专利名称：减小图象相关系统中累加系统误差的系统与方法
背景技术：
1.发明领域本发明针对图像相关系统。
2.相关技术说明各种已知的设备利用传感器阵列捕获的图像和这些图像之间的相关性去测定形变和/或位移，例如，一类这样的设备以获取斑纹图像为基�。饫嗤枷裼霉庠凑丈涔庋Т植诒砻娑Ｍǔ＃庠次喔晒庠矗纾す夤庠�。这样的激光光源包括激光器、激光二极管等。在光学粗糙表面被光源照射后，从粗糙表面散射的光在光学传感器上成像。光学传感器可以是电荷耦合器件(CCD)或半导体图像传感器阵列，如CMOS图像传感器阵列等。
在光学粗糙表面移动或形变之前，先要捕获并存贮第一图像，即参照斑纹图像。然后，在光学粗糙表面移位或形变之后，捕获并存贮第二即后继斑纹图像。于是以逐个像素方式对参照与第二斑纹图像加以比较，一般要做多次比较。在每次比较中，参照与第二斑纹图像有偏差，即相互在空间平移。在每次比较之间，偏移或空间平移量增加某一已知的量，如一个像元、像素或整数个像元或像素。
在每次比较中，将参照图像中某特定像素的图像值乘上对应的第二图像像素的图像值，或从第二图像像素的图像值中减去，其中对应的第二图像像素根据偏移量测定。每次逐个像素操作得到的值累加起来，以对参照图像与第二图像间的比较测定相关值。然后对比较将相关值与偏移量或空间平均位置绘成曲线，确定相关函数值点。在参照图像与第一图像之间具有最大相关性的偏移，将在相关函数值点曲线中产生一峰值或波谷值，具体视逐个像素比较是如何执行的。对应于峰值或波谷值的偏移量，代表参照与第二斑纹图像间的位移或形变量。
在要求亚像素分辨率与精度的图像相关系统中，可用亚像素内插法得到亚像素分辨率。在已知的实验室系统中，亚像素内插方法是这样实行的，即把一连续函数拟合到常见交叉相关函数离散的逐个像素点，以亚像素分辨率找出拟合函数的极值或峰值，而且认为该极值或峰值、位置能最佳地评估参照图像与第二图像之间的真实偏移因而也是有关的位移。还知道，类似方法可应用于合成图像。通过在相邻原始像素值之间的内插而产生合成像素值，能以亚像素步进产生合成图像，像在以位于期望的亚像素位置的像素所取的图像那样。
在普通图像相关系统和要求亚像素分辨率的高精度实验室系统中，在将参照图像与第二图像之间的位移测定到亚像素分辨率时，会引入亚像素内的系统位移误差。例如，交叉相关算法使用的内插法造成的系统位移误差，会引入亚像素图像相关性。测定位移的系统误差可能受到多种因素影响，如斑纹图的频率分量、振幅衰减与相关性中使用的内插器相位误差。测定位移的系统误差还会受到用于模拟线性、二次方程、高斯等相关函数的内插函数类别的影响。
已通过引用包括在此的美国专利申请号No.09/731,671，揭示了在基于相关性的位置变换器中用于高精度位移测定的系统与方法。在671申请中，提出的一种系统在基于相关性的位置变换器等中用于评估亚像素位移。然后，该系统舍弃在对若干相关函数值点应用普通亚像素评估法，尤其在相关函数值点不对称排列时出现的系统位移评估误差。然而，671申请揭示的系统与方法无法减小累加的任何系统位移误差，而这种系统位移误差会在测定当前参照斑纹图像与新的参照斑纹图像的相对位置时出现。
归于Takemori的美国专利No.4,697,093揭示的系统与方法，利用斑纹图像相关性测定目标的形变。尤其是，Takemori描述的各种普通方法用于比较两幅斑纹图像，并确定何时用新的参照斑纹图像更新当前参照斑纹图像。然而，Takemori的方法不能识别或解决在测定当前与新的斑纹图像的相对位置时可能出现的系统位移误差。另外，Takemori并未指出任何以良好的亚像素精度与分辨率补偿或选择参照斑纹图像的方法。因此，Takemori提出的系统，测量结果中累加了系统位移误差。
归于Kamegawa的日本专利申请JP07069302揭示的一种基于斑纹图像的位移计与方法，通过存贮一系列参照图像，并把从中选择的一幅幅参照图像用作对应于位移计有关位移存贮操作的比较图像，减小了误差累加。与以前的普通方法相比，JP07069302方法减小了某些原先在延伸的位移范围内要累加的位移误差。然而，JP07069302的方法无法识别或解决会在测定一幅参照图像与另一幅参照图像的相对位置时出现的系统位移误差。再者，JP07069302并未揭示任何以良好的亚像素精度与分辨率补偿或选择参照斑纹图像的方法。因此，JP07069302中的图像相关系统，必须用外部位移参照作测量，若在获取一系列参照图像时不使用外部参照，系统位移误差将会累加。
Hubert Schreier在论文“Systematic Errors in Digital ImageCorrelation Caused by Intensity Interpolation”中描述的系统位移误差，对应于对斑纹图像应用的亚像素图像相关法。另外，该论文还揭示了有关减小系统位移误差自身大小的信息。然而，Schreier并未揭示或提出任何在一组参照图像之间测定或选择相对位移，从而对超过一幅图像帧的位移范围补偿或控制系统位移误差的方法发明内容如上所述，在普通图像相关系统中，在把参照图像与第二图像之间的位移测定到亚像素分辨率时，会引起亚像素内的系统位移误差。在测定当前与新的参照图像的相对位置时，也会普遍出现此种系统位移误差。通过以适当地考虑预定系统位移误差特性的精确而及时的方式，用有用的新的参照图像更新参照图像来测定相对位置，能明显减小亚像素相关系统中系统位移误差的累加。
在普通图像相关设备和在高精度定位等场合应用图像相关性的实验室系统中，并未充分考虑到以商业上适销形式有效地妨碍将位置测定到高分辨率与精度的系统位移误差的实际问题。尤其是，这些普通设备和高精度实验室系统等，并未充分考虑减小与将图像位移测定到亚像素分辨率有关的系统位移误差的累加和这些误差的累加，同时实现与分辨率同一等级的精度。就是说，这些普通设备和高精度实验室系统，并未充分考虑到系统位移误差在位移超过参照图像边界时的累加状况。
对于所有上述测定累加位移的普通方法。发明人发现，在用于测定系统累加位移的参照图像之间的视在位移中，系统亚像素内插误差将起着作用。在测定以后用作参照图像和先前用作参照图像的两图像之间的相对位移时，一直忽略了这些系统位移误差。因此，由于系统位移误差在位移范围延伸超过图像尺度而累加，普通系统的精度与合理的分辨率相应地劣化了，从而限制了这些普通系统合理的分辨率、精度与应用能力。
这样，考虑到在测定当前与新的参照图像的相对位置时出现的系统位移误差所造成的不准确性，并且希望实现与分辨率同等级的精度，普通方法不能合理地解决减小在参照图像之间切换时出现的系统位移误差引起的位移误差的累加问题。尤其在原有技术中，由于在选择准备用于代替当前参照图像的新的参照图像时不考虑这些系统位移误差的特征，所以在任何此类切换中出现的个别系统位移误差是随机的，即与其它此类切换中出现的其它位移误差不相关。因此，鉴于个别系统位移误差的这种随机特征，无法方便的补偿净累加的系统位移误差。
因此，需要一种新技术能明显地减小由于图像相关系统中在参照图像之间作切换而造成系统位移误差的累加，即在测定当前与新的参照图像之间相对位置偏移时累加的位移误差。
本发明提供的改进的系统与方法，可减小相关位移检测系统中累加的系统位移误差。
本发明分别提供的系统与方法，用于在要求亚像素分辨率的图像相关系统中减少累加的系统位移误差本发明分别提供的系统与方法，用于在基于相关的位置变换器等图像相关位移检测系统中减小累加的系统误差。
本发明分别提供的系统与方法，不需要通过实时运算选择参照图像。
本发明分别提供的系统与方法，可以获取每个新的参照图像，它与前一参照图像的相对位移的相对偏差减小了累加的位置误差。
本发明分别提供的系统与方法，减小了净累加的系统位移误差。
本发明分别提供的系统与方法，舍弃了在位移范围内累加的系统误差，其方法是运用系统误差行为知识测定当前与新的参照图像间的位移。
本发明分别提供的系统与方法，尤其适于利用斑纹图像测量表面的位移。
本发明的系统与方法将根据传感器“图像”来描述，术语“图像”不限于光学图像，通常指任何以一维、二维或更多维次排列的成组传感器值。同样地，这里使用的“像素”不限于光学像元，通常指一维、二维或更多维次排列的成组传感器值粒度。应该明白，“图像”不限于指整幅图像，通常指任何图像部分，包括一维、二维或更多维次排列的成组传感器值。
在本发明相关系统与方法的各种其它示例实施例中，当用新的参照图像代替当前参照图像时，通过用根据一个或多个基于当前参照图像测定的控制参数选择的新的参照图像取代当前参照图像，可避免或减小在用普通亚像素方法测定当前与新的参照图像之间的位移时引起的各种系统位移误差。
在本发明相关系统与方法的各种其它示例实施例中，这些系统与方法尤其适用于斑纹图像。
在本发明相关系统与方法的各种其它示例实施例中，这些系统与方法尤其适合在带高速高精度斑纹图像型读出头的图像相关中减小累加系统误差。
通过以下对本发明的系统与方法的各种示例实施例的详细描述，可以明白本发明的种种特征与优点。
附图简介参照以下附图详细描述本发明各种示例实施例，其中
图1是斑纹图像相关光学位置变换器框图；图2示出当前参照图像与位移图像之间的关系，和用于按第一技术产生相关值的当前参照图像与位移图像部分；图3示出当前参照图像与位移图像之间的关系，和用于按第二技术产生相关值的当前参照图像与位移图像部分；图4示出当前参照图像与位移图像之间的关系，和用于按第三技术产生相关值的当前参照图像与位移图像部分；图5是一曲线图，表示当图像以连续像素移位偏移时，普通乘法相关函数比较第一与第二图像的结果；图6是对一系列像素表示系统位移误差的曲线图；图7是表示各个系统位移误差的曲线图，这些误差出现在对一系列此类图像累加的两图像之间；图8是流程图，表示本发明减小累加系统位移误差方法的第一示例实施例；图9是流程图，详细示出本发明建立控制参数方法的一个示例实施例；图10是流程图，详细示出本发明设定详细控制参数方法的第一示例实施例；图11是流程图，详细示出本发明设定详细控制参数方法的第二示例实施例；
图12是流程图，示出本发明减小累加系统误差方法的第二示例实施例；图13是示出本发明基于图像的光学位置变换器中信号发生与处理电路的一个示例实施例框图，该变换器适合提供图像和测定图像位移；图14是示出本发明图13中参照图像更新电路第一示例实施例框图；图15是示出本发明图13中参照图像更新电路第二示例实施例框图；图16是示出本发明图13中参照图像更新电路第三示例实施例框图；较佳实施例的详细描述图1是基于斑纹图像的光学位置变换器100的框图。这种基于斑纹图像的光学位置变换器100以及各种合适的机械光学结构、图像相关方法与有关的信号处理电路，在共同待审的美国申请序列号09/584,264中有详述，该申请通过引用整个包括在此。
图1的基于斑纹图像的光学位置变换器110，包括读出头126、信号发生与处理电路200和光学粗糙表面104。图1中，示意示出了读出头126诸元件及其她们与光学粗糙表面104的关系，通常对应于下面描述的示例物理结构。
