CN1677063A - 与移动和指向检测***一同使用的刻度 - Google Patents

Abstract

提供了一种位置传感器，其使用一种新型结构光产生刻度或目标部件。成象阵列能够同时以X，Y，Z，偏转，俯仰和滚动(“6D”)并以高精确度，测量结构光产生刻度或目标部件的相对转移与指向。在各实施例中，目标部件包括透镜的一个阵列，它们提供结构光模式的一个阵列，作为相对位置的“Z”坐标函数，该模式发散，会聚或进行这两者以改变对应的结构光图像的尺寸。成象阵列上每一个结构光图像X－Y位置随结构光产生目标部件的相对X－Y位置而变化，并且结构光图像的形状作为相对角度的指向的函数而改变。因而，在同一图像中分析的三个或更多的结构光图像，用来确定结构光产生目标部件与阵列检测器之间的6D测量。目标部件的X和Y位移可通过已知的方法累积，且其它6D测量分量是在任何位置的绝对测量。

Description

与移动和指向检测***一同使用的刻度

技术领域

本发明一般涉及光学位置传感器，并更具体涉及采用结构光刻度或目标的多轴光学位置传感器。

背景技术

已知有各种精确的2-维(2D)光学位置检测***。例如，在Masreliez的U.S.Patent No.5,104,225中公开了一个2D递增位置传感器，其使用2D光栅刻度并提供高分辨率和高精度检测X-Y平面中的移动(translation)，该文献在此整体结合以资对比。这种***本质上是熟知的1-维(1D)光学编码器“递增”技术的正交组合，该技术对于高分辨率检测周期刻度光栅的特定周期内读取头位置，并连续递增和递减在一系列运动期间被穿越的周期刻度周期数的计数，以便连续提供读取头与刻度之间的相对净位移。然而，这种***不能检测读取头与刻度之间的“z-轴”分离。

已知能够检测两自由度以上物体相对位置的光学位置传感器的类型数目是很有限的。在Danielian和Neuberger的U.S.PatentNo.5,452,838中公开了一个一种***，该***包括能够检测最多6自由度相对位置的一个探头。‘838专利公开了使用光纤束的一种探头，各光纤或光纤组的作用是各个强度检测通道。各强度信号随着被照明的目标表面的X-Y运动，以及沿表面的法向每一光纤对照明目标表面接近程度而变化。然而，‘838专利中公开的探头提供了相对粗糙的测量分辨率，及对于探头与目标表面之间“z-轴”分离和指向有限的检测范围。

已知双相机“立体”三角测量***能够检测最多6自由度的相对位置。然而，这种已知的双相机***一般是相对大的***，是为测量宏观物体和/或它们的位置而研制的，其不能很好对相对可用于靠近它们的目标物体的紧凑精确的位置测量***标度。此外，这种已知的三角测量结构一般以严格和不希望的方式限制了z-轴测量分辨率与z-轴测量范围之间的关系。

还知道这样的***，它们能够使物体成象，并基于图像变化的放大从图像的特征和z-轴位置和指向确定x-y位置。然而，这种已知***的放大结构一般以严格和不希望的方式限制了z-轴测量分辨率与z-轴测量范围之间的关系，并造成了为以6自由度精确测量相对位置需要特别处理和/或补偿等其它问题。

发明内容

本发明旨在一种克服了以上及其它缺陷的位置传感器。更具体来说，本发明是一种光位置传感器，其使用发射结构光模式(structuredlight pattern)(也称为结构光刻度(structured light scale)，结构光目标，或结构光目标部件)的刻度(scale)或目标部件，以及成象阵列(也称为相机，图像检测器，光学检测器或阵列检测器)，以便对物体提供多达6自由度的高精确度同时测量(多维，或“6D”测量)，包括X，Y，Z，偏转，俯仰和滚动中的一个或组合。

取决于对结构光模式选择的设计参数和成象阵列，根据本发明的光学位置传感器的应用包括但不限于，用于度量衡学的精确位置传感器，运动控制***等，以及可用于计算机输入装置的相对较低分辨率和/或较长范围的传感器，多自由度人工机械控制器，宏观物体范围和指向测量***等等。

根据本发明的一种方式，成象阵列可定位以输入从结构光源(也称为目标源)对目标部件发出的结构光图像(也称为目标图像)。在各种示例性实施例中，目标源以二维周期阵列排布在目标部件上。

根据本发明的另一方式，阵列检测器上的图像包括对应于目标部件上的各目标源的各图像特征。

根据本发明的另一方式，各种示例性实施例中，目标源生成发散结构光模式。在各其它实施例中，目标源生成会聚的结构光模式。在各种其它实施例中，目标源生成沿结构光模式的中心轴会聚然后发散的结构光模式。

在各示例性实施例中，目标源包括折射轴棱镜点状透镜(轴棱镜点)，折射轴棱镜环，折射多面体角锥型点状透镜，折射多面体状棱柱“线”结构，一个或多个折射棱柱“线”结构，或任何它们的组合。在各种其它示例性实施例中，替代折射光学元件，可使用类似于以上列出的对应的各折射光学元件偏转光线的各衍射光学元件。

根据本发明的另一方式，目标源接收来自光源的准直光并输出结构光模式。

根据本发明进一步的方式，目标源还包括一个透镜或透镜部分，其引起结构光相邻光线聚焦在一个平面，其近似位于沿成象阵列与目标部件之间分开的轴线标称测量范围的中间。

根据本发明进一步的方式，在目标源是点状透镜的各实施例中，结构光模式的光线相对于从目标源沿对目标部件面法向延伸的轴的一个极角排布。通过点状透镜的特性确定特定的极角。进而极角是接近目标源有顶点的假设锥体的锥角。这样，根据本发明进一步的方式，在各种示例性实施例中，成象检测器(也称为阵列检测器)上的结构光图像包括形成的一个连续的，或分段的圆形或椭圆形模式，其中假设的锥体与成象阵列光学检测器元件平面相交。在各实施例中，圆形或椭圆形模式的段基本上是圆点。

根据本发明进一步的方式，对应于目标源的连续的或分段的圆形或椭圆形(环形)图像的大小，随沿平行于成象阵列与目标部件之间分开的轴的方向间隔而变化。这样对应于目标源的环形结构光图像的大小，可用来对于对应的目标源或其它相对于成象阵列的检测平面，或基准平面的基准特征确定绝对z-轴坐标。根据本发明进一步的方式，对应于测量检测器上目标源的环形结构光图像的中心位置，可用来确定沿与检测平面平行的平面对应的目标源的位置，或成象阵列的基准平面，并这样能够用来确定相对于检测平面，或沿x-y平面成象阵列的基准平面目标源的位移。这样，可对于任何这种目标源确定(x，y，z)坐标集，并被赋予三个这种目标源的(x，y，z)坐标，根据本发明可在目标部件与位置测量装置之间确定6-自由度相对位置。

根据本发明的另一方式，对应于目标源的结构光图像是一稍微模糊的图像，具有包括环形图像特征的图像象素各集合强度值的各径向强度轮廓，它们沿从环形特征的标称中心出发的各径向展现。在根据本发明的各示例性实施例中，圆形或椭圆函数适配于对各径向强度轮廓集合确定的各峰值集合。在各实施例中，在确定各峰值之前进行x和y标度以校正放大或图像偏差。在任何情形下，结果的适配函数提供了对应于目标源的结构光图像的尺寸(或径向尺度)及中心位置的次象素内插级的高精度估计，这样能够用来确定任何对应目标源的对应的(x，y，z)坐标，并提供了有类似高精度的结果的相对位置确定。

根据本发明另一方式，包括上述各种元件的位置检测装置提供了在阵列检测器上的图像，其包括对应于各目标源的至少两个结构光图像特征，并当该位置检测装置与目标部件之间的分离增加时，对应的各结构光图像特征每一个的尺寸在阵列检测器上增加，但各图像特征各标称中心之间的间隔在阵列检测器上不变。

