール４００の第１実施の形態において述べられた符号位置指標とローカル基準について前述した関数を実現するのに役立つ。従って、図５に示す２Ｄ統合絶対スケール５００のパターンを使用することは、位置測定操作の速く決定論的なシーケンスを可能にする。
【０１５９】
前述したように、ローカル基準と非周期部分４３０は、それぞれ、所定部分に対して所定の関係を有する。従って、いったん所定部分４２０の２Ｄ位置が求められると、第１および第２測定軸１１１および１１２のそれぞれに沿ったローカル基準４３６の位置、よって距離ｄ２およびｄ３は、容易に求めることができる。同様に、非周期部分４３０の符号部分は、非周期部分４３０に出現するバイナリ値を求めるために、容易に見つけ、解析することができる。上述の決定論的操作は、検出窓４４０の２Ｄ絶対位置、よって高速で第３分解能で２Ｄスケール１１０に対する読取ヘッド１２６を求めるのに使用することができる。
【０１６０】
図３〜図５を参照して前述した実施の形態において、二次元統合スケールパターンのスケール要素は、一般に、直交する行と列上に配置され、行は測定軸の一方に対応する方向に整列され、列は測定軸の他方に対応する方向に整列される。しかしながら、より一般には、様々な他の実施の形態において、二次元統合スケールパターンのスケール要素は、測定軸に対応する方向に整列される直交する行と列上に配置されていない。例えば、様々な他の実施の形態において、前述した実施の形態の二次元統合スケールパターンは、測定軸に関して回転される。
【０１６１】
さらに他の実施の形態において、二次元統合スケールパターンのスケール要素は、測定軸に対応する必要がない方向に整列されている非直交の行と列上に配置されている。例えば、様々な他の実施の形態において二次元統合スケールパターン例を示す前述の図における垂直方向に沿って向けられている全ての端および境界は、垂直方向に対して斜めに向けられている。その結果、「平行四辺形」型スケール要素は、様々な実施の形態において、測定軸に対応する必要がない方向に沿って整列されている水平行と傾斜列上に配置されている。
【０１６２】
しかしながら、「非直交」および／または「非整列」二次元統合スケールパターンのような場合の全てにおいて、特定の方向に沿って整列されている測定値、長さ、周期スケール特徴ピッチなどを、測定軸に対応する方向など、他の特定の方向に沿って整列されている対応する測定値、長さ、周期スケール特徴ピッチなどに数学的に変換することは、簡単な事柄である。さらに、「非直交」および／または「非整列」二次元統合スケールパターンは、本発明の原理に従って、対応する周期参照画像、テンプレートまたは構造と比較または相関される周期部分を提供する。従って、本発明の原理による、そのような「非直交」および／または「非整列」二次元統合スケールパターンを製作し、使用することは、簡単な事柄である。
【０１６３】
図６は、本発明による読取ヘッドと２Ｄスケール間の高分解能２Ｄ絶対位置測定値を求めるための方法の一実施の形態の概要を示す。ステップＳ１００で開始し、方法の操作がステップＳ２００に続き、２Ｄスケールの一部の画像が取得される。もちろん、この２Ｄスケールの一部の画像は、本発明の原理による、１つ以上の周期部分の少なくとも一部と１つ以上の非周期部分の少なくとも一部の画像を含む必要がある。そして、ステップＳ３００において、取得された画像は、ＸおよびＹ増加オフセット位置の少なくとも１組を求めるための十分な相関関数値ポイントを生成するために、１つ以上の参照画像と比較される。様々な実施の形態において、ＸおよびＹ増加オフセット位置の少なくとも１組は、画像に出現する周期部分の比較的大きい部分または取得された画像の全てに基づいて求められたＸおよびＹ増加オフセット位置の高分解能組を含む。次いで、ステップＳ４００において、満足な符号部分指標とローカル基準の位置は、画像中に求められる。そして、操作は、ステップＳ５５０に続く。
【０１６４】
参照画像の１つは、一般的な方法で取得された画像に対応する合成画像とすることができる。例えば、合成画像に出現する非周期部分は、合成非周期部分と実際の非周期部分の間の差異が極力減少するように、変化を欠くか、またはスケール上に出現する非周期部分の全てをほぼ示す。様々な他の実施の形態において、参照画像の１つは、周期部分に対応する特徴のみを含む一般的な参照画像とすることができる。相関関数が十分な精度で生成されることを可能にする合成画像の構造は、使用することができる。様々な他の実施の形態において、スケールから取得された実際の画像は、参照画像の１つとして使用される。
【０１６５】
ステップＳ５００において、満足する符号位置指標に基づいて、上記ステップＳ２００において取得された２Ｄスケールの一部の画像に出現する符号部分情報すなわち非周期部分のデータに対応するアドレスすなわち画素位置の範囲が、求められる、すなわち見つけられる。次に、ステップＳ６００において、読取ヘッドと２Ｄスケール間の第１分解能２Ｄ絶対位置が、求められたすなわち見つけられた符号部分に対応するアドレスすなわち画素位置の範囲に含まれる情報に基づいて求められる。そして、操作がステップＳ７００に続く。
【０１６６】
ステップＳ７００において、読取ヘッドとスケール間の第２分解能２Ｄ相対位置が、取得された画像に出現する特定された非周期部分に関連するローカル基準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、ローカル基準は、特定された非周期部分に隣接する取得された画像の周期部分内に出現または生じる。これに対し、様々な他の実施の形態において、ローカル基準は、特定された非周期部分内に出現する。そして、ステップＳ８００において、読取ヘッドとスケール間の第３分解能２Ｄ相対位置が、１つ以上の生成された相関関数の１つ以上に基づいて求められる。様々な実施の形態において、読取ヘッドとスケール間の第３分解能２Ｄ相対位置は、ＸおよびＹインクリメンタルピッチオフセット位置の高分解能組に基づいたものである。
