专利名称：提高基于散斑图像的相关位移传感器精度的系统和方法
技术领域：
本发明涉及位移传感器，特别是涉及基于散斑图像的相关位移传感器。
背景技术：
许多已知设备利用散斑图像和散斑图像之间的相关性来确定变形和/或位移。散斑图像是通过由一个光源照亮一个光学漫射表面所产生的。通常，这个光源是一个干涉光源，更确切地说是一个产生激光的光源，如激光器、激光二级管或类似光源。光学漫射表面被光源照亮后，从光学漫射表面散射的光线成像到一个光学传感器上，如电荷耦合器件(CCD)、半导体图像传感器阵列，如CMOS图像传感器阵列或类似设备。
在光学漫射表面发生位移或形变之前，第一个散斑图像被捕获并被存储。随后，在光学漫射表面发生形变或位移之后，第二个散斑图像被捕获并被存储。前后两个散斑图像逐个像素进行比较。特别是要进行多次比较。在每一次比较中，前后两个散斑图像彼此之间存在相对偏移量，而且在每次比较之间偏移量增加一个图像单元或像素。在每一次比较中，前一图像的某一特定像素的图像值(依据偏移量)乘以相应的后一图像的像素，或从后一图像中减去，所有像素所累积的结果用来确定一个相关值。当一组相关值依据偏移量被绘制出来时，在前后两幅图像之间具有最佳相关值的偏移量将产生一个峰值或波谷。
例如，美国专利No.4794384公开了一种鼠标，其利用散斑图像的相关性来确定鼠标的二维运动方向。然而，在No.4794384专利中，散斑图像的相关不必在高速率和高精度下执行，只需在毫米范围内就可以了。
美国专利No.4967093公开了一种利用散斑图像相关性测量物体形变的系统和方法。特别是，No.4967093专利详细地描述了多种常规方法，这些方法比较两个散斑图像并确定何时用新的参考散斑图像来更新当前的参考散斑图像。同样，已公布的日本专利申请8-271231，公布于1996年10月，公开了在基于散斑图像的位移测量中避免累积误差的其他一些方法。
日本专利申请No.5-52517，公布于1993年3月，公开了一种基于散斑图像的位移计，该位移计利用了切割盘5中的矩形或椭圆形的切口51。从激光源发出的光束在照亮光学漫射表面之前先要穿过这个切口51。这样，光束通过切口51被成形。成形后的光束在以高灵敏度测量的主要位移方向上允许有一定量的位移，同时，相对于主位移方向的垂直位移方向上的位移分量不至于影响测量。
发明内容
本发明提供了一种提高基于散斑图像的相关位移传感器精度的方法。这里公开的方法对于减少或消除以前被忽略或未意识到的基于散斑图像的相关移位传感器的误差尤为有用，当系统测量分辨率和精度达到亚微米级别时，这些误差将变得非常明显。这里所公开的方法对于提供100纳米、10纳米、甚至1纳米或更小的数量级上的有意义的测量分辨率和/或精度的多种基于散斑图像的相关移位传感系统尤其有用。
根据本发明的一个方面，散斑亮度图案被稳定下来，以减少亮度图案中由于除位移之外的其他原因所引起的单个散斑的调制，并避免了由于图像的随机性而使得相关函数峰值朝着使相关函数噪声值增大的方向会聚，换句话说，通过确保在不出现移动的情况下，这个散斑图像不会随时间发生显著变化，从而使系统达到高精度。这是很重要的，因为基于散斑图像的相关移位传感器是通过计算(存储在存储器内的)参考图像和当前图像之间的相关值来操作的。移位是通过使用内插法找到子像素精度的相关值曲线的峰值来确定的，而且为了获得最高精度，除了期望引起的位移效果外，图像必须稳定。特别是，对于以下讨论的特定来源和/或类型的图像不稳定性，在图像范围内不同散斑的调制相位是趋于随机的。换句话说，整个图像不会在亮度上进行调制，而是相对于图像中其他部分的随机相位，对图像中的不同部分(例如单个散斑)进行调制。这种类型的不稳定性的效果将会降低相关函数峰值，也就是，相对于噪声(不是电子噪声，而是由于图像随机性而产生的固有相关函数噪声，它在远离相关曲线的波峰(或波谷)的偏移量值处产生一个名义上的非零“背景”相关值)减少了峰值高度。这主要减小了相关“信号”的信噪比(S/N)，并将会导致系统精度和可重复性的降低。因此，通过减少或者消除这种类型的图像不稳定性，能够提高系统精度和可重复性。
根据本发明的另一个方面，通过减少或者补偿移位传感器系统的干涉光源波长的变化，散斑图像可以被稳定下来。此处所使用的术语“光”包括任何可见和不可见的辐射波长。在一个实施例中，相干光源是一个激光二极管。波长变化可引起图像“漂移”或散斑空间相位调制。因此，减少或补偿波长变化能够使图像稳定。
根据本发明的另一个方面，通过将散斑生成表面放置到靠近或者与光学移位传感器的光学系统的焦平面相一致的地方，可以使散斑图像和测量结果精度达到稳定，而不受波长变化影响。
根据本发明的另一个方面，通过沿着与至少一个测量轴方向成至少70°角的方向照亮散斑生成表面，可以使散斑图像和测量结果精度相对于所述的一个测量轴方向达到稳定，而不受波长变化影响。
根据本发明的另一个方面，通过沿着与至少一个测量轴方向垂直的方向照亮散斑生成表面，可以使散斑图像和测量结果精度达到稳定，而不受波长变化影响。
根据本发明的另一个方面，通过沿着与散斑生成表面垂直的方向照亮散斑生成表面，可以使散斑图像和测量结果精度达到稳定，而不受波长变化影响。
根据本发明的另一个方面，一个热电冷却器可以用来稳定温度和相干光源的波长。相干光源的温度波动有时是在系统开启和预热过程中出现的，有时是在系统已经达到稳定状态后由周围环境温度变化而引起的。因此，通过使用一个热电冷却器来稳定相干光源的温度，能够减少波长漂移。
根据本发明的另一个方面，相干光源的波长可通过测量波长及提供反馈被稳定下来。换句话说，一旦一个波长被测量，并且当比较该波长与一个理想波长时所产生的误差信号被反馈给相干光源系统，则根据这个误差信号反馈来改变温度或电流，以达到控制波长的目的。在一个实施例中，温度的改变可能优于电流的改变，因为电流的变化可能会对电源产生不利的影响。
根据本发明的另一个方面，相干光源的功率和/或照明亮度被稳定下来。
根据本发明的另一个方面，通过利用来自一个外部光栅的光学反馈可以稳定波长。这个光栅可以被放置在与一个所发射的光束成一个角度的位置处，入射到光栅上的一部分波长可以被反馈到相干光源系统。所述光栅反馈回指定波长的光，该波长是由光栅倾斜度和光栅角度所决定的，以使激光的波长稳定在该波长处。
根据本发明的另一个方面，当系统稳定和能够被使用时，将给出一个指示信号。换句话说，由于在系统预热过程中，在读取头(readhead)内(相干光源的)温度变化相对比较大，产生图像的不稳定性。因此，当预热过程接近完成并达到稳定状态时，将给出一个指示信号，从而抑制了潜在的不稳定图像的使用。