根据本发明另一方式，目标部件包括多个分别唯一的目标源模式，可用来唯一标识各目标部件区。

附图说明

结合附图参照以下详细说明，将更易于看出同样可更好理解本发明以上逐方式及许多伴随的优点，其中：

图1是一等尺寸视图，表示根据本发明可使用的一示例性结构光模式配置，以及用来产生结构光模式的轴锥体透镜(旋转三透镜)(axicon lens)；

图2是根据本发明使用结构光目标部件的位置传感器布置，连同可用于简化的相对位置确定的各种相关坐标尺度的第一实施例的详细示意图。

图3A-3F是对于结构光目标部件相对于位置传感器布置的成象阵列的各种位置，表示各种环形图像模式的示意图，这些模式是由使用根据本发明的结构光目标部件的位置传感器布置产生的。

图4是图2所示根据本发明的位置传感器布置连同各种有关坐标尺度的第一示例性实施例的详细示意图，这是沿椭圆结构光图像小轴方向观察的，其中目标部件围绕沿小轴方向的轴转动；

图5示出图像检测器图像部分连同各种有关坐标尺度的示意图，其包括四个椭圆结构光图像，近似对应于图4所示结构光目标部件及位置传感器布置；

图6是一示意图，表示根据本发明位置传感器基准平面，及与目标部件相关的光点平面，和各种有关位置向量的第一示例集合；

图7是一示意图，表示图6所示基准平面与光点平面，及各种有关位置向量的第二示例性集合；

图8描述了根据本发明提供的代表性图像，连同从图像处理操作示例集合获得的结果，其可用于标识各结构光图像特征特性；

图9示出类似于图8所示结果的一示例性结构光图像特征表示，连同一重叠的图示，其解释确定椭圆参数的精细估计，这些参数用来确定对应的目标源的(x，y，z)坐标；

图10是第一示例性算法的一个流程图，用于基于根据本发明提供的结构图像确定相关位置测量；

图11是可在第一示例性算法使用的第二示例性算法的流程图，用于在根据本发明提供的图像中识别各种结构光图像特征特性；

图12是可在第一示例性算法使用的第三示例性算法的流程图，用于在根据本发明提供的图像中确定各结构光图像特征，以及结果的目标源坐标；

图13描绘根据本发明可使用的第一普通轴锥体透镜目标源配置，连同得到的结构光模式；

图14描绘根据本发明可使用的第二普通轴锥体透镜目标源配置，其包括光源与轴锥体透镜之间的一个聚光透镜，引起结构光锥体相邻光线会聚到一个平面形成良好聚焦的结构光环形图像；

图15-17示出对于每三个示例性目标源透镜方案及相关结构光模式沿X-Y平面及沿Z轴的视图，它们可用于根据本发明的各示例性实施例；

图18示出对于使用准直光和轴锥体透镜目标源的结构光目标部件第一示例性照明配置；

图19A和19B示出对于使用来自光纤和轴锥体透镜目标源的结构光目标部件的第二示例性照明配置；以及

图20是一个表，比较传统的圆锥轴锥体透镜与另外可用于根据本发明各示例性实施例的目标源的“多面体”轴锥体状透镜的特征。

具体实施方式

图1是一等尺寸的视图，表示一示例性结构光模式配置100，其可用于根据本发明各位置传感器实施例，包括用来产生结构光锥体142的一个轴锥体透镜115。在根据本发明的位置传感器各示例性实施例中，光通过多个唯一目标部件上的轴锥体透镜传播，且每一透镜形成一结构光锥体。如以下将更为详细的描述，每一个结构光锥体在位置传感器的二维成象阵列上形成一个环形图像，且该图像表示产生结构光锥体的各轴锥体透镜的3-维位置。

图1示出两个代表性狭窄的光束103和104，它们形成结构光锥体142的各部分，这是在轴锥体透镜115被准直光110照明时形成的。狭窄的光束103和104的位置和方向最好分别由它们中心光线126和126’表示。应当看到，结构光锥体142在图1所示的实施例中实际是一个完整的锥体，由类似于狭窄光束103和104的连续分布的光线构成。结构光锥体142有一中心轴141和一个锥角α。如以下参照图13和14所述，角度α按轴锥体透镜115的设计确定。

在图1中还示出假设的平面145。假设的平面145法向指向锥体轴141，并与结构光锥体142的顶点一致，该顶点在从轴锥体透镜115发出的光束的焦点115’处。这样，在以下各实施例的说明中，假设的平面145也称为光点平面，或目标部件光点平面。因为目标部件光点平面与从轴锥体透镜115出发的结构光锥体或其它类似的目标源一致，因而这是用来定义目标源位置与它们对应的结构光模式及结果的结构光图像之间各坐标关系的方便的平面。

一个示例性光环143示于图1中，在结构光锥体142与交叉平面交叉的位置处，其平行于假设平面145，沿假设平面145的法向离假设平面145的距离为Z。这种情形下，光环143是直径为R的一个圆圈，这直径是从锥体轴141到结构光锥体142的中心光线-诸如中心光线126-与交叉平面交叉处的点的位置。

在操作中，当检测平面指向垂直于锥体轴141，或等价地平行于由假设平面145表示的目标部件光点平面时，上述的交叉平面代表根据本发明的位置传感器成象阵列的检测平面。例如对于这种结构，当Z＝Z₁时，形成可操作结构光图像的可操作象素，将是在成象阵列上形成直径为R₁＝Z₁*tanα的圆圈的一组象素。如果这时焦点115’与成象阵列之间间隔增加到Z＝Z₂，则形成可操作结构光图像的可操作象素，将是形成直径为R₂＝Z₂*tanα的较大圆圈的新的一组象素。

这样一般来说应当看到，在根据本发明的各位置传感器布置中，向根据本发明的位置传感器的成象阵列成象的目标源(诸如轴锥体透镜115)，引起对应的结构光图像特征，其大小按对应于目标源与位置传感器的成象阵列之间的间隔那样变化。

在存在X-Y移动时，对应于目标源的圆形结构光图像的标称中心的位置将在成象阵列上改变。这样，根据以上描述，根据本发明的位置传感器的方案在各示例性实施例中可成象为小到单目标源，并在成象阵列上提供一图像，其可用来确定单个目标源与成象阵列之间3维相对移动位置，和/或3维相对位置的任何分量。

图2示出根据本发明位置传感器布置200的第一示例性实施例的示意侧视图，连同可用来简化相对位置确定的各相关坐标尺寸。如图2所示，位置传感器布置200包括一个目标部件210，其包含两个轴锥体透镜目标源215与216，一个图像检测器230(也称为成象阵列)，以及来自光源(未示出)的准直光240。为了说明结构光图像与对应于该图像的z-坐标之间的关系的一般性质，图2中所示相对位置方案示出一种介绍性的情形，其中目标部件210平行于图像检测器230的检测器平面。应当看到，实际上图像检测器230的检测器平面一般将不平行于目标部件210的平面。进而更一般的相对位置确定的情形在以下参照图4和5描述。

在图2所示的实施例中，目标部件210包括多个目标源215，216等，类似于并包含轴锥体透镜目标源215和216，位于由不透明材料形成的或具有不透明外皮的不透明基片中的透明部分上或孔中，使得只是或至少主要通过目标源传送准直光240。在各示例性实施例中，多个目标源215，216等以周期的两维正交阵列排布在目标部件210上，沿目标部件的轴x_tm有P_X的一周期或间距，以及沿目标部件正交轴y_tm有P_y的一间距。在各示例性实施例中，P_X＝P_y，且两个间距都称为P。每一轴锥体透镜目标源215，216等以类似于上述轴锥体透镜115的方式操作。这样，每一个轴锥体透镜目标源215，216引起各结构光锥体242，242’等，它们具有各目标源215’，216’等，以及通过轴锥体透镜目标源的设计确定的锥角α，如这里其它地方所述。

光点平面245，按先前对假设平面145所述相同的方式，定义为与目标源顶点215’，216’等一致。各示例性尺寸Z₂₁₅’，Z₂₁₆’，在这里所述的各实施例中，表示光点平面245上各目标源顶点215’与216’及图像检测器坐标***基准平面224之间的间隔，***基准平面224与图像检测器230的检测器平面吻合。示例性尺寸Z_215’，Z_216’是沿z-轴法向，就是说沿图像检测器坐标系基准平面224的法向。

