检测器面积可选的位移变换器的操作员界面装置及方法

专利名称：检测器面积可选的位移变换器的操作员界面装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种相关位移变换器(correlation displacement transducer)，具体地讲，本发明针对一种具有可选检测器面积的相关位移变换器的用户界面装置。
背景技术：
各种已知的测量变换器可以使用传感器阵列所获取的图像、以及这些图像之间的相关性，来确定变形(deformation)和/或位移。例如，这样的设备中的一类设备可以基于对斑点(speckle)图像的获取，其中，所述斑点图像是通过以光源照射光学粗糙表面所生成的。光源可以为连贯的光源，例如激光生成光源。在通过光源对光学粗糙表面进行照射之后，可以把从光学粗糙表面散射的光成像至光学传感器。光学传感器可以为电荷耦合器件(CCD)、半导体图像传感器阵列，诸如CMOS图像传感器阵列等。
在使光学粗糙表面位移或变形之前，可以捕获和存储第一初始斑点图像，有时将其称为参照图像。然后，在位移了光学粗糙表面之后，可以捕获和存储第二或随后的斑点图像，有时将其称为当前图像。传统上，然后把尽可能多的第一和第二斑点图像逐像素地加以相关或比较。总体上，进行多次比较。在每一比较中，第一和第二斑点图像可以互相相对地偏移(offset)、或“综合地”空间转化(spatially translate)，如图通过电子地移动图像那样。在两次比较之间，可以把偏移、或综合空间转化的量增加已知量，诸如一个图像元素、或像素、或整数数目的图像元素、或像素。
在每次相关或比较的过程中，可以把参照图像中的特定像素的图像值乘以相应的第二图像像素的图像值，从相应的第二图像像素的图像值减去该特定像素的图像值，或者将该特定像素的图像值数学地用于含有相应的第二图像像素的图像值的函数，其中，根据偏移量确定相应的第二图像像素。把逐一像素进行操作所得到的值与每隔图像的一个像素执行操作所得到的值相累加，以确定第一和第二图像之间此次比较的相关值。然后，可以对于该次比较，针对偏移量、或综合空间转化位置，有效地描绘(plot)该相关值，以确定相关函数值点。在相关函数值点的描绘过程中，依据如何进行逐像素比较，在参照和第一图像之间具有最强相关性的偏移量、或空间转化位置，可以生成极值，即峰值或谷值。相应于峰值或谷值的偏移量、或空间转化位置，可以代表第一和第二斑点图像之间的相对位移或变形的量。
相类似，可以把传统的图像用于图像相关位移感测系统。对于这样的应用，光源可以为不连贯的光源，诸如发光二极管(LED)，并且可以把将加以成像的扩缩(scale)或表面定位在成像光的对象侧聚焦平面上，其中所述成像光用于把扩缩或表面的模式(pattern)成像到相关位移变换器的光学传感器上。

发明内容
无论在使用斑点模式图像的位移测量变换器中，还是在使用扩缩或表面的传统图像的位移测量变换器中，均已常规地以图像完全填充光学传感器，即检测器阵列的成像面积，并且输出或“获取”光学传感器的成像面积的所有像素，以用于或潜在地用于相关图像处理操作。总体上，这最大化了传送至相关电路的信息量、可达到的信噪比、以及作为结果的位移测量的潜在子像素插值精度。然而，这种传统的系统设计方法未能考虑实际产品的设计和操作过程中所出现的若干重要的系统问题。例如，当在现场安装这样的位移测量传感器时，这种传统的方法可能引发对各种装配容差和/或可允许的容差的不利的要求。另外，输出或“获取”光学传感器的成像面积的所有像素，通常会降低可进行相关图像获取和测量的速率，因此，通常会降低使用关联的位移测量传感器可允许的位移速度，从而限制了各种应用的利用性和/或性能。
在此处所公开的系统与方法的各示例性实施例中，可以使用操作员界面装置来选择表面位移变换器的检测器阵列中的光敏像素或元素的子集，称为像素地址窗口。像素地址窗口包含可以参与位移变换器的相关计算的“像素相关区域”中的像素。可以把像素地址窗口的尺寸预先确定为适合于给定的一组测量要求、变换器设计约束和/或安装容差要求。通过减少参与表面位移变换器的相关计算的像素的数目，可以提高变换器的测量速率。
根据各示例性实施例，在“校准”或设置(setup)规程期间，可以把表面成像至表面位移变换器的整个检测器阵列，并且可以测量检测器阵列的所有元件的输出。可以把对于提供精确相关测量而言具有最佳或充分输出特性的检测器的面积中的像素的子集确定并选择为默认的像素地址窗口。在一些示例性实施例中，默认像素地址窗口可以以最高强度像素值为中心。在另一些示例性实施例中，默认像素地址窗口可以包括具有例如针对强度均匀度的最佳品质因数(figure of merit)的像素的子集。
在各示例性实施例中，界面可通过允许用户把像素地址窗口定位在由位移传感器所生成的图像中所展示的任何面积中，并且计算每一候选位置的多个品质因数，来允许用户评估像素地址窗口的候选位置。然后，操作员界面装置可以允许用户根据所计算的品质因数，选择最佳位置。该操作员界面装置所计算的品质因数可以包括像素地址窗口的给定位移的强度、均匀度和/或对比度。当用户对所选择像素地址窗口的品质因数或总体外观满意时，在位移变换器的正常操作期间，设置规程可以把这一像素地址窗口作为与用于表面位移测量的像素的位置对应的变换器操作参数加以存储。
在各示例性实施例中，操作员界面装置可以包括显示和改变可以影响由变换器所捕获和分析的相关图像的质量的其它变换器操作参数的功能。例如，这样的参数可以包括光源控制参数和/或检测器控制参数。
在以下对各示例性实施例的详细描述中，将描述这些与其它特性以及优点，而且通过以下对各示例性实施例的详细描述，这些与其它特性以及优点将变得十分明显。


将参照以下的附图，详细描述各示例性实施例，在这些图中图1是示例性表面位移变换器配置的框图；图2说明了关于像素地址窗口的放置的、检测器阵列上的图像照射强度的示例性分布；图3是与图1的表面位移变换器通信的操作员界面装置的示例性实施例的示意图；图4是流程图，说明了使用操作员界面装置以便例如选择像素地址窗口的位置的示例性方法；
图5是流程图，说明图4的方法的一些另外的示例性细节；图6是流程图，说明图4的方法的一些另外的示例性细节；图7是流程图，说明图4的方法的一些另外的示例性细节；图8是来自图3的操作员界面装置的示例性屏幕的屏幕截图(screenshot)；图9说明了参与图3的操作员界面装置的对比度计算的示例性实施例的像素的位置；图10～11为其它的屏幕截图，说明了图3的操作员界面装置的另外的特征；图12说明了像素地址窗口内部的像素相关区域，其包含实际参与相关计算的像素；图13是示例性框图，说明图1和图2中所示的信号生成与处理电路和读取头的其它细节；以及图14是与图13的硬件进行通信的操作员界面装置的示例性框图。
具体实施例方式
在此处所描述的系统和方法中，可以实现一种算法来选择作为检测器阵列中元件的子集的像素地址窗口，其中所述检测器阵列中该子集的元件用于执行表面位移变换器的相关计算。该方法可以通过把像素地址窗口的各种候选位置的一或多个品质因数加以比较，并且选择一个具有最佳或充分品质因数的位置，来确定第一默认位置。于是，该方法可以通过在所获取的图像中显示默认位置、以及所计算的品质因数，来向操作员提供调整像素地址窗口的位置的机会。当操作员选择了新的候选位置时，该系统可以针对该新候选位置计算品质因数，从而允许操作员把该新候选位置的品质因数与默认位置的品质因数加以比较。如果品质因数是可接受的，即，对于获取各种应用中的可使用图像是优化的或者是充分的，则该系统可以在用于进行相关计算的所选择的位置定义像素地址窗口。可以在表面位移变换器操作的设置或校准阶段期间执行该算法，从而接下来可以在表面位移变换器的正常操作期间使用所选择的像素地址窗口。