具体地说，光学漫射或光学粗糙表面104位于读出头126的照射与接收端附近，当光学粗糙表面104受到光源130从读出头126端部发射的光照射时，发射光从光学粗糙表面104向位于读出头126端部的图像接收光学单元散射。光学粗糙表面104可以是特制单元部分，或作为某分离存在机构的整个表面。
在随便哪种情况，光学粗糙表面104一般与光源和装在读出头126里的光学系统保持稳定的距离，沿至少一根规定的相对运动轴线如图1的测量轴110相对于读出头126移动。相对移动通常受装在框架上的普通导轨或轴承(未示出)制约，而框架将读出头126与光学粗糙表面104保持正确的相对位置。读出头126可以包括一对准装置(未示出)，帮助安装读出头126，并相对于安装框架和/或期望的光学粗糙表面104相对移动轴线对准读出头126的内部元件。
如图1所示，读出头126的图像接收光学单元包括位于读出头组件106的照射与接收端的透镜140，从而是透镜140的光轴通常对准光学粗糙表面104上照射的光点。读出头126还包括沿光轴与透镜140间隔开的针孔孔径板150和沿光轴与孔径板150隔开的光检测器160，如图1所示。光检测器160可以是任一种已知的或新开发的光敏材料或器件，可以购置成各独立光敏元件的阵列，如摄象机、电子或数字摄象机、CCD阵列、CMOS光敏元件阵列等。
下面再记述并包含在引用的264申请中的光学粗糙表面104与读出头126的示例性间隔和定值，包括透镜140、孔径板150与光检测器160。可以按照超小型光学系统结构和/或工业摄象机结构的常规方法，在读出头126机壳内安装光源130、透镜140、孔径板150和光检测器160，只要诸元件以精密而稳定的方式安装。
当读出头126合适地位于光学粗糙表面104附近时，光检测器160捕获的每幅图像都包含相对光亮光点的随机图案，即斑纹，从光学粗糙表面104衍射的光波正向组合成波峰，而在较暗的光点处，从光学粗糙表面104衍射的光波负向地组合抵消。与光漫射或光学粗糙表面104任何受照射部分相对应的随机图案是独特的，因而光学粗糙表面104可以用作位移参照，不需要任何专用标记。
光检测器160具有像元162沿至少一根轴线以已知间距隔开的阵列166。该已知间距为测量投射到光检测器160上的两幅图像之间的位移或偏移提供了基�。参饬坑糜诓舛ㄍ枷竦谋砻婕垂庋Т植诒砻�104的位移提供了基础。
此外，读出头126还包括至少一部分信号发生与处理电路200。如图1所示，信号线132从信号发生与处理电路200接至光源130，用于控制和/或驱动光源130。信号线164将光检测器160与信号发生与处理电路200相接。具体而言，可对阵列166的每个像元162单独处理，以通过信号线164将代表该像元162光强的值输出给信号发生与处理电路200。信号发生与处理电路200的额外部分可以远离读出头126安置，可以�？夭僮饔胂允径脸鐾�126的功能。下面参照图13～16更详细地描述信号发生与处理电路200。
另外，下面结合264申请详细涉及提供基于斑纹图像的光学位置变换器100的这一实施例与其它实施例的结构与操作。
如图1所示，光束134由光源130发射并导向光漫射或光学粗糙表面104上，照射一部分光漫射或光学粗糙表面104，结果，受照射部分的光漫射或光学粗糙表面104绕光轴144对光作散射和衍射。
在光源130为白光源时，光产生的受照部分图像可投射到像元162阵列166上。然而，虽然该图像能以斑纹图像相关的同样方式相关，但是该图像并不包括由光漫射或光学粗糙表面104的散射形成的斑纹。
当光源130为相干并由信号线132上的驱动信号驱动，而且将光束134作为相干光束输出时，相干光束134就照射一部分光漫射或光学粗糙表面104。受照部分沿读出头126光学系统的光轴144安放。尤其是，从受照部分光漫射或光粗糙表面104散射的光136由透镜140聚集。
然后，透镜140将从受照射部分光漫射或光学粗糙表面104收集的光142投射到具有针孔孔径152的针孔孔径板150上。透镜140与板150的间距f等于透镜140的焦距。针孔孔径板150与受照部分光漫射或光学粗糙表面104的间距为h。
将板150与透镜140以焦距f定位，基于斑纹图像的光学位置变换器的光学系统就变成远心。另外，通过应用针孔板150中的针孔152，斑纹图斑纹尺寸与伸缩只依赖于针孔152的尺寸，尤其是与透镜140的任何透镜参数无关。
从透镜140收集的光142通过针孔152。具体而言，把通过针孔152的光154沿光轴144投射到光检测器160像元162阵列166上。光敏元件162阵列166的表面与板150分开的距离为d。斑纹尺寸只取决于针孔152尺寸所对的角α和针孔板150与光检测器160像元162阵列166形成的表面之间的距离d。
在从受照部分光漫射或光学粗糙表面104到像元162阵列166接收的光的被检测部分内，斑纹的近似尺寸D为D≈λ/tan(α)＝(λ*d)/w (1)其中λ是光束134的波长，d是针孔板150与阵列166表面的距离，w为圆形针孔152的直径，α为半径等于距离d时尺寸w所对的角度。
在各示例实施例中，光学位置变换器100的这些参数的典型值包括λ＝0.6um，d＝10cm(105um)，w＝1mm(103um)。因而，斑纹近似尺寸D为60um。
为实现高分辨率，平均斑纹尺寸最好近似等于或大于光检测器160像元162的像素尺寸。另外，在读出头126的各种实施例中，平均斑纹尺寸约是像元162的像素间距的2～10倍。
为获得图像，信号发生与处理电路200在信号线132上输出驱动信号，驱动相干光源130发射相干光束134。光束134照射一部分在光检测器160像元162阵列166上成像的光学粗糙表面104。然后，信号发生与处理电路200通过信号线164输入多个信号部分，各信号部分对应于由一个或多个个别像元162检测的图像值。
为了测定光学粗糙表面104在任意两幅图像之间的位移，将信号发生与处理电路200接收自光检测器160的第一图像的信号部分存入存储器。稍后，信号发生与处理电路200再驱动相干光源130并通过信号线164从光检测器160输入第二图像信号。通常，在获得第一图像后，根据光学粗糙表面104的位移速度，必须在短时间内产生并获取第二图像，时间必须短得足以确保第一与第二图像充分“重叠”，即时间必须短得足以保证出现在第一图像中的图像值图形也出现在第二图像中，从而能测定两图像间的有效的相关性。
然而，在有些示例实施例中，希望将对应于某特定位置的一个或多个参照图像存贮的时间长于获得下一位移图像的时间，即不是把当前的第二图像用作下一采样图像的第一图像，而是把当前参照图像重复用于以后位移的图像。通常，当前参照图像可以一直使用到当前参照图像与当前位移图像不再充分重叠而产生强相关峰值或波谷值。这样，与原有技术一样，不再累加连续图像之间的位置误差。
即，此时当前位移图像将达到某一相对位移，表示将来的位移图像可能不完全重叠当前参照图像。此时应识别出新的参照图像，并用该识别出的新的参照图像代替或更新当前参照图像。根据本发明的系统与方法，新的参照图像选自至少某些从第一次使用的当前参照图像以来获得的后续的位移图像，从而可以掌握、减小或最好消除因在连续参照图像之间切换出现的系统位移误差而累加的位置误差。
当前参照图像与当前位移图像经处理而生成相关函数。在实践中，当前位移图像以数字方式相对当前参照图像偏移某一范围或空间平移位置。包括使两幅图像的图形最接近对准的偏移。相关函数表示图形对准度，因而指示出在两幅图像数字偏移时使它们对准所需的偏移量。
应该明白，有多种不同的技术可对当前参照图像与当前位移图像作比较。如图2所示，在第一示例技术中，以逐个像素的方式将全帧当前位移图像与全帧当前参照图像作比较而产生单一相关值。此时，将那些位于同其它当前参照图像与位移图像区不重叠的当前参照图像与位移图像区内的像素，与具有默认值的像素作比较，或被指定一默认比较值等。每次比较后，使当前位移图像相对当前参照图像偏移一个像素，就产生图5所示一系列相关值。
在图3的第二示例技术中，比较分两步进行。在第一步中，将一行或多行当前位移图像全部与一行或多行对应的当前参照图像作比较，产生一近似相关值。每次比较后，将当前位移图像相对于当前参照图像偏移一个像素，产生一系列与图5对应的近似相关值。由于只比较少量的行，所以能迅速产生每次比较结果。然而，由于只使用少量的行而不是整幅图像，所以得到的相关值只是接近将所有行的当前位移图像与对应行的当前参照图像作比较而得到的相关值。不过，近似相关值通常指出了当前参照图像与位移图像之间近似的重叠量。
然而，在第二步中，在当前参照图像与位移图像之间测定的重叠度使用来确定将要进行比较以产生相关值的部分当前位移图像和部分当前参照图像。即只有围绕相关峰值或波谷值的相关值才用来测定内插的亚像素位移。这样，只要根据多于单行当前位移图像与参照图像的比较测定围绕相关峰值或波谷值的相关值。
在第二步中，对于围绕近似相关峰值或波谷值的当前参照图像与位移图像之间的每个像素偏移量，只对当前位移图像与参照图像的重叠区按逐个像素方式作相互比较，以对该像素偏移量产生相关值。因此，对每个像素偏移量而言，比较部分的尺度与其它像素偏移量的情况不同。
在图4的第三示例技术中，沿每一移动方向具有预定范围的窗口用来选择一部分准备与当前参照图像作比较的当前位移图像。此时，跨过当前参照图像扫描该窗口，选择一部分准备与选定部分的当前位移图像作比较的当前参照图像，以产生每个相关值，即对于偏移值为零的情况，窗口对准当前参照图像的一个边缘。随着偏移值以像素增量增大，窗口向当前参照图像相对的边缘移动一个像素。在窗口到达当前参照图像的相对边缘时，就出现可得到相关值的最后一个偏移值。
例如，在第三种技术的各种示例实施例中，当前位移图像部分沿运行方向的范围，近似为当前位移图像帧长L的1/3～1/4，该部分可以以当前位移图像的几何中心为中心。应该明白，窗口可以具有固定的范围，或者其范围可以根据上次测定的当前参照图像与位移图像之间的位移量而变化。在各种示例实施例中，为了使必须比较的像素数量减至最少，同时确保可得到强相关峰值/波谷值，至少能部分选择窗口的大小。
还应明白，在第三种技术的各种其它示例实施例中，该部分的位置至少可以部分地以当前位移图像相对当前参照图像的位移方向为基础。此时，若当前位移图像已移至当前参照图像的右边，该部分当前参照图像的位置应偏向中心左边。另外，在各种其它示例实施例中，该部分的偏移度至少可以部分地以当前参照图像相对当前参照图像的位移量为基础。这样，可将当前位移图像的整个部分保持在当前参照图像帧边界内，同时可在必须使用新的参照图像之前，增大当前参照图像与位移图像间的相对位移量。
例如，对于应用第三示例技术的系统的各种示例实施例，可捕获帧长为L、帧宽为N的图像，当前参照图像与位移图像的帧长(像素)为L，帧宽为N。在这些实施例中，当前位移图像的M×N部分的范围M将是帧长L的一小部分，即M＝L/x，x为大于1的任何实数。随着M×N窗口在当前参照图像长度上从第一位置(M×N窗口一个边缘对准当前参照图像一个边缘)向第[L-(M-1)]位置(M×N窗口相对边缘对准当前参照图像相对边缘)步进，该M×N部分的当前位移图像将与每个M×N部分的当前参照图像相关。