如图2所示，各结构光锥体242和242’在图像检测器坐标***基准平面224上接收并成象，其中它们形成各环形图像，其标称直径分别为d₂₁₅和d₂₁₆。沿平行于目标部件的x_tm-轴的图像检测器平面224的方向，环形图像的中心分开尺寸pcc_X。当图像检测器坐标***基准平面224与目标部件210平行时，如图2所示，所有环形图像是圆形的且都有相同的标称直径。一般来说，可基于与目标源和已知的锥体角α相关的图像的标称直径d，确定对应于各目标源的各z-尺寸Z，如：

$Z=\frac{d}{2\tan \mathrm{\α}}---\left(1\right)$

进而在以下讨论用于确定结构光图像标称直径d以及标称图像中心的方法。

在一般相对位置的情形下，当目标部件210不平行于图像检测器坐标系基准平面224时，由光锥体242，242’等产生的结构光图像的中心坐标，不是目标源顶点215’，216’等沿由图像检测器坐标系定义的x-轴和y-轴的x-和y-坐标。一般情形的几何关系在以下参照图4描述。然而，对于图2所示简单的相对位置情形，其中目标部件210平行于图像检测器坐标系基准平面224，目标源顶点215’，216’等沿由图像检测器坐标系定义的x-轴和y-轴的x-和y-坐标，与对应的结构光图像242，242’等的中心坐标相同。这样，至少在这一简单的情形下，应当看到，可对光点平面245上每一目标源顶点(215’，216’等)确定图像检测器坐标系的三维(x，y，z)坐标。以下进而参照图4说明更一般情形。

图3A-3F是示意图，表示根据本发明目标部件上包含的目标源和/或目标源顶点的一个示例性模式，以及沿图像检测器坐标系z-轴方向观察的各结果环形图像模式，这是按使用根据本发明的结构光目标部件的位置传感器排布产生的。每一个环形图像模式对应于结构光目标部件相对于位置传感器排布的成象阵列的各位置。如以上参照图1和2所述，目标部件上的轴锥体透镜目标源将产生在图像检测器上为圆形的一个图像。如前所述，当目标部件平行于图像检测器坐标***基准平面即图像检测器的检测器平面时，环形图像是圆形的。然而，更一般来说，对于锥形结构光模式，当目标部件不平行于图像检测器的检测器平面时，环形图像是椭圆的。然而当目标部件相对于图像检测器的检测器平面的平面倾角小于大约25度时，椭圆的短轴至少90％与长轴同样大，且为了示例的目的椭圆可由圆形逼近。

图3A示出如前所述对目标逼近和/或光点平面法向的视图。小圆圈可取为表示目标源和/或目标源顶点(也称为光点)，排布在可用作为根据本发明的目标部件的目标模式的模式300A中。在图3A所示的实施例中，目标源顶点的排布是根据周期间距P_X沿目标部件的x-轴方向x_tm，以及周期间距P_Y沿目标部件的y-轴方向y_tm。

模式300A是对于图3B-3F所示示例性图像的基本部分。示意图3B-3F上重叠的小交叉，表示对应于每一个环形结构光图像在沿z-轴向检测器平面投射时各目标源顶点的近似位置。一般来说，每一个环形图像的尺寸依赖于图像检测器的检测器平面与目标部件之间的倾角，可操作的锥体角度α，及检测器平面与对应的各目标源顶点之间的尺寸Z。

图3B示出一图像300B。图像300B示出，当检测器阵列的平面近似平行于目标部件平面和/或光点平面，并沿z-轴对光点平面有某些间距时，在图像检测器处形成的环形(圆圈)结构光图像的一个阵列。

图3C示出一图像300C。图像300C示出，当光点平面沿z-轴离开检测器平面某些间距，并相对于检测器平面围绕y_tm轴转动时，在图像检测器处形成的环形(椭圆)结构光图像的一个阵列。结构光图像的尺寸指示最右侧的目标源顶点的Z尺度/坐标大于最左侧目标源顶点的Z尺度/坐标。

图3D示出一图像300D。图像300D示出，当光点平面沿z-轴离开检测器平面某些间距，并相对于检测器平面围绕y_tm轴转动时，在图像检测器处形成的环形(椭圆)结构光图像的一个阵列。结构光图像的尺寸指示最左侧的目标源顶点的Z尺度/坐标大于最右侧目标源顶点的Z尺度/坐标。

图3E示出一图像300E。图像300E示出，当光点平面沿z-轴离开检测器平面某些间距，并相对于检测器平面围绕x_tm轴转动时，在图像检测器处形成的环形(椭圆)结构光图像的一个阵列。结构光图像的尺寸指示向图像顶部的目标源顶点的Z尺度/坐标大于向图像底部的目标源顶点的Z尺度/坐标。

图3F示出一图像300F。图像300F示出，当光点平面沿z-轴离开检测器平面某些间距，并围绕平行于检测器平面的轴310并以一角度近似于45度反时针离开x_tm轴转动时，在图像检测器处形成的环形(椭圆)结构光图像的一个阵列。结构光图像的尺寸指示，向图像左顶角的目标源顶点的Z尺度/坐标，大于向图像右底角的目标源顶点的Z尺度/坐标。

如图3C-3F所示，椭圆结构光图像中心之间沿椭圆主轴方向的间距，与投射的目标源顶点(由小交叉表示)之间沿主轴方向的间距相同。一般，椭圆中心沿主轴方向的间距近似于(只非常小量地大于)，投射的目标源顶点之间沿主轴方向的距离除以光点平面与检测器平面之间围绕平行于椭圆短轴方向的轴转角的余弦(倾角)。然而，应当看到，椭圆轴线之间的间距不是相对旋转(倾斜)的最好的指示器，特别是对于小旋转角度。

应当看到，本发明特别强的特点在于，各环形结构光图像的尺寸是对应的各目标源顶点的Z尺度/坐标非常敏感的指示器。这样，在根据本发明的各示例性实施例中，从各Z坐标高精确度确定刻度部件相对于位置传感器转动的各角度分量。与先前所述沿椭圆主轴方向的间距对比，应当看到，沿椭圆短轴方向的椭圆结构光图像的中心之间的间距，与沿短轴方向投射目标源顶点之间的间距相同。应当看到，这是因为短轴是沿光点平面与检测器平面之间没有转角(倾角)的方向对准的。这是相对于检测器平面围绕平行于椭圆主轴方向不转动的光点平面。这样，椭圆结构光图像的短轴的尺寸近似对应于图2所示的尺寸d₂₁₅和d₂₁₆(当围绕短轴的转动为25度时在大约1％内)，并且当对于d使用的值是椭圆短轴尺寸时，通过方程式1能够精确估计对应于各椭圆结构光图像的各目标源顶点的Z坐标。

图4是图2所示根据本发明的位置传感器布置200的第一示例性实施例的详细示意图，这是沿两个椭圆结构光图像的短轴方向所观察。示出各相关坐标尺寸。图4中各元件是根据它们沿观察的方向向附图的平面投射显示的。各元件对附图平面的法向近似位置在图5中指示。如图4所示，目标部件210围绕平行于椭圆结构光图像的短轴方向的一个轴转动。与图2相同的标号标记基本上类似的元件。这样，这些元件将从图2的说明理解，而这里只说明图2中未示出的一定的附加坐标关系和元件。

图4示出可由相对于目标部件210固定的准直光源布置280通过示意表示的部件(或多个部件)287提供准直光240。这样，不论目标部件210如何转动，相对于目标部件210保持准直光240的方向。

现在参照图4和5描述为确定各目标源顶点215’，216’等的(x，y，z)坐标的一个过程。如前所述，通过确定椭圆结构光图像的短轴尺寸，使用方程式1可近似估计对应于该图像的目标源顶点的z-坐标。这里我们假设，z-坐标Z₂₁₅和Z₂₁₈这样被确定。以下，在根据本发明的各示例性实施例中，确定先前所述围绕平行于椭圆结构光图像短轴方向的一个轴的倾斜是方便的，这在图4中由相对转角φ表示。使用同一图像检测器图像中的目标源顶点215’和另一目标源顶点218’，转角φ等于：

$\mathrm{\φ}={\sin }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\ΔZ}}{S_{\mathrm{major}}}\right)---\left(2\right)$

