專利名稱：絕對位置測量的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及測量物體的絕對位置。
絕對位置編碼器一般包括標尺，標尺上寫有偽隨機序列形式的或離散分布的數(shù)據。讀數(shù)頭經過標尺時讀取其上的數(shù)據便可以確定讀數(shù)頭的絕對位置。
另外還有增量式和絕對位置混合編碼器。由于增量式編碼器能達到比絕對編碼器更高的分辨率，許多絕對編碼器通常還包括有獨立的增量式通道。絕對編碼通道給出的絕對位置能準確到至少一個增量式通道一個周期。增量式通道的插補在增量式通道的一個周期內給出的位置能達到所預期的高分辨率。如果將兩種編碼器結合起來，這兩個系統(tǒng)所給出的位置能達到很高的分辨率。但是，由于絕對編碼通道和增量式編碼通道在分別獨立的磁道上，當將增量位置和絕對位置相結合時會由于讀數(shù)頭的偏移而引起誤差。另外，當將標尺固定在適當位置時，標尺必須處在正確的方向上，以使增量和絕對磁道分別與各自的讀數(shù)頭對齊。
歐洲專利EP0503716公開了一種增量式與絕對位置混合編碼器，其中絕對通道由偽隨機代碼組成，增量式通道被合并以產生一個獨立的合成通道。
優(yōu)選地，具有第一特性的線反射光或者發(fā)射光，而具有第二特性的線不反射光或者不發(fā)射光。
優(yōu)選地，具有其中一種特性的線比具有另一特性的線多或少，由此，在所述代碼形成的圖案中，將絕對數(shù)據嵌入在增量式標尺磁道中。另外，利用增量式標尺上的線的寬度或間距的變化，從而將絕對數(shù)據嵌入增量式通道中。
優(yōu)選地，具有第一特性的線或者具有第二特性的線基本橫穿過標尺的寬度而伸延，標尺上的絕對數(shù)據可以是回文的。
絕對數(shù)據可以分解為離散代碼，每個代碼的起始部分都標記著相同的起始符號。代碼和起始符號內的絕對數(shù)據可以由二進制代碼組成。
優(yōu)選地，在一定長度的標尺上代碼形成N個獨特的位置，重復該段長度，第(N+1)個位置與第一個位置相同。
本發(fā)明的第二方面提供一種測量絕對位置的測量系統(tǒng)，包括測量標尺和標尺閱讀器，所述測量標尺和所述標尺閱讀器能相對移動；其中，測量標尺包括增量式標尺磁道，所述磁道上具有第一特性的線與具有第二特性的線相互交替，絕對位置數(shù)據以離散代碼的形式嵌入在增量式標尺磁道上；并且，標尺閱讀器包括照射標尺的光源、讀取增量式位置的增量式讀數(shù)頭和用來確定絕對位置的成像系統(tǒng)和檢測器系統(tǒng)。
優(yōu)選地，用來確定增量式位置的讀數(shù)頭是過濾式讀數(shù)頭。
優(yōu)選地，數(shù)據的每一個絕對位的數(shù)值是1或0，其中，絕對數(shù)據位之間有數(shù)值為0的時鐘位；其中，通過測量標尺的某位任一側的第(m+1)位的數(shù)值來判斷該標尺位是絕對數(shù)據位還是時鐘位，其中m為任意偶數(shù)；并將所述位的數(shù)據相加，如果其和小于預定值，則該位為絕對數(shù)據位。
優(yōu)選地，采用查詢表來確定大致的絕對位置，其通過比較從標尺中提取的絕對位置數(shù)據和查詢表中的絕對代碼來實現(xiàn)。通過將大致的絕對位置和從檢測器系統(tǒng)所提取的初識代碼的起始位以及從檢測器系統(tǒng)所提取的第一個完整數(shù)據位結合，就可以在一個增量式標尺的間距內確定絕對位置。通過將絕對位置與相對位置結合，可以在一部分增量式標尺間距內確定絕對位置。