应该明白，在第二与第三示例技术中，只有一部分当前位移图像与对应大小部分的当前参照图像作比较，可得到比背景相关值更强的相关峰值或波谷值。此时，当该部分的当前位移图像接近当前参照图像边缘时，应该更新该当前参照图像。
对于一维的位移，当每个当前参照图像与当前位移图像作比较的部分各包括按M行像素与N列像素的二维阵列排列的M×N个像素时，一种常用的相关算法是R(p)=[Σn=1N(Σm=1MI1(m,n)*I2(p+m,n))]....(2)]]>其中R(p)是当前偏移值的相关函数值，p是当前偏移值(像素)，m是当前列数，n是当前行数，I1为第一图像中的当前像素图像值，而I2为第二图像的图像值。对于二维位移，本领域的技术人员可用第二维度修改公式(2)。
应该明白，在各种示例实施例中，当把全帧当前参照图像与全帧当前位移图像作比较时，一般使用循环边界条件。如公式(2)所示，得到每行的相关值，将行相关值相加，然后把和值对M行求平均，得到平均值和减噪的相关函数值点。为确保相关函数值点对准备通过内插法得到的分辨率大致稳定而确定相关函数极值，希望作这一求均。因此，当每个相关函数值点从相邻的相关函数值点偏移约1um时，为了通过内插得到大致纳来级分辨率以测定相关函数极值，假定相关函数值点必须对期望的纳来分辨率值大致稳定。
图5曲线示出按前述普通乘法相关函数法比较第一与第二图像的结果。具体而言，该相关函数包括多个离散的相关函数值点201，他们沿x轴分散对应于像素间距P的预定偏移增量，如距离208所示。该预定偏移增量能直接与图1所示光学粗糙表面104的位移增量相关。这一位移增量取决于阵列166各个像元162沿对应于测量轴110方向之间的有效中心距(在以下描述中也指像素间距P)和读出头126的光学系统对光漫射或光学粗糙表面104的位移的放大量。
例如，若像元162沿对应于测量轴110的有效中心距为10um，而且读出头126的光学系统把表面位移放大10倍，那儿光漫射或光学粗糙表面104受照部分1um的位移，将在像元162上被放大为10um的斑纹图位移。
各相关函数值点201的产生方法是，沿对应于测量轴110的方向，以数字方式将第二图像相对第一图像偏移像元162的有效中心距。此时，因为像元162的有效中心距对应于光漫射或光学粗糙表面104的约1um位移，所以离散相关函数值点201将分开约1um的位移距离。具体地说，图5中具有以任意单位显示的相关函数值的相关函数，将在偏移值或空间平移位置呈现出真实连续相关函数205的极值，每个第一与第二图像中的图像或光强、图形实现最佳对准。
这里，把与真实连续相关函数的极值有关的像素的偏移值称为峰值偏移，不管潜在的相关函数是产生峰值还是谷值，而且把对应于峰值偏移的表面位移称为峰值位移，或简称位移，不管潜在的相关函数产生峰值还是谷值。
在图5实例中，真实连续相关函数205的极值出现在约20个像素即像元162的偏移处，对应于20um位移，如直线203所示。图5中，真实连续相关函数205的极值与极值相关函数值点204区分不出。然而，一般而言，极值不一定出现于偏移值或空间平移位置，它是像素间距的整数倍，所以与极值相关函数值点并不精密地相符。
通常，若要求亚像素分辨率与精度，就要把函数f(x)用数值拟合到构成相关峰值202的相关函数值点。然后，求出数值拟合函数f(x)的极值，并把相应的偏移值即空间平移位置视为第一与第二图像的最佳峰值偏移估值。例如，为了求出对应于数值拟合函数f(x)极值的偏移值，就要对数值拟合函数f(x)求微分，以便确定f(x)的斜率为零的偏移值x。
在应用公式(2)等乘法相关函数时，相关函数在围绕峰值或谷值的区域内相对变弯曲，因而一般将数值拟合函数f(x)选成二次或更高次函数，然而，发明人发现，以亚像素级别估算相关函数极值的这些常规方法，会引入图6那样不可忽视的系统位移误差。
图6中，曲线表示按前述普通乘法相关函数方法以亚像素级别比较第一与第二图像的结果。图6中，评估位置的误差呈周期性，估算误差的周期对应于获取图像时使用的像素间距。发明人发现，在亚像素图像相关系统中，这种周期性误差曲线是一种典型的系统误差。发明人还发现，在本发明各种系统与方法示例实施例中，在减小或避免这些系统位移误差方面，这种周期性所提供的预定误差特征可以用作一个基�。踔廖扌胱挪舛ㄖ芷谛晕蟛钋叩姆祷蚓咛逍巫�。
发明人还发现，这类系统位移误差对于基于特定图像相关的位移测量系统相对稳定，而且对多种基于相似图像相关的位移测量系统相对类似。这样，一旦对某一基于特定图像相关的位移测量系统作了具体测定，那么这类系统位移误差呈现的至少一个预定误差特征，就可为该测量系统在以后操作时具体补偿或避免这些系统位移误差提供基础。再者，在这方面，基于特定图像相关的位移测量系统代表着一类基于相似图像相关的位移测量系统，根据基于特定代表性图像相关的位移测量系统预定的误差特征，在一定程度上可以同样地补偿或避免任何这类机器的系统位移误差。
由于读出头126沿光学粗糙表面104位移，当前参照图像切换成新的参照图像，在有关测量中出现图6所示的系统位移误差。这样，由于一幅参照图像切换成下一幅参照图像，这些系统位移误差会以察觉不出的方式累加，除非应用本发明的系统与方法来减小这类误差，或以可预测方式累加这类误差。
图7示出四个示例实施例，说明系统位移误差是如何累加的，并根据本发明的系统与方法，对一系列置换现象如何减小、消除或掌握、补偿累加的系统位移误差。置换现象在用新的参照图像替代当前参照图像时出现。参照级位移是两个参照图像之间的相对位移，如当前参照图像与其置换的新的参照图像之间的位移。
如图7所示，在第一累加系统位移误差曲线400所示的第一示例实施例中，对每个置换现象，新的参照图像选自一组候选参照图像，或者如此得到，即可以知道如图6所示新的参照图像沿系统位移曲线的位置。因此，在此情况下，由于掌握了新的参照图像相对于老的参照图像沿系统位移误差曲线相对位移的位置，所以累加的系统误差按已知的量增大。
这样，对于每个置换现象，能以已知的可预测方式累加系统位移误差量。结果，可从总累加位移中对新的参照图像扣除累加的系统位移误差，得到该新的参照图像的补偿累加位移。
还应明白，若相对于老的参照图像以规定的位移选择或获取新的参照图像，使每幅新的参照图像在系统位移误差曲线上接近同一位置，则在测定与当前参照图像有关的累加系统位移误差时，只需统计当前参照图像被置换的次数就行了。即在此情况下，累加的系统位移误差是当前参照图像被置换的次数乘上与每次置换有关的系统位移误差量。
在第二累加系统位移误差曲线410所示的第二示例实施例中，相对于老的参照图像以规定的位移选择或获取新的参照图像，使每个新的参照图像在系统位移误差曲线上接近零交叉位置。此时，与各置换现象有关的系统位移误差基本上为零，因而累加的系统位移误差常常接近为零。另外，即使新的参照图像不准确地位于系统位移误差曲线的零交叉点，每次置换现象产生的系统位移误差量也很�。梢月奂�。
再者，当第一新参照图像不准确地位于系统位移误差曲线的零交叉点时，相对于该第一新参照图像，稍后获取的第二新参照图像容易沿系统位移误差曲线位于该零交叉点的相对一侧，因而第一与第二新参照图像相对于累加的系统位移误差自我补偿。
在第三累加系统位移误差曲线420所示的第三示例实施例中，选择或获取的每个新参照图像，可以使每个新参照图像沿系统位移误差曲线相对于接近系统位移误差曲线的峰值或谷值的老的参照图像位于规定的位移，而且使跟随的每个新参照图像沿系统位移误差曲线相对于接近该系统位移误差曲线另一峰值或谷值的老的参照图像位于若干规定的位移之一。这样，与每个新的参照图像有关的系统位移误差幅值相近，无须专门测定。同时，由任意两幅连续的新参照图像引起的系统位移误差具有相反的符号，因而由一幅新参照图像引起的系统位移误差，可用下一幅新参照图像引起的系统位移误差补偿。
应该明白，在该第三示例实施例中，峰谷位置并非关键，即可以使用沿系统误差曲线的任意一组位置，只要该组的位置具有等值而相反的系统位移误差。
在第四累加系统位移误差曲线430所示的第四示例实施例中，对于一些置换现象，在沿系统位移误差曲线相对于已作动态规定或测定或者静态规定的老的参照图像以某一位移位置选择或获取新参照图像，从而在将该新的参照图像的系统位移误差加到因前几次置换现象而累加的累加系统位移误差里时，至少可减小该累加系统位移误差的绝对值。例如，如图7中累加系统位移误差曲线430所示，在与第一系统位移误差累加时，第二系统位移误差增大了累加系统位移误差。然后，在与第一与第二置换现象引起的累加系统位移误差累加时，第三系统位移误差抵销了该累加的系统位移误差，把累加系统位移误差减至几乎为零。
应该明白，第三系统位移误差的绝对值可能小于或大于累加系统位移误差的绝对值。然而，只要某些置换现象的系统位移误差具有与其它置换现象的系统位移误差相反的符号，就落在本发明范围内。另外，应该明白，系统位移误差可对任何数量的置换现象累加，而且可用任何数量的后继置换现象引起的总系统位移误差抵销。
在以上参照图7描述的示例实施例中，假定新的置换图像可在沿系统位移误差曲线期望的位置获�。蛘吣苎∽砸蛔楹蜓〉牟握胀枷�。然而，根据读出头126与光学粗糙表面104之间的相对速度和/或采样时序，可能不在期望的位置获取这种新的参照图像，或者可能该组候选参照图像并不具有沿系统位移误差曲线位于适当位置的候选参照图像。例如，在读出头126正在沿光学粗糙表面104高速移动，从而在当前参照图像与当前位移图像之间的偏移变得过大之前只能获取一幅或少量潜在新的参照图像时，就会出现这一状况。
第四累加系统位移误差曲线430所示的该第四示例实施例，允许系统位移误差对两个或更多置换现象累加，然后由一个或多个置换现象多少抵销一些，或者对一个或多个置换现象累加，接着再由两个或更多置换现象多少抵销一些。因此，例如可对第三实施例作一修改，从而在上一次置换现象处在峰值时，下一次置换现象不必处于谷值，反之依然。就是说，两个或更多连续的置换现象都可位于峰值或谷值，只要这些置换现象多少被位于谷值或峰值的同样数量的后续置换现象分别抵销，或者多少抵销一些分别位于谷值或峰值的同样数量的早期置换现象。
还应明白，抵销置换现象可以抵销得小于或大于累加的系统位移误差。另外，这些累加与抵销置换现象可以交织在一起，不必相邻，或具有任何特定的安排或组织。因此，如下所述，采取是于抵销累加系统位移误差方式，只要后续新参照图像的系统位移误差在有效时刻获取或选自一组有效候选参照图像，都将落在本发明范围以内。