根据本发明的另一个方面，通过比较指定时间间隔内获得的图象，可以监控预热过程。在一个实施例中，通过将读取头保持在一个固定位置并且启动系统，预热过程开始。然后，第一帧图像被捕获，经过一个时间间隔后，第二帧图像被捕获。对这些图像进行比较，以确定相关性，并且必要时重复这个过程。当连续图像之间的相关性已经足够高和/或稳定了，则认为该系统已经了完成预热过程，此时向用户或主机系统提供一个指示或信号(例如，读取头上的灯变绿，或者一个信号被输出到主机系统)，以表明系统已经稳定并且可以使用。
根据本发明的另一个方面，基于散斑图像的相关位移传感器被如此设计和/或安装使得一个用于使散斑成像的光轴能够在名义上垂直于产生散斑的表面并垂直于一个位移测量轴。
根据本发明的另一个方面，基于散斑图像的相关位移传感器的一个稳定元件是由一个安装位置高度监视系统组成的，当这个读取头的焦平面足够接近产生散斑的表面时，这个系统会提供一个信号。
根据本发明的另一个方面，当安装位置的高度被不断变化时，这个安装位置高度监视系统也不断地确定一个参考图像和一个当前图像之间的位移值，其中获取所述参考图像和当前图像，同时使读取头相对于沿着测量轴的表面的位移保持固定，安装位置高度监测系统根据一个或多个位移值来确定何时读取头的焦平面已经足够靠近该表面。
根据本发明的另一个方面，当基于散斑图像的相关位移传感器被放置在相对于产生散斑的刻度表面的一个固定位移位置时，在读取头最初被开启后的至少12小时的操作周期内，这个读取头能够提供相对其平均值来说变化范围不超过+/-50纳米的位移值。
本发明前面叙述的各个方面及许多附带的优点通过以下与附图相关的详细描述将会变得更易于被接受和理解。其中图1是一个根据本发明的散斑图像相关2D光学位置传感器的结构框图；图2A和2B分别是图1所示的2D光学位置传感器的一个实施例的端视图和侧视图；图3是使用根据本发明的散斑图像相关位置传感器所形成的散斑图案；图4描述了当图像在连续像素位移中发生二维偏移时，第一和第二个散斑图像的比较结果，该比较结果是使用常规的比较技术和常规的差分相关函数得出的；图5描述了当图像在沿着测量轴的不同像素位移中发生偏移时，第一和第二个散斑图像的比较结果，该比较结果是利用差分相关函数的一个绝对值得出的；图6描述了相关质量的定义；图7描述了激光波长与容器温度之间的关系；图8描述了相关质量与波长之间的关系；图9描述了相关质量与光照亮度减少量之间的关系；图10描述了位置输出变化或误差与光照亮度减少量之间的关系；图11描述了由波长变化引起的散斑位移的情况；图12描述了位置输出漂移或误差与光源温度之间的关系，其中有两个不同的光照角度；图13描述了对于散斑生成表面相对于读取头焦平面的不同偏移量而言，位置输出变化或误差与温度的关系；图14描述了稳定散斑图案的程序流程图；图15是描述了稳定激光二级管波长的过程流程图；图16是描述了利用热电冷却器使温度和相应的激光二极管的波长稳定的过程流程图；图17是描述了利用激光二极管系统的波长的反馈来控制波长的过程流程图；图18A是描述了利用来自外部光栅的反馈来稳定激光二极管波长的过程流程图；图18B是用来完成图18A所示过程的光学组件；图19是描述了当散斑图像已经稳定时提供反馈的过程流程图；图20是描述了在系统可用时向用户或控制系统提供反馈的过程流程图；图21是描述了在安装位置被调整到适于适用时向用户或控制系统提供反馈的过程流程图。
具体实施例方式
图1是一个2维(2D)光学位移传感器100的结构框图，根据本发明，该光学位移传感器可用于一个光学散射或光学漫射表面，以进行2D位移测量。图1所示的这个2D光学移位传感器100包括一个读取头126、信号发生和处理电路200和一个2D刻度板110。这个2D刻度板包括一个光学散射或光学漫射表面300，该表面可以和刻度板110组成一个整体和/或不可区分地组合在一起，或者包括一个附加的或被处理过的表面。在图1中，读取头126的组成元件、以及它们与2D刻度板和表面300的关系，示意性地显示在通常与示例物理配置相一致的布局图中，如下面所进一步描述的。
下面参照图3详细描述，这个光学散射或光学漫射表面300能使照亮表面300的光线发生衍射或散射。这样，当表面300被照亮并且使光线朝着一个光检测设备，如照相机、电子或数码相机、CCD阵列、CMOS光敏元件阵列或类似设备发生散射时，这些散射光形成一些区域，在这些区域中，光学散射或光学漫射表面300使得被衍射的光波在光检测设备的像平面上发生正向或负向的叠加或干涉，这取决于它们在像平面每一个位置的相对相位。因而，如图3所示，由光检测设备所获取的图像将包含一个图案300A，该图案中在衍射光波正向叠加的区域是相对明亮的斑点或散斑，而在负向叠加的区域则是相对较暗的散斑。
由光检测设备所获取的图像具有一个亮度图案300A，它主要取决于能使光检测设备捕获的光线发生散射的表面300的一部分、以及光路的特性。尤其是，表面300的任意一个被照明的特定部分所产生的亮度图案300A都是与该光学散射或光学漫射表面300的这个特定部分的特定表面结构相对应的一个相应的特定随机构成的图案。特别的是，光学散射或光学漫射表面300不必被约束或者用一个预定的或常规的图样有意进行布图。因此，这个和表面300的任意一个被照明的特定部分相对应的特定亮度图案并不依赖于在表面300上放置一个预定的或结构化的图样。相反地，表面300只需要具有一个可操作的光学散射或光学漫射表面特性。在美国专利No.6642506和美国专利申请09/921889；09/860636；09/987162和09/921711中，详细描述了这样一种系统工作的各种设计情况和方法。此处所引用的这些专利均被并入以整体作为参考。
回到图1，散斑读取头126包括一个向光学漫射表面300输出光线134的光源130。从表面300散射的光线形成散斑。这些被散射的光线在一个图像检测器上成像，同时所述图像被捕获并被存储。随后，第二个图像被捕获并被存储。这两个图像在一个位移方向上根据不同偏移量处的相关性重复地进行比较。具有最高相关值的比较结果能够被用来确定读取头126和表面300之间的位移量，该位移出现在捕获上述两个图像之间。
在操作中，刻度板110的表面300在邻近读取头126的一个照明端和接收端处放置，这样，当表面300被由光源130产生并从读取头126的末端发射出的光线134照亮时，发射光134被表面300上被照亮的、且与位移相关的那部分朝着放置在读取头126末端的图像接收光学元件162的方向反射。这个2D刻度板110的表面300被放置在与光源130和安装在读取头内的一个光学系统之间通常为恒定距离处。这个2D刻度板110的表面300相对于读取头126沿着相对运动的两个轴移动，如图1所示，沿着第一个测量轴方向111和第二个测量轴方向112移动。
在垂直于第一和第二个测量轴111和112的第三维上的相对移动通常是受限制的，例如，通过将常规的导轨或轴承(未示出)安装到一个框架上，以维持读取头126和表面300之间合理的相对距离或间隙。这个读取头可能包括对齐特性(未示出)，该特性有助于安装读取头126，并使读取头126的内部元件相对于安装框架和/或所期望的相对移动轴111和112对齐。