【０１６７】
ステップＳ９００において、読取ヘッドとスケール間の第１、第２および第３分解能２Ｄ相対位置が、取得された画像に対応する読取ヘッドと２Ｄスケール間の相対位置の第３分解能２Ｄスケール絶対測定値を生成するために、結合される。そして、ステップＳ１０００において、結合された測定位置に基づいて求められたスケールに対する読取ヘッドの２Ｄ第３分解能絶対位置が出力される。そして、操作はステップＳ１１００に続き、方法の操作が終了する。
【０１６８】
図７および図８は、本発明による、取得された画像を１つ以上の参照画像と比較してＸおよびＹ増加オフセット位置の少なくとも１つの組を生成するための図４に示すスケールの実施の形態を使用可能な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７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Ｓ３０５に続き、取得された画像画素の最初または次の行が選択される。そして、ステップＳ３１０において、選択された行が画像におけるＸ軸ピッチに対応する一連の転移から開始するか否かの判定が行われる。そうであれば、操作はステップＳ３１５に進む。そうでなければ、操作はステップＳ３０５に戻り、次の行が選択される。
【０１６９】
ステップＳ３１５において、その一連の転移を含む画像画素の選択された行の一部が解析のために選択される。次に、ステップＳ３２０において、相関関数値が選択された行の選択された部分について生成される。特に、各相関関数値が、選択された部分を、第２スケール要素部分と空間の代替パターンに対応する明るいそして暗い部分を備える単一行参照画像と比較することによって生成される。相関関数は、単一行参照画像に対する選択された部分を、第１測定軸に沿った第２スケール要素部分の１インクリメンタルピッチにほぼ対応する範囲に渡ってシフトすることによって、生成される。
【０１７０】
ステップＳ３２５において、第１測定軸に沿った第２スケール要素位置のＸ軸増加オフセットが、生成された相関関数値ポイントに基づいて求められる。そして、ステップＳ３３０において、取得された画像の画像画素の初期列が、求められたＸ軸画像オフセットに基づいて選択される。次に、ステップＳ３３５において、選択された列が画像におけるＹ軸ピッチに対応する一連の転移から開始されるか否かの判定が行われる。そうであれば、操作はステップＳ３４５に進む。そうでなければ、操作はステップＳ３４０に３４０に３４０に進む。ステップＳ３４０において、次の列が画像におけるＸ軸ピッチに基づいて選択される。そして、操作はステップＳ３３５に戻る。
【０１７１】
もちろん、上述したように、様々な他の実施の形態において、ステップＳ３１０において、その判定は、選択された行が所定部分または非周期部分を経て伸びるか否かの判定を含むかまたは置き換えることができる。同様に、ステップＳ３３５において、その判定は、選択された列が所定部分または非周期部分を経て伸びるか否かの判定を含むかまたは置き換えることができる。
【０１７２】
ステップＳ３４５において、画像画素の選択された列の一部が、選択される。そして、ステップＳ３５０において、相関関数値が、選択された列の選択された部分について生成される。特に、これらのＹ軸相関関数値の各相関ポイントが、選択された部分を、第１スケール要素部分と空間の代替パターンに対応する明るいそして暗い部分を備える単一列参照画像と比較することによって生成される。相関関数値は、単一列参照画像に対する選択された部分を、画像における１つのＹ軸のピッチ増加に対応する範囲に渡ってシフトすることによって、生成される。そして、操作はステップＳ３５５に続く。
【０１７３】
ステップＳ３５５において、第２測定軸に沿った第１スケール要素部分のインクリメンタルピッチ内の選択された列に対するＹ軸増加オフセットが、生成された相関関数値ポイントに基づいて求められる。次に、ステップＳ３６０において、ＸおよびＹ相関関数値の高分解能組が、先に求められたＸ軸およびＹ軸増加オフセット値に対応するオフセットポイントの周囲に生成される。一般に、この第３相関曲線を求めるために、このオフセットポイントの周りの唯一のオフセットポイントと少数のポイントに対する相関関数を求めることが必要である。
【０１７４】
図９は、特定された非周期部分符号に基づいて第１の２Ｄ分解能で、２Ｄ統合絶対スケールに対する読取ヘッドの２Ｄ絶対位置を求めるためのステップＳ６００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９に示すように、方法の操作がステップＳ６００で開始され、そしてステップＳ６１０に続き、取得された画像における非周期部分符号の画素のいくつかの行が選択される。そして、ステップＳ６２０において、非周期部分符号の画素の選択された行に基づいて、非周期部分の一連の符号要素が解析される。一般に、これは、選択された１つ以上の行内に生じる、一連の比較的明るくそして暗い画素、または比較的明るくそして暗い画素間の強度転移を解析することを備える。そして、操作は、ステップＳ６３０に続く。
【０１７５】