还有，在该第四实施例中，每幅新参照图像的位置可以是沿系统位移误差曲线一组预定或规定位置的下一个位置。此时，与第三实施例不同，组内诸位置不必具有等值而相反的系统位移误差。相反地，在此情况下，该组预定位置的系统位移误差之和为零。如在第四累加系统误差曲线430中，诸位置沿系统位移误差曲线相互隔开120度，此时与这些位置有关的系统位移误差既不相等，也不相反。然而，假定置换现象在组内三个位置之间平均等分，累加的系统位移误差将趋零。
图8的流程图示出本发明方法的第一示例实施例，用于在更新参照图像时减小累加的系统误差。从步骤S200开始，控制继续到步骤S300，把初始参照图像获取为当前参照图像。接着在步骤S400，对位置累加器作初始化，使初始位移值与初始参照图像相关联并存贮起来。于是控制继续到步骤S500。
一般而言，该初始位移值对初始参照图像将为零，即该初始参照图像代表读出头126相对光学粗糙表面104的“零”位置。操作期间，由于如初始参照图像等每幅当前参照图像被新的参照图像置换成更新，新的参照图像相对于老的参照图像的偏移或位移将被加到位置累加器里。由于在分析了每幅新位移的图像之后不一定更新该位置累加器，所以减小了累计的位置误差。另外，由于新的参照图像是按本发明的系统与方法选择的，所以一般可以预测当前与新的参照图像之间的系统位移误差。
即使不知道实际的系统位移误差值也是如此，即只要知道系统位移误差是周期性的就足够了，系统位移误差的波长、周期性系统位移误差的定性形状和该波长内的地点，当前参照图像与位移图像之间的任何相对位移都可确定。这样，在这种实施例中，无须了解任何特定精密程度的系统位移误差，就能预测当前与新的参照图像之间特定相对位移造成的系统位移误差的定性特征。因此，在应用本发明的系统与方法时，能进一步减小或消除在用新的参照图像置换一幅参照图像时累加的位置误差。
再者，在应用本发明的系统与方法而使当前与新的参照图像之间的系统位移误差可以预测时，就能补偿累加的系统位移误差，或者以系统位移误差自我补偿的方式得到新的参照图像。
在步骤S500，对当前参照图像建立一个或多个控制参数，确定何时开始寻找能用作新的参照图像去置换该当前参照图像的位移图像。一般而言，该一个或多个控制参数确定应该何时把位移图像保存为当前参照图像而取代老的参照图像，所述位移图像可以是当前位移图像或先前捕获的保存下来的位移图像。该一个或多个控制参数将部分取决于基于图像相关的位移测量系统的一个或多个操作特性，例如帧尺寸(即光检测器160捕获的全图像尺寸)与阵列尺寸(即用于产生相关值、系统时序与触发信号特性的当前位移图像与参照图像部分的尺寸)等，而且/或者部分取决于基于图像相关的位移测量系统当前操作状态的一个或多个方面，例如瞬时速度，即读出头126通过光学粗糙表面104的位移速率、读出头126通过光学粗糙表面104的加速度等。
该一个或多个控制参数还取决于用来确定何时捕获或获得下一幅位移图像的方法。一般而言，有两种这样的方法，即固定计时或采样速率方法和可控采样或计时速率方法，尽管本发明的系统与方法可以应用任何其它已知的或以后开发的方法。不管用什么方法确定何时获取下一幅位移图像，该一个或多个控制参数建立的一个或多个目标值或范围，可确保用来测定相关值的整个位移图像部分保持在参照图像帧内，即该阵列不延伸出该帧。下面参照图9～11，更详细地讨论建立一个或多个控制参数的过程。
接着在步骤S600，获取当前位移图像。然后在步骤S700，确定当前参照图像与当前位移图像间的相关值。然后控制进到步骤S800。
如上所述，通常有两种方法可确定何时获取当前位移图像。在第一种方法中，采样率或计时为固定，此时按固定时间间隔获取位移图像，与位移速率无关，即与读出头126相对光学粗糙表面104的速度无关。该速度通常就是任何两幅图像间的位移和这两幅图像捕获之间消逝的总时间。
在第二种方法中，可以控制采样率或计时。通常是控制采样计时。在各种实施例中，根据读出头126相对光学粗糙表面104的速度，控制采样率，通常在连续的位移图像之间出现同样的位移。在各种实施例中，除了或者控制采样率以获得同样的位移以外，一旦控制参数指示要识别新的参照图像，则可按不同方式控制采样率。如在这些实施例中，在这种情况下，为了捕获与当前参照图像的位移在该当前参照图像预定的位移关系内的位移图像，就要提高采样率。但应明白，可以按任何期望的方式和/或任何期望的原则或参数来控制采样率或计时。
在步骤S800，根据步骤S700测定的相关性，测定位移和/或运动值，该位移或运动值代表当前位移图像相对于当前参照图像的当前位移。与任何先前位移图像相对当前参照图像的任何先前的位移无关。然后在步骤S900，更新显示而包括步骤S800测定的位移和/或运动值。接着在步骤S1000，判断是否要求获取另一位移图像。若要获取另一位移图像，控制进到步骤S1100，否则跳到步骤S1300停止处理。
在步骤S1100，判断是否要更新参照图像，若参照图像不要更新，则控制返回步骤S600，如前那样推进处理。反之，若要更新参照图像，控制就进到步骤S1200。根据步骤S500建立的一个或多个控制参数更新参照图像。然后，控制返回步骤S500，对新的当前参照图像建立新的控制参数。接着，处理如前述那样行进。
在各种实施例中，在使用固定采样率的第一种方法时，位移图像相对当前参照图像的位移x可以用作控制参数。在各种实施例中，当实施第一或第二示例技术时，新的参照图像选自任何一种与当前参照图像位移L/3～L/2的位移图像，L为这类图像的帧长度。与之对照，在各种实施例中，当实施第三示例技术时，新的参照图像选自任何一种连续重迭当前参照图像至少为“aM”的位移图像，M是窗口沿读出头126相对光学粗糙表面104运动方向的尺度，a为至少为1的常数。在各种实施例中，a根据固定采样率决定。
在目标平面上，帧长L’等于像素间距与像素沿移动方向数量的乘积除以光学系统的放大倍数。由于采样率固定，所以能连续测定和更新读出头126在最后两幅位移图像i之间相对光学粗糙表面104的速度V(i)V(i)＝x(i)-x(i-1)(公式3)其中x(i)是当前位移图像相对当前参照图像的位移，x(i-1)是刚刚之前位移的图像相对当前参照图像的位移。
根据最后测定的读出头126相对光学粗糙表面104的速度V(i)和已知的采样率，就能预测相对当前参照图像具有测定位移的后来获取的位移图像的范围，对于第一与第二示例技术，该范围落在相对当前参照图像允许的L/3～L/2范围内，对于第三示例技术，在允许的aM范围内。具体而言，从目前相对位置x(i)到L/3与L/2之间相对当前参照图像的位移的时间t为
(L/3)-x(i)＜V(i)t＜(L/2)-x(i)(公式4)同样能测定从目前位置x(i)到位于aM重迭区内的位移的时间。
这样，从目前期为止在时间t之前能获取的位移图像数N由t/T给出，T是采样时间。在各实施例中，这些N个可获取的位移图像贮存在存储器中。对于这些N个最后采样的图像，把相对于当前参照图像的位移最接近于半整数像素的位移(例P/2这里P是相应整理象素数的位移)的采样图像选作用来置换当前参照图像的新的参照图像，这由图7中第二示例累加位移误差曲线410示出。贮存在存储器里的其它位移图像可以作废。
在这些实施例中，对于每幅新的参照图像，由于新的参照图像相对于其当前参照图像的位移接近p/2，所以系统位移误差将聚集在零系统位移误差点周围。这样，累加的系统位移误差将缓慢增大，若系统位移误差均匀在零系统位移误差点周围，将趋于相互抵销。
在各种实施例中，在首次用上述那样选择的新的当前参照图像置换当前参照图像后，如上述那样选出以后的新的当前参照图像，但要用一附加标准。该标准就是选出的位移图像是是位移最接近半整数像素位移而且在系统误差曲线上(如图6所示)位于某一位置的位移图像，该位置在零误差线的相对一侧，而不是当前参照图像在该图周期性误差曲线上所占的位置。
此时，在新的参照图像存贮并变成当前参照图像时，也存贮了与前一参照图像的实际位移。或者，可以只存储估算的系统位移误差或其符号。然后，在对当前参照图像选择下一新的参照图像时，选出的新的参照图像将与当前参照图像有一实际位移，它在零误差线与当前参照图像存贮的实际位移位置相对一侧位于图6所示的系统位移误差曲线上。
或者，为取得同样结果，可以选择新的参照图像，使得与该新的参照图像的实际位移有关的系统位移误差的符号同与当前参照图像有关的系统位移误差的符号相反，这样将保证以后的参照图像具有抵销的系统位移误差，或者如上述图7的第一累加系统位移误差曲线400所示，根据如图6所示的系统位移误差曲线，可以估算出与新的参照图像相对当前参照图像的位移位置有关的系统位移误差，然后累加估算的系统位移误差，再把它从累加的位移中减去而得到系统位移误差补偿的累加位移。这样将确�：笮握胀枷窬哂械窒南低澄灰莆蟛睢�
应该明白，可以应用能累加参照位置误差并以连续将累加的参照位置误差减至最小的方式把位移图像选作新的当前参照图像的其它更复杂的方法，如以上参照图7的第四累加系统位移误差曲线430所述的方法。这在读出头126相对光学粗糙表面104的速度V(i)相对高时尤其有效，这样可以如上那样，可将新的当前参照图像不及选择之后能获取的位移图像数N接近1。
在上述实施例中，把位移x最接近半整数像素位移的获取的位移图像选成新的当前参照图像。与之相对照，在各种其它实施例中，如以上参照图7中第一与第三累加系统位移误差曲线400与420所述，选择的位移图像是位移x最接近(2p-1)/4位移的位移图像，其中p是对应于整数个像素的位移。此时，选择的位移图像相对当前参照图像的位移x将是一个单数1/4整数像素位移，即p/4，3p/4，5p/4……之一。
与上述实施例相对照，在这些实施例中，系统位移误差将趋于聚集在最大或最小系统位移误差周围。这些最小与最大系统位移误差趋于具有同样的绝对值。因此，与上述诸实施例一样，若系统位移均分在最小与最大系统位移误差之间，它们将相互抵消，净累加系统位移误差趋于零。
在前述诸实施例中，选择的新的参照图像具有p/2的位移。虽然这些参照图像的系统位移误差值小于后述实施例的系统位移误差值，在前述实施例中这些系统位移误差值对实际位移敏感得多，因而实际位移小小的变化会导致系统位移误差很大的差异。相反地，在后述诸实施例中，系统位移误差对实际位移不很敏感。因此，即使实际位移相差很大，除了符号以外，系统位移误差几乎一样。
因此，在各种实施例中，如参照第一累加系统位移误差曲线400所述，由于系统位移误差完全可以预测，所以能像上述那样把系统位移误差累加起来并从累加的位移中减去，得到高度准确的补偿的位移。另外，从该值中减去最接近累加系统位移误差绝对值的(2p-1)/4位置的一个平均系统位移误差绝对值的倍数，可以把累加的系统位移误差值减小到接近零。
在各种其它实施例中，与上述参照p/2位移的替代实施例和参照第三累加系统位移误差曲线430所述的情况一样，可在这些(2p-1)/4实施例中选择新的参照图像，使该新的参照图像相对当前参照图像的系统位移误差的符号与当前参照图像相对前一参照图像的系统位移误差的符号相反。