如图1所示，读取头126的光学系统包含一个透镜140，该透镜位于读取头组件160的照明和接收端处，这样，透镜140的一个光轴144通常和表面300中照明区域对齐。在图1所示的示范实施例中，这个读取头还包括一个带有光圈152的针孔光圈挡板150，这个挡板沿着光轴144与透镜140保持一定距离，该距离和透镜140的焦距f相一致。读取头还包含一个具有由图像接收光学元件162组成的阵列166的光检测器160，它沿着光路与光圈挡板150保持一定距离，如图1所示。这种远心排列(telecentric arrangement)使得这个光学系统的放大率近似地不受从透镜140到表面300的物距g的限制。
在各种实施例中，如果物距g被控制得足够好，例如使用精密的轴承或其它类似的元件，可以省去光圈挡板150。光检测器160可包含任意已知的或者后来开发出的光敏材料或设备，这些材料或设备能够被组装成一个独立的单个光敏元件的2D阵列，如像照相机、电子或数码相机、CCD阵列、CMOS光敏元件阵列或类似设备。
下面详细描述2D刻度板110的表面300及读取头(包含透镜140、光圈挡板150、和光检测器160的像平面)的示例性的间隔和位置。如果光源130、透镜140、光圈挡板150和光检测器160以相对精确和稳定地方式来安装，则可根据微型光学系统和/或工业照相机构建的常规方法将上述元件安装在读取头的外壳中。当读取头126被适当放置在邻近刻度板110的表面300的位置处，由光检测器160所获取的每个图像将包含一个特定的散斑图像，该散斑图像是由表面300的一个相应的特定2D部分所产生的。
另外，读取头126包括信号发生和处理电路200的至少一部分。如图1所示，来自信号发生和处理电路200的一条信号线132连接到光源130，用来控制和/或驱动光源130。信号线164将光检测器160与信号发生和处理电路200连接起来。特别地，阵列166中的每个图像元件162可以被单独编址，并通过信号线164向信号发生和处理电路200输出一个表示图像元件162亮度的值。信号发生和处理电路200的其他部分可以被放置在远离读取头126的地方，读取头126的功能能够被远程操作和显示。
如图1所示，光束134由光源130发出，并直接照亮表面300的一部分。结果，表面300被照明的部分使可操作的光136朝着光轴144反射，光线136的具体结构取决于表面300的被照亮部分的特定结构。
图2A和2B分别是光学位移传感器100’的端视图和侧视图，它是图1所示2D光学位移传感器100的一个示例性实施例。如图2A和2B所示，在一个读取头126’中，光源130是一个激光二极管。来自光源130的光束134被表面300反射。可操作的反射光束136沿着光轴144传播，穿过透镜140，并作为光束142被投射到针孔光圈挡板150的一个光圈152，然后到达第一个反射镜158。光束142被第一个反射镜158反射到第二个反射镜159。光束142被第二个反射镜159进一步反射到检测器160的像平面上。值得注意的是，只有光束134、反射光束136和光束142的中心轴被显示在图2A和图2B中。通常，光束134和136的射束直径大于光圈152，因此光圈152是光学系统的受限光圈。
在各种示范实施例中，光束134和可操作光束136的光轴在垂直于表面300的平面内彼此之间近似成45度角。特别地，在各种示范实施例中，读取头126’的光学系统的光轴垂直于表面300所限定的平面。第一和第二个反射镜158和159分别将光束136的方向改变90度。在各种示范实施例中，表面300和透镜140的有效平面之间的距离L2大约为5.5mm。透镜140和光圈152之间的距离L3大约为4.5mm。第一个反射镜158和光圈152之间的距离L4大约为4.1mm。第一个反射镜158和第二个反射镜159之间的距离L5大约为23.7mm。第二个反射镜159和检测器160之间的距离L5大约为5.3mm。然而，一般来说，当读取头采用其他的照明角度、光轴、镜子角度和不同尺寸时，本发明的某些方面也可使用。
图3描述了一个使用根据本发明的散斑图像相关光学移位传感器所形成的散斑图案300A。如上所述，当相干光照亮表面300时，就会形成一个类似散斑图案300A的图像。因此，邻近表面300A放置的一个光检测设备所获取的图像包含一个如散斑图案300A这样的图像。在第一个散斑图案图像或参考散斑图案图像被捕获和存储之后，第二个或后续的散斑图案图像被捕获和存储。这两个图像根据沿着一个或两个位移方向的不同偏移量处的相关性进行重复比较，这取决于应用中所使用的相对位移轴或维的数目。具有最高相关值的比较结果表明了在两个图像捕获期间读取头126和表面300之间发生的位移。如上所述，在所并入的No.6642506专利和其它所并入的参考文献中更详细地描述了这个过程。
图4是差分(AVD)相关函数400的一个绝对值的图示，该绝对值是通过将一个经过位移的图像和一个参考图像进行相关而获得的，其中，这个经过位移的图像在二维方向上相对于所述参考图像被移位。因此，如图4所示，相关函数400向二维扩展。通过以下描述的一维相关函数，如下面所描述的相关函数500，可以类似地理解二维相关函数400，而且当使用下面参照一维相关函数所述的系统和方法时，相应的2维光学位移传感器的测量稳定性和测量精度同样能够提高。
图5是描述了当图像沿着一维方向在不同像素位移处发生偏移时，第一和第二个散斑图像根据差分相关函数的一个绝对值进行比较的结果的图示500。如图5所示，真正的连续相关函数505的极值出现在一个“峰值偏移量”或“峰值位移”处，这与相关函数极值点504是没有区别的。然而，一般来说，这个极值不会出现在像素间隔整数倍的偏移量处，因此它通常与一个相关函数的极值点不符。因而，峰值偏移量或峰值位移通常是通过估计或“内插”相关函数值点之间的连续相关函数峰值的位置来确定的。在共有的、在此并入作为参考的美国专利申请No.09/731671中所公开的系统或方法，或者任何其它适当的方法，可以用来估计峰值区域502附近的所选相关函数值点501组中的实际峰值偏移量或峰值位移的x轴坐标值(和/或y轴坐标值)。在一些示范实施例中，极限相关函数值点504的相关函数值(由直线507来表示)可以与噪声等级值或平均值506结合使用，用来对区域502中的相关函数值点进行归一化，这样，这个相关函数值点501组就能够根据一个经过归一化的取值范围来选择。真正的或精确的峰值偏移量或峰值位移的x轴坐标值(或y轴坐标值)用直线503来表示，该直线在平行于R轴的方向上延伸，并与真正的连续相关函数505的极值点相一致。假定真正的连续相关函数505在峰值区域502内是对称的，直线503为对称轴，并且直线503上的任意一点表示这个真正的连续相关函数505的峰值偏移量或峰值位移的x轴坐标值，这可以在子像素精度范围内被发现，如’671专利申请中所公开的方法。值得注意的是，在各种应用中，这个子像素精度的精度和/或分辨率可对应于10纳米或更小的数量级。此处所公开的这个精确的系统和方法对于得到如此高等级的精度和/或分辨率是很有用的，这是通过提供所需的超稳定的散斑图像和高相关质量来实现的。更普遍的是，前面所涉及的相关技术，或者任何已知的或后来开发的其它相关技术、图案匹配技术、模板匹配技术等等，都能被用来提供一个高精度的1D或2D位移测量，根据此处所公开的稳定图像的系统和方法，提高了位移测量的精度。