圖3A和3B顯示了標尺的循環(huán)特性；圖4A和4B分別是每個重復長度上包含有兩個和三個回文代碼的回文標尺和循環(huán)標尺的示意圖；圖5是混合標尺和讀數(shù)頭成像光學部分的一行像素的示意圖；圖6是顯微透鏡陣列；圖7是確定大致的絕對位置的流程圖；和圖8是讀數(shù)頭和標尺的示意圖。


圖1C和1D表示了圖1A和圖1B中的增量式標尺和絕對標尺的結合得到的混合標尺18。在增量式標尺的每個間距內嵌有一位絕對數(shù)據。該實施例中采用的是二進制代碼，因而標尺有兩個可能狀態(tài)，1和0。對于絕對標尺上的狀態(tài)1來講，增量式標尺上的反射線位于其原始狀態(tài)20內。對于絕對標尺上的狀態(tài)0來講，增量式標尺上的反射線已經移動，如圖中22所示。
增量式圖案中的任何一部分的移去使得增量式通道內的信號降級，但是如果這種破壞在整個標尺上是一致的話，則影響并不嚴重。在該實施例中，增量式標尺的反射線被移去，導致了增量信號的降級，也導致背景光的亮度出現(xiàn)了同樣比例的降低。但是，如果反而增加同反射線，也會導致增量信號的降級同樣程度，而背景光的亮度則會增加。
絕對數(shù)據可以嵌入在增量式標尺中，且不會增加或者除去增量線，而是線之間的寬度和間距會有所變化。
由于絕對數(shù)據嵌入在增量式標尺中，標尺可以是棱形的。如圖1D所示，以棱形標尺代替以往已知增量式標尺和混合標尺中使用的平行通道系統(tǒng)，這意味著標尺沿著其寬度是均勻的。這克服了“平行通道”系統(tǒng)的三個缺點第一，棱形標尺使得讀數(shù)頭可以安裝在圍繞標尺的任何方位上；第二，由于不需要平行通道之間保持相互平行，讀數(shù)頭的偏移也顯得不那么重要；第三，不需要限制讀數(shù)頭相對于標尺的橫向偏移誤差。
嵌入在增量式標尺中的絕對數(shù)據被設置成回文的。這意味著讀數(shù)頭從代碼序列的任何一端開始讀取標尺上的絕對數(shù)據，其結果都是一致的。圖2A示出了標尺上兩個代碼A和B。如圖2B所示，如果標尺旋轉180°，則與原標尺完全相同。在標尺上的相同位置上，代碼B與原始代碼A完全相同，同時，相同位置上，代碼A與原始代碼B完全相同。這將使標尺可以在表面上沿任何方向設置，而不需要進行程序調整或者是調整讀數(shù)頭的方向。
在標尺的一定長度上，可以是幾米長，標尺上的絕對數(shù)據定義了唯一的位置，在上述長度外，代碼無間隙地重復，因此代碼沒有起點也沒有終點。如果標尺在其長度上自始至終定義了N個位置，則使第(N+1)個位置與第1個位置相同，使第(N+2)個位置與第2個位置相同，以此類推，則形成了循環(huán)標尺。標尺代碼一個周期的長度被認為是重復長度。盡管標尺上定義的位置不再唯一，標尺的長度可比重復長度要長。如圖3A所示，標尺在長度d上定義了唯一的位置X、Y，上述兩個位置在長度d2上重復。
循環(huán)代碼使得可以連續(xù)生產標尺，而且以很長的長度儲存。隨后在任何長度上的切斷都能在其整個長度上包括有效代碼，例如，圖3b示出了一段長度的標尺，循環(huán)的重復長度為d，只要切斷長度為L，則不論在哪里切斷，標尺都是連續(xù)的。
增量式標尺上，每隔一個間距就有一個絕對數(shù)據位。所有數(shù)據位被分成為代碼和起始標志。每一個起始標志都是相同的，并用來標志每個代碼的開始，其中，代碼用來確定絕對位置。由于所選取的起始標志序列不能出現(xiàn)在代碼的任何其它部分上，否則的話，代碼的某一部分將會被誤識別為起始標志，因此，起始標志的選取要受到一定的限制。另外，同樣的道理，代碼也不能以起始標志作為結束，因為這會導致多個數(shù)據位錯誤辯識代碼的位置。