ステップＳ６３０において、解析された一連の符号要素が、第１および第２の測定軸のそれぞれに沿った第１分解能２Ｄ絶対位置測定値を求めるのに使用可能な１つ以上の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、符号スケールマーキングは、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、三またはより高次のスキームなどの非バイナリ符号化スキームを使用することができる。
【０１７６】
次に、ステップＳ６４０において、１つ以上の符号語が、第１分解能で取得された画像におけるスケールの一部および／または２Ｄ位置を示す１対の第１分解能２Ｄ絶対位置測定値を、そして、第１および第２測定軸のそれぞれに沿った、読取ヘッドに対する２Ｄスケールの位置を求めるために、処理される。そして、操作はステップＳ６５０に続き、操作がステップＳ７００に戻る。
【０１７７】
様々な実施の形態において、１つ以上の符号語を１つ以上のルックアップテーブルの入力アドレスとして使用して、１つ以上の符号が第１分解能位置測定値に変換される。ルックアップテーブルの出力は、１つ以上の符号語によって示される１つ以上のアドレスに基づいたものであり、対応する第１分解能位置測定値を示す。これに対し、様々な他の実施の形態において、１つ以上の符号語は、スケール上の元のポイントと各測定軸に沿ったスケールに対する読取ヘッドの現在位置の間のいくつかの第１分解能周期ｄ０およびｄ１を定義する。従って、第１分解能周期ｄ０およびｄ１は、それぞれ、対応する測定軸に沿った第１分解能距離測定値を得るために、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、２つの符号語のそれぞれは、自身が測定軸の１つに沿った第１分解能距離測定値である数を定義する。
【０１７８】
図１０は、本発明による画像中の十分な符号位置指標の位置およびローカル基準の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１０に示すように、操作がステップＳ４００で開始され、そしてステップＳ４０５に続き、初期画素行が、ステップＳ３５５から求められたＹ軸オフセットに基づいて選択される。そして、ステップＳ４１０において、選択された行が、所定部分に生じる符号の要素と空白符号ゾーンのパターンに対応する信頼可能な一次の一連の転移を含むか否かの判定が行われる。そうであれば、操作はステップＳ４４０に進む。そうでなければ、操作はステップＳ４１５に進み、次の行が、第２測定軸に沿った符号ゾーンのサイズに基づいて、そして／または第１スケール要素の所定部分の関係に基づいて選択される。そして、操作は、ステップＳ４１０に戻る。
【０１７９】
ステップＳ４２０において、一次の一連の転移すなわちステップＳ４１０で選択された一次の行の行数が求められる。次に、ステップＳ４２５において、一次の一連の転移に対して求められた行数が第１閾値より大きいか否かの判定が行われる。そうであれば、操作はステップＳ４５５に進む。そうでなければ、操作はステップＳ４３０に進み、一次の選択された行より下で、かつ画像における次の下位の所定部分より確実に上の所定数の行が選択される。そして、ステップＳ４３５において、選択された行が、所定部分に生じる符号要素と空白符号ゾーンのパターンに対応する信頼可能な二次の一連の転移を含むか否かの判定が行われる。そうであれば、操作はステップＳ４５５に進む。そうでなければ、操作はステップＳ４４０に進み、次の行が、第２測定軸に沿った符号ゾーンのサイズに基づいて、そして／または第１スケール要素部分の所定部分の関係に基づいて選択される。そして、操作は、ステップＳ４３５に戻る。
【０１８０】
ステップＳ４４５において、二次の選択された行に対して求められた行の数が、第２閾値より大きいか否かの判定が行われる。そうであれば、操作はステップＳ４５５に進む。そうでなければ、操作はステップＳ４５０に進み、第２の一連の転移が十分な符号位置指標およびローカル基準として使用されるか否かの判定が行われる。そして、操作はステップＳ４６０に進む。
【０１８１】
これに対し、ステップＳ４５５において、一次の一連の転移が十分な符号位置指標およびローカル基準として使用される。そして、操作がステップＳ４６０に進み、操作はステップＳ５００に戻る。
【０１８２】
図１１は、本発明による、画像中の十分な符号位置指標およびローカル基準の位置を求めるための図５に示す実施の形態を使用可能な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、方法は、ステップＳ４００で開始し、そしてステップＳ４７０に進み、取得された画像の行が選択される。そして、ステップＳ４７５において、画像の全ての行にある少なくとも１つの、一意の所定転移パターンまたはいくつかの一意の所定転移パターンを生じる領域を見つけるために、選択された行が解析される。様々な実施の形態において、そのような一意の所定転移パターンの組は、「あるべきところにない」第２スケール要素部分に対応する転移パターンを含む。次に、ステップＳ４８０において、見つけられた所定転移パターンに基づいて、列が見つけられた所定転移パターンの位置に基づいて選択される。そして、操作は、ステップＳ４８５に進む。
【０１８３】
ステップＳ４８５において、選択され列を解析することに基づいて確実に見つけることができる十分な符号位置指標とローカル基準の位置を見つけるために、選択された列が解析される。次に、ステップＳ４９０において、見つけられた所定部分に関連するローカル基準に対する第１および第２測定軸のそれぞれに沿った画像上のオフセット距離ｄ２およびｄ３を求めるために、ローカル基準の位置が解析される。そして、操作はステップＳ４９５に進み、操作は、ステップＳ５００に戻る。