术语“相关质量(CQ)”在此处既具有通常的含义又具有特殊的意义。在每种情况中，这个术语“相关质量(CQ)”类似于一种相关类型的光学位移传感器的有效信噪比。在通常含义的情况下，当相关峰值区域相对比较狭窄并且其峰值相对较为极端时，也就是说，相对于噪声等级或相关函数的平均值的值较低(或者较高，这取决于所使用的相关函数)，CQ通常比较高。当CQ较高时，意味着这种相关位移测量的分辨率和精度通常是比较好的。图6是描述了当CQ用在特殊含义的情况下的相关质量的定义的图示。参考图6，对于一个AVD相关函数，CQ根据下面的等式来定义CQ=1-rextremeravg]]>(等式1)对于在多个附图中所示和此处所描述的CQ数量值，ravg被定义为5个极值相关点ri-r5的平均值，而rextreme是这5个数值中最极端的值。这就提供了一种AVD相关函数低谷的相对深度的量度。CQ取值范围在0到1之间。接近1的CQ值表示一个较好的或较低的AVD低谷(最佳的或最陡峭的峰值)，而CQ＝0则表示没有低谷(即没有相关峰值)。对于一个类似的2D相关峰值测量，可以使用具有25个极值相关点的一组数据。
当存在“噪声因素”时，CQ的值通常较低，这就是说，除了位移之外的其它因素引起了一对相关图像之间的变化。对于散斑图像位移传感器来说，一个重要的噪声因素是照明光源的波长的变化或“漂移”。而引起波长变化或漂移的一个原因是照明光源温度的改变或漂移。
图7是描述了一个典型的半导体激光器发射的激光波长与容器温度之间的关系的图示。所示的图示一般呈增长趋势，从容器温度为-10℃、相应的激光波长约为667纳米增加到容器温度为50℃、相应的激光波长约为679纳米。该图每摄氏度大约包含一个“模式跳跃(mode-hop)”，在每个模式跳跃期间，发生大约0.2纳米的波长漂移。这种由温度造成的波长漂移和模式跳跃能够引起CQ的衰减，并且相应增加了测量误差，如下面进一步讨论的。
由于波长变化或漂移使得CQ值减小的一个原因是当激光波长变化时，一个特定散斑的亮度(如由一个检测器阵列在像平面内所观测到的)趋向于随着这个波长进行周期性的调制。例如，使用一个简化的2级粗糙轮廓来建模的一个表面，该调制为正弦曲线。以下的通用等式描述了当照明和光轴都垂直于这个表面时，一个特定散斑是如何随着波长进行调制的。对于一个简单的2级系统，其高度差为ΔzI=(1+A·Sin2πΔzλ)]]>(等式2)通常，如果平均粗糙高度是ΔZ，那么当波长λ改变了δλ＝λ(λΔZ)时，散斑亮度将会经历一个完整的亮度周期。对于一个粗糙度为10微米的表面且λ＝600纳米来说，λ的很小的改变对应于一个完整亮度周期的6％。这样，值得注意的是照明光源的波长的相对较小的变化就能够导致散斑亮度图案发生很大的变化。
对于一个典型的常规粗糙轮廓来说，调制将复杂得多。对于一个比较理想化的粗糙轮廓来说，散斑亮度的变化大致如下I=Σi(1+Ai·Sin2πΔziλ)]]>(等式3)这里，和值i在来自每“i”个对给定散斑亮度有贡献的物体粗糙度区域特性的有效散斑光贡献值中扩展，Ai(0＜Ai＜1)是一个参数，该参数描述了具有一个高度差ΔZi的每个粗糙度区域特性的相对贡献。
由于特定波长的变化所引起的散斑调制的数量还取决于相对于表面的照明角度。以下是一个通用近似等式，显示了当照明轴不垂直于表面(但是光轴垂直于表面)时，给定散斑的亮度是如何随着波长变化的。此处θ是照明光束和表面法线之间的角度，r是一个散斑单元的半径I=Σi(1+Ai·Sin2πΔziλCosθ)(1+Sin(r·Sinθλ))]]>(等式4)因为对于明显为非直角的入射角来说，r*sinθ远大于λ，因此，在入射角θ比较大的时候，亮度的变化也通常比较大。这样，取决于特定散斑单元，在一些情况下，使用垂直入射角照明(sinθ＝0)是很有利的，可以减小散斑亮度调制。
值得注意的是，在该图像之内的不同散斑的调制相位完全是随机的，因为整个图像不会在亮度上进行调制，但是，该图像的不同部分(即单个散斑)相对于该图像的其它部分(散斑)来说，是以随机相位进行调制的。这样，波长变化的效果是引起了随机散斑调制，相对于噪声而言(不是电子噪声，但是由随机图像变化产生的相关函数噪声)，这将降低相关函数的峰值。因此这将会降低系统的分辨率和精度。
图8是描述了一些实验数据的图示800，这些数据表明了类似图2A和2B所示的一个光学位移传感器的一个AVD相关质量CQ与波长之间的关系。用来产生每个数据点的单个参考图像是在波长约773.7纳米处获得的。如图8所示，一个表示相关质量与波长之间的关系的数据点的集合801在波长约为773.2纳米、相应的CQ约为0.2处开始。图中显示数据点集合801的CQ值在波长约为773.7纳米处增加到最大值，相应的CQ值大于0.95。然后，图中显示这个数据点集合801的CQ值开始减少，最右边的数据点的波长约为774.2纳米，其相应的CQ值约为0.2。该图说明了当比较图像照明波长和参考图像的照明波长仅有一小部分不同时，相关质量就会显著下降。当参考图像和当前图像以同一波长获得时，出现最大相关质量值。CQ值的降低不仅会导致较大的测量不确定性，而且会降低测量精度。因此，为了获得尽可能高的有意义的相关值和最高的位移测量精度，稳定照明光波长是有利的，例如对于和图8所示的数据相对应的系统来说，照明波长最好能稳定在+/-0.2nm范围之内。
由于照明功率的变化引起整个图像亮度的减弱也能够导致CQ的减小。图9是模拟数据的图示900，该图描述了一个AVD相关函数CQ与亮度减少之间的关系，适用于类似图2A和2B所示的一个光学位移传感器。该图显示了两个不同的位移或相关位置，x＝0um(没有移位)和x＝55um(在这种情况下，位移相当于图像帧的一半)。更具体地说，直线901示出了在位置x＝0um处的CQ与亮度减少之间的关系，其中该直线在亮度减少量为0％、相关质量约为0.975处开始，在亮度减少量约为50％、相关质量约为0.81处终止。直线902表示位置x＝55um的情况，在亮度减少量为0％、相关质量约为0.86处开始，在亮度减少量为50％、相关质量约为0.81处终止。该数据表明，在通常情况下，一个相对理想的相关峰值会很快地由像素亮度差值所降低，而且由于照明亮度或功率的变化，这个像素亮度差值发生在整个参考和对照图像中。