由于標尺既是回文的又是循環(huán)的，起始標志也必須是回文的。另外，在重復長度上只能有兩個代碼可以是回文的，而且代碼不能重復。圖4A和4B所示的兩個標尺18均是重復長度為d的回文標尺和循環(huán)標尺。圖4A中所示的標尺有兩個回文代碼ABA和LML，在重復長度d上，沒有重復的代碼。圖4B中所示的標尺有三個回文代碼ABA、FGF和LML。但是，在標尺的重復長度d上FGF重復出現(xiàn)兩次。
為了確保所采用的代碼不降低增量式通道在度量衡上的準確性，采取了一些策略。其中一些策略包括不采用那些嚴重影響增量信號的代碼。
策略之一不采用不含有相同數(shù)目的“1”和“0”的代碼。例如1個16位代碼可能包括8個“1”和8個“0”。當讀數(shù)頭掃過標尺時，這能確保增量信號大小保持不變。對于代碼中包括7個和9個之間的“1”和“0”的情況下，就可能放寬這種限制，也可能進一步放寬限制。
策略之二不采用在一行上“1”或“0”的個數(shù)超過預定值的代碼。例如一行中“1”的個數(shù)最多為6，優(yōu)選的是4。當讀數(shù)頭掃過該序列時，如此長的均勻序列將引起由兩個相互正交的正弦曲線輸出形成的增量利薩如(LISSAJOUS)圖形，產生暫時性的偏心。
策略之三不限制任何代碼的采用。為了減小增量式通道內絕對數(shù)據的影響，標尺必須在長度通常是50位的增量式通道讀數(shù)窗內均勻。這將通過重新調整標尺上代碼的順序來實現(xiàn)，以確保任何一個50位連續(xù)代碼序列中具有數(shù)目盡可能接近的“1”(或“0”)。
用于讀數(shù)標尺閱讀器包括至少一個照亮標尺的光源和至少一個確定增量式位置和絕對位置的檢測器。
圖8示出了讀數(shù)頭54和標尺18的簡化圖。為了讀取標尺上的增量部分，提供了光源LS1、指針光柵52和檢測器50(例如光電二極管陣列)。為讀取標尺上的絕對數(shù)據部分1設置了光源LS2、成像透鏡25和檢測器26(例如線性成像傳感器)。
檢測器可以單獨設置或者是將兩個檢測器集成在同一個芯片上(例如，采用同樣的像素同時檢測絕對位置和增量位置)，同樣，可以采用共同的或者分立的光源和透鏡陳列。
歐洲專利EP0207121中公開了一種過濾式讀數(shù)頭，它適于用來確定增量式位置。在該讀數(shù)頭中，標尺的每一點都在檢測器上產生正弦波形的條紋，檢測器上的每一個條紋由標尺上的許多點生成。如果部分標尺丟失，檢測器所得到的信號將會輕微降低，但這種影響最終達到平衡，正弦波的頻率和形狀保持不變，僅當檢測到標尺的基本頻率和由標尺上丟失的部分產生的諧波被過濾掉的話。
當所選標尺的標記丟失或增加時，采用過濾式讀數(shù)頭從而可以采用非衍射性標尺，讀數(shù)頭同樣可以將增量式位置確定在標尺的一個間距內。因此，過濾式讀數(shù)頭可以讀取混合的增量式和絕對標尺上的數(shù)據，就象該混合標尺僅僅是個增量式標尺一樣。
包括線性像素陣列的光學檢測器系統(tǒng)可用來確定絕對位置，每個像素的最大尺寸由奈奎斯特判據確定，但優(yōu)選使用尺寸較小的像素。
如圖6所示，顯微透鏡陣列27可用來將標尺18在檢測器26(例如光學檢測器系統(tǒng))上成像，每一個透鏡28實際上是作為直立成像系統(tǒng)的一對直立的透鏡28A、28B，用于產生連續(xù)圖像。顯微透鏡陣列的采用使得標尺18與檢測器26之間的工作距離比傳統(tǒng)成像系統(tǒng)要小。
絕對數(shù)據需要從增量式和絕對標尺的混合標尺中讀取，首先要進行測試以確定任一個像素的值到底是否代表數(shù)據位。絕對數(shù)據僅僅嵌在原始增量式標尺的反射線中。數(shù)據位的值是“1”還是“0”取決于除去或保留反射線。增量式標尺上的原始的非反射線保持不變，這些數(shù)值為“0”的數(shù)據位作為時鐘位。每個數(shù)據位之間有一位時鐘位。