其中ΔZ＝(Z₂₁₅-Z₂₁₈)，且投射尺寸S_major最好参照方程式4和5理解。投射尺寸S_major是目标源顶点215’和218’之间沿与椭圆结构光图像主轴方向对准的光源平面上的方向沿z-轴观察时的距离。

一般来说，最好如图5中所示，投射尺寸S_major与围绕椭圆图像主轴(或短轴)方向的z-轴相对于x_tm轴和/或y_tm轴方向转动有关，这与对于目标部件和光点平面相同。光点平面上目标源顶点之间的各已知尺寸可用来估计转角，就是说转而可用来估计投射尺寸S_major。图5中示出一例并在以下说明。

图5示出图像检测器230上图像检测器图像500部分的表示。应当看到，在根据本发明的各示例性实施例中，图像检测器230的尺寸扩展到图5示意所示的尺寸之外。这样，这些实施例能够同时使比图5中所示更多的椭圆结构光图像成象。因而，类似于以下描述的方法可用于更多的结构光图像，或用于一组由数个间距增量(而不是以下所述示例的单个间距增量间隔)分开间距的椭圆结构光图像，且这些方法与以下所述示例性方法相比可提供更高的可靠性和/或精确性。

图像检测器图像500包括四个椭圆间隔光图像515，516，517和518，连同各相关坐标尺寸，近似对应于图4所示的结构光目标部件与位置传感器布置200排布。每一结构光图像5XX对应于类似编号的目标顶点2XX’。假设基于图像500的象素数据，对各个椭圆结构光图像5XX已分析确定最佳适合的各椭圆，每一结构光图像5XX按图像检测器坐标系完全刻划。例如，每一椭圆的中心(p，q)_5XX，短轴尺寸B_5XX，长轴尺寸A_5XX，及长轴方向与图像检测器坐标的x-轴之间的角度θ也是已知的。因而，需要时能够根据已知的方法确定每一椭圆上所有点。如以下进一步所述最终将确定每一目标源顶点2XX’的图像检测器坐标(x，y)_2XX’。

在图5所示的例子中，为了估计围绕椭圆图像的长轴(或短轴)方向z-轴，相对于x_tm轴和/或y_tm轴方向的转动，估计图5中由β表示的转角。如以下进一步的解释，以下估计的角度β实际上是对于位于光点平面245中的角度。然而，为了简化图5中沿z-轴方向的投影视图也标为β。角度β是基于尺寸L_minor估计的，这能够沿图像500中短轴已知的方向确定。选择沿短轴的方向是因为图像检测器坐标系的x-y平面相对于沿这一方向的光点平面不是倾斜的，这样沿这一方向的图像特征之间的尺寸，正好就与沿这一方向光点平面上对应的画面之间的尺寸相同。

因而，根据已知的几何方法，沿短轴已知方向在椭圆结构光图像(也称为椭圆)516和518长轴位置之间确定尺寸L_minor。如图5所示由于沿短轴方向没有倾斜，每一目标源顶点2XX’沿与长轴重合及椭圆已知的中心5XX的对称线就位。因而，确定的尺寸L_minor在椭圆主轴516和518之间，并与沿短轴方向目标源顶点216和218之间的尺寸相同。从图像500中的椭圆515-518之间的关系可观察到，椭圆516和518是从作为二维阵列中对角最近领域的目标源顶点出现的，诸如参照图3A-3F所述。对于这一例子，我们假设阵列沿阵列轴有相同的间距P。这样，我们能够比较所确定的尺寸L_minor与已知的最近邻域对角尺寸，就是说图5中由线590表示的P/(tan45度)，以估计转角β。具体来说在本例中：

$\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\left(\frac{L_{\min \mathrm{or}}}{(P/\tan 45)}\right)---\left(3\right)$

应当看到，尺寸L_minor是光点平面245中一个精确的尺寸，因为它是沿图像中“不倾斜的”短轴方向的。而且，P/(tan45)是光点平面245中已知精确的尺寸。这样，角度β在光点平面245中。

如果转角β为零，则图4所示的尺寸S_minor将简单地为P*sin(45度)。然而，更一般来说，对于包含在这一说明中的目标部件210的目标源阵列，尺寸S_minor是：

S_major＝P*(sin(45+β)

                                      (4)

参照图4，我们现在能够如下确定相对转角φ。图4所示的尺寸Δz为Δz＝Z₂₁₅-Z₂₁₈，因而相对转角φ可确定如下：

$\mathrm{\φ}={\sin }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\Δz}}{S_{\mathrm{major}}}\right)={\sin }^{-1}\left(\frac{Z_{215}-Z_{218}}{S_{\mathrm{major}}}\right)---\left(5\right)$

进而，在图4中可以看到，使用已知的锥角α，已知的尺寸Z₂₁₅和所确定的相对转角φ，可从以下一般的表达式(其中2XX＝215)确定图像500中沿椭圆515长轴的点P_A1和顶点215’之间的尺寸E1₂₁₅：

E1_2XX＝Z_2XX*tan(α+φ)                (6)

这样，基于沿长轴已知方向相对于图像500中椭圆515上点P_A1的已知(或可确定的)图像检测器坐标的尺寸E1₂₁₅，根据已知的几何方法，可在图像检测器坐标系中确定目标源顶点215’的(x，y)坐标。与先前确定的z-坐标Z₂₁₅相结合，完全确定了目标源顶点215’的3-维(x，y，z)坐标。

如上所述，如果目标源顶点215’平行于图像检测器坐标系基准平面224沿x-轴移动ΔX并沿y-轴移动ΔY，则椭圆515图像的中心位置将沿图像检测器230上对应的方向移动。这种移动可在任何两个相继的测量图像之间确定，并如以下所述，通过这些图像继续积累。因而，根据本发明的位置传感器布置，能够以绝对的方式在任何单个的图像内测量目标源顶点215’的z-坐标，以及初始(x，y)坐标和之后的累积相对X-Y运动。于是，根据本发明的位置传感器布置可沿3移动自由度，这里一般标记为X，Y，Z自由度，在目标点215’和位置传感器排布之间，确定目标源顶点的位置，诸如目标源顶点215’。

其它目标源顶点的3-维(x，y，z)坐标，诸如顶点216’-218’，也可如上述确定。基于确定的两个目标源顶点的(x，y，z)位置，诸如顶点215’和218’，以及它们在光平面245彼此相对已知的间距，可根据已知的方法在两个平面确定光点平面245沿连接顶点215’和218’的线的角度指向。这样，根据本发明的位置传感器布置，对于包含具有两个对应的目标源顶点的至少两个目标源目标部件，能够测量相对于目标部件沿3移动自由度诸如X，Y，Z和至少一个角度或指向自由度的位置。

当然，使用具有已知(x，y，z)坐标位置的至少三个目标源顶点，光源平面245(及相关的目标部件)的指向被完全定义。这样，根据本发明的位置传感器布置，能够在具有图像检测器诸如图像检测器230的位置传感器，与结构光目标部件诸如目标部件210之间，测量包含3移动自由度诸如X，Y，Z和三角度或自由度指向的相对位置。

在各示例性实施例中，信号处理单元以所需的重复率或帧速率，输入并分析来自目标部件210的连续的结构光图像，以便跟踪目标部件210累积运动，包括沿目标部件210上排布的目标源的两维阵列的任一或两个方向的移动目标部件210超过一个间距增量和/或超过一个“视野”增量。这种情形下，目标部件210上目标元件已知的间距或间隔提供了一个刻度，其可用来精确确定根据本发明的位置传感器与目标部件210之间总的相对位移。

跟踪沿位于图像检测器坐标系基准平面224中方向的累积运动的一个方法，是图像相关方法。在Nahum的U.S.专利No.6,642,506，及U.S.专利Nos.09/9876,162，09/987,986，09/860,636，09/921,889，09/731,671，及09/921,711中公开了各种可用的相关方法，这些文献在此整体结合以资对比。