相类似地，该方法可以向操作员提供调整表面位移变换器的其它操作参数，以在正常操作期间改进或优化变换器所获取的图像的机会。这样的操作参数可以包括，但不局限于可以影响图像曝光的参数，例如照射功率、检测器阵列增益、检测器阵列的频闪(strobe)照射持续时间和/或电子快门定时、变换器和产生图像的表面之间的对齐(alignment)和/或间隙等。当调整了各种操作参数时，该系统可以为从一或多个新候选参数设置所得到的图像计算品质因数，从而允许操作员把新操作参数的品质因数与先前操作参数的品质因数加以比较。如果品质因数是可接受的，即，对于获取各种应用中的可使用图像，是优化的或者是充分的，则该系统可以把相应的操作参数定义为用于进行图像获取的参数。可以在表面位移变换器操作的设置或校准阶段期间进行操作参数的确定，从而可以在表面位移变换器的正常操作期间使用所选择的操作参数。
图1是根据此处所公开的系统与方法的、可用于生成位置测量的示例性表面位移变换器1的方框图。表面位移变换器1可以包括读取头100、信号生成与处理电路200、以及表面110。表面110可以包括扩缩模式300，表面位移变换器1可以对扩缩模式300成像，以生成递增的或绝对的位置测量，或者该表面也可以为光学粗糙表面，表面位移变换器1可以根据产生于光学粗糙表面的斑点模式，而从该光学粗糙表面生成位移测量，而无需扩缩模式。在图1的示例性配置中，示意性地描述了读取头100的部件，以及它们与表面110和扩缩模式300的关系。
具体地讲，可以把表面110定位在读取头100的照射与接收端138的邻近，以使当光源130从读取头100的该端所发射的光照射表面110时，表面110有选择地把所发射的光反射回位于读取头100的该端的成像光学元件。在操作过程中，可以把表面110定位在与光源130和容纳于读取头100中的光学系统相距通常稳定的距离处。表面110可以沿相对移动的一或两个轴，例如沿第一测量轴111和第二测量轴112方向，相对读取头100移动，如图1中所示。
通常通过例如安装于框架的传统导轨或轴承等(未示出)，来对与第一和第二测量轴111和112垂直的第三维度中的相对移动加以约束，以维持读取头100和表面110之间的适当的相对距离或间隙g。然而，也可以容纳读取头100和表面110的相对位置方面的合理的预期偏差，如以下进一步加以描述。
在图1中，读取头100的图像接收光学元件可以包括定位于读取头组件138的照射与接收端的透镜140，使得通常可以把透镜140的光轴144与表面110的照射区域相垂直地加以对齐。读取头100还可以包括光圈152，其含于针孔光圈挡片(plate)150中，沿光轴144与透镜140间隔与透镜140的焦距f相一致的距离；以及光检测器160，其沿光轴144与含于光圈挡片150中的光圈152相间隔。这样的电子设置可使光检测器160上表面110的图像的放大大体上独立于从透镜140到表面110的对象距离g。
光检测器160可以是任何已知的或今后所开发的类型的、能够组织成独立和单独光感测元件的2D阵列的光敏材料或设备，例如照相机、电子或数字照相机、CCD阵列、CMOS光敏元件阵列等。
光检测器160可以具有沿分别相应于两个测量轴111和112中每一个测量轴的两个方向、按已知间隔相间隔的图像元素162的阵列166。这一已知的间隔可以对于相应于两个测量轴111和112的两个方向相同，也可以对于这两个方向中的每一个方向不同。沿分别相应于测量轴111和112中的两个方向的每一个方向的已知间隔，可以为在以后所获取的投射于光检测器160的“当前”图像和先前所获取的、包括总体上与该以后所获取的图像的图像部分相匹配的图像部分的“参照”图像之间的该测量轴111或112的位移或偏移的高分辨率测量提供基础。沿测量轴111和112的每个的方向的已知间隔可以为沿每一测量轴111和112测量表面110或扩缩模式300的图像的位移提供基础，使分辨率等于或精于光学变换器100中沿该测量轴111或112的已知间隔。
另外，表面位移变换器1还可以至少包括信号生成与处理电路200的一部分。如图1中所示，把来自信号生成与处理电路200的信号线132连接于光源130，以控制和/或驱动光源130。信号线164连接光检测器160和信号生成与处理电路200。具体地讲，可以各别地和可控地对阵列166的每一个图像元素162加以寻址，以在信号线164上把代表图像元素162上的光强度的值输出至信号生成与处理电路200。
可以远离读取头100放置信号生成与处理电路200的另外的部分，并且可以由操作员界面装置400远程地操作和显示读取头100的功能，如以下参照图3和14进一步加以描述的。以下，将针对图13更详细地描述信号生成与处理电路200。
如图1中所示，光束134由光源130发射，并且被导向表面110，以照射表面110的一部分。因此，表面110的所照射的部分围绕光轴144反射光136。光束134射中表面110的角度，相对于表面110的平面可约为45°。
表面位移变换器1可以是相对位移变换器，其使用连贯的光源130，并且使用斑点模式测量位移。光学位移变换器也可以是使用传统成像的扩缩模式300的绝对相关位置变换器，光源130可以是不连贯的光源，例如发光二极管(LED)，并且把表面110标定地(nominally)定位在透镜140的聚焦平面中，距透镜140距离g处。
可以根据小型光学系统结构和/或工业照相机结构的传统方法，在读取头100的壳体中安装光源130、透镜140、光圈挡片150以及光检测器160，只要以相对精确和稳定的方式安装这些部件。当把读取头100适当地定位在读取头100邻近时，光检测器160所捕获的每一图像将包含具有表面110的相应部分所确定的特性的一些部分。
在先前并入的序列号为PCT/US2004/014705的PCT国际申请中、在那鸿(Nahum)的美国专利No.6,642,506中、在2004年7月13日提交的序列号为10/890,919的未决的美国专利申请(′919申请)中，公开了可用于表面位移变换器1的另外的设计考虑和/或替代的设计，将它们的全部内容并入此处，以作参考。
在其中不能很好地建立和/或控制透镜140和表面110之间的操作间隙g的情况下，由于相对于表面110的光束134的入射的非法向角，间隙维度g方面的偏差，将导致表面110上的照射点相对光轴144移动。例如，假设在进行安装期间透镜140和测量表面110之间的间隙g方面所允许的偏差大约为+/-100μm，由于目标表面110上的照射光束134的大约45℃的入射非法向角，表面110所反射的照射点的位置可能会向一旁移动大约+/-100μm。假设光学位移传感器把产生于目标表面的图像的5倍(5x)的放大提供至检测器阵列166，所以照射中心射线路径将跨越检测器阵列166的表面移动大约+/-500μm。因此，为了接纳或包容这一偏差，在光敏检测器元件162之间使用约为6μm的像素间距，总强度模式的中心可能会沿与表面110上的照射光束134的中心照射射线的视位移(apparent displacement)的方向对应的检测器阵列166的方向移动大约500/6＝83个像素(由于间隙g方面的偏差与照射光束134的入射角度相结合)。
因此，如果把光学位移传感器设计成所期望的像素地址窗口标定地包容检测器阵列166上的总图像强度模式的所希望的高强度和相对均匀的中心部分，而且，例如，面积为256×256个像素，则沿与中心照射射线的视位移方向对应的方向的最小检测器尺寸为256+2*83＝422个像素，而且沿检测器阵列166的该方向，检测器阵列166的像素的数目可以至少比沿该方向的所期望的像素地址窗口中的像素的数目高60％。也可以更严格地限制和/或较少保守地限制所允许的安装偏差，检测器阵列166沿该方向的像素的数目比沿该方向的所期望像素地址窗口中的像素的数目仅至少多50％，或仅至少多40％。换句话说，像素地址窗口最多将包含检测器阵列中像素的大约70％。
在某些情况下，具有大约640×480个像素的检测器阵列的可得性和经济性为主导性的设计因素。因此，当按这样的检测器阵列使用256×256个像素的像素地址窗口时，检测器阵列的面积可能为像素地址窗口的面积的4倍以上。从而，所选择的检测器面积不仅取决于位移测量的要求，例如扩缩和分辨率，如以下更详细地加以描述的，而且还取决于现场和安装与操作期间光学路径部件的累计容差和合理预期的间隙偏差。