【０１８４】
ステップＳ７００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暗黙的であるローカル基準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の位置を求めることによって、求められる。先に述べたタイプのローカル基準のいずれが用いられてもよい。
【０１８５】
ローカル基準を定義するのに用いられる特徴または特性がどのようなものであるかに関係なく、様々な実施の形態において、ローカル基準に対する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の距離が、各測定軸に沿って、ローカル基準を求める特徴と取得された画像の対応する端の間のその測定軸に沿った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、一般に、ローカル基準特徴の画素位置における、そしてその結果、取得された画像のローカル基準特徴と端の間の距離ｄ２およびｄ３におけるおよその少数画素上にある不確実性があることが予想される。
【０１８６】
図１２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１２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、デコード回路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、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。
【０１８７】
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、デコード回路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。
【０１８８】
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。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、各画像素子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、個々の画像素子１６２からの画像値は、アレイ１６６における個々の画像素子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。
【０１８９】
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３２０および／または非周期部分３３０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、デコード回路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非周期部分を入力する。
【０１９０】
そして、デコード回路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１つ以上の符号語に変換し、１つ以上の符号語を１対の第１分解能距離測定値に変換する。デコード回路２５０は、これらの第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。
【０１９１】
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非周期部分に基づいて、コントローラ２０５は、制御信号を、信号線２２１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基準位置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、対応するローカル基準用基準位置までのローカル基準の距離に基づいて、２Ｄスケールに対する読取ヘッドの２Ｄ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、これらの第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。
【０１９２】
そして、コントローラ２０５は、信号を信号線２１２で比較回路２７０に出力し、図４および図５に関して上述した適当な相関技術を実行する。様々な実施の形態において、適当な行および列部分の適当なオフセット用の様々な一次元相関曲線すなわち相関関数値が求められる。さらに、図４に示すスケール例に関連する操作に関して上記に示したように、相関関数値は、比較回路２７０を操作するコントローラ２０５と、図４に関して上述したような適当な行および列部分を見つけるための部分探索回路を操作するコントローラ２０５と連動する比較結果累積器２７５とによって、生成される。
【０１９３】
それぞれの測定軸に対して生成される１つ以上の相関曲線または相関関数値の特定の１つを生成すべく、コントローラ２０５からの制御信号に対する応答において、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対応する部分から、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、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するために、比較回路２７０によって使用することができる。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。