图10是模拟数据的图示1000，描述了位置漂移或误差与亮度减少(对应于图9所示的位置x＝0um和x＝55um的数据)之间的关系。如图10所示，对于x＝0um这个位置来说，直线1001从亮度减少量为0％、位置误差为0um处开始，增加到亮度减少量约为50％，此时相应的位置误差约为0.055um。对于x＝55um这个位置来说，直线1002在亮度减少量为0％、位置误差为0um处开始，增加到亮度减少量约为50％、相应的位置误差约为0.010um。综合考虑，图9和图10的数据表明当CQ由于照明亮度变化而发生显著改变时，一个相对较大的误差位置漂移就会产生。相反地，当CQ的变化相对较小，那么误差位置漂移发生的几率也相对较小。这样，对于好的相关值和好的位移测量精度来说，稳定照明功率或亮度是有利的。例如，对于一个符合图9和图10所示数据的系统，在一个30％的变化范围内，误差少于约22纳米，在一个10％的变化范围内，误差小于5纳米，并且当照明亮度减少到10％以下时，这个误差继续成比例地下降。
除了前面提到的照明亮度或功率的变化对CQ有所影响外，另一个影响同样使得测量结果对波长的变化敏感。这个影响将直接导致散斑图案的改变。这种影响的简化形式的描述如图11所示，该图显示了两束相干光线的组成射束1101和1102，其中组成射束1101和1102平行于一个平面，这个平面平行于一个测量轴方向1107且垂直于散射平面300’的一个有效平面。组成射束1101和1102来自入射在散射平面300’上的一个相干波阵面。这两条射束至表面300’有一个路径差ΔD＝2α·cosα，这里2α是这两条射束在刻度平面300’沿着测量轴方向1107之间的间距，α是指定照明方向和测量轴方向1107之间的夹角，测量轴方向1107平行于表面300’的平面。当入射光的波长从λ1变化到λ2时，包含在路径差ΔD中的波长的数量通过如下等式中给定的N1的数量来改变I=Δλλ1λ22αcosα]]>(等式5)如图11所示，在组成射束1101和1102的平面内的散射光线1101’和1102’在距离表面300’高度为h的一个点1104处发生干涉。β是每一条散射光线1101’和1102’与一直线间的夹角，该直线位于散射光线1101’和1102’所在平面内，穿过点1104，并垂直于测量轴方向1107。当波长从λ1变化到λ2时，散射光线1101’、1102’与所得到的(最初在点1104处发现的)这个散斑亮度之间的相位关系将会沿着平行于距离表面300’高度为h的测量轴的方向移动一段距离d，到达点1106。因此，光线1102’将会被缩短一段距离，该距离大约为d·sinβ，而光线1101’将会增加相同的一段距离。包含在到达点1106的散射光线之间的光程差中的波长数目N2的值约为N2=2dsinβλ2]]>(等式6)对于很小的数字光圈(即a/h的值很小)，可以设sinβ=αh]]>(等式7)并且通过将N1和N2设置为相等，在距离表面300’高度为h且与测量轴平行的散斑漂移或位移的值d可以用下面的公式获得d=Δλλ1hcosα]]>(等式8)根据方程8可以看到，当光线照明方向与测量轴方向不垂直时，这个散斑像平面，也就是读取头的焦平面，位于表面300’之上的非零高度h处，在相关图像中，光波长的变化将引起散斑位置的改变或漂移，这样将会在沿着测量轴方向上产生一个位移测量误差。
图12是描述了位置漂移或误差与照明光源温度之间的关系的图示1200，对于激光二极管照明光源，波长温度灵敏度约为0.16nm/℃，光学位置传感器的配置类似于图2A和2B所示。光源温度的变化跨度接近7℃，即大约是从18℃到25℃，相应的照明波长的变化跨度大约是1.1nm，即从18℃时的652.8nm增加到25℃时的653.9nm。在这种情况下，读取头相对于光学散射或光学漫射表面保持固定，因此只有激光温度和与温度相关的波长发生变化。假定参考温度是22℃，图1200描述了对于在照明方向和测量轴方向之间的夹角α的两个不同值的散斑位置的误差，其位于垂直于刻度表面且平行于测量轴的一个平面内。在图1200所示的数据中，有效值h约为0.5mm。y轴表示在22℃时，从散斑位置开始的横向散斑的位移值，单位为纳米。
直线1201连接对应于α＝90°的一组数据点。这些数据符合等式8；表明当α＝90°时，即cosα＝0时，相对于温度和波长的整个变化范围，位置误差的变化小于约100nm。此外，位置误差和温度或波长的变化没有对应关系，这表明位置误差主要不是对这些要素敏感。相反，线1202连接对应于α＝45°的一组数据点，即cosα＝0.707，可以看出，此时位置误差与温度或波长的变化有对应关系，这表明位置误差对这些要素敏感，和等式8的结论一致。相对于温度和波长的整个变化范围，位置误差的变化大约是440nm，这个值在25％以内，和等式8所体现的简单模型估计出的变化大致一致。
因此，通过将读取头配置在一个照明角度α＝90°的位置，即刻度板表面沿着和测量轴垂直的方向被照亮时，与由温度变化引起的波长变化相关的位置误差就可以被减小或者消除。此外，照明方向还与刻度板表面垂直是特别有利的。对于2D测量系统的两个轴满足α＝90°的条件或维持期望的条件，尽管读取头在1D系统内发生偏离。然而，值得注意的是，即使设计条件限制了照明角度α不能等于90°，但α的值还是越大越好。例如，与α＝45°相比较，当α的值至少增加到70°时，由等式8可得，相对于波长的变化，散斑漂移的误差大约减少一半。因此，当照明角度α＝90°不能满足时，可以使α＝70°，这样可以得到一个减小与波长相关的误差的有效测量方法。
图13是描述了位置漂移或误差与照明光源温度之间的关系的图示1300，其对应于一个激光二极管照明光源(其波长温度灵敏度约为0.13nm/℃)和一个类似图2A和2B中所示的光学位置传感器。温度值的变化跨度大约是7℃，大约是从19℃到26℃，相应的照明光波长的变化跨度约为1.1nm，大约是从19℃时的653.4nm增加到26℃时的654.3nm。在这种情况下，照明方向和测量轴方向之间的夹角，即照明角度大约被固定在α＝37.5°，其位于一个垂直于刻度板表面且平行于测量轴的平面内。读取头相对于光学散射或光学漫射表面保持固定，因此只有激光温度和与温度相关的波长发生变化。假设参考温度是22℃，线1300描述了基于四个不同的高度值h的误差结果，该高度h位于被成像的散斑和产生散斑的光学漫射或散射表面之间。
可以看出，高度h是读取头的光学系统焦平面(即被成像的散斑的法平面)和光学漫射表面之间的距离。换句话说，高度h和光学漫射表面到焦平面的距离相等，因此，例如当读取头被调整到一个位置，以使其光学系统大致聚焦在光学漫射或光学反射表面上时，有效高度h接近于0。