如圖5所示，典型標尺18可以包括40μm的間距，例如檢測器上每一個間距內含有5.12個像素24，也可包括在標尺和檢測器之間的單個光學放大單元。因此，檢測器上每隔2.56像素(即，半個標尺間距)就有一個數(shù)據位(“1”或“0”)或者時鐘位(C)。如果P所指測試像素為數(shù)據位，則P任一側的每個第(m+1)個位置都是時鐘位。因此，下列像素位置處為時鐘位…，…，(-5×2.56)，(-3×2.56)，(-1×2.56)，(+1×2.56)，(+3×2.56)，(+5×2.56)，…，…由于像素不可能為分數(shù)，因此相對于測試像素而言，下列像素最接近于時鐘位的數(shù)據-23，-18，-13，-8，-3，+3，+8，+13，+18，+23。
將這些位置(即，“1”或“0”之間)處的數(shù)值相加，總和越小，則這些像素越可能代表時鐘位，從而，測試像素P越可能代表數(shù)據位。由于尚不了解如何進行精確的放大(例如，由于讀數(shù)頭步長(RIDEHEIGHT)引起的變化)，僅僅在測試像素的一定距離內搜尋時鐘位時才有意義。由于放大失真的作用使得在遠離測試像素的位置搜尋時鐘位會導致與其真實位置不同步。
由于不可能在該數(shù)據位的兩側讀取足夠的像素，因而根據這種方法不可能在圖像中定位第一位數(shù)據位。同樣的道理，用這種方法也不可能在圖像中確定最后一位數(shù)據位。假定放大倍數(shù)為常數(shù)，由于每個數(shù)據位之間的像素數(shù)目為已知，則兩側的數(shù)據位就可以被讀出，再采用上述方法確定進一步指向圖像中間位置的數(shù)據位。
在這一步驟中，已經產生一批提取數(shù)據。如圖7所示的流程圖概括了如何從所提取的絕對數(shù)據中確定大致的絕對位置。步驟32中，這批提取出來的絕對數(shù)據應該包括少許4個以上數(shù)據代碼和至少3個起始標志。在該實施例中，每一個起始標志均相同并且長度9位。步驟34中，瀏覽所提取的數(shù)據，步驟36中將每一個9位的數(shù)據與起始標志序列相比較，將從標尺中提取的數(shù)據中與起始標志序列中代碼為“1”的位相應的位上數(shù)據取反，來確定9位數(shù)據塊的匹配度。步驟38中，數(shù)據塊中所有9位的數(shù)值相加，看匹配與否，其值越小，則越匹配。如果起始標志標記沒有被正確地隔開的話(即，每個起始標志之間正好只有一個代碼)，則圖像就失真了。在這種情況下，就放棄這幅圖像，重新從步驟30開始以獲取一幅新的圖像。
當在步驟40中，找到起始標志，在所提取的代碼中的3個完整代碼的位置就可以計算出來。利用永久存儲在讀數(shù)頭存儲器中的查詢表就可以完成，該查詢表用于3個代碼的解碼。在步驟42中，查詢表中的每一列三個連續(xù)代碼序列與從圖像中得到的三個代碼進行比較。在步驟44中，利用與計算起始標志相同的方法計算代碼的匹配度。在查詢表中最匹配的位置給出了讀數(shù)頭的大致的絕對位置。在步驟46中，第二個最佳匹配的匹配系數(shù)也存儲起來，該匹配系數(shù)用于計算大致的絕對位置的準確度。如果最佳匹配系數(shù)僅僅略好于第二最佳匹配的匹配系數(shù)，則報告的大致位置不可靠。同時，如果最佳匹配系數(shù)比第二最佳匹配系數(shù)好許多，則置信度更高。步驟48中，可以把閾值加到所述值中以確定讀數(shù)頭是否采用該數(shù)據計算大致的絕對位置，或者放棄該結果值重新從步驟30開始創(chuàng)建一幅新的圖像。