【０１９４】
いったん、比較回路２７０が、現在画像部分２３２からそれぞれの画像素子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２６０に出力すると、比較結果累積器２７５に格納された値は、現在の２ＤすなわちＸまたはＹのオフセットに対応する、所定単位での相関値を定義する。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値結果は出力され、メモリ２３０の相関部分２３６に、現在の２ＤすなわちＸまたはＹのオフセットに対応する位置で格納される。
【０１９５】
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に制御信号を出力し、そして／または信号線２０９を経て部分探索回路２４０に出力する。
【０１９６】
そして、比較回路２７０と比較結果累積器２７５によって生成される２Ｄ相関曲線に関して、メモリ２３０の相関部分２３６に格納されている２Ｄ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、２Ｄ相関曲線または相関関数値に対して、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／谷の近傍の選択された相関関数値点を使用して補間し、ＸおよびＹ方向における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。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。
【０１９７】
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２Ｄ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。
【０１９８】
位置累積器２９０は、デコード回路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２Ｄ位置または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第３分解能２Ｄ絶対位置測定値を生成する。位置累積器２９０は、この２Ｄ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を出力する。
【０１９９】
応答において、コントローラ２０５は、備えられていれば、表示ドライバ２０１に信号線２１７を経て、更新された変位値を出力する。そして、表示ドライバ２０１は、信号線２０２を経て表示装置１０７へ、現在の変位値を表示するように駆動信号を出力する。
【０２００】
１つ以上の信号線２０４が、備えられていれば、オペレータまたは協働システムとコントローラ２０５との間のインタフェースを許容する。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バッファリングまたは変換し、適当な信号をコントローラ２０５に転送する。
【０２０１】
先の記述は、非周期部分３３０のそれぞれが測定軸方向１１２に沿って広がる特性を有し、かつ周期部分３１０のそれぞれが測定軸方向１１２に沿って広がる特性を有する２Ｄスケール１１０を強調する。しかしながら、様々な他の実施の形態において、上記広がりは、１つ以上の周期部分３１０および／または１つ以上の非周期部分３３０内で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、各非周期部分３３０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。
【０２０２】
上述した様々な実施の形態において、スケールは平面部材である。しかしながら、様々な他の実施の形態において、スケールは、回転軸を有する円柱部材であるか、または円柱軸を定義する柱面の一部を少なくとも定義する。この場合、本発明による二次元統合スケールパターンは、第１および第２測定軸の一方が円柱軸に平行であり、その上第１および第２測定軸の他方が円柱部材または表面の周囲に沿って位置する円柱スケールに適用される。従って、本発明による二次元統合スケールパターンは、柱面に関して読取ヘッドの絶対位置を規定するのに使用することができる。
【０２０３】
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、非周期部分に使用され、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、本発明の原理に従って第３分解能測定値を提供するために、読取ヘッドに対する周期部分の位置を検出することに適用されてもよい。主に、先の記述における明瞭で簡単な記述の軸を目的として、様々な操作および特徴がＸおよびＹ軸の一方または他方を参照して述べられている。しかしながら、ここで軸に関して述べられている様々な操作および特徴が、本発明による様々な実施の形態において他の軸との様々な組合せに応用されることは好都合である。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。
【０２０４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、比較的小さい読取ヘッドサイズを有する２Ｄ光学式絶対位置エンコーダを提供することができる。