直线1301连接对应于h＝0.0mm时的一组数据点，即读取头和光学散射表面之间的距离被设置为使得光学漫射表面与读取头的焦平面重合。这个数据符合等式8；可以看到，当h＝0.0mm时，相对于温度和波长的整个变化范围，位置误差的变化小于约75nm，对于被测量的高度值h，这是最小的变化，位置误差对于温度和波长的变化相对敏感。
相反，直线1302连接对应于高度h＝+0.5mm时的一组数据点，可以看到，位置误差与温度或波长的变化之间具有一致的关系，这表明位置误差对上述要素敏感，这与等式8相一致。相对于温度和波长的整个变化范围内，位置误差的变化小于约300nm。
同样，直线1303连接对应于高度h＝+1.0mm时的一组数据点，可以看到，和直线1302相比，位置误差对温度或波长的变化更为敏感，大约是与直线1302相比的敏感程度的两倍，这大致与等式8中所示的高度h成正比。大致在4℃的温度变化范围和相应的波长变化范围内，位置误差的变化大约为520nm。
此外，直线1304，连接高度对应于h＝-0.5mm的一组数据点，显示了与温度或波长改变的一致关系，与h(如等式8所示)的正值相关的敏感度进行比较，其符号相反。和整个温度和波长变化范围相关联的位置误差的变化接近600nm。这个灵敏度具有相反的符号，并且要强于直线1302所示的灵敏度，直线1302对应于相同的h值，但是符号相反。具有相反符号的灵敏度与等式8相一致，但是这个用来推导等式8的简单模型没有明确地考虑h的负值情况，也没有对观测到的这个较大的灵敏度值进行解释。然而，根据这种观测到的特性可知，将光学漫射表面放置在超出读取头焦平面的特定距离处的这种安装或排列方式所产生的波长灵敏度小于将光学漫射表面放置在读取头焦平面内相同距离处的安装或排列方式。因此，在某些应用中，当高度h预期将会发生较大的静态或动态变化时，为了减小整个系统潜在的误差，规定或尽量达到将光学漫射表面放置在略微超出读取头焦平面的这样一个额定安装位置是有利的，其目的是平衡由于额定安装位置的正和负偏离所引起的误差。然而，一般来说，等式8和显示在图13中的结果表明将光学散射表面放置在读取头的焦平面处的这种安装位置将会在名义上消除由于波长变化所引起的测量误差。因此，这样的额定安装位置在许多应用中是被优选使用的。当然，如果能够将垂直于测量轴和/或垂直于前面所述的光学漫射表面的照明角度与放置在读取头的焦平面处的光学散射表面相结合，所产生的一个光学位移传感器能够更可靠地减小由于波长变化所引起的误差。
由此可以得出，应用前面描述的有效的规则、设计方法和操作数据，以及各种的在商业上可得到的组件，还有下面要进一步描述的有效方法，当读取头相对于产生散斑的光学漫射刻度表面保持固定时，可以提供一个散斑图像相关位移传感器或读取头，当从读取头最初被开启后不超过1小时或30分钟或10分钟或更少的时间开始，在一个期望得到亚微分辨率测量的典型环境中的至少12小时工作周期内，它能够可操作地提供相对于其平均值变化范围不超过+/-50nm的位移误差值。此外，通过适当的工作，可以得到一个散斑图像相关位移传感器或读取头，在上面提到的不同的工作周期和环境条件下，相对于位移误差的平均值，该传感器或读取头可以提供变化范围不超过+/-25nm、或者甚至+/-10nm或更小的位移误差值。
图14是一个示出了稳定散斑图像的程序1400的流程图，在步骤1410，系统被开启，并且在图像检测器上产生一个散斑图案；在步骤1420，根据在此描述的一个或多个配置和/或规则，散斑图像相对于波长变化、照射亮度变化或类似要素被稳定下来；在步骤1430，捕获稳定的散斑图像，并用来执行误差计算。
除了前面描述的用于减小或“杜绝”与照射波长的变化相关的误差的技术外，当获取测量图像，可以通过减少照明波长和/或亮度的变化来提高光学误差传感器的精度和/或可靠性。图15是一个用于稳定激光二极管的波长和/或亮度的程序1500的流程图，在步骤1510，激光二极管被打开，并且向测量系统的刻度板输出光线；在步骤1520，激光二极管的波长和/或照明亮度通过下面描述的方法主动地稳定下来，或者通过使二极管的工作条件有效达到稳定状态而被动地稳定下来；在步骤1530，来自激光二极管的、由刻度板表面反射或传输光被图像检测器接收，并形成被捕获并用来计算位置的散斑图像。
图16是一个关于稳定激光二极管的温度和相应波长的程序1600的流程图，在步骤1610，激光二极管被打开；在步骤1620，一个热电冷却器(TEC)被用来稳定激光二极管的温度。应注意的是，为了达到稳定激光二极管的温度和相应波长的目的，多种类型和配置的热电冷却器及相应的控制电路都可采用。可以从多种途径来得到适当的小型热电冷却器及其电路设计，例如Supercool US Inc，819 aStreet，SanRafael，CA 94901中的TEC。在美国专利No.4631728中公开了一种示例性的温度稳定控制电路，在这里引用作为参考。
图17是一个利用波长反馈来稳定激光二极管波长的程序1700的流程图，在步骤1710，激光二极管被打开。在步骤1720，激光二极管的波长被监控，并将一个相关的控制信号反馈回系统；在步骤1730，通过改变激光二极管的温度或电流来控制激光二极管的波长。应该理解，在一些具体的实施例中，控制温度优先于控制电流，因为后者将会导致激光二极管的功率发生不利的变化，在“A SimpleEtalon-Stabilized Visible Laser Diode，JC Brasunas，Meas.Sci.Technol.13 No 8(2002年8月)N67-N71”中描述了一种合适的控制系统，在这里引用作为参考。
图18A是一个利用外部光栅来控制被应用在光学误差传感器中的激光二极管的波长的程序1800的流程图，在步骤1810，激光二极管被打开；在步骤1820，一个外部光栅被用来向激光二极管提供光反馈，其中所述光栅被放置在相对于所发射的光束成一定角度的位置，使得只有具有额定工作波长的特定波长的光能够沿着至激光二极管的光路被衍射回来。光栅只反馈回由光栅的倾斜度和入射角度精确限定的波长的光。
图18B表示了一个用来实现图18A所述方法的光学配置。图18B示出了一个微型光学组件1850，它沿着图2A所示的发射光134的路径放置。该光学组件1850包括一个分光器1851，以及一个放置在有一定角度的表面1853上的反射光栅1852，使得角度1854对应于期望光波长的Littrow角度。因此，该分光器使得沿着路径1855射向光栅1852的部分发射光134发生偏转，期望波长的光沿着路径1855’在Littrow角度处被衍射回来，并且被分光器1851反射到激光二极管光源中(未示出)，从而将其输出光稳定在期望波长上。