具体而言，在这些实施例中，在用(4p-1)/4位移选择当前参照图像时，将用(4p-3)/4位移选择新的当前参照图像。相反地，当用(4p-3)/4位移选择当前参照图像时，则用(4p-1)/4位移选择新的当前参照图像。此时，连续选择的位移图像相对当前参照图像的位移x将只是单数四分之一整数像素位移，但是变更了图6所示周期性误差曲线的峰值与谷值，即连续选择的位移图像的位移x，将从p/4、5p/4、9p/4……之一变为3p/4、7p/4、11P/4……之一。
一般而言，在当前位移图像的一个或多个控制参数的值超过对当前参照图像测定的一个或多个控制参数的容限值时，就要求用新的参照图像更新或置换该当前参照图像。根据用于测定何时获取下一位移图像的方法，将采用不同类型的控制参数。一般情况下，为了对当前参照图像的每个控制参数建立目标范围，这些控制参数将具有与之有关的合理的容限。对一个或多个控制参数而言，当当前位移图像的控制参数值在对应的目标范围内时，就要求用新的参照图像置换该当前参照图像。
例如，在应用第一方法时，控制参数值包括读出头126可相对光学粗糙表面104移动的每个方向的目标位移值。在读出头126只能相对光学粗糙表面104作一维移动时，目标位移值是沿直线维度的正负位移。反之，使用第二方法时，控制参数值包括对应于捕获位移超出目标位移值的位移图像的目标采样时间值。
应该明白，有多种方法可用来提供从中可以选择新的当前参照图像的潜在位移图像库。这些方法与上述测定何时获取位移图像的方法无关。在提供这种潜在位移图像库的第一种方法中，由于已获取每个新的位移图像并测出其与当前参照图像的参照位置的位移，将该当前位移图像的一个或多个控制参数值与当前参照图像的一个或多个控制参数目标范围加以比较。一旦比较表明至少有一个或各个控制参数值在当前参照图像相应的目标范围内，就用当前位移图像置换该当前参照图像。
在提供这种潜在位移图像库的第二种方法中，一旦当前位移图像的比较结果表明至少有一个或多个当前位移图像的控制参数值在对应的目标范围内，就把当前位移图像连同其位移值一起存入存储器。然后，获取并分析每幅后续的位移图像，测定该后续位移图像的位移和一个或多个控制参数值。若该后续位移图像的一个或多个控制参数值也在对应的目标范围内，则将该后续图像的这些控制参数值和/或位移同当前保存的位移图像的一个或多个控制参数和/或位移作比较，确定哪个位移图像是置换当前参照图像的“最佳候选者”，然后保存该“最佳候选“位移图像。这样继续下去，直到后续位移图像的至少一个控制参数的值不在对应的目标范围内。此时，就用保存的位移图像置换当前参照图像。
关于利用可控采样率测定何时获取位移图像的第二种方法，一旦一幅位移图像的至少一个控制参数值落在对应的目标范围内，控制采样率的一种方法就是应用“猝发率”模式。在该猝法率模式中，以极高的速率获取若干位移图像。该高速率一般仅受制于从阵列166中读出所有图像值并将图像值保存在存储器里所需的时间周期。若干位移图像通常只受制于有效的存储器。然而，由于对其至少一个控制参数值不落在对应目标范围内的位移图像并无价值，所以在猝法模式期间准备获取的若干位移图像，在读出头126相对光学粗糙表面的实际或预期的速度将从一个或多个控制参数的至少一个目标范围中取出该位移图像时，实际上可能受制于估算。
当然，应该明白，根据读出头126相对光学粗糙表面104的速度，对于落在目标范围的一个或多个控制参数而言，只有一幅这样的位移图像可能具有控制参数值。还应明白，第二种方法要用附加的存储器。
在提供这种潜在位移图像库的第三种方法中，可以推迟最佳候选的分析。直到在后续位移图像的至少一个控制参数值不落在对应的目标范围以后。此时，把控制参数值落在对应目标范围内的每幅后续位移图像都保存起来。应该明白，较之第二种方法，第三种方法要用附加的存储器。
在第四种方法中，只有在当前后续图像的一个或多个控制参数因该后续图像变成不对准当前参照图像而落在对应目标范围以外时，采用“最佳候选”保存的位移图像置换当前参照图像。即，如果由于当前后续图像的位移小于对应于落在对应目标值内的当前位移图像控制参数的位移，因而当前后续图像的一个或多个控制参数值落在对应目标范围之外，则不要求更新当前参照图像。此时，一个或多个保存的位移图像被废弃。
还有若干测定目标范围的方法。一般而言，控制参数目标值代表了位移图像阵列不再完全位于当前参照图像帧(肯定)内的几何极限。这些标称目标值通过对每一目标值加一缓冲区而改成目标范围。在第一种方法中，根据读出头126相对光学粗糙表面104的速度的预定最大值，决定这一缓冲区。在第二种方法中，根据测定的读出头126相对光学粗糙表面104的实际速度，决定该缓冲区。应该明白，在第二种方法中，还可用读出头126相对光学粗糙表面104的实际加速度决定缓冲区。
还应明白，每个一个或多个控制参数的目标范围还可根据其容限来确定。例如，对于应用固定采样率或计时的测定何时获取位移图像的第一种方法，动态容限可以基于读出头126相对光学粗糙表面104的期望速度和/或采样率或计时。
图9的流程图详细示出了本发明建立一个或多个控制参数过程的示例实施例。该一个或多个控制参数为下一参照图像更新而建立。在步骤S500开始后，控制进到步骤S510，此时相对当前参照图像建立位移极值，确保当前位移图像部分或阵列保持在当前参照图像帧内。位移极值可以例如用加到阵列尺度几何极限里的最大速度缓冲区建立。另外，这些极值例如可以用加到阵列尺度几何极限了的实际速度缓冲区建立。接着在步骤S520，设定详细的控制参数，使参照更新过程按上述各种模式进行。然后控制进到步骤S530，控制返回步骤S600。
图10的流程图详细示出本发明设定详细控制参数方法的第一示例实施例。图10的过程是一示例方法实施例，用于在使用固定采样或计时速率时设定详细的控制参数。在步骤S520开始后，控制进到步骤S521，设定一个或多个控制参数，例如可设定一个或多个控制参数的目标值，这些目标值对应于位移的一个或多个预定值。
接着在步骤S522，测定一个或多个容限值和/或缓冲区值，对一个或多个控制参数建立目标范围。设定一个或多个目标值时，可按期望的速度和/或采样率动态地测定容限和/或缓冲区值。通过对一个或多个控制参数建立目标值与容限和/或缓冲区值，对一个或多个控制参数具有控制参数值的位移图像将触发被新的参照图像置换的参照图像，而所述控制参数值对应于每个目标值的目标值、正或负容限值和/或缓冲区值。
然后在步骤S523，设定触发更新参照图像的条件。如上所述，根据读出头126相对光学粗糙表面104的实际速度，可能只有一幅参照图像的位移和/或控制参数值落在控制参数的目标范围内，或者可能有若干这样的参照图像满足这些条件。如在步骤523，可以设置触发参照图像更新过程，从而用在目标范围内的第一参照图像更新当前参照图像。或者可以设置触发更新，以便使用落在目标范围内的“最佳候选”位移图像，直到后一图像落在目标范围以外。此时，将把最后的最佳候选用作被更新的参照图像。运用后一方法，“最佳候选”通常是最接近理想位移值的位移图像。接着，控制进到步骤S524，程序返回步骤S530。
图11的流程图详细示出了本发明设定详细控制参数方法的第二实施例。图11过程是在使用可控或可变采样率时设定详细控制参数的方法的实施例。
在步骤S520开始后，控制进到步骤S525，设定一个或多个控制参数。例如，相应于采样时间的设定值，可设定一个或多个控制参数的目标值。接着在步骤S526，测定一个或多个容限值和/或缓冲区值，建立一个或多个控制参数的目标范围。在设定一个或多个目标值时，可按期望的速度和/或采样率动态的确定容限和/或缓冲区值。通过对一个或多个控制参数建立目标值与容限和/或缓冲区值，一个或多个控制参数的控制参数值对应于每个目标值的目标值、正或负容限和/或缓冲区值的位移图像，将触发被新的参照图像置换的参照图像。
接着在步骤S527，设定触发更新参照图像的条件。如上所述，根据读出头126相对光学粗糙表面104的实际速度，可能只有一幅位移和/或控制参数值落在控制参数目标范围内的参照图像，或可能有几幅满足条件的此类参照图像。在步骤S527，例如可以设定触发参照图像更新过程，从而用目标范围内的第一参照图像更新当前参照图像。或者，可以设定触发更新，以便应用落在目标范围内的“最佳候选”位移图像，直到后续图像落在目标范围以外。此时，最后的最佳候选将被用作更新的参照图像。通过应用后一方法，“最佳候选”通常是最接近理想位移值的位移图像。然后，控制行到步骤S528。
在步骤S528，设定上述的标准采样率模式或猝发速率模式。然后在步骤S529，控制返回步骤S530。
图12的流程图示出本发明减小累加系统误差方法的第二实施例。图12的过程能理想地应用于指定的变换器容易对某一位置呈现在重复斑纹图像的场合。在图12示出的方法中，已实现获取并存贮了一系列参照图像，这些参照图像沿光学粗糙表面104的整个范围一般等分开，并相对光学粗糙表面104上某一限定的点具有已知的位置偏移。一般而言，这些已知的位置偏移都作了精密测定，位置误差一般很小。
应该明白，能以各种方法获得这些存贮的参照图像，包括参照图8～11所述的诸方法。这些存贮的参照图像可在制造变换器100时获得。此时，存贮的参照图像可在如照图8～11所示制造期间得到，而读出头126以恒定速率从限定的点移动跨越光学粗糙表面104的范围。或者，用户通过把变换器100置于设置模式，也能获得存贮的参照图像。由于按本发明获得了更新前一参照图像的连续参照图像，于是用户将读出头126从限定点开始在光学粗糙表面104范围内移动，接着把连续参照图像连同从每幅这样的后续参照图像限定点累加的位置一起存贮起来。
这样，如图12所示，在步骤S2000开始，控制进到步骤S2100，变换器一上电，就获得初始当前位移图像。然后在步骤S2200，分析存贮的参照图像，接着找出与初始当前位移图像最相关的参照图像。接着在步骤S2300，如参照图8～11所述那样，对找出的或当前的参照图像建立控制参数。然后，控制进到步骤S2400。
在步骤S2400，获取位移图像。然后在步骤S2500，测定步骤S2400获得的当前参照图像与位移图像的相关性。接着在步骤S2600，根据步骤S2500测定的相关性，确定位移和/或移动值，控制再进到步骤S2700。
在步骤S2700，显示更新成包括步骤S2600确定的位移和/或移动值。接着在步骤S2800，判断是否要获取另一图像，若要求获�。刂凭徒讲街鑃2900，否则跳到S3100，过程结束。
在步骤2900，判断是否要把不同的参照图像选为当前参照图像，若不要求这样，控制返回步骤S2400，过程如前述那样行进。相反地，若要选择不同的参照图像，则控制进到S3000，确定新的参照图像。
在步骤S3000，例如把当前位移图像与位于当前参照图像任一侧的存贮的参照图像作比较，可更新参照图像。或在步骤S3000，利用当前位置速度和/或加速度估算对应于下一期望位移图像位置的参照图像，可选样新的参照图像。该例中，可用图像相关处理速率递增跟踪系统速度。选好新的参照图像后，控制就返回步骤S2300，建立新的控制参数。