就接下来的相关计算而言，由于并非检测器阵列166的所有像素可以提供有用的图像信息，所以可不输出或“获取”它们的图像数据。由于并非检测器中的所有像素可输出，或可用于执行相关测量，所以可以明显改进相关测量的速率。可以通过以下所描述的系统与方法，在较大的，例如640×480的检测器面积中，选择参与相关测量的像素的256×256的像素地址窗口的位置。
如以上参照图1所论述的，读取头100中透镜140或其它光学元件(未示出)的任何不对齐，或者间隙距离g方面的偏差，都将会改变检测器阵列160上最大图像强度点的位置。如果不存在这样的不对齐，则将把总图像强度模式的中心定位在像素阵列166的中心，该像素阵列166可以具有约640×480个像素，但也可以具有更多或更少的像素。在这一情况下，像素地址窗口的中心可以与检测器阵列的中心一致。
然而，当存在这样的不对齐时，可以在检测器阵列160上移动光束点。图2说明了这一情况。图2中所示的椭圆光束形状可以产生于大约45度的入射角，照射光束134以这一入射角射中目标表面110。在所说明的情况中，光束点中心510B可以相对检测器阵列的中心，向左和向上移动。把像素地址窗口定义为256×256个像素的集合，即，理想的情况下，以光束点中心510B为中心，而且其通常包括具有标定最大图像强度分布值80％内的标定图像强度分布值水平的那些像素。因此，可以把图2中的像素地址窗口520B移动至相对于检测器阵列160中心的左侧或上方，以与光束点中心510B相一致。可以把照射系统和/或像素地址窗口设计成像素地址窗口仅包括与总图像强度分布的一定最小百分比的标定最大强度一致的总图像强度分布的区域中的像素，例如，图2中所示图像强度分布的最大值的80％内。这易于保证像素地址窗口与所希望的图像强度分布的相对均匀和高强度中心部分一致，这倾向于提供最佳测量分辨率和精度，如先前所描述的。在此处所描述的系统的一个示例性实施例中，可以这样地自动地确定像素地址窗口使其以光束点中心510B为中心，如图2中所说明的，并且将其作为像素地址窗口的第一默认位置显示在界面装置上。
然而，应该认识到，相对更均匀的相关图像强度可能会提高用于位移测量的相关操作的精度，而在相关图像的一定部分中可能会得到相对较高的图像对比度。从而，组合平均强度、标定强度均匀度以及标定对比度等之间可能存在精度折衷，这存在于图像的各个区域中。因此，在某些示例性实施例中，可以计算用于选择像素地址窗口的位置的一些品质因数。这些品质因数可以包括，但不局限于平均强度水平、均匀度水平以及对比度水平，如以下更详细加以的描述的。从而，在某些实施例中，可以根据这样的品质因数的所希望的组合，确定和显示像素地址窗口的默认位置。
在任何情况下，都可以通过例如图3中所描述的操作员界面装置400，随图像中的像素地址窗口位置的绘制以及与该位置相关的品质因数，输出或显示所获取的图像。图3描述了其配置旨在执行以下进一步加以描述的算法的操作员界面装置400，用于选择和向操作员显示位置，然后允许操作员选择像素地址窗口的另一个候选位置。接下来，该系统计算像素地址窗口的新选择的候选位置的品质因数，以致操作员能够把这些值与那些与默认位置相关的值加以比较。装置400可以包括显示器410、诸如鼠标器440和键盘450的输入设备。例如，可以使用显示器，随以下更详细加以描述的方法所选择的像素地址窗口的默认位置的显示，一起显示所获取的图像。例如，接下来，操作员可以使用输入设备来控制操作员界面装置400，以选择像素地址窗口的其它候选位置，以及指出表面位移测量设备1的其它操作参数。然后操作员界面装置400可以计算候选位置的品质因数，并且把所计算的品质因数显示在显示器410上。
图4中说明了一种算法，例如，可以结合操作员界面装置400使用该算法，以自动选择像素地址窗口的默认位置，并显示该默认位置以及与该默认位置相关的品质因数，接下来，允许操作员进一步调整像素地址窗口的位置。可以作为例如确保来自表面位移变换器的正常操作和/或提高的测量精度和/或分辨率的校准或设置规程的一部分，自动地、半自动地、或手工地执行图4中所示的操作。假设存在可操作安排的位移变换器和目标表面、一组足以获取可用图像的初始操作参数(例如，以下参照图11所描述的类型的操作参数)、以及假设包括旨在进行这一解释的640×480个像素的检测器阵列，则该方法可以开始于步骤S100，然后前进到步骤S200，其中，可以输出或获取检测器阵列的全视野的图像，即图像值。在步骤S300中，可以对图像进行分析，并且可以确定具有最佳或充分相关图像特性的图像中的默认区域。在步骤S400中，可以向操作员显示默认区域，即，默认像素地址窗口的位置、以及默认区域的品质因数。在步骤S500中，可以判断所显示的默认区域和品质因数是否可以接受，例如，操作员可以评估默认区域中的图像的该部分和/或品质因数，然后决定结果的可接受性。如果结果是不可接受的，则过程前进到步骤S600，在该步骤，操作员可以通过观察显示屏幕，选择候选像素地址窗口的位置。例如，在新的位置，操作员可以“拖放”指示候选像素地址窗口的矩形边界，或者指出标定位置的像素地址和/或新的候选像素地址窗口的内容等。在步骤S700中，可以确定和显示像素地址窗口的新选择的候选位置的品质因数。例如，一旦选择了新的候选位置，则可以自动地更新品质因数，或者操作员可以例如通过选择包含在操作员界面装置400中的选项，触发对品质因数的新的判断或重新计算。通过调整像素地址窗口的位置，然后计算品质因数的值，操作员能够重新定位像素地址窗口的中心，以提高表面位移测量精度。接下来，过程前进到步骤S500，在该步骤，可以判断候选位置及其相关的品质因数是否可以接受。如果可以接受，则可以在步骤S800把像素地址窗口设置成当前候选位置。然后，过程可以在步骤S900结束。
在各种相应的实施例中，图4中的步骤S300可以包括判断一或多个像素的局部集合的各种相应品质因数，并且把以具有一或多个最佳品质因数的局部集合为中心的窗口选择为像素地址窗口。在一个示例性实施例中，当可期望不具有饱和像素的相对同质的图像时，图4的步骤S300可以包括简单地判断阵列中的哪个像素具有最大强度，并且把最大强度像素位于中心的窗口选择为像素地址窗口。然而，在其它一些示例性实施例中，为了达到更鲁棒性和更可靠的结果，可以包括基于多个像素的一或多个品质因数，以确定对像素地址窗口的选择。例如，图5描述了可用于图4的步骤S300的一组示例性操作S300A。图5中所示的操作可以开始于S310，然后，前进到步骤S320。在步骤S320中，可以针对定位于检测器阵列中不同位置的一组窗口中的每一个窗口，而获得代表性的局部强度，例如平均强度。这组窗口可以大体上或完全地覆盖整个检测器阵列。接下来，这一过程可以前进到步骤S330，在该步骤，可以确定这样的区域包括一或多个具有最佳或充分的、有代表性的、或平均强度和/或强度均匀度的窗口。然后，过程可以返回到步骤S400，其中，可以根据具有最佳或充分的平均强度和/或强度均匀度的区域，随位置的品质因数一起显示相应的像素地址窗口。
图6描述了可用于图5的步骤S320的一组示例性操作S320A。这组操作可开始于步骤S321，并且通过输入大体上或完全地覆盖检测器阵列整个视野的所获取图像的数据，继续于步骤S322。例如，所述图像可以是图4的步骤S200中所获取的图像。接下来，在步骤S323中，在该图像中选择像素的第一或下一强度采样窗口，并且计算和存储该窗口中的平均强度。可以把强度采样窗口选择为与像素地址窗口相同的尺寸，在这一例子中，其为256×256个像素。于是，可以把每一相应的强度采样窗口视为检测器阵列中相应候选位置处的相应像素地址窗口候选。可以由(x，y)像素地址坐标的相应集合表示该候选位置。