应当看到，根据本发明的位置检测方案可被设计或优化，以确定沿图像检测器坐标系z-轴方向所需的位置范围。当然，Z-范围不能延伸超过位置传感器图像检测器达到目标源可达到平面的位置。在各示例性实施例中这定义了Z-范围的Z_minimum。各示例性实施例中，如果各目标元件的图像不重叠到检测器阵列230，则简化了与分析结构光目标图像以确定它们各(x，y，z)坐标的相关的信号处理。这样，在这些实施例中，根据以下关系，按所需的Z-范围的Z_minimum与可操作的锥角α，选择目标部件210上目标源最小间隔或间距：

minimum target source spacing＞2*Z_maximum*tanα

                                                    (7)

在各其它示例性实施例中，即使它们各自的结构光图像在由图像检测器230检测的图像中重叠，最小间隔小于满足这一关系的值，并使用更复杂的图像处理确定各目标源顶点的Z-坐标。

在一个示例性实施例中，锥角α大约为15度，目标源直径大约为100μm，且沿目标部件210上两个正交轴以1.0mm的间距分开。图像检测器230的成象阵列大约为4.7mm乘以3.5mm，并包含640列和480行象素，以大约7.4μm的间距沿正交的行和列方向排布。从图像检测器230成象阵列到由目标源顶点定义的光源平面245标称的工作间距大约为1.0mm+/-0.5mm。使用以下进一步描述的适当的图像处理，这种结构对于X，Y和Z移动可提供大约1-8μm的分辨率和精确度，以及大约.05度滚动，俯仰和偏转角度。在各示例性实施例中，使用适当的阵列检测器和DSP，能够以高达1000Hz或更大的采样率提供6D测量。

正如在图5所见，形成上述椭圆任何之一的“图像线”有一沿椭圆径向的标称宽度。在根据本发明的各示例性实施例中，特定椭圆图像中的椭圆图像线的标称宽度，通过对应的目标源及对应的z-坐标大小的设计确定。应当看到，根据本发明的完整传感器布置的总精确度，至少部分地取决于可确定形成上述椭圆等的“图像线”的每一部分的位置的分辨率。这样，在根据本发明的各示例性实施例中，如以下进而所述，使用子象素分辨率确定、适配或另外估计“图像线”的每一部分的标称位置。这样，在各示例性实施例中，估计本发明的位置传感器布置是这样设计的，使得图像线标称宽度跨越图像检测器230上至少三个象素，以便于对于定位各图像特征的子象素内插。在提供更高精确度的其它各示例性实施例中，标称宽度跨越阵列检测器230最少3个及最多6个象素。在牺牲某些精确度和/或图像处理简单性以使用更经济的元件的其它实施例中，标称宽度跨越少于三个象素或多于6个象素。

应当看到，以上特定示例性实施例的参数和元件只是示例性的而不是限制。可以有许多其它可操作的实施例，它们对于业内普通专业人员明显的，并具有本公开的好处。

如上所述，在各示例性实施例中，至少三个结构光图像，诸如椭圆515-518总是落入图像检测器230的视野。这样，基于对应于各结构光图像的各目标源顶点(x，y，z)坐标，与光点平面245及目标部件210等正交的单位向量可从位于光点平面245上的三个目标源顶点找到。由三个这种目标源顶点位置定义的两个向量的叉乘产生垂直于目标表面的一个向量，根据向量代数和/或以下所述各种熟知的方法，其能够用来确定各相关旋转分量。

如图6所示，向量r_i连接图像检测器坐标系基准平面424(也称为图像检测器基准平面424)上的坐标原点O，与光点平面445上的目标源顶点415-417。向量v_i位于光点平面445。向量r₀定义为与穿过坐标原点O的光点平面445正交的一个向量。与光点平面445正交的单位向量n_tm由位于光点平面445中的两个向量v_i叉乘构成。对于图6中所示的例子：

${\hat{n}}_{\mathrm{tm}}=\frac{v_1\×v_2}{|v_1\×v_2|};\mathrm{where}{v}_i=r_{i+1}-r_1---\left(8\right)$

应当看到，方程式8中的单位向量n_tm描述了光点平面445(及相关的目标部件)相对于由正交于图像检测器坐标系基准平面424的方向定义的z-轴的倾斜，这可用来根据向量代数已知的方法，确定光点平面445(以及相关的目标部件)与根据本发明的位置传感器的相对的角度指向。

目标部件(与相关的光点平面445)的局部x和y基准轴的x_tm-和y_tm-方向可被定义为与沿目标部件上正交轴周期排布的目标源模式，和/或光点平面445上对应的目标源顶点重合。例如，在各示例性实施例中，目标源向量按周期列和行模式排布，其x_tm-和y_tm-方向的目标源顶点之间的距离等于相同的周期间距P(就是说Px＝Py＝P)。在各示例性实施例中，x_tm-和y_tm-方向围绕z-轴初始的指向是已知的，且目标部件和光点平面445围绕z-轴的相对转动限制在小于+/-45度(或稍小，考虑到关于x和y轴可能的倾斜效果)，或者由累积关于z-轴对时间的净转动的一个过程跟踪。这样，x_tm-和y_tm-方向围绕z-轴的近似方向是明确的。因而，为了定义沿x_tm-或y_tm-方向的向量(假设相对于x和y轴的倾斜被相对限制，如同对于相对或所有实际应用的情形那样)，在最坏的情形下，只要从选择的目标源的顶点，例如最接近坐标原点O的目标源顶点的坐标开始即可，并标识与该点且彼此最接近的2个目标源顶点。当目标部件(和/或光点平面445)与包含图像检测器诸如图像检测器230的位置传感器之间在X-Y平面中的相对转动，限制在小于+/-45度或被跟踪时，连接最初选择性的目标源顶点与这两个目标源顶点的各向量的方向将清楚地标识x_tm-方向和y_tm-方向。对于增加的角度精确度，可确定沿这些方向更远的到目标源顶点更长的向量。

这样，在各示例性实施例中，定义上述向量两者之一为v(图6中的向量v1或v3)，对应于x_tm-方向和y_tm-方向的单位向量为：

${\hat{x}}_{\mathrm{tm}}=\frac{v}{\left|v\right|}(\mathrm{or}{\hat{y}}_{\mathrm{tm}}=\frac{v}{\left|v\right|})---\left(9\right)$

沿z_tm-方向的单位向量与由方程式8给出的，或另外从以下叉乘得出的单位向量n_tm相同：

${\hat{z}}_{\mathrm{tm}}={\hat{x}}_{\mathrm{tm}}\×{\hat{y}}_{\mathrm{tm}}---\left(10\right)$

在各示例性实施例中，为了确定相对指向并完全定义相对位置和指向的6D度量，根据熟知的向量代数方法从单位向量形成旋转矩阵R：

$R=\left(\begin{array}{c}{\hat{x}}_{\mathrm{tm}}\\ {\hat{y}}_{\mathrm{tm}}\\ {\hat{z}}_{\mathrm{tm}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{x}_{\mathrm{tm},x}& y_{\mathrm{tm},x}& z_{\mathrm{tm},x}\\ x_{\mathrm{tm},y}& y_{\mathrm{tm},y}& z_{\mathrm{tm},y}\\ x_{\mathrm{tm},z}& y_{\mathrm{tm},z}& z_{\mathrm{tm},z}\end{array}\right)---\left(11\right)$

其中单位向量x_tm分量的分量x_tm，x是沿图像检测器坐标系x-轴的，并对于其它加下标的向量分量也是这样。旋转矩阵在图像检测器坐标系中也是通过施加到目标部件的滚动、间距和摇动转动，根据向量代数已知的方法描述的。这里假设，转动按以下顺序施加：首先是滚动(围绕x-轴的θ_r)，然后是俯仰(围绕y-轴的θ_p)，然后是偏转(围绕z-轴的θ_y)。

$R=\left(\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_p& \cos {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_p\sin {\mathrm{\θ}}_r+\sin {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_r& -\cos {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_p\cos {\mathrm{\θ}}_r+\sin {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_r\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_p& \cos {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_r-\sin {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_p\sin {\mathrm{\θ}}_r& \cos {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_r+\sin {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_p\cos {\mathrm{\θ}}_r\\ \sin {\mathrm{\θ}}_p& -\cos {\mathrm{\θ}}_p\sin {\mathrm{\θ}}_r& \cos {\mathrm{\θ}}_p\cos {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right)---\left(12\right)$