假定認為上述數(shù)據值得信賴，最后一步是計算絕對位置。計算絕對位置需要4段數(shù)據，這4段數(shù)據是(a)、從查詢表中得出的大致位置(標尺上最近代碼的位置)；(b)、所提取的數(shù)據中第一個字的起始位置(最近的標尺間距的位置)；(c)、原始圖像中第一個完整數(shù)據位的起始位置(最近的檢測器上像素的位置)；(d)、增量式通道內的利薩如相位(結果單元的位置)。
利用(a)和(b)足以計算讀數(shù)頭與最近的標尺間距的絕對位置。(d)用來計算一個標尺間距內所需的最終結果的位置。但是單獨從此信息中在一個標尺間距內的位置可能會出現(xiàn)誤差。(c)是用來在必要的情況下檢查上述誤差以及校準絕對位置。
本發(fā)明可以采用光透射標尺來代替光反射標尺。
盡管該實施例描述了線性標尺和讀數(shù)頭，本發(fā)明也可以適用于旋轉標尺或二維標尺。
另外，標尺也不限于采用二進制代碼，也可以采用多級代碼。例如如果標尺包括涂鉻玻璃板，則代碼可以通過以下方式實現(xiàn)將透明部分設為時鐘位；將涂有中等濃度鉻的部分設為“0”數(shù)據位，將涂有很高濃度鉻的部分設為“1”數(shù)據位?？商鎿Q的方式是“0”數(shù)據位可以包含虛線，“1”數(shù)據位可以包含實線。
本發(fā)明也可以適用于非光學標尺，例如，電容標尺或者磁標尺。
權利要求
1.一種測量標尺，包括增量式標尺磁道，所述增量式標尺磁道包括一系列具有第一特性的線和具有第二特性的線，具有第一特性的線通常與具有第二特性的線相互交替排列；其特征在于，絕對位置數(shù)據以離散代碼形式嵌入在增量式標尺磁道中。
2.如權利要求1所述的測量標尺，其特征在于，具有第一特性的線反射光或者發(fā)射光，具有第二特性的線不反射光或不發(fā)射光。
3.如權利要求1或2所述的測量標尺，其特征在于，與具有所述某一特性的線相比，具有另外一種特性的線或者較多或者較少，由此在所述代碼形成的圖案中，增量式標尺中嵌入絕對數(shù)據。
4.如權利要求1或2所述的測量標尺，其特征在于，增量式標尺磁道上的線的寬度或間距變化，從而將絕對數(shù)據嵌入增量式標尺磁道內。
5.如前述任何一項權利要求所述的測量標尺，其特征在于，具有第一特性或者第二特性的線基本上橫穿過標尺寬度而伸延。
6.如前述任何一項權利要求所述的測量標尺，其特征在于，標尺上的絕對數(shù)據是回文的。
7.如前述任何一項權利要求所述的測量標尺，其特征在于，每個代碼的起始部分都標記著相同的起始符號。
8.如前述任何一項權利要求所述的測量標尺，其特征在于，在一定長度標尺上所述的代碼限定N個獨特位置，重復所述長度標尺，第(N+1)個位置與第一個位置相同。
9.如前述任何一項權利要求所述的測量標尺，其特征在于，所述絕對數(shù)據由二進制代碼組成。
10.如權利要求9所述的測量標尺，其特征在于，每個代碼所包括的“1”的數(shù)目和“0”的數(shù)目基本相同。
11.如權利要求9所述的測量標尺，其特征在于，每個代碼只包括數(shù)目為6個或少于6個的連續(xù)的“1”或“0”組成的字符串。
12.如權利要求9所述的測量標尺，其特征在于，所述代碼這樣布置，在預定長度的標尺的任何一段長度內，具有數(shù)目基本相同的“1”。
13.一種用于測量絕對位置的系統(tǒng)，包括測量標尺、標尺閱讀器，標尺閱讀器與測量標尺可相對移動；其中，所述測量標尺包括增量式標尺磁道，所述增量式標尺磁道包括一系列具有第一特性的線和具有第二特性的線，具有第一特性的線與具有第二特性的線通常相互交替排列；絕對位置數(shù)據以離散代碼形式嵌入在增量式標尺磁道中；和所述標尺閱讀器包括照亮標尺的光源、確定增量式位置的增量式讀數(shù)頭以及用來確定絕對位置的成像系統(tǒng)和檢測器系統(tǒng)。