接下来，操作继续于步骤S324，在该步骤，可以定义下一相应像素地址窗口候选位置。在图6中所示的操作中，第一相应像素地址候选的位置可以位于具有最低值像素地址坐标的检测器阵列的角。然后，在步骤S324中，可以通过把像素地址“列值”递增(或递减)16个像素，来定义下一相应像素地址窗口候选位置。当然，这把代表当前候选位置的(x，y)像素地址坐标的相应集合的y值递增(或递减)了16。总之，最初可以递增y值，直至y地址超出检测器阵列中的最大y地址，然后递减y地址，直至y地址小于检测器阵列中的最小y地址等。接下来，在步骤S325中，判断当前定义的像素地址窗口的任一部分是否落在图像范围之外。如果整个当前定义的像素地址窗口落入图像之内，则操作可以于步骤S323继续，在步骤S323确定了当前定义的像素地址窗口候选位置的相应平均局部强度。或者，如果当前定义的像素地址窗口的任一部分落在图像的范围之外，则可以放弃当前定义的像素地址窗口位置，并且操作继续于步骤S326。
在步骤S326处，可以通过把像素地址“行值”递增16个像素，定义下一相应像素地址窗口候选位置。然后，在步骤S327中，再次判断当前定义的像素地址窗口的任一部分是否落在图像范围之外。如果整个当前定义的像素地址窗口落入图像之内，则操作可以于步骤S323继续，在步骤S323确定了“下一个”，即当前定义的，像素地址窗口候选位置的相应平均局部强度。或者，如果当前定义的像素地址窗口的任一部分落在图像的范围之外，则已经分析了整个图像，并且放弃当前定义的像素地址窗口位置。然后，过程返回到步骤S330，其中，可以分析针对每一相应像素地址窗口候选的先前所确定的平均强度值，以确定具有最佳或充分平均局部强度和/或平均局部强度均匀度的区域。
当然，强度采样窗口和/或像素地址窗口可以具有256×256个像素之外的尺寸。然而，在各种实施例中，如果强度采样窗口的尺寸对应于所希望的像素地址窗口的尺寸，可能是最方便的。
图7描述了可用于图5的步骤S330的一组示例性操作S330A。总体上，这组操作使用了把图像强度和图像强度均匀度信息相组合的品质因数，以指示具体的候选像素地址窗口是否具有相关图像特性的最佳或充分的组合。这组操作可能特别适合于与图6的操作S320A结合使用。操作集合S330A开始于步骤S331，并且前进至步骤S332，在该步骤，例如可以根据图6中所示的操作集合所提供的平均局部强度值的集合，为每一相应候选像素地址窗口位置确定局部强度非均匀度值。如先前所描述的，根据图6中所示的操作集合，平均局部强度值可用于沿检测器阵列的行与列方向均间隔16个像素的相应候选像素地址窗口位置中的每一个相应候选像素地址窗口位置。可以把这组相应候选像素地址窗口位置称作位置网格上的候选位置。在针对位置网格上的每一相应候选位置，确定以上所提到的品质因数的过程中，作为第一步骤，步骤S332的操作可以确定在与该候选位置对应的平均强度值和与位置网格上其x和y方向最近相邻位置中的每一个对应的平均强度值之间的一组差异的绝对值。然后可以确定这组绝对值的平均值。可以把每一个这样的平均值称为非均匀度值。显然，低非均匀度值可以相应于在该相应候选位置处的相对高程度的强度均匀度，例如，出现在Gaussian(高斯)图像强度分布的中心部分附近的相对高程度的强度均匀度，如先前所描述的。相反，高非均匀度值可以相应于相应候选位置处的相对低程度的强度均匀度，例如，出现在Gaussian图像强度分布的半宽半大(half-width-half-max)周围的相对低程度的强度均匀度。
在步骤S333中，可以确定在接下来的步骤中使用的、针对位置网格上所有候选位置所确定的所有平均值中的最高平均值(相应于最差的非均匀度)。在步骤S334中，通过把每个先前所确定的非均匀度值除以最高非均匀度值(在步骤S333中所确定的)，可以针对位置网格上所有候选位置确定相对的、或“归一化的(normalized)”非均匀度值。在步骤S335中，可以从针对位置网格上所有候选位置所确定的所有平均强度值中，确定最高平均局部强度。应该认识到，出于以上所描述的原因，对于相关图像计算，通常相对较高的平均强度值较佳。
在步骤S336中，可以把步骤S334中所确定的相对的、或“归一化的”非均匀度值扩缩步骤S335中所确定的最高平均局部强度。这一扩缩可以简单地是把步骤S334中所确定的相对非均匀度值乘以步骤S335中所确定的最高平均局部强度。应该认识到，对于接近值1的相对高的非均匀度值，扩缩可以产生接近步骤S335中所确定的最高平均局部强度的值。相反，对于接近值0的相对低的非均匀度值(即反映高均匀度的区域的值)，扩缩可以产生接近0的值。实质上，这一步骤的目的是，提供与位置网格上的各个位置处的相应平均局部强度值大致可比、但也可能受到与位置网格上的那些各个位置相关的相应非均匀度的强烈影响的值。
接下来，在步骤S337中，可以针对位置网格上的每一相应位置，即，针对每一个相应候选像素地址窗口位置，确定品质因数。可以通过从针对该位置先前所确定的相应平均局部强度中减去在步骤S336中针对该位置所确定的所扩缩的相对非均匀度值，为每一相应位置确定品质因数。总之，品质因数的较高的值可以反映相应高局部强度和近似0的相对非均匀度值(其出现在高均匀度的区域中)。随着相应局部强度值的降低，并随着相对非均匀度值接近1(其出现在较差均匀度的区域中)，品质因数的逐渐更差的值可能会变得越来越小。因此，显然在Gaussian照射光束的情况下，品质因数的最佳可能值，即品质因数的“最正”的值，可能会出现在与和Gaussian图像强度分布的中心部分相应的相对均匀和高图像强度区域近似一致的位置网格上的相应位置处，如先前参照图2所描述的。然而，这一品质因数还非常适用于各种其它照射光束强度分布图和所产生的图像强度分布。
在步骤S338中，在一个例子中，可以确定与可能具有品质因数的最佳值，即品质因数的“最正”的值，的相应像素地址窗口相对应的位置网格上的相应位置。在另一个例子中，可以确定与被确定为具有充分好的相关图像特性的相应像素地址窗口相对应的位置网格上的第一相应位置，由品质因数的“充分正的”值表示。在任何情况下，相应于“充分好的”相关图像特性的品质因数的值可以变化和/或取决于各种应用中测量分辨率的要求，并且根据经验和/或具体实验加以确定。
在步骤S339中，可以存储和/或输出具有根据与步骤S338中所确定的最佳或充分品质因数对应的位置所确定的最佳或充分像素地址窗口特性的位置网格的默认位置，以使其可用于定义可操作像素地址窗口的默认位置。在步骤S340中，过程返回到图4的步骤S400，在该步骤，向操作员显示默认的像素地址窗口和品质因数。
因此，可以使用图4～7中所说明的算法，通过操作员界面装置400自动地选择默认位置。可以通过在现场安装设备建立了实际的操作间隙之后，和/或在通过建立标定操作间隙和执行初始设置算法而进行的制造装配过程结束时，自动地选择检测器上的像素地址窗口的默认位置。然后，可以使用图3中所示的系统，向操作员显示默认的像素地址窗口和有关的品质因数。
例如，操作员界面装置400可以生成包括所获取的图像、默认位置以及与默认位置有关的品质因数的显示。图8中描述了显示这些项目的示例性屏幕截图401。屏幕截图401描述了可以显示在图3中所示的显示器屏幕410上的操作员界面装置400的各种元素，包括所获取的图像412，在所获取的图像412中可以显示默认或候选像素地址窗口指示符414。另外，还可以显示相应于所指示的像素地址窗口的平均强度416，可以通过把像素地址窗口的平均强度除以255的最大灰度级值或者除以诸如所获取图像的最大像素强度的归一化因数，和/或根据参照图6和7所描述的计算，把其表示为百分比。显示器屏幕410上操作员界面装置400的元素还可以包括例如根据参照图7所描述的算法所计算的强度均匀度品质因数420、以及基于检测器阵列160的所选择的像素地址窗口中的强度差的对比度品质因数418。在一个实施例中，可以根据下列公式定义对比度品质因数 其中，n相应于像素地址窗口中像素的数目，Ai、Bi、Ci以及Di是可由位置“i”所代表的4个最近相邻像素的“第i个”组的强度。