图13的框图详细示出图1所示信号发生与处理电路200的一示例实施例。如图13所示，该电路200包括控制器210、光源驱动器220、光检测器接口230、存储器240、比较电路250、比较结果累加器260、内插电路270、位置累加器280、显示驱动器202、选项输入接口204、时钟206和参照图像更新电路300。
控制器210用信号线211接至光源驱动器220，用信号线212接至图像检测器接口230，并用信号线213接至存储器240。同样地，控制器210用信号线214～218分别接至比较电路250、比较结果累加器260、内插电路270、位置累加器280和参照图像更新电路300。最后，控制器210用控制线203接至显示驱动器202，需要的话，用信号线205接至输入接口204。存储器240包括参照图像部分242、当前图像部分244和相关部分246。
操作时，控制器210通过信号线211向光源驱动器220输出控制信号。作为响应，光源驱动器220通过信号线132向光源130输出驱动信号。接着，控制器210经信号线212与213向图像检测器接口230和存储器240输出控制信号，把通过信号线164从对应于各像元162的光检测器160收到的信号部分存入当前图像部分244。具体而言，以二维阵列方式把各个像元162的图像值存入对应于阵列166中各个像元162的位置的当前图像部分244。
当变换器初始上电时，信号发生与处理电路200内的诸元件工作，准备通过存贮初始参照图像作图像相关。在该电路200内，为了促进参照更新过程，参照图像更新电路300等候来自控制器210的指令。
在不使用存贮的参照图像时，就获取初始图像，并把它变成初始参照图像，因而将该图像存入参照图像部分242。初始参照图像与限定点的位移也存入参照图像部分242。反之，在使用存贮的参照图像方法时，则把初始图像存入当前图像部分244。然后，找出与该初始图像最相关的存贮参照图像，并把它复制入参照图像部分242。接着，把初始位移零值存入参照图像部分242。
于是，参照图像更新电路300对存入参照图像部分242的当前参照图像确定一个或多个控制参数。在一些实施例中，参照图像更新电路300使用的这些控制参数是固定的，而且/或者对每幅位移图像动态地确定。一个如此动态确定的控制参数就是读出头126通过光学粗糙表面104的当前相对速度。在其它实施例中，如以上参照图9、10或11所述，参照图像更新电路300将对初始参照图像的一个或多个控制参数确定目标值，这些目标值然后与初始参照图像一起存入参照图像部分242。
图像一旦存入参照图像部分242，在信号线211上对光源驱动器220输出控制信号以驱动光源130之前。控制器210就等待一段适当固定或受控的时间，然后，用信号线212与213上的信号控制图像检测器接口230和存储器240，把得到的图像存入当前图像部分244。
然后，控制器210在信号线214上向比较电路250输出信号。作为响应，比较电路250通过信号线252输入来自参照图像部分242的某一特定像素的图像值，并根据当前偏移，通过信号线252输入来自当前图像部分244的对应像素的图像值。比较电路250然后应用相关算法确定比较结果。为了根据当前偏移以逐个像素的方式对存入参照图像部分242的参照图像与存入当前图像部分244的当前图像进行比较，比较电路250可以应用已知的或以后开发的任何合适的相关技术。比较电路250在信号线254上对当前相关偏移向比较结果累加器260输出比较结果。
一旦比较电路250从参照图像部分242提取与比较了各像元162的图像值，把它们与存入当前图像部分244的相应图像值作了比较，并且应用了相关技术而且把比较结果输出给比较结果累加器260，则存入比较结果累加器260的值就以预定单位限定了对应于当前偏移的相关值。接着，控制器210通过信号线215和213分别向比较结果累加器260与存储器240输出信号，结果，将存入比较结果累加器260的相关算法结果输出并存入存储器240相关部分246对应于当前偏移的位置。
然后，控制器210在信号线215上输出信号，清除结果累加器260。在比较电路250对存入参照图像部分242的第一图像与存入当前图像部分244的位移图像的所有期望的偏移作了全部比较，并且由比较结果累加器260累加和存入相关部分246的结果在控制器210控制下，控制器210就通过信号线216向内插电路270输出控制信号。
作为响应，内插电路270通过信号线252输入存入相关部分246的相关结果，并且识别出与相关函数的峰值或谷值一致的相关值，在相关函数的峰/谷附近识别出的相关函数值点之间作内插，以亚像素分辨率测定峰值偏移值或图像位移值。然后，在通过信号线216来自控制器210的信号的控制下，内插电路270在信号线279上向位置累加器280输出测定的估算亚像素位移值。在通过信号线217来自检控器210的信号控制下，在位置累加器280把估算的位移值加到存入参照图像部分的当前参照图像的位移值里。于是，位置累加器280通过信号线282向控制器210输出更新的位置位移。
作为响应，需要的话，控制器210可通过信号线218向显示驱动器202输出更新的位移值。然后，显示驱动器202通过信号线292向显示设备107输出驱动信号，显示当前位移值。
根据一个或多个控制参数值，参照图像更新电路300用新的参照图像更新当前参照图像。例如，若变换器100应用固定采样率参照更新过程，那么在有些实施例中，该电路300就按图9和10所示的过程对参照图像更新下去。反之，若变换器100应用受控的采样率参照更新过程，在一些实施例中，参照更新电路将按图9和11所示的过程对参照图像更新。
需要的话，一条或多条信号线205可在操作员或协同系统与控制器210作联接。需要的话，输入接口204可以缓冲或变换输入信号或指令，并向控制器210发送有关信号。
如前所述，对于在短时间内获取的参照图像与当前图像，已描述了该系统的操作。由于图像在短时间内获取，图像间的视在位移一般很�。蚨芩醵痰玫酵枷裎灰扑璧脑怂闶奔�。例如，只利用一行像素而不是每行像素来只计算相关函数，可在短时间内得到合理近似的相关峰值。还有，运用剩余的像素行再计算减长的相关函数，还可缩短总运算时间。
然而，在上述其它实施例中，可能希望长期存贮一幅对应于特定位置的“永久”参照图像。如在有些场合中，缩短运算时间可能并不重要，出于历史原因，可能要求长期存贮参照图像。此时，可在以后任何时间把该永久参照图像选作当前参照。例如，这种图像可以对应于复位或设备的“归位”位置。此时，通过比较永久参照图像与后来获得的图像，可在以后任何时间检测出与复位或“归位”位置的小偏差。
因此，应该明白，在本发明系统与方法的各种实施例中，在适合系统应用场合时，长期存贮的图像总是能用来代替第一或第二图像，并与当前第二或第一图像作比较。另外，为了以期望的间距即规定的位移获取一幅或多幅参照图像，若基于特定图像相关的位移系统按规定方式以极缓慢的速率操作并在一个或多个期望的位置精密地停止，就能克服大多数与在期望的位置精密地获取参照图像有关的上述难题。于是，可将这类参照图像和有关的参照级位移存贮起来，在以后高速实时操作时使用，如前述归于Kamegawa的日本专利申请JP07069302教导的那样。
图14的框图示出了本发明图13的参照图像更新电路300的第一示例实施例。如图14所示，参照图像更新电路300包括参照图像选择电路310、系统位移误差位置测定电路320、系统位移误差值电路330和系统位移误差累加电路340。图14所示参照图像更新电路300的第一实施例还可包括可控采样率电路380和/或位移限制电路390，下面参照图15和16所示的参照图像更新电路300的第二与第三示例实施例详述。
在图14～16中，参照图像更新电路300的每个电路310～390都连接至信号线251与218。信号线251把参照图像更新电路300接至信号发生与处理电路200的存储器240，信号线218把参照图像更新电路300接至控制器210。
参照图像选择电路310根据一个或多个控制参数，判断是否用当前获得的位移图像置换当前参照图像。这些控制参数包括当前参照图像与当前获得的位移图像之间的视在位移；在当前获得的位移图像应被认为可能置换当前参照图像之前，当前参照图像与当前获得的位移图像之间的一个或多个最小视在位移；之后将当前获得的位移图像不应认为可置换当前参照图像，在当前参照图像与当前获得的位移图像之间的最大视在位移；读出头126通过光学粗糙表面104的相对速度，以及上述其他可能的控制参数。
在该第一实施例中，通常将参照图像选择电路310断定为候选的新参照图像的预定一个如第一、第二等获得的位移图像选成新的参照图像。接着，亚像素位移判断电路320判定当前位移图像相对于当前参照图像的亚像素部分的视在位移。显然，由于系统误差曲线在一个像素范围内是周期性的，所以即使不知道该系统误差曲线的准确形状，因而也不知道与位置有关的系统位移误差，视在位移的亚像素部分也能沿该系统位移误差曲线识别位置。
然后，系统位移误差值电路330对基于测定的亚像素位移选择的新的参照图像，测定与预定存贮的系统位移误差曲线有关的系统位移误差。这条系统位移误差曲线一般是每个包含读出头126和光学粗糙表面104的设备专用的，通常在该设备制造和/或装配期间获得并存入信号发生与处理电路200。然后，系统位移误差累加电路340把新的参照图像的这一测定的系统位移误差加到累加的系统位移误差里，而后一误差已随着前一新的参照图像置换每幅前一当前参照图像而作过累加。控制器210利用这一累加的系统位移误差，调整读出头126相对光学粗糙表面104的总视在位移，而该总视在位移根据每幅前一当前参照图像被前一新的参照图像置换而累加的视在位移和当前位移图像相对当前参照图像的视在位移测定。
图15的框图示出本发明图13的参照图像更新电路300的第二实施例。如图14所示，该电路300包括参照图像选择电路310、亚像素位移测定电路320和候选参照图像选择电路350。还可以选用包括系统位移误差值电路330与系统位移误差累加电路340。图15所示参照图像更新电路300的第二实施例还可包括可控采样率电路380和/或位移限制电路290，如下面参照图16所示参照图像更新电路300的第三实施例所详述的那样。
在参照图像更新电路300的第二实施例中，若包含了参照图像选择电路310与亚像素位移测定电路320，以及系统位移误差值电路330与系统位移误差累加电路340，操作一般如上所述。因此，除了下述内容以外，不再详述这些电路。但在该第二实施例中，参照图像选择电路310不仅仅把预定的一幅获得的位移图像用作新的参照图像，而是一旦参照图像选择电路310首先根据一个或多个控制参数判定获得的位移参照图像是候选参照图像，则该第一候选图像就作为当前候选参照图像与该候选新参照图像的一个或多个测定的亚像素位移一起存贮，而且/或者，若实施的话，还同与测定的亚像素位移有关的系统位移误差一起存贮。
接着，直到控制参数表明对每幅以后获得的位移图像不能如此应用当前位移图像，则把附加候选图像与候选新参照图像的一个或多个测定的亚像素位移一起存贮，而且/或者，若实施的话，同与测定的亚像素位移有关的系统位移误差一起存贮。