各转动的角度可通过使两个矩阵相等得出。

θ_p＝θ_pitch＝sin^-1(x_tm，z)                 (13)

θ_r＝θ_roll＝sin^-1(y_tm，z/cos(θ_pitch))    (14)

θ_y＝θ_yaw＝sin^-1(x_tm，y/cos(θ_pitch))     (15)

另外，位置传感器相对于目标部件各轴x_tm，y_tm和z_tm的转动可通过向量代数类似的方法，或通过以上指出结果的已知的向量代数变换确定。

在各示例性实施例中，位置传感器与目标部件比较移动的位置可按以下确定：图7所示的点O_tm定义为目标部件局部轴的当前原点。在原点O与位于光点平面445上的一个点之间，平行于与n_tm或z_tm正交的光点平面的向量定义点O_tm。如图7所示，这是沿光点平面445的z_tm轴对准并连接两个点(O与O_tm)的向量r₀。位置传感器的z-坐标，或“有效间隙”定义为向量r₀的长度。位置传感器相对于光点平面445(对应于相关目标部件)的当前局部x_tm和y_tm坐标，将以当前光点平面原点O_tm为基准。

应当看到，3个旋转分量和z-坐标移动分量或间隙，如以上所述，使用根据本发明的位置传感器布置，可从任何单个的目标部件图像被绝对确定。然而应当看到，位置传感器相对于光点平面445和/或目标部件沿x_tm和y_tm方向总的位移不是绝对的量，而是必须通过一过程确定，该过程包括跟踪目标源顶点模式间距沿x_tm和y_tm方向在x_tm和y_tm移动期间累积的增量，按照对于业内普通专业人员明显可知的方法或算法。此外，对于精确的测量，必须向累积的x_tm和y_tm增量添加在目标源顶点模式的初始x_tm和y_tm周期内的初始位置，以及目标源顶点模式的最终x_tm和y_tm周期中的最终位置，其方式类似于与1D和2D增量光学编码器使用的熟知的方法。

为了确定目标源顶点模式的当前x_tm和y_tm周期内的位置，通过向量r₀定义点O_tm，这是根据熟知的向量代数方法确定的：

$r_0={\hat{z}}_{\mathrm{tm}}\·r_1\·{\hat{z}}_{\mathrm{tm}}---\left(16\right)$

其中向量r_i可对应于目标源顶点的已知的图像检测器帧坐标，诸如图7所示任何目标源顶点415-417。

间隙或z-坐标等于r₀的长度。

               gap＝|r₀|                   (17)

在任何当前x_tm和y_tm周期内初始位置传感器位置，位于点O_tm重合的位置传感器x_tm-和y_tm-位置，和图像检测器图像中附近的环形结构光源图像相关的任何一个或多个目标源顶点之间的光点平面445中的位置向量，可确定为：

               u_i＝r_i-r₀                   (18)

以按照当前目标部件坐标确定位置传感器的坐标：

$y_i=u_i\·{\hat{y}}_{\mathrm{tm}}---\left(20\right)$

其中x_i和y_i是位置传感器从附近目标源顶点沿当前x_tm-和y_tm-轴的当前局部位移，这些顶点对应于在方程式19和20中使用的特定位置向量u_i。

如前所述，能够且必须跟踪初始或基准位置与当前或最终位置之间目标源顶点模式的x_tm-和y_tm-间距的累积增量。这样，用于根据方程式18-20确定的初始位置的基准目标源顶点，与用于根据方程式18-20确定的最终位置的基准目标源顶点之间的累积增量，是已知的或能够确定的。这样，位置传感器相对于光点平面445和/或目标部件的当前x-y位置(就是说累积的x-y位移)可据此确定。

以上过程描绘了一组示例性过程，它们用于确定各目标源顶点的坐标，以及光点平面(和/或目标部件)与根据本发明的位置传感器之间的6D相对位置。从以上过程应当看到，更一般来说，假如确定了目标源顶点相对于根据本发明的位置传感器3个目标源顶点的坐标，参照对于特定测量应用适当的或方便的任何坐标帧，可确定光点平面(和/或目标部件)与根据本发明的位置传感器之间任何1D到6D相对位置的测量。可使用在具体的应用中适当和方便任何其它数学方法和/或信号处理。

例如，在各种运动控制应用中，基于步进电动机控制信号等可便于大致确定各种累积的位移。这种情形下，偏转旋转和增量的目标源顶点模式间距累积不需要被限制或跟踪，并只要简单地按上述确定各种当前局部位置即可，以便使基于步进电动机控制信号的大致的位移确定精细化到较高的精确度水平。此外，应当看到，对于任何具体的图像检测器图像，可使用目标源顶点的各种组合提供冗余测量，这可在根据本发明的各示例性实施例中有利地提高测量精确度。因而，上述示例性过程只是示例而非限制。

以上的讨论没有详细考虑形成根据本发明提供的图像中椭圆结构光图像特征的线的宽度，以及在径向穿越宽度上强度的变化。图8描绘了根据本发明提供的一个代表性的图像800-A。图8还描绘了从一组示例性的图像处理操作获得的结果，如在图像800-A上所示，其在根据本发明的测量图像中可用于标识各种结构光图像特征(imagefeature)特性。

伪图像800-B1是通过确定一强度阈值，例如从图像800-A确定的双模态强度分布的峰值之间的一个强度值产生的，并对强度低于该阈值的所有点指定零值，而所有其它的象素指定值一。伪图像800-B2表示环形特征(feature)之一的一个闭合，这是从施加一个滤波器以平滑伪图像800-B1中的边界的结果。例如该滤波器可包括把每一象素值设置为8个连接的相邻象素大多数的值。伪图像800-B3表示伪图像800-B2的环形特征的一个闭合，这是施加进一步的边界平滑操作的结果。例如，进一步的平滑操作可包括一个第一膨胀操作，其中对每一象素指定其8个连接的邻域中对应于最大象素值的值(对于二进制图像是1)，然后是第二侵蚀操作，其中对每一象素指定其8个连接的邻域中对应于最大象素值的值(对于二进制图像是0)。

伪图像800-B4表示通过只保留在所有环形结构光图像特征的内和外边界的近似单个象素宽的轨迹获得的结果的伪图像，这类似于对闭合视图800-B3中所示的环所作的处理。在一个示例性实施例中，执行第一连接性分析，以标识对应于每一个环形结构光图像特征的象素。例如，在一个示例性实施例中，从任何单值象素启动一组，每一相邻的单值象素添加到该组。然后每一添加的象素的每一单值邻域被添加到该组等等，直到没有新的单值相邻要添加。然后把该象素组标记为单环形结构光图像特征。重复该过程直到所有所需的环形特征被标识并标记。每一环形结构光图像特征被“标记”或标识，使得适当的象素用于适配的程序，以便后来用于以下进一步所述每一环形图像特征。

然后在各实施例中，处理每一已标记的画面，以在其内和外边界确定一个近似的单象素宽的轨迹。例如对于边界的画面，其单值象素的子集被识别为对应于有零值的邻近象素的那些象素。然后，对子集进行连接性分析。两个进一步的子集将有结果：被连接的象素在边界的画面外边界处形成环。这种标记的子集表示在伪图像800-B4。

伪图像800-C1表示伪图像800-B4中环形特征之一的圆形轨迹的一个闭合，而800-C2表示最佳适配虚线椭圆810及820适配伪图像800-C1的环形特征的椭圆轨迹。使用任何现在已知或后来开发的椭圆适配方法，在伪图像800-B4中的每一环形图像特征的椭圆轨迹可类似地被处理。可用于根据本发明各实施例中的一个示例性的椭圆适配方法，在以下文献中有述“Image Fusion and Subpixel ParameterEstimation for Automated Optical Inspection of electronicComponents”，by James M.Reed and Seth Hutchibon，in IEEETransaction on Induatrial Electronics，Vol.43，No.3，June1996，pp346-354，该文献在此整体结合以资参考。在以上引证的文献中所述的椭圆适配方法，可使用以上所述标识的椭圆图像特征象素数据，对长和短轴尺寸A，B及指向角θ(例如图5中所示)，以及图5中称为(p，q)中心坐标的x和y中心坐标提供值。