图19是当散斑图像已经稳定后，提供反馈的程序1900的流程图，在步骤1910，系统被打开；在判断步骤1920，判断散斑图像是否稳定在期望的程度，如果散斑图像没有稳定，则程序继续进行到步骤1930，在这里继续监控散斑图像的稳定性，然后回到步骤1920，如果在1920步骤散斑图像已经稳定了，则程序继续进行到步骤1940，在这里向操作者或主系统提供一个反馈，表明光学位移系统已经稳定在一个期望的程度，并且可以被使用。例如，反馈给操作者的信号可能包括在读取头上提供一个指示器LED，当系统可用时，LED开启发光，或者激活一台计算机显示器或与读取头通信的其他设备上的一个适当的显示单元。向主系统提供的反馈可以是兼容任何主机的输出信号。应该理解的是，可以通过监控多个要素中的任何一个要素来判断散斑图像是否已经稳定。这里的多个要素可以与已知表示散斑图像稳定性的阈值进行比较，举个简单的例子，可以通过实验来确定在系统开启后，在经过一段特定的预热时间后在额定工作条件下读取头操作稳定。在这种情况下，该预热时间可作为阈值，系统开启后所经过的时间可以通过系统时钟或类似方式来监控。
图20是向用户或主系统提供关于何时光学误差测量系统已经稳定并且可用的反馈信号的程序2000的流程图，在步骤2010，读取头被安装在相对于光学漫射表面固定的位置处；在步骤2020，系统被打开；在步骤2030，系统捕获第一个图像并将其存储到存储器中；在步骤2035，从第一个图像之后的ΔT时间，获得第二个图像。在步骤2040，程序计算第一和第二个图像之间的相关性峰值Rpeak，或者相关性的质量指标，如CQ等；在判断步骤2050，判断相关性峰值Rpeak或相关性的质量指标是否表明散斑图像或系统稳定性已经达到足够的程度，例如，可以通过判断Rpeak＞Ro或CQ＞CQo是否成立来实现，其中Ro和CQo分别表示相关性值的阈值和相关性质量指标的阈值，已知其对应于提供足够的误差测量精度的散斑图像或系统稳定性的等级。作为替代，通过判断两个连续的Rpeak值之间的差值或两个连续的CQ值之间的差值是否减小到表明达到足够“稳定状态”的值，比如在最初的系统预热阶段，由于温度变化逐渐减小而达到这种状态。如果在判断步骤2050，值Rpeak或相关性质量指标表明散斑图像或系统稳定性还没有达到有效程度，则程序回到步骤2030，或者存储最新的图像作为“第一个图像”，并回到步骤2050。如果在判断步骤2050值Rpeak表明系统已足够稳定，则程序继续进行到步骤2060，并且提供一个指示(比如在读取头上的一个灯亮，或者和主机兼容的一个输出信号被初始化)，以表示系统可以使用。
图21是向用户或控制系统提供关于安装位置的高度何时被调整到可以适当或充分适用的位置处的反馈信号的示范程序2100的流程图。如参照前面的等式8和图11、图13所说明的那样，当安装位置使得刻度板的光学漫射表面位于读取头的焦平面上时，将有效地减小由于波长的变化而导致的测量误差，这个安装位置可以由图21所示的程序获得，在步骤2110，读取头被安装在相对于光学漫射面的第一个/下一个高度位置上。在步骤2120，确保系统被加热到稳定状态，或接近于稳定状态，读取头相对于光学漫射面保持固定。在步骤2130，系统捕获一个参考图像，并将其存储在存储器中。在步骤2135，来自干涉光源的照明波长被改变一个期望的值，例如当安装位置没有充分调整时，这个值将引起不可接受的位移误差。对于一些应用，波长变化的值大致在0.5nm或1.0nm的数量级，但这个取值范围只是个例子，并非作为限制。然后捕获一个当前图像。在步骤2140，程序根据参考图像和当前图像计算位移值，由于读取头相对于刻度板保持固定，因此这个位移值就是由于波长变化引起的实际位移误差。应该理解，当读取头被放置在相对于刻度表面的适当高度位置时，也就是说，当读取头的焦平面与刻度表面充分接近时，这个误差值将非常小，或者被消除。
接下来，在判断步骤2150，确定在步骤2140所得到的误差值是否表明读取头的焦平面已经充分接近刻度平面，例如，可以将这个误差值于一个非常小的阈值进行比较，这个阈值的选择例如考虑了参考图像与当前图像之间的波长变化量，以及对应于当安装位置充分调整时的可接受的位移误差的量。例如对于有些应用，这个阈值大致可以等于在步骤2135中所应用的波长变化的100倍的数量级，然而，这个阈值只是个例子，而并非进行限制。如果确定了误差值表明读取头的焦平面没有足够接近刻度平面，则程序回到步骤2110。这发生在例如当位移值与阈值进行比较并且超过了阈值时。在另一个可选的实施例中，这例如发生在当位移值与在不同安装高度下获得的前一个位移值进行比较，并且发现这个位移值比前一个位移值大很多时。应该理解，在这样的实施例中，如果当前的位移值比前一个位移值小，则在相同的方向上继续进行安装调整步骤。相反，如果当前的位移值比前一个位移值大，则向相反方向执行安装调整步骤，这样，安装高度将接近于最佳位置。
如果在判断步骤2150中，确定所述位移值表明了读取头的焦平面已经足够接近于刻度表面时，程序继续进行到步骤2160，其中提供一个指示(比如在读取头上的一个灯亮，或者和主机兼容的一个输出信号被初始化)，以表明安装位置的高度已经被调整到适当或充分地适用。
作为对程序2110的替代，可以通过将干涉光源关掉，用足够亮的非干涉光源来照亮刻度表面，并且用读取头捕获普通图像而不是散斑图像，来将安装位置高度做适当的或足够的调整。基于普通图像可以确定与聚焦相关的特性。读取头可以被反复地调整，并且与聚焦相关的特性可以被反复地确定。当与聚焦相关的特性表明刻度表面被最佳地或者充分地聚焦之后，则表明安装位置的高度是适当的。例如通过对比方式识别充分聚焦的图像的方法是图像相关的技术领域中的普通技术人员已知的方法，因此在这里不再详细讨论。当然，也可以采用任何其他适当的已知的或将来要开发的方法来确定适当的安装位置高度。
应该理解，任何现在已知的或将来要开发的半导体激光源将会提供提高精度的其他措施，与图7相比，这种半导体激光源对工作温度具有更低的波长敏感度。任何这种激光源都可以和这里描述的系统和方法结合起来使用，VCSEL型的激光二极管可以被应用在不同的实施例中，以提供这样的激光源。
还应该理解，尽管在这里所公开的一些或全部的提高精度的系统和方法是单独描述的，但是在这里所公开的两个和更多的系统和方法通常可以结合起来使用，以提供具有更好的可靠性、稳定性和/或精度的光学位移传感器。如果要提供具有最高等级的可靠分辨率和/或精度，例如10nm数量级的具有意义的测量方案，和/或达到低于1nm或更小的数量级，这样的结合是特别具有优点的。
尽管在这里说明和描述了本发明的优选实施例，但只要在不偏离本发明的主旨和保护范围的前提下，可以做出各种变化。
权利要求