在有些实施例中，一旦获得了每幅附加候选图像，候选参照图像选择电路350就根据亚像素位移或总累加系统位移误差等一个或多个控制参数，选择该附加候选图像或存贮的候选新参照图像。然后，把选择的候选者作为当前候选参照图像存贮。这样一直继续到控制参数表明不再要获取其它附加候选图像了为止。此时，参照图像选择电路310对控制器210把当前候选图像识别为新的参照图像。
显然，在这些实施例中，如下所述，可用可控采样率电路380控制下一位移的即候选图像的采样时间。此时，候选图像很可能极密切地匹配参照图像选择电路310使用的选择标准。还应明白，可以用图16的位移限制电路390判定不再要获取附加的候选图像。
在其它实施例中，所有附加候选图像都收集存贮起来。于是，一旦控制参数指示不要再获取附加候选图像，候选参照图像选择电路350就将全套附加候选图像与当前候选图像中的一幅图像选作新的参照图像，如上所述，此时，参照图像选择电路310对控制器210将当前候选图像识别为新的参照图像。
应该明白，在这些其它实施例中，如下所述那样用可控采样率电路380迅速地产生若干候选图像。此时，这些候选图像之一很可能极紧密地匹配参照图像选择电路310使用的选择标准。还应明白，可应用图16的位移限制电路390判定不再要获取附加候选图像。
图16的框图示出本发明图13的参照图像更新电路300的第三实施例。如图14所示，参照图像更新电路300包括参照图像选择电路310、容限电路360、触发电路370，可控采样率电路380和位移限制电路390。
在第三实施例中，操作时，为了更新参照图像，要对一个或多个控制参数建立目标值，控制器210通过信号线216与218向参照图像更新电路300的位移限制电路390输出一控制信号。位移限制电路390相对当前参照图像建立位移极值，确保当前位移图像部分阵列保持在当前参照图像帧内。例如，可把位移极值设立为加到阵列几何极值里的简单的最大速度缓冲区，或设立为加到阵列几何极限里的实际速度缓冲区。
然后，控制器210向容限电路360发送控制信号，把容限设定为某一值，它对应于位移的正或负目标值，其中相应的图像仍将用作更新的参照。例如，容限电路360里的诸容限可根据期望或实际的速度与采样率动态地确定。
在确定了当前位移图像的位移值后，控制器210向触发电路370输出控制信号。作为响应，触发电路370从参照图像部分242对当前参照图像输入一个或多个控制参数目标值，对当前位移图像输入一个或多个控制参数值，根据实施的特定控制参数，可从信号发生与处理电路200的一个或多个电路210～280中获取当前位移图像的一个或多个控制参数值。另外，或除此以外，触发电路370自身能对当前位移图像确定一个或多个控制参数的一个或多个值。
一旦触发电路370得到了一个或多个控制参数的所有目标范围与值，触发电路370就将当前参照图像的每个控制参数值与该控制参数相应的目标范围作比较。根据比较，触发电路370判断是否要触发信号发生与处理电路200中实施的更新过程。根据该电路200实施的特定更新方法，触发电路370将对一个或多个控制器210或可控采样率电路380输出触发信号。
例如，如上所述，若实施单一或直接更新方法，控制器210就响应于触发电路370发出的触发信号，把在当前图像部分244开始的当前位移图像的图像数据，连同在位置累加器280中开始的当前位移一起复制到当前参照部分242。
相反地，若在信号发生与处理电路200中实施最佳候选方法，则控制器210就响应于触发电路370发出的触发信号，在当前图像部分244中标记出当前位移图像，把它连同在位置累加器280中开始的位移一起保存下来。然后，在获取并分析了下一位移图像后，控制器210向触发电路370输出一信号。作为响应，触发电路370据此对当前最佳候选位移图像与当前位移图像的控制参数值加以比较，以确定哪一个是新的最佳候选位移图像。触发电路370向控制器210输出一信号，表明应将贮存在当前图像部分244里的两幅位移图像中的哪一幅连同其位移值保持为当前最佳候选图像。
若信号发生与处理电路200实施可控采样率方法，可控采样率电路380就根据贮存在当前图像部分244里的当前位移图像的一个或多个控制参数值确定期望的采样率，并把它输出给控制器210。作为响应，控制器210根据可控采样率电路380确定的采样率，对光源驱动器220产生控制信号。当然，应该明白，若不执行受控采样率方法，可省去采样率电路380。
若信号发生与处理电路200执行受控采样率与猝发模式两种方法获取最佳候选采样图像，触发电路370就向可控采样率电路380输出触发信号。作为响应，可控采样率电路380据此向控制器210输出猝发模采样率信号，使控制器210以猝发模式操纵光源驱动器220和信号发生与处理电路200中的其它电路230～280。此时，将猝发模或期间获取的每个位移图像连同相应的位移存入当前图像部分240。
触发电路370不断输出触发信号给可控采样率电路380，直到最后获取的位移图像的一个或多个控制参数的所有值不再落在一个或多个控制参数的相应目标范围内。作为响应，可控采样率电路380向控制器210输出对应于标准或默认采样率的信号。同时，触发电路370分析所有存贮的位移图像，确定准备置换当前参照图像的最佳候选位移图像。
应该明白，参照图像更新电路300并不限于这些实施例，而是可以取任意形式并包括任何电路或软件程序，以便允许各种技术以已知方式累加系统位移误差，或在累加系统位移误差时容易对任何数量的置换现象减小累加的系统位移误差量，如以上参照图7所述。
在各种实施例中，信号发生与处理电路200应用编程微处理器或微控制器和外围集成电路元件构成，然而也可用编程的通用计算机、专用计算机、ASIC或其它集成电路、数字信号处理器、硬接线电路或逻辑电路(如分立元件电路)、可编程逻辑器件(如PLD、PLA、FPGA或PAL)等构成。总之，能构成有限状态机而实施上述一种或多种方法的任何一种设备，都可用来构成信号发生与处理电路200。
在图13中，信号发生与处理电路200中的存储器240，可用可修改的易失或非易失存储器或不可修改的或固定的存储器任意合理的组合而构成。无论易失还是非易失，可修改存储器可用任意一种或多种静态或动态RAM、软盘与磁盘驱动器、可写或可再写光盘与磁盘驱动器、硬盘驱动器、块闪存储器、存储棒(Stick)等构成。同样地，不可修改或固定存储器可用任何一种或多种ROM、PROM、EPROM、EEPROM和ROM光盘(如CD-ROM或DVD-ROM盘)及相关盘驱动器等构成。
因此，应该明白，控制器210、信号发生与处理电路200的各种其它电路220、230与250～280及参照图像更新电路300的各种电路310～350(如图13～16所示)，可以构成合适编程的通用计算机、宏处理器或微处理器部分。或者，图13～16所示的控制器210和其它电路220、230与250～280、310～350可在ASIC内构成物理上不同的硬件电路，或采用FPGA、PDL、PLA或PAL构成，或采用分立逻辑单元或分立电路单元构成。信号发生与处理电路200中各电路220、230、250～280的具体形式和参照图像更新电路300中各电路310～350的具体形式，将是一种设计选择，本领域的技术人员可作决断。
尽管已结合上述诸实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员显然明白许多替代、修正和变更。因此上述实施例仅作示例，不作限制。可作各种改变而不违背本发明精神和范围。
权利要求
1.一种在基于图像相关的位移测量系统中减小累加系统位移误差的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤在至少一对相应的参照级图像的两幅图像之间测定至少一个参照级位移，参照级图像对的这两幅图像包括第一与第二图像，每个参照级位移都测定到亚像素分辨率；和至少部分地根据至少一个参照级位移测定累加位移；其中将至少一个参照级位移测定到亚像素分辨率的步骤包括至少以下方式之一a)根据基于图像相关的位移测量系统预定的误差特征，补偿至少一对相应参照级图像中两图像间的视在位移，b)根据至少一对相应参照级图像中第二图像相对第一图像的规定位移，获取至少一对相应参照级图像的第二图像，和c)根据至少一对相应参照级图像中第二图像相对第一图像的规定位移，从一组至少两幅候选图像中选出一幅图像用作至少一对相应参照级图像的第二图像。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在参照级图像对的第二图像与一附加图像之间测定至少一个附加位移，其中至少部分根据至少一个参照级位移测定累加位移，包括至少部分根据至少一个参照级位移与至少一个附加位移测定累加位移。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一对相应参照级图像中第二图像相对第一图像的规定位移包括(n/2)个像素，n为至少为1的正整数。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将至少一对参照级图像的第二图像用作一对空间邻接参照级图像的第一图像。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，至少一对相应参照级图像相对于第一图像的规定位移包括(2n-1)/4个像素，n是至少为1的正整数。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对于至少两对空间邻接的参照级图像，相对于两对参照级图像中第一对第一图像的规定位移包括(4n-1)/4个像素，而相对于两对参照级图像中第二对第一图像的规定位移包括(4o-3)/4个像素，n和o都是至少为1的正整数。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，按规定位移获取各至少一对相应参照级图像的第二图像包括根据基于图像相关的位移测量系统的操作特征与当前操作状态，尽可能接近规定位移获取至少一对相应参照级图像的第二图像；和其中对于至少两对参照级图像测定规定位移与实际位移之差，所述规定位移对应于至少两对参照级图像的至少第一对，所述实际位移对应于至少两对参照级图像的至少第一对，和部分根据基于图像相关的位移测量系统预定的误差特征，并且部分根据对至少两对参照级图像的至少第一对测定的差值，测定对应于至少两对参照级图像中至少第二对的规定位移。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，从一组至少两幅候选图像中选出一幅图像用作至少一对相应参照级图像的第二图像，包括从该组至少两幅候选图像中选择最接近规定位移的图像；和其中对于至少两对参照级图像测定规定位移与实际位移之差，所述规定位移对应于至少两对参照级图像的至少第一对，所述实际位移对应于至少两对参照级图像的至少第一对，和部分根据基于图像相关的位移测量系统预定的误差特征，并且部分根据对至少两对参照级图像的至少第一对测定的差值，测定对应于至少两对参照级图像中至少第二对的规定位移。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按规定位移获取各至少一对相应参照级图像的第二图像包括根据基于图像相关的位移测量系统的操作特征与当前操作状态，尽可能接近规定位移获取至少一对相应参照级图像的第二图像；