在根据本发明的各示例性实施例中，内和外椭圆的短轴尺寸的平均值用作为方程式1中的尺寸d。更一般来说，分别对刻划内和外椭圆的各椭圆参数的每一个求平均，且平均参数被用来刻划对应的椭圆结构光图像。例如，除了确定z-坐标之外，平均参数用来确定点P_A1的坐标(参见方程式5)等，这与根据方程式6确定的尺寸E1_2XX一同使用，以确定对应的目标源顶点坐标(x，y)。这样，在各示例性实施例中，使用来自上述参照图8结果等的对应的适配椭圆确定目标源顶点的(x，y，z)坐标。

在N个点沿圆或椭圆标记的情形下(参见方程式20及相关的说明)，通过几种已知的方法任何之一，诸如对所有在给定强度阈值以上的象素的强度加权“质心”型计算可找出每一点的质心。一旦得知点的位置，通过标准的适配方法就能够使它们与用于椭圆的方程式适配。

应当看到，上述的图像处理操作只是示例性而非限制性的。在根据本发明的各实施例中，可通过另外的操作排除，替换各种操作，或以不同的顺序进行。

应当看到，虽然以上图像处理和坐标确定操作是相对快速的，并对若干应用提供了足够的精确度，但这些图像处理操作抑制了在每一环形特征中的原始图像中可得到的相当大的信息量。应当看到，使用这些被抑制的信息，能够以更高的精确度确定或细化所估计的每一目标源顶点的坐标。

图9与阐明一个示例性方法的叠加的图示一同，示出最佳适配椭圆810和820以及图8的图像800-C2的椭圆轨迹的示意图900，  在根据本发明各示例性实施例中，该方法确定用来确定对应的目标源顶点(x，y，z)坐标的椭圆参数的精细化估计。

简而言之，至少两条线910A和910B通过最佳适配椭圆810和820的平均中心画出，使得这些线围绕最佳适配椭圆810和820在360度上近似均匀间隔开。希望这两条线沿最佳适配椭圆810和820估计的短和长轴对准，特别是如果只画出少量的线910X。以下标识最接近各线910A和910B并位于最佳适配椭圆810和820之间的各象素集。对于每一个象素集合，确定原始目标部件图像中的对应的强度值，如由各径向指向的强度轮廓920A-920D所指示。然后，通过任何已知或后来开发的方法，标识对应于每一径向指向强度轮廓920A-920D的各峰值的各象素930A-930D。例如，在各实施例中，曲线或特定的经验确定的函数适配各径向指向强度轮廓，根据已知的方法确定曲线或函数集合的各峰值，并标识各象素930A-930D对应的集合。然后，根据提供高精确度的任何已知或后来开发的方法，诸如包括外部切除等的方法，一个新的最佳适配椭圆适配各“峰值象素”930A-930D。然后，如上所述，该新的最佳适配椭圆的椭圆参数用来确定对应的目标源顶点的(x，y，z)坐标，以在根据本发明的各示例性实施例中，提供目标源顶点的(x，y，z)坐标更精确的精细化估计。应当看到，虽然方程式9为了简化示出两条线用作为用于定义适配于椭圆的4个数据点的基础，但更大数目的线和相关的数据点一般将提供更高的精确度，因而在根据本发明的各示例性实施例中这是所希望的。

更一般来说，参照图8和9上述的方法和操作只是示例性的而非限制。可使用各种替代的图像处理操作定位椭圆图像特征，并确定所需的目标源顶点坐标。上述的图像处理操作的说明以及各种替代，可在例如以下图像处理文献中找到，Machine Vision，Ramesh Jain等人，McGraw Hill，1995，该文献在此整体结合以资参考。

图10是第一示例性算法1000的一个流程图，用于基于根据本发明提供的图像，确定位置传感器与光点平面和/或目标部件之间的相对位置测量。该算法在块1100以获取包含多个结构光图像特征的一个图像开始。在块1200，进行操作以在块1100获取的图像中找出多个结构光图像特征中的至少某些，诸如上述的椭圆图像特征。然后在块1300，进行操作以确定在块1200找出的结构光图像的特性，诸如先前所述椭圆参数，并对所需数目对应的目标源顶点确定结果的坐标。该算法继续到块1400，在此继续操作，以基于在块1300确定的目标源顶点坐标，对于1到6自由度在所需的坐标系中，确定位置传感器与光点平面和/或目标部件之间的相对位置。

图11是第二示例性算法1200’的一流程图，这是可用于第一示例性算法的块1200的操作的一个示例性实施例，其用于标识根据本发明提供的图像中各结构光图像特征特性。该算法在块1210开始，基于默认的或特别确定的强度阈值，把根据本发明获取的图像转换为二进制值伪图像。在块1220，进行图像处理操作以孤立或标识二进制图像中所需的结构光图像特征特性。在一个示例性实施例中，块1220的操作采用一个或多个已知的图像滤波操作，以平滑伪图像数据中零值(黑暗)象素与1值(明亮)象素之间的边界，并标识对应于平滑的边界处两个椭圆单象素宽的轨迹的象素。两个轨迹最好或者两个都是全黑暗的或者两个都是全明亮的象素。两个椭圆单象素宽轨迹提供了结构光图像特征象素集，其对应于与对应的目标源顶点相关的椭圆结构光图像特征特性。

然后在块1230，进行操作以有效地标识或标记要与每一对应的目标源顶点相关的所需的结构光图像特征象素集。然后在根据本发明的各示例性实施例中，在块1240进行操作以过滤或证实在块1230标识的结构光图像特征象素集，以便排除会对对应的目标源顶点造成劣化或无效坐标的象素集。在各示例性实施例中，块1240的操作可包括一个或多个指示充分良好定义的目标画面的象素连接测试，基于由有效象素集表示的预期形状的象素***测试，基于邻近象素集的近似的测试(其在各实施例中，可包括由于在测量范围末端附近重叠或相邻结构光图像特征的近似潜在变形)，和/或任何其它现在已知或后来开发服务于块1240目的的测试。然而，在根据本发明的各示例性实施例中，其中另外保证了充分可靠的结构光图像特征和/或充分精确的测量结果，可省略块1240的操作。

图12是第三示例性算法1300’的一流程图，这是可用于第一示例性算法的块1300的操作的示例性实施例，用于确定根据本发明提供的图像中各结构光图像特征的结构光图像特征，及对于所需数目的对应目标源顶点的结果坐标。算法在块1310开始，基于第一选择的象素集确定结构光图像特征的平均椭圆参数的初始估计，第一选择象素集是已知的或预假设象素集，可用来对于对应的目标源顶点提供足够精确的坐标。结构光图像特征的平均椭圆参数可根据任何适当的现在已知或后来开发的方法确定。在各示例性实施例中，所选择的有效象素集由算法1200’的结果提供。在一个示例性实施例中，算法1200’的结果提供两个同心的椭圆单象素宽的轨迹，其刻划了结构光图像特征，且对应的结构光图像特征的参数刻划基于最佳适配椭圆的平均参数确定，这些椭圆根据任何已知的方法适配两个椭圆单象素宽的轨迹。

然后，在各示例性实施例中，在块1320进行操作以使通过块1310的操作提供的椭圆参数的估计精细化。精细化的估计用来确定对应的目标源顶点的(x，y，z)坐标达到比由初始估计提供的更高的精度水平。精细化的估计可根据任何适当的现在已知或后来开发的方法确定。

在一个示例性实施例中，块1320的操作包括确定多个线或向量，它们通过初始估计的椭圆中心并经过对应的选择的象素集的末端。这些线在360度上围绕初始估计的椭圆中心均匀间隔。最好是两条线沿初始估计的椭圆的短和长轴延伸。然后，进行操作以标识最接近各线的各径向排布的象素地址的集合，并位于对应的选择的象素集合中对应于结构光图像特征的内和外边界之间。然后，对于径向排布的象素地址的每一集合，确定原始图像中对应的强度值。然后，确定象素地址或图像检测器坐标，它们对于径向排布的象素地址的每一个集合，对应于各标称峰值强度位置。例如，在各实施例中，一个曲线或特定的经验确定的函数适配各径向排布强度值，根据已知的方法确定曲线或函数的集合各峰值，并确定对应的象素地址或图像检测器坐标。然后，根据任何已知的或后来开发的方法，最佳适配椭圆适配各“峰值象素”集合，且结果的椭圆参数构成在块1320提供的精细化的估计。当块1320的操作完成时，操作进到块1330。