图9说明了像素针列中位置A、B、C以及D的位置，其中，位置A、B、C以及D的位置相应于针对位于图9所示ABCD的中央的一个位置“i”的上述公式的Ai、Bi、Ci以及Di强度。可以通过把公式(1)中所指示的和除以归一化因数，来把对比度计算和显示为百分比。在一个实施例中，适当的归一化因数为[(n-1)*(255/2)2]，但也可以选择更一般化的归一化因数，以提供针对特定类型的变换器或应用所期望的类型的图像的对比度百分比值的合理范围。在另一个实施例中，对比度品质因数可以是包括在像素地址窗口中的像素的灰度级强度值的标准偏差。
更一般地，应该认识到，图8中所示的品质因数仅为示例性的，而实际上除了或取代图8中所示的这些品质因数，也可以计算和显示许多其它的品质因数。图8还可以包括其它设置或校准功能，例如由图8中的“校准间隙”控制选项430所指示的。选择或激活“校准间隙”控制选项430，可以导致表面位移变换器1激活白光源，并且至少随对比度品质因数418(可以针对每一更新的实况图像对其加以更新)把真实的(实况的)图像412显示在界面显示器410上，其中对比度品质因数418对图像中的污点(blur)量敏感。然后可以调整读取头100和测量表面110之间的间隙g，直至最大化了对比度品质因数。执行这一校准，可以在读取头透镜140的聚焦平面上设置表面110，从而减小对对齐偏差的测量敏感度，如先前所并入的′919申请中所描述的。
在某些应用中，另一个调整规程也是有用的。该规程可跟随在刚刚所描述的设置间隙g的过程之后，也可独立地使用。具体地，可以调整读取头100的安装的旋转自由度和/或读取头中可调整的照射源的对齐，同时维持针对间隙g的标定距离并维持所选择或所希望的像素地址窗口，以改进所选择或所希望的像素地址窗口中的照射分布。通过改变具有倾斜照射源的读取头的旋转对齐和/或通过改变可调整照射源的对齐，可以调整所选择或所希望的像素地址窗口中的照射分布，直至强度和/或均匀度品质因数(可以针对每一更新的实况图像对其加以更新)是充分的或最大化的。
在显示了所获取的图像412、默认或候选像素地址窗口414、以及相关联的强度品质因数416、对比度品质因数418、和/或均匀度品质因数420之后，操作员界面400可以允许操作员选择像素地址窗口的另一个候选位置。使用输入设备，接下来，操作员可以输入对候选像素地址窗口的位置或候选区域的新的选择。操作员可以使用定位设备，例如鼠标器430，来选择候选区域，以指示候选区域的位置的屏幕410上的位置。例如，鼠标器430可以指示候选区域的左上角的位置，或候选区域的中心点。操作员可以根据其实况图像的定性解释、以及其对什么类型的图像属性可以获得最佳位移测量的经验，来选择新的位置。然后，操作员界面装置400可以计算新的候选位置的相同的一或多个品质因数，如先前针对默认位置所计算的。接下来，操作员界面装置400可以向显示器410输出第二或更新过的元素集合，以供操作员进行评估或确认。可以反复这一过程，直至图像质量和/或像素地址位置令人满意。
图10描述了可以包括能够显示在图3中所示的显示器屏幕410的操作员界面装置400的附加和可选的特性以及元素的配置的屏幕截图402。当操作员希望根据先前所选择的像素地址窗口和/或一组含有图像获取参数的变换器操作参数来排除变换器操作的错误或者确认变换器操作时，图10中所示的特性可能是特别有用的。操作员界面装置400可以包括令操作员激活图10中所示的特性和/或功能的任何方便的装置，例如，对诸如“Algorithm(算法)”tab(制表键)33的适当控制tab的选择，可以激活这些特性。在这一情况下，当激活了Algorithm tab 433时，操作员界面装置400可以连续地执行相关操作，并且可根据显示为所获取的实况图像412的连续更新的当前实况图像、和显示为参照图像408的最新的(当前有效的)参照图像，来以与位移变换器的正常操作相类似或相同的方式确定位移。可以把所确定的位移显示在连续更新的位置显示区域431上。在某些实施例中，可以激活“Zero/Reset Position(0/复位位置)”控制按钮429，以使位置显示区域431中所示的位移值重归0，以更新参照图像。在不存在实际位移的情况下，这样的特性可用于排除不希望或不期望的位移“漂移”的存在的错误，或分析不希望或不期望的位移“漂移”的存在。以下参照图12描述与根据当前图像和参照图像之间的相关操作确定位移有关的各种可用方法与设计考虑，在所并入的参照文献中，也对此进行了描述。
如图10中所示，屏幕截图402还可以包括重叠在所获取的实况图像412上的最新(当前有效)的像素地址窗口414′、以及相关联的平均强度416′和对比度418′品质因数，与图8中所示的品质因数相比，可以把它们显示在可替换的位置处。在这一实施例中，对比度418′品质因数可以是包含在像素地址窗口中的像素的灰度级强度值的标准偏差。然而，对对比度品质因数的这一选择仅为示例性，而不是限制性的。屏幕截图402也可以包括最新(当前有效)的参照图像408及其相关联的平均强度416″和对比度418″品质因数。在图10中所示的实施例中，参照图像408上没有示出像素地址窗口。然而，在各种其它实施例中，可以在参照图像408上重叠地描述最新(当前有效)的像素地址窗口。
另外，如屏幕截图402中所示，操作员界面装置400还可以确定和显示“相关质量”指示符432。在本例中，术语相关质量(CQ)可类比于相关类型位移变换器的有效信噪比(S/N)。可以从相关曲线导出CQ，该相关曲线是描述两个图像之间的像素点之间的相关量与这两个图像之间的位移相比的曲线。当相关曲线的相关峰值区域相对较窄以及其峰值rextreme相对更接近极值时，一般CQ可能较高，即，与相关函数的噪声水平或平均值相比，差的绝对值(AVD)型的相关函数的值较低，(或者值较高，取决于所使用的相关函数的类型)。当CQ较高时，总体上，相关类型位移测量的有意义的分辨率和精度较高。在一个实施例中，可以通过分析根据下列公式对在多个像素递增偏移处把所获取的实况图像与当前参照图像进行相关所获得的相关曲线的峰值附近的相关值点，确定相关质量CQCQ=1-rextremeravg---(2)]]>其中，通过对包括rextreme的5个最接近极值的相关点的集合的值进行平均，来定义ravg。在这样的情况下，接近1的CQ值可以表示较好或较低的AVD谷值(最佳或最尖峰值)，而CQ＝0可以表示无谷值(即无相关峰值)。对于针对2D相关峰值的可类比的测量，可以使用一组25个最接近极值的相关点。总之，对于各种相关位移变换器，大约0.9(90％)的CQ足可以获得最高水平的位移精度和可靠度。然而，为了排除故障和进行操作参数调整，在许多应用中，确认相关质量值超出最小所希望值，例如0.25，和/或在所期望的位移范围上保持相对稳定，则足够充分。在先前并入的′919申请中更详细地描述了这样的相关质量指示符的各个方面。
操作员界面400还允许操作员强行更新或重新设置参照图像。通过选择“Force Reference Update(强行参照更新)”命令按钮426，可以把操作参照图像更新成与当前实况图像相同。当未激活这一按钮时，正常位移确定操作可以仅在超过一定位移间隔之后才更新参照，如以下参照图11所描述的。“Force Reference Update”命令按钮426可以撤销这一正常类型操作，这对于迅速“重新初始化”变换器操作的这一方面，和/或排除某种类型的错误和操作问题，是有用的。另外，通过选择“Set Restore Point(设置恢复点)”命令按钮428，可以把当前参照图像存储在操作员界面装置400的存储器中，和/或位移变换器系统的非易失性存储器(例如以下参照图13所描述的非易失性存储器230)中，以使能够切断位移变换器系统的电源，然后恢复至相应于所存储的参照图像的先前的状态或位置(恢复点)。
图11描述了配置的屏幕截图403，其包括可以显示在图3中所示的显示屏幕410上的操作员界面装置400的另外的与可替换的特性和元素。当操作员希望改变一组变换器操作参数或排除一组变换器操作参数的错误时，图11中所示的特性可能是特别有用的。在这一情况下，当激活“Image(图像)”tab 434时，操作员界面装置400可连续地显示所获取的实况图像412和任何所希望的品质因数，并且可以显示允许操作员调整影响图像的系统操作参数的曝光控制面板424。例如，曝光控制面板424中所示的可调整的系统操作参数中，可以是频闪光源脉冲宽度(脉冲持续时间)、帧延迟、光源驱动电流、最大激光二极管功率、以及最大激光二极管电流。