1.一种用于感知散斑图像相关的光学位移的读取头，该读取头提供散斑图案图像，用以确定沿着至少一个第一测量轴相对于一个元件的相对位移量，所述元件具有一个当用相干射线来照射时能产生散斑的表面，该读取头包括一个干涉光源，该光源发出的光束照亮所述表面的一部分，以产生与被照亮的这部分表面相对应的散斑图案，被照亮的这部分表面与所述相对位移有关；一个图像检测器，沿着读取头的光路放置，用来接收散斑图案的图像；以及一个稳定元件，其中该稳定元件将用来确定相对位移量的散斑图案图像稳定下来，不受散斑图案的潜在改变因素的影响，其中散斑图案的潜在改变因素是由除了沿至少一个第一测量轴的相对位移之外的其他潜在因素所引起的。
2.权利要求1所述的读取头，其中所述稳定元件将干涉光源的波长稳定下来。
3.权利要求2所述的读取头，其中所述稳定元件包括一个被用来稳定干涉光源的温度的热电冷却器。
4.权利要求2所述的读取头，其中所述稳定元件包括一个用来控制干涉光源工作以稳定波长的反馈系统。
5.权利要求4所述的读取头，其中所述反馈系统用来检测相对于额定工作波长的波长变化，并控制干涉光源工作以减小所检测到的波长变化。
6.权利要求4所述的读取头，其中所述反馈系统是一个光反馈系统，其包括一个相对于光路成一定角度放置的光栅，所述光路包括从干涉光源输出的光束，使得入射到光栅上的额定工作波长的光被反射回干涉光源。
7.权利要求1所述的读取头，其中所述稳定元件包括一个预热周期监控系统，当用来确定相对位移量的散斑图案图像已经稳定时，该监控系统给出一个指示信号。
8.权利要求7所述的读取头，其中当读取头保持在一个固定位置时，预热周期监控系统用来确定或监控下列值中的至少一个a)自读取头被开启后所经过的时间，b)基于两个连续图像的相关性峰值，c)两个连续的相关性峰值之间的差，d)基于两个连续图像的相关质量指标值，以及e)当用来根据所确定和监控的值来确定相对位移测量值的散斑图案图像已经稳定时，两个连续的相关质量指标值之间的差。
9.权利要求7所述的读取头，其中所述指示信号是以下信号中的至少一个a)指示器的状态改变时读取头上的灯亮，以及b)输出到主系统的电信号。
10.权利要求1所述的读取头，还包括提供垂直入射到光学漫射表面上的照射光。
11.权利要求1所述的读取头，还包括将读取头安装在光学漫射表面上方的操作高度处，使得读取头的焦平面是下列情况中的至少一项a)读取头的焦平面充分接近能产生散斑的所述表面，以及b)读取头的焦平面与能产生散斑的所述表面重合。
12.权利要求1所述的读取头，其中所述稳定元件包括一个安装位置高度监控系统，当读取头的焦平面充分接近能产生散斑的所述表面时，这个监控系统给出一个信号。
13.权利要求12所述的读取头，其中当安装位置高度不断改变时，所述监控系统用来重复确定参考图像与当前图像之间的位移值，所述参考图像和当前图像是读取头相对于沿着测量轴的表面的位移保持固定时所获得的，并且所述安装位置高度监控系统根据一个或多个位移值确定何时读取头的焦平面充分接近所述表面。
14.权利要求1所述的读取头，其中所述干涉光源包括一个VCSEL类型的激光二极管。
15.权利要求1所述的读取头，其中当读取头相对于能产生散斑的所述表面保持在固定位移位置时，在读取头最初被打开后不超过1小时开始，至少12小时的工作周期内，所述读取头用来提供一个相对于其平均值变化不超过+/-50纳米的位移值。
16.权利要求15所述的读取头，其中所述至少12小时的工作周期是在读取头最初被打开后的不超过30分钟内开始的。
17.权利要求15所述的读取头，其中所述至少12小时的工作周期是在读取头最初被打开后的不超过10分钟内开始的。
18.权利要求15所述的读取头，其中所述位移值相对于其平均值的变化不超过+/-25纳米。
19.权利要求15所述的读取头，其中所述位移值相对于其平均值的变化不超过+/-10纳米。
20.在一个散斑图像相关光学位置传感器中的读取头，该读取头可用于确定测量相对于一个具有光学漫射表面的元件沿着至少一个第一测量轴的相对位移，该读取头包括一个干涉光源，该光源发出的光束照亮所述光学散射表面的一部分，被照亮的这部分光学散射表面与所述相对位移有关，并产生与被照亮的这部分光学漫射表面相对应的散射光；一个图像检测器，该图像检测器沿着读取头的光路放置，用来接收所传输的光，其中所传输的光在这个图像检测器上形成一个与被照亮的部分光学散射表面相对应的亮度图案，这个亮度图案由多个散斑组成；以及一种改进，包括将散斑亮度图案稳定下来，以减少在亮度图案中单个散斑的调制，从而避免相对于来自图像随机性的功能噪声降低相关性峰值。
21.权利要求20所述的改进，其中通过稳定干涉光源的波长来稳定所述散斑亮度图案。
22.权利要求21所述的改进，其中通过利用热电冷却器来稳定干涉光源的温度，从而稳定波长。
23.权利要求21所述的改进，其中通过使用反馈来稳定波长。
24.权利要求23所述的改进，其中所述反馈是通过测量波长，并将其反馈回干涉光源来实现的。
25.权利要求23所述的改进，其中所述反馈通过使用外部光栅来实现，其中所述光栅位于相对于干涉光源的输出光束成一定角度的位置处，使得入射到光栅上的一部分波长被反馈回干涉光源。
26.权利要求20所述的改进，其中通过监控系统的预热周期是否完成，并当系统预热完成时给出一个指示信号，从而稳定散斑亮度图案。
27.权利要求26所述的改进，其中监测预热周期包括以下步骤将读取头安装在一个固定位置处；获取第一个图像并将其存储在存储器中；在第一个图像之后的一个固定时间获取第二个图像；计算第一和第二个图像之间的相关性；当这个相关性达到一个阈值时，向用户提供一个指示信号，表示系统已经可使用。
28.权利要求27所述的改进，其中所述指示信号包括读取头上的一个灯。
29.权利要求20所述的改进，还包括提供垂直入射到光学散射表面上的照射光。
30.权利要求20所述的读取头，其中当所述读取头保持在相对于光学散射表面的固定位置处时，从读取头最初被打开后不超过1小时开始，在至少12小时的工作周期内，读取头用来提供一个相对于其平均值的变化不超过+/-50纳米的位移值。
全文摘要
一种用于提高基于散斑图像的相关位移传感器的精度的系统和方法，通过确保在不发生移动时散斑图像不随时间变化，提供了特别高的精度。在一个实施例中，散斑图像是通过减少或补偿激光二极管波长的变化来稳定的。稳定波长的多种方法包括热电温度控制，通过适当的方法测量和修正波长，或者提供一个从外部光栅的反馈的光的特定波长值。图像的稳定也可以通过监控系统的预热过程来完成。一旦确定系统已经完成了预热过程，提供给用户的指示信号表明这个系统可以被使用。还公开了用于减少或消除与波长相关的误差的传感器的几何配置。
文档编号G01B11/16GK1724969SQ20051008360
公开日2006年1月25日 申请日期2005年7月13日 优先权日2004年7月13日
发明者本杰明·K.·琼斯, 迈克尔·M.·纳汉姆, 约瑟夫·D.·托拜厄森, 卡尔·G.·马斯瑞利泽 申请人:株式会社米姿托约