【０２０５】
また、本発明によれば、非周期符号部分および周期部分の両方を含む２Ｄ統合スケールの画像から、光学式絶対位置エンコーダの２Ｄスケールに対する二次元上の光学式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ことができる。
【０２０６】
また、本発明は、別々に、符号部分と周期部分との両方を含む２Ｄ統合スケールを有する光学式絶対位置エンコーダに使用可能な２Ｄスケールを提供する。
【０２０７】
また、本発明は、さらに、有利な部分に周期および符号部分の両方を統合する２Ｄスケールパターンを有する光学式絶対位置エンコーダに使用可能な２Ｄスケールを提供する。
【０２０８】
また、本発明は、別々に、二次元のそれぞれに沿った両方の長いスケール長と高分解能とを有する２Ｄ光学式絶対位置エンコーダを提供する。
【０２０９】
また、本発明は、さらに、二次元のそれぞれに沿った長いスケール長を可能にする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を可能にする周期部分とを含む２Ｄ統合スケール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取得する２Ｄ光学式絶対位置エンコーダを提供する。
【０２１０】
また、本発明は、さらに、符号部分と周期部分とが２Ｄスケールの二次元のそれぞれに沿った代わりに生じる２Ｄ統合スケールを有する２Ｄスケールを提供する。
【０２１１】
また、本発明は、さらに、２Ｄスケールの二次元のそれぞれに沿った代わりに生じる符号部分と周期部分とが二次元の両方において互いに隣り合う２Ｄスケールを提供する。
【０２１２】
また、本発明は、さらに、２Ｄスケールの２Ｄ画像内に出現する符号部分を見つけることによって、各次元に沿った２Ｄスケールに対する読取ヘッドの絶対位置を求め、そして見つけられた符号部分に出現する符号に基づいて各次元に沿った第１分解能２Ｄ位置を求めるための方法を提供する。
【０２１３】
また、本発明は、さらに、２Ｄスケールの２Ｄ画像内に出現する所定部分を見つけることによって、各次元に沿った２Ｄスケールに対する読取ヘッドの絶対位置を求め、そして２Ｄスケールの２Ｄ画像内の所定部分の２Ｄ位置に基づいて各次元に沿った第２分解能位置を求めるための方法を提供する。
【０２１４】
また、本発明は、また、２Ｄ画像内に出現する周期部分と周期基準構造との間の各次元に沿ったオフセット距離を求めることによって、２Ｄスケールに対する読取ヘッドの絶対位置を求め、少なくともオフセット距離に基づいて各次元に沿った第３分解能位置を求めるための方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る２Ｄ絶対位置測定システムのブロック図である。
【図２】本発明に係る拡散反射スケールの一実施の形態を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る一般的な２Ｄ統合絶対スケールパターンの第１実施の形態を示す図である。
【図４】図３に示す一般的な２Ｄ統合絶対スケールパターンの第１実施の形態の２Ｄ部分を示す図である。
【図５】図３に示す一般的な２Ｄ統合絶対スケールパターンの第２実施の形態の２Ｄ部分を示す図である。
【図６】本発明に係る２Ｄ統合絶対スケールに対する読取ヘッドの２Ｄ絶対位置を求めるための方法の一実施の形態を示すフローチャートである。
【図７】本発明に係る２Ｄ統合オフセット位置を求めるために取得された画像を１つ以上の参照画像と相関するための本発明に係る２Ｄ統合絶対スケールを使用可能な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８】本発明に係る２Ｄ統合オフセット位置を求めるために取得された画像を１つ以上の参照画像と相関するための本発明に係る２Ｄ統合絶対スケールを使用可能な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９】本発明に係る２Ｄ絶対スケールの非周期部分の符号に基づいて第１分解能で２Ｄ統合絶対スケールに対する読取ヘッドの２Ｄ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１０】本発明に係る十分な符号位置指標とローカル基準を見つけるための図４に示す実施の形態を使用可能な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】本発明に係る十分な符号位置指標とローカル基準を見つけるための図５に示す実施の形態を使用可能な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２Ｄ統合絶対スケールから２Ｄ絶対位置測定値を取得するのに使用可能な図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】
１００　２Ｄ絶対位置測定システム
１１０　２Ｄスケール
１２６　読取ヘッド
１３０　光源
１６０　光検出器
１６６　２Ｄ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’，４００　２Ｄ統合スケールパターン
３１０，４１０　周期部分
３２０，４２０　所定部分
３３０，４３０　非周期部分
３４０，４４０　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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