仍如图11中所示，操作员界面装置400可以显示“Sensor(传感器)”控制面板422，该“Sensor”控制面板422允许操作员调整影响与图像获取有关的参数的系统操作参数。在这些选项中，例如，可以是像素地址窗口的尺寸(描述为“Image Size(图像尺寸)”)、其标定位置(描述为“Image Offset(图像偏移)”)、参照更新间隔，即在系统自动地更新参照图像之前所允许的图像位移量、以及透镜放大因数，其用于在以像素为单位的图像位移和以微米为单位的变换器位移之间进行换算。在各种应用中，可能不允许表面位移变换器1的相对不熟练的操作员或购买者调整像素地址窗口尺寸，因为通常熟练的操作员或工厂人员会根据表面位移变换器1的设计，依照设计容差累计和其它表面位移变换器1属性，预先对其进行设置。
例如，可以通过选择在面板422和424中所示的相邻的“上”或“下”按钮、以及键入值，或者通过指向屏幕上的位置，或者通过拖放操作，来改变操作参数值。应该认识到，图11中显示的操作参数选项仅为示例性的，除了或取代图11中所示的选项，也可以提供众多其它的选项，例如，每一帧的曝光时间、检测器阵列160的集成时间、检测器增益等。
应该认识到，通常，操作员可以反复地或按任何所希望的次序来使用屏幕截图401～403中所示的各种元素和/或屏幕显示。通常，用户可以通过选择控制tab 433～434所示例的所希望的控制tab等，在各种屏幕显示之间切换，以观察和/或比较操作的各个方面或品质因数，和/或改变各种参数等。因此，使用以上所描述的操作员界面装置400的特性，操作员或技术人员可以直观地或量化地选择具有最佳或充分相关特性的图像中的区域，或者操作员可以依赖所计算的品质因数和/或相关质量等，选择像素地址窗口位置的最佳候选位置，和/或所偏好的系统操作参数等。在变换器的正常操作期间，当操作员对他们对像素地址窗口的候选位置和/或操作参数的选择满意时，可以把相关值和操作参数存储在存储器中，并且用于随后的表面位移测量。
以下概要地描述操作图像相关位移变换器的一个示例性的方法，以提供对以上所描述的各种操作参数以及设置与校准操作的更好的理解。已经确定了像素地址窗口的位置之后，可以使用来自像素相关区域的像素的子集进行相关计算。通常像素相关区域为像素地址窗口的一半，以在不更新参照图像的情况下，最大化可进行测量的范围。如在所并入的′705申请中所描述的，在各种应用中，使用大约16,384个像素，或者128×128个像素的像素相关区域，可以一致地得到大约0.002像素间距的相关测量标准偏差。因此，对于与目标表面上大约1μm位移对应的像素间距，128×128个像素的相关面积可以产生大约2nm标准偏差的测量。另外，合理保守地假设，5个标准偏差的间隔将基本上包括给定位置处重复测量所获得的全部实际相关测量值。于是，可以使用128×128个像素的像素相关区域，并且可以达到大约5*0.002的像素间距，或0.01的像素间距的精确和可靠的测量分辨率。与目标表面上大约1μm的位移对应的像素间距，可以可靠地提供大约10nm的测量分辨率。或者，相关面积也可以包括大约10000～大约22500个像素之间。更一般地，把像素相关区域的尺寸设计为能够提供向任何具体的设计或应用提供所希望的测量分辨率所需的像素的数目，因而，可以使用具有256、甚至64个像素的像素相关区域。
图12清楚地说明了示例性的128×128的像素相关区域和示例性的256×256的像素地址窗口之间的各种关系，并且说明了一种根据相对小的粗搜索样板的最佳相关位置，快速地评估近似的相关峰值位置的方法。在此处所描述的这一例子中，如图中所示，粗搜索样板640可以是从位于参照图像620中心的一组已知的像素地址所抽取的16×16的图像像素块。如图12中所示，参照图像620可以是先前在操作的256×256像素地址窗口中所获取的256×256的像素图像，其可以具有先前描述的所确定的检测器上的位置。还描述了代表相对参照图像620所位移的表面的图像的当前图像630。当前图像630也可以是在操作的256×256的像素地址窗口中所获取的256×256的像素图像。
为了提高参照和当前图像的相关率，最初，不需要使用128×128的像素相关区域610。更好的作法是，该系统可以遍及当前图像630中的每一个位置，以一个像素递增的方式，系统地遍步16×16的粗搜索样板640，并且在每一个位置确定相关值。由于粗搜索样板640的较小的尺寸，所以可以迅速地执行这一操作。然后，使用所并入的参照文献中所讲授的方法或任何其它适合的目前已知的或者今后所开发的方法，可以由该系统确定当前图像中粗搜索样板的峰值相关值的位置。
参照图12，应该认识到，如果由于从参照图像620的中心抽取了粗搜索样板因而参照和当前图像之间不存在表面位移，则粗搜索样板的峰值相关值的位置将同样处于当前图像630的中心，如当前图像的中心处所示的位置660所指示的。然而，对于图12中所示的例子，当前图像中的粗搜索样板的峰值相关值的位置在位置650处的当前图像的边缘附近。因此，显然所成像的表面已经位移了大约相应于图12中所示的表面位移向量的量。依照已知的方法，根据当前图像中峰值相关值的位置和参照图像中的从其中抽取粗搜索样板的已知像素地址的集合的位置，可以容易地确定表面位移向量。
如图12中所示，可以最佳相关的参照图像620和当前图像630的相应部分，即对该表面的相同部分成像的参照图像620和当前图像630的相应部分，可以是与那些以表面位移向量的中点670位置处为中心的128×128的像素相关区域610近似全等的参照图像620和当前图像630的那些相应的部分。于是，基于对128×128像素相关区域进行的相关的精确位移测量判断，可以以与参照和当前图像的这些相应部分相对应的初始像素地址偏移值来开始，而且，根据所并入的参照文献中所公开的方法、或者任何其它已知的或今后开发的方法，为了确定128×128的峰值相关值的位置，仅需要在围绕这些初始像素地址偏移值的有限范围内进行搜索。因此，根据上述的近似然后精确的相关判断的顺序，可以高速地执行总体全精度基于相关的位移测量。共同受让的美国专利申请09/921,889和09/921,711公开了用于执行近似然后精确的相关判断，使得可以高速地执行总体全精度的基于相关的位移测量的其它方法，关于所有它们的相关讲授，将它们的全部内容并入此处，以作参考。然而，当不需要高速执行基于相关的位移测量时，或者当使用了传统的成像绝对代码扩缩时，可以使用较简单的、更传统的穷尽高精度相关搜索方法。
在图12中所示的例子中，像素相关区域610的尺寸可以是像素地址窗口620的尺寸的一半。因此，这一最小尺寸(减16×16的粗搜索样板的一半＝8个像素)可以确定第一所存储的参照图像620和第二所存储的当前图像630之间可容许的表面位移的最大量。因此，如图12中所示，通过不超过120个像素的、关于粗搜索样板的、与像素地址窗口620的一半减8个像素对应的距离，来分隔参照图像620和当前图像630。这一要求可以在可测量的位移范围上设置上界，而不更新参照图像，或者读取头之下的表面110的最大所允许速度对样本时间间隔定时(time)。例如，如果像素间距为1μm，而放大倍数为1，则第一所存储的参照图像620和第二所存储的图像630之间所允许的表面位移的范围或最大量可以为120μm。然而，更一般地，应该认识到，关于表面位移的范围可以与按其把目标表面成像到检测器阵列160的表面的放大倍数成比例地减小。
一旦已知初始像素地址偏移值，则可以使用整个128×128的像素相关区域执行全相关计算。接下来，可以分析相关峰值的峰值分布图，以提供实况或当前图像和参照图像之间的图像偏移的插值的、子像素估计，然后可以将其转换成位置显示区域431中的操作员界面装置400所显示的位移值，和/或在正常操作期间将其输出至宿主系统。