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，尽可能接近规定位移获取至少一对相应参照级图像的第二图像，包括以规定位移获取至少一对相应参照级图像的第二图像。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从一组至少两幅候选图像中选出一幅图像用作至少一对相应参照级图像的第二图像，包括从该组至少两幅候选图像中选择最接近规定位移的图像；
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，从该组至少两幅候选图像中选择最接近规定位移的图像，包括从该组至少两幅候选图像中选择位于规定位移的图像。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每幅图像包括一斑纹图案。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，相应图像对中图像间的每个位移表示相对基于图像相关的位移测量系统的敏感元件移动的表面的相应移动。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在基于图像相关的位移测量系统的实时操作期间，将至少一个参照级位移测定到亚像素分辨率。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在基于图像相关的位移测量系统的实时操作期间，将至少一个参照级位移测定到亚像素分辨率。而且将至少一个参照级位移和相应的参照级图像对记录在基于图像相关的位移测量系统中，供该基于图像相关的位移测量系统在以后实时操作期间使用。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在基于图像相关的位移测量系统以后实时操作之前，按规定方法将至少一个参照级位移测定到亚像素分辨率，而且将至少一个参照级位移和相应的参照级图像对记录在基于图像相关的位移测量系统中，供该基于图像相关的位移测量系统在以后实时操作期间使用。
18.一种在基于图像相关的位移测量系统中减小累加系统位移误差的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤在至少一对相应的参照级图像的两幅图像之间测定至少一个参照级位移，参照级图像对的这两幅图像包括第一与第二图像，每个参照级位移都测定到亚像素分辨率；和至少部分地根据至少一个参照级位移测定累加位移；其中将至少一个参照级位移测定到亚像素分辨率的步骤包括至少以下方式之一a)补偿至少一对相应参照级图像中两幅图像之间对应于一小部分基于图像相关的位移测量系统中像素间距的视在位移，补偿基于该以基于图像相关的位移测量系统预定的周期性误差特征，b)根据至少一对相应参照级图像中第二图像以亚像素分辨率相对第一图像的规定位移，获取至少一对相应参照级图像的第二图像，和c)根据至少一对相应参照级图像中第二图像以亚像素分辨率相对第一图像的规定位移，从一组至少两幅候选图像中选择一幅准备用作该至少一对相应参照级图像的第二图像的图像。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，将至少一对参照级图像的第二图像用作空间邻接参照级图像对的第一图像。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括测定参照级图像对的第二图像与附加图像之间至少一个附加位移，其中至少部分基于至少一个参照级位移测定累加位移。包括至少部分基于至少一个参照级位移与至少一个附加位移测定该累加位移。
21.一种在基于图像相关的位移测量系统中减小累加系统位移误差的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤将至少一对相应参照级图像的两幅图像之间的至少一个参照级位移测定到亚像素分辨率，一对参照级图像的两幅图像包括第一与第二图像；和至少部分基于至少一个参照级位移测定累加位移；其中依据基于图像相关的位移测量系统预定的误差特征，将至少一个参照级位移测定到亚像素分辨率。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，基于图像相关的位移测量系统预定的误差特征包括周期性的图像位移估算误差，波长对应于该基于图像相关的位移测量系统的像素间距。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，波长对应于基于图像相关的位移测量系统像素间距的周期性图像位移估算误差并不具体测定。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，具体测定波长对应于基于图像相关的位移测量系统像素间距的周期性图像位移估算误差。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，根据从工作于代表性图像对的代表性基于图像相关的位移测量系统得到的预定图像位移估算误差曲线的特征，具体测定周期性图像位移估算误差。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，根据从工作于至少一对图像的基于图像相关的位移测量系统得到的图像位移估算误差曲线，具体测定周期性图像位移估算误差，所述至少一对图像由基于图像相关的位移测量系统获取。
27.一种可用于基于图像相关的位移测量系统的参照图像更新电路，其特征在于，参照图像更新电路通过下述至少一种方式把当前参照图像与新的参照图像间的位移测定到亚像素分辨率a)根据基于图像相关的位移测量系统预定的误差特征，补偿当前参照图像与新的参照图像之间的视在位移，b)根据新的参照图像相对当前参照图像的规定位移，获取新的参照图像，和c)根据新的参照图像相对当前参照图像的规定位移，从一组至少两幅候选图像中选择准备用作新的参照图像的图像。
28.如权利要求27所述的参照图像更新电路，其特征在于，参照图像更新电路包括至少一部分处理器和至少一部分有关程序。
29.一种基于图像相关的位移测量系统，其特征在于，包括读出头，可用于获取由相对读出头可移动构件上的图像测定表面测定的图像；连接至读出头的信号发生与处理电路单元，所述信号发生与处理电路包括参照图像更新部分，可将当前参照图像与新的参照图像之间的参照位移测定到亚像素分辨率，其中参照图像更新部分通过下述至少一种方式将当前参照图像与新的参照图像间的位移测定到亚像素分辨率a)根据基于图像相关的位移测量系统预定的误差特征，补偿当前参照图像与新的参照图像之间的视在位移，b)根据新的参照图像相对当前参照图像的规定位移，获取新的参照图像，和c)根据新的参照图像相对当前参照图像的规定位移，从一组至少两幅候选图像中选择一幅准备用作新的参照图像的图像。
30.如权利要求29所述的基于图像相关的位移测量系统，其特征在于，信号发生与处理电路单元存贮每个测定的参照位移，并根据至少一个存贮的参照位移与至少一个在最当前参照图像与对应于从累加位移得出的位置的图像之间的附加位移，测定至少一个在图像测定表面与读出头之间沿至少一条轴线累加的位移。
31.如权利要求29所述的基于图像相关的位移测量系统，其特征在于，读出头是斑纹图像读出头，图像测定表面是可得到斑纹图像的光漫射表面。
32.如权利要求29所述的基于图像相关的位移测量系统，其特征在于，信号发生与处理电路单元包括处理器与有关程序。
33.一种存贮可作基于图像相关的位移测量的控制程序的记录媒体，控制程序可在计算设备上执行，计算设备可耦接至对计算设备提供相关图像的图像系统，其特征在于，控制程序包含的指令包括在至少一对相应参照级图像的两幅图像之间测定至少一个参照级位移的指令，参照级图像对的两幅图像包括第一与第二图像，每个参照级位移测定到亚像素分辨率；和至少部分地根据至少一个参照级位移而测定累加位移的指令，其中将至少一个参照级位移测定到亚像素分辨率的指令包括至少一种下列指令a)根据与从执行控制程序得出的基于图像相关的位移测量结果有关的预定误差特征，在至少一对相应参照级图像的两幅图像之间补偿视在位移的指令，b)根据至少一对相应参照级图像中第二图像相对第一图像的规定位移，获取该至少一对相应参照级图像中第二图像的指令，和c)根据至少一对相应参照级图像中第二图像相对第一图像的规定位移，从一组至少两幅候选图像中选择一幅准备用作该至少一对相应参照级图像的第二图像的图像的指令。
34.一种编码成向执行控制程序的设备发送适用于基于图像相关的位移测量的控制程序的载波，该设备可耦接至向其提供相关图像的图像系统，其特征在于，控制程序包含的指令包括在至少一对相应参照级图像的两幅图像之间测定至少一个参照级位移的指令，参照级图像对的两幅图像包括第一与第二图像，每个参照级位移测定到亚像素分辨率；和至少部分地根据至少一个参照级位移而测定累加位移的指令，其中将至少一个参照级位移测定到亚像素分辨率的指令包括至少一种下列指令a)根据与从执行控制程序得出的基于图像相关的位移测量结果有关的预定误差特征，在至少一对相应参照级图像的两幅图像之间补偿视在位移的指令，b)根据至少一对相应参照级图像中第二图像相对第一图像的规定位移，获取该至少一对相应参照级图像中第二图像的指令，和c)根据至少一对相应参照级图像中第二图像相对第一图像的规定位移，从一组至少两幅候选图像中选择一幅准备用作该至少一对相应参照级图像的第二图像的图像的指令。
全文摘要
一种应用于在满足预定控制参数时更新参照图像的图像相关系统的参照图像更新方法与设备。捕获并存贮对应于表面位移的图像,以不同的偏移沿某一位移方向对参照图像与捕获图像加以比较,当位移落在设置的预定位移值或对应于该位移的采样时间的预定值内时,就更新该参照图像。以这种方式更新参照图像,可防止累积系统误差,明显减小了图像相关系统中的系统误差。
文档编号G01B11/00GK1387020SQ0212049
公开日2002年12月25日 申请日期2002年5月21日 优先权日2001年5月21日
发明者M·纳罕 申请人:株式会社三丰
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