14.如權利要求13所述的測量絕對位置的系統(tǒng)，其特征在于，具有第一特性的線反射光或者發(fā)射光，具有第二特性的線不反射光或不發(fā)射光。
15.如權利要求13或14所述的測量絕對位置的系統(tǒng)，其特征在于，用于確定絕對位置的讀數(shù)頭是過濾式讀數(shù)頭。
16.如權利要求13-15中任一項所述的測量絕對位置的系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測器系統(tǒng)包括像素的線性陣列。
17.如權利要求13-16中任一項所述的測量絕對位置的系統(tǒng)，其特征在于，利用顯微透鏡陣列來將標尺成像在檢測器系統(tǒng)上。
18.如權利要求13-17中任一項所述的測量絕對位置的系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)據的每一個絕對位數(shù)值是1或0；其中，在每個絕對數(shù)據位之間，有數(shù)值為“0”的時鐘位；其中，通過測量標尺的某位任一側的第(m+1)位的數(shù)值來判斷該標尺位是絕對數(shù)據位還是時鐘位，m為任意偶數(shù)；和將所述數(shù)據位的數(shù)值相加，如果相加和小于預定值，則該位為絕對數(shù)據位。
19.如權利要求13-18中任一項所述的測量絕對位置的系統(tǒng)，其特征在于，每個代碼的起始部分都標有起始標志，并且通過識別標尺上的起始標志來定位標尺上的絕對代碼。
20.如權利要求13-19中任一項所述的測量絕對位置的系統(tǒng)，其特征在于，采用查詢表，通過比較從標尺中提取的絕對位置數(shù)據和查詢表中的絕對代碼，來確定大致的絕對位置。
21.如權利要求20所述的測量絕對位置的系統(tǒng)，其特征在于，從標尺中提取的代碼與從查詢表中得到的代碼的匹配度由下述方法確定將提取數(shù)據的n-位數(shù)據塊序列與查詢表中的n-位代碼進行比較；將提取數(shù)據的每個位反相，其中所述的每個位在查詢表中代碼內的相應位為1；將提取數(shù)據的n個位的數(shù)值相加；從而，如果上述相加值低，則匹配度良好。
22.如權利要求20至21所述的測量絕對位置的系統(tǒng)，其特征在于，通過將絕對數(shù)據的大致位置和從檢測器系統(tǒng)所提取的初識代碼的起始位以及從檢測器系統(tǒng)所提取的第一個完整數(shù)據位合并，可以將絕對位置確定在增量式標尺的間距內。
23.如權利要求22所述的測量絕對位置的系統(tǒng)，其特征在于，通過將絕對位置與增量位置合并，可以在一部分標尺間距內確定絕對位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種絕對位置測量標尺(18)，包括增量式標尺(10)，所述增量式標尺具有一系列相互交替排列的光反射線(12)和非光反射線(14)，絕對數(shù)據以離散代碼形式通過移動光反射線(22)嵌入增量式標尺內。代碼的設置使得標尺成回文和循環(huán)狀。采用查詢表，通過比較從標尺中提取的絕對位置數(shù)據和查詢表中的絕對代碼，來確定大致的絕對位置。通過將大致的絕對位置和提取的初識代碼起始位置相結合，從而確定絕對位置。通過將絕對位置與增量位置結合，可以在一個標尺間距內確定絕對位置。
文檔編號G01D5/26GK1461404SQ02801179
公開日2003年12月10日 申請日期2002年4月11日 優(yōu)先權日2001年4月11日
發(fā)明者艾恩·羅伯特·戈頓－英格拉姆 申請人:瑞尼斯豪公司