图13是方框图，更详细地描述了图1和2中所示的信号生成与处理电路200和读取头100的一个示例性的实施例。如图13中所示，信号生成与处理电路200可以包括控制器210、系统时钟220、非易失性存储器230、功率调节器240、数字信号处理器(DSP)250、同步器260以及去串行化器270。数字信号处理器250可以例如是由德克萨斯州达拉斯的Texas Instruments公司所制造的TMS320C6414DSP。控制器210可以例如是加利福尼亚州圣何塞的Cypress Semiconductor公司所制造的CY7C68013EZ-USB FX2微处理器。读取头电子装置100可以包括功率调节器110、时钟120、传感器阵列160、激光光源130、激光光源驱动器150、数字模拟转换器180以及串行化器170。
信号生成与处理电路200既可应用于斑点图像位移相关传感器，或者也可应用于绝对位移变换器。以下的描述适合于使用连贯激光光源的斑点图像位移相关变换器。
可以通过源于同步器260的脉冲信号来触发光源130。当接收到这一脉冲信号时，可以激活光源，以用光照射表面110。检测器阵列160可以检测从表面110所反射的光。可以通过检测器阵列160的像素的输出来测量所检测的光的幅度，以24MHz、8比特并行方式输出其数据。控制器210可以输出指令数字信号处理器250的信号，以在正常操作期间仅从像素地址窗口中所定义的那些图像像素地址获取数据，或者在以上所描述的校准和设置规程期间从检测器阵列160中的所有像素获取数据。
可以通过信号线290，经由数字模拟转换器160，把控制器210连接于光源驱动器150。从而，控制器210可以把信号发送至光源驱动器150，以通过把适当的数字信号发送至数字模拟转换器180来增大或减小提供至激光光源130的电流。然后，数字模拟转换器可以把适当幅度的信号施加至光源驱动器150，所述光源驱动器150把电流施加至光源130。可以通过信号线285上的信号来触发光源驱动器150，该信号可以是源于同步器260的脉冲信号。当该同步器检测到像素数据的完整的帧已经从检测器阵列160接收到同步器260时，同步器260可以生成脉冲信号。
可以把8比特的并行数据传输至串行化器170，串行化器170可以把数据串行化为300Mbps的串行数据，并且通过3m的电缆把数据传输至信号生成与处理电路200中的去串行化器270。然后，去串行化器270可以对数据去串行化，使其成为传输至数字信号处理器250的8比特并行、24MHz的信号。同步器270还可以输出使数字信号处理器250与检测器阵列160保持同步的帧同步信号。图像可以通过数字信号处理器250从检测器阵列160获取，并且存储在数字信号处理器250的内部存储器中。数字信号处理器250所获取的图像数据可以为参照图像数据，或者也可以为当前图像数据。在这两种情况的每种情况下，至少在对信号生成与处理电路200加电时，图像数据均可以存储在数字信号处理器的内部存储器中，以及传送至控制器210，以向操作员界面装置400传输，在操作员界面装置400，只要需要操作员界面装置400的任何操作，则可以存储和保留图像数据。
通过以上所描述的算法的像素地址窗口的定义，基于对覆盖表面位移变换器的检测器的整个视野的完整像素数据集合上的图像的获取。对这一完整的像素数据集合进行分析，以确定所希望的像素地址窗口。
在根据先前的规程获取了新的当前图像，并且将其存储在数字信号处理器250的内部存储器的当前图像部分中之后，把当前所获得的图像输出至控制器210。然后，可以把当前图像传输至操作员界面装置400，并且通过操作员界面装置400而显示在显示器410上。还可以把当前图像存储为新的参照图像、以及与所存储的参照图像相关的随后的实况图像。数字信号处理器250把当前图像与参照图像相关，并且使用参照图像对当前图像进行插值，然后把所处理的图像和所测量的位置输出至控制器210。
数字信号处理器250可以执行以上所概述的适当的相关与插值技术。具体地，数字信号处理器250可从当前图像部分抽取每一图像元素162的图像值，并且把它们与存储在参照图像部分中的相应的图像值加以比较，施用相关技术并输出比较结果。所输出的值可定义相关值，这些相关值相应于预先确定的单元中的当前2D、或X或Y、偏移。然后，数字信号处理器250可以存储相应于当前2D、或X或Y、偏移的比较结果。
一旦数字信号处理器250已经执行了存储在当前图像部分中的当前图像和存储在参照图像部分中的参照图像之间的所有所希望的偏移的所有比较，则数字信号处理器250可以开始运行插值算法，对相关函数插值，以确定X和Y方向中具有子像素分辨率的峰值偏移值或图像位移值。然后，数字信号处理器250把所确定的子像素分辨率测量值输出至控制器210，控制器210把测量传输至操作员界面装置400。
为了执行插值，数字信号处理器250可以使用任何已知的或今后所开发的技术，例如美国专利申请09/731,671中所公开的任何一种技术，以找出对子像素分辨率的相关结果的所选择的峰值的实际位置，特将美国专利申请09/731,671的全部内容并入此处，以作参考。
图14是示例性操作员界面装置400的方框图，如图13中所示，该操作员界面装置400可以与以上所描述的表面位移变换器1一起使用。操作员界面装置400可以包括显示器410、显示器驱动器460、鼠标器440、品质因数计算器470、输入/输出接口480、控制器490、存储器500以及键盘450。设备460～500可以耦合在总线520上，或者可以形成特定用途集成电路(ASIC)的一些部分。应该认识到，也可以把操作员界面装置400嵌入个人计算机。更一般地，能够实现可依次实现装置的各种特性的有限状态机的任何设备和/或以上所描述的方法，均可用于提供操作员界面装置400及相关的方法。
在操作员界面装置400的启动期间，以及当以后需要时，表面位移变换器1的控制器210可以通过信号线212和/或214，把可得于非易失性存储器230的各种系统操作参数输出至图14中所示的操作员界面装置400的输入/输出接口480。这些输入操作参数可以向操作员界面装置400的操作和所显示的值提供各种参数，或者可用于更新或替换最初从操作员界面装置400的存储器500所提供的默认参数。表面位移变换器1的控制器210还可以通过信号线212和/或214把所确定的位置测量输出至图14中所示的操作员界面装置400的输入/输出接口480。当需要时，控制器210还可以从数字信号处理器250的内部存储器的当前图像部分输出当前图像数据，以及从数字信号处理器250的内部存储器的参照图像部分输出参照图像数据，以存储在存储器500中和/或由显示器410加以显示和/或用于操作员界面装置400所执行的各种计算或其它操作。每当在表面位移变换器1中对图像进行更新时，均可以在操作员界面装置400中对它们加以更新。如果希望，可以把当前(最新)参照图像保留在存储器500中，使得在之后，例如电源中断之后，参照图像能够恢复和/或下载至表面位移变换器1，以提供允许把表面位移变换器1重新定位在相应于该参照图像的精确位置的参照图像。控制器210可以通过图13中所示的RS-232数据总线212输出位置测量，以及通过图13中所示的USB 2.0数据总线214输出图像数据。例如，使用先前所描述的示例性商业部件，控制器210能够以50Hz的帧速率输出图像数据和以100Hz的速率输出位置测量。然而，更一般地讲，任何具体实施例中所使用的部件的能力会限制这些速率。显示器驱动器460可以驱动显示器410，以显示图像数据和位置测量。
因此，两条或两条以上的信号线212和214可以把操作员界面装置400与表面位移变换器1相耦合。操作员界面装置400可以经由鼠标器440或键盘450接受与候选像素地址窗口的位置有关的操作员输入。操作员界面装置400可以经由RS-232数据总线212或USB 2.0数据总线214，把所输入的值发送至表面位移变换器1。作为对新候选像素地址窗口的选择的结果，可以把表面位移变换器配置成从检测器阵列160仅获取像素的该子集，因此，显著提高了设备的测量速度。
也可以使用操作员界面装置400来按其它方式配置表面位移变换器1。例如，参照图11，可以把提供至操作员的、用于选择影响图像的参数的各种选项输入至使用界面装置400的界面。然后，界面装置400把所选择的值传输至信号生成与处理电路200的控制器210，接下来，当获取下一个图像时，信号生成与处理电路200实现所选择的值。例如，也可以与控制器210、光源驱动器150以及数字模拟转换器180相结合来使用操作员界面400，以控制光源130的操作条件。例如，如果操作员选择增大屏幕403的面板424上的光源驱动电流，则控制器210将把该命令传输至数字模拟转换器180，然后，数字模拟转换器180可以生成适当的模拟信号，并且将其传输至光源驱动器150，如以上参照图13所描述的。
操作员界面400可以经由鼠标器440或键盘450接受来自操作员的输入。可以使用鼠标器440，或者通过指向显示器410上的位置来定位像素地址窗口的位置，或者选择操作员界面屏幕401～404上的任何数目的按钮。
尽管已说明和描述了各示例性的实施例，但实际上存在着用于选择像素地址窗口的各种各样众多的像素地址窗口尺寸、像素相关区域尺寸以及标准。尽管已参照斑点光学位移变换器或绝对光学位移变换器而描述了各种操作与特性，但此处针对各实施例所描述的各种操作与特性也适用于与其它检测器与变换器的各种组合。被描述为操作员界面装置上可用的许多选项仅为示例性的，并且应该认识到，取代或除了此处所描述的选项，也可以提供任何数目的其它选项。在本发明的构思与范围内，可以进行各种修改与替换等。
权利要求
1.一种控制表面位移变换器的装置，包括输入设备，允许操作员选择参与由表面位移变换器进行的表面位移测量的检测器的像素子集的位置；显示器，显示表面位移变换器所获得的图像、以及所选择的像素子集的位置；以及控制器，计算与像素子集的每一个所选择的位置相关联的至少一个品质因数。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述输入设备包括鼠标器、定位器、控制杆以及键盘的至少之一。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述品质因数基于图像强度、图像均匀度、图像对比度、相关质量、图像照度以及图像曝光度的至少之一。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述品质因数基于包括在子集中的多个组的4个最近相邻像素内的像素值。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述输入设备还允许操作员选择更新参照图像之前所允许的最大位移、和更新该参照图像之前的时间间隔的至少之一。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器根据针对多个候选位置中的每一个的至少一个品质因数的比较，来选择针对像素子集的第一位置。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述显示器显示与输入设备所选择的像素子集的每一个位置相关联的至少一个品质因数。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括存储器，存储像素子集的所选择的位置。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述表面位移变换器包括使用指示位移的扩缩模式的由不连贯光源所照射的绝对表面位移变换器、和使用光色散表面和连贯光源的斑点位移变换器的至少之一。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述像素子集包括检测器的最多大约70％的像素。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述像素子集为256行×256列的像素集。12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述输入设备允许操作员输入针对表面位移变换器的光源控制和图像曝光控制的至少之一的一或多个操作参数。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述输入设备还允许操作员选择由表面位移变换器所输出的数据包的内容。
14.根据权利要求1所述的装置，还包括RS-232串行连接和USB连接的至少之一。
15.一种系统，包括权利要求1的装置；以及表面位移变换器，其中，所述表面位移变换器包括数字信号处理器和控制器。
16.一种通过表面位移变换器来测量表面位移的方法，包括把来自光源的光束导向目标表面；把来自目标表面的光束反射至检测器上的光束点，所述检测器包括多于参与表面位移计算的子集的多个像素；根据与像素子集的第一位置相关联的至少一个品质因数，来确定像素子集的第一位置；以及存储像素子集的位置。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括调整像素子集的位置；确定所调整的位置的至少一个品质因数；把参与表面位移计算的像素子集的位置设置到所调整的位置；以及根据像素子集测量表面位移。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述品质因数包括图像强度、图像均匀度、图像对比度、相关质量、图像照度以及图像曝光度的至少之一。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括显示参照图像和实况图像的至少之一；以及显示参照图像和实况图像的至少之一中的像素子集的第一位置。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括显示与所显示的第一位置相关联的所述至少一个品质因数。
21.根据权利要求17所述的方法，还包括显示像素子集的所调整的位置；以及显示与所调整的位置相关联的所述至少一个所确定的品质因数。
22.根据权利要求19所述的方法，还包括显示确定图像质量的至少一个参数；输入确定图像质量的至少一个参数的参数值；以及根据该参数值获得图像。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述参数为光源控制和图像曝光控制的至少之一。
24.根据权利要求17所述的方法，还包括显示表面位移测量。
25.根据权利要求16所述的方法，还包括输入确定更新参照图像的间隔的至少一个参数的参数值；显示所述至少一个参数；以及按所确定的间隔更新参照图像。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述间隔是时间间隔和位移间隔的至少之一。
27.根据权利要求16所述的方法，还包括显示将从表面位移变换器传输的数据包的内容；输入对该数据包的内容的选择；以及从表面位移变换器传输所选择的内容。
28.一种通过表面位移变换器来测量表面位移的装置，包括装置，把来自光源的光束导向目标表面；装置，把来自目标表面的光束反射至检测器上的光束点，所述检测器包括多于参与表面位移计算的子集的多个像素；装置，根据与像素子集的默认位置相关联的至少一个品质因数，来确定像素子集的默认位置；装置，存储像素子集的位置。
29.根据权利要求28所述的装置，其中，所述检测器包括比参与表面位移计算的子集至少多40％的多个像素。
全文摘要
一种操作员界面装置及相关联的方法，可允许操作员选择和验证图像相关型的位移变换器的各种操作参数。可以定义来自检测器阵列或照相机的像素子集，以参与图像相关位移测量计算。
文档编号G06F3/00GK1834579SQ20061005920
公开日2006年9月20日 申请日期2006年3月15日 优先权日2005年3月15日
发明者安德鲁·M·帕茨沃尔德, 贾森·S·哈特曼, 斯蒂芬·G·A·斯梅尔, 本杰明·K·琼斯 申请人:三丰株式会社