应当看到，在算法1300’的各示例性实施例或应用中，通过块1310的操作提供的初始椭圆参数估计，可用来以对于应用的实施例足够的精确度标识对应的目标源顶点坐标。这种情形下，块1320的操作被省略。这种情形下，操作从块1310直接进到块1330。

在块1330，对应的目标源顶点的(x，y，z)坐标，基于当前估计的目标画面椭圆参数，通过任何现在已知或后来开发的方法确定。这里以前所述的方法在各省略性实施例中使用。然后，在决策块1340，如果有更多的选择的结构光图像特征象素要分析，则算法返回块1310的操作。否则，如果没有更多的选择的结构光图像特征象素要分析，则算法继续进到块1350，在此进行操作以存储通过算法1300’先前确定的所有目标源顶点(x，y，z)坐标。

图13示出一个示例性圆锥形轴锥体透镜目标源结构600，及结果的结构光模式。图13中Z和d之间的关系先前已讨论过，并由方程式1给出。图13所示的轴锥体透镜615关于光轴641是圆柱对称的，且透镜的圆锥部分有一基角(base angle)。透镜的圆锥部分引起入射准直光束640的光线按折射角α向光轴641折射。折射角α被设计或确定如下：

α＝(n-1)

                                   (21)

其中f是基角而n是透镜材料的折射率。折射角α有效地与这里先前讨论的锥角α相同。

中心光线626和626’表示结构光锥体642的壁的标称通路，其有标称厚度或宽度，在从光锥体642发出的结构光图像中引起标称图像线厚度W。一般来说，当轴锥体透镜615和准直光束640配置为产生一个图像线厚度W，其在位置传感器布置的图像检测器上跨越大约3-6个象素范围时，根据本发明的位置传感器布置可能更加精确。这一范围倾向于定义有高分辨率的图像线位置，同时还提供足够宽的图像线，以便于当使用子象素内插以高精确估计图像线标称(中心)位置时，进行精确的图像尺寸测量。然而，较狭窄的或更宽的标称图像线也可操作，并在根据本发明的各示例性实施例中可能更鲁棒或更经济。在图13中可见，在根据本发明的各示例性实施例中，图像线宽度W起初通过透镜半径R与锥角(折射角)α的选择被控制。然而，锥角α一般受到其它设计考虑的限制，因而在各实施例中透镜半径成为控制图像线宽度W的主要手段。对于理想的准直光与精确的轴锥体透镜，图像线宽度W近似为：

               W＝R*(1-tantanα)          (22)

作为一个设计例子，在一个实施例中，使用折射率1.5的轴锥体透镜材料以提供20度的锥角。对于这种情形，从方程式21，α＝40度，这样(1-tantanα)≈0.75。如果图像检测器象素间距大约为7微米，且需要图像线宽度大约6象素＝42微米，则从方程式22，R＝56微米。R可另外由轴锥体透镜615任一侧上的一个孔控制，或另外控制准直光640的光束半径。然而，如果任何这些技术的结果都不与光轴641同心，则围绕所得结构光图像的图像线宽度将是非对称的，这可能导致对称误差。这样，在各示例性实施例中，更方便并恒定的是准直光640过度充满轴锥体透镜615，这能够经济地提供理想的线宽对称性，并降低或消除对专门调准或组装工艺的需要。

中心光线626和626’的通路会聚到这里称为目标源顶点615’的一个点并从其发散，因为它是结构光锥体642的标称顶点。目标源顶点615’与透镜顶点608沿光轴641分离开距离f。对于半径R过度充满的透镜：

图14示出根据本发明适用的第二示例性轴锥体透镜目标源配置700一示意侧视图。目标源配置700包括各个元件及操作原理，它们类似于上述的目标源配置600。除非另外指出，图14中编号7XX的元件应理解为在功能上类似于图13中的类似编号元件6XX。由于在目标源配置600和700之间的设计与操作基本类似，以下只说明需要补充解释目标源配置700有变化的方面。应当理解，图1 4垂直和水平的尺寸没有标度画出。具体来说，可选择聚焦长度F比其在图14明显的表示长得多。

目标源配置700包括合成的目标源715，其包括会聚透镜713，该透镜接收准直光740并向“匹配”轴锥体透镜714稍微指向会聚光线。这样，合成目标源715是这样设计的，结构光锥体742’的相邻光线会聚在离合成目标源715一个距离的聚焦平面750。作为设计原则，即使轴锥体透镜714已引入光轴，从会聚透镜713到聚焦平面750的距离大约与会聚透镜713的聚焦长度相同。对准直透镜***附加的设计考虑，包括在轴锥体透镜714的顶点708附近可添加的各种有益的修改，在以下文章中有详细说明，“Characterization And Modeling OfThe Hollow Beam Produced By A Real Conical Lens”，by BenoitDe’pret，et.al.，Optical Communications，211，pp.31-38，October，2002，该文章在此结合以资参考。因而，这里不需要讨论目标源配置700的附加设计和操作方式。

目标源配置700的基本点简单地是提供一种对根据本发明的结构光整体壁不希望的发散及结果的图像线模糊和/或宽度增加的补偿手段，否则它们对于位置传感器最大范围附近的Z值可能发生。(图13所示的目标源配置，提供了这种情形可能发生的一个例子，例如由于实际的制造不完美)。

在一个示例性示例中，对于聚焦平面750的设计位置超过所希望的最大Z-范围，使得在最大Z范围内的理论最小图像线对应于位置传感器图像检测器上大约3-6个象素。在另一实施例中，对于聚焦平面750设计的位置在Z-范围内。在这样的实施例中，狭窄的图像线宽度保持在预期的Z范围内可操作，和/或不完美的准直，光学失常，或各种其它潜在的“模糊”效果造成“锥体壁光束浪费”，这提供了所需的最小图像线宽度。

当然，各种其它透镜配置能够提供与合成目标元715相同的功能，诸如单个的“轻微凸起轴锥体”等。这种透镜配置可由业内专业人员确定，并通过分析的设计和/或实验开发。

图15-17示出三个示例性目标源配置及结果的结构光模式各种方式。图15示出目标源配置1500的示意侧视图，其功能与目标源配置600类似，所不同在于，两个相邻的的轴锥体1515和1516示于目标部件1510部分上，指示着相邻结构光锥体1542与1542’之间的关系。还示出一图像检测器1530。轴锥体透镜1515和1516在上侧视图中示出，并还在顶视图示出，其中它们分别编号为1515_TOP和1516_TOP。图15所示的配置基本上与以上参照图2-5所述相同，且这里所示主要是为与以下图16和17的描述便于比较。图15示出最大范围Z_MAX，其对应于结构光锥体1542和1542’不重叠的范围。这一考虑先前已参照图7讨论过。

图16示出目标源配置1600的示意侧视图。其中下标“TOP”加到图16中任何标号上，应当理解，所指元件是从顶视图表示的。没有下标的标号用于相同元件的侧视图。目标源配置1600包括产生一个结构光模式1642的一个环形目标源1615，其可作为一对结构光锥体描述，一个是反向的一个不反向，共同的顶点在平面1622。这样，业内专业人员将可理解，为确定(x，y，z)坐标而使用结构光模式1642，有这一公开的好处。例如，平面1622类似于这里先前所述的光点平面，包括定义该平面的目标源顶点。然而，这种情形下，对于光点平面1622“正”和“负”Z值都可确定。这一配置1600的优点在于，与配置1500的最大Z范围比较，其相邻结构光不重叠的最大Z范围被加倍。

当然，对于配置1600将会有对于相同量值的+/-z-坐标(关于光点平面1622)的位置模糊性，诸如平面对1621和1623。在各示例性实施例中，这一潜在的模糊性通过各种可能的手段之一，在结合目标源配置1600的主控或使用位置传感器的***级解决。例如，从已知初始位置开始，可跟踪目标部件1610与图像检测器1630之间的相对运动，或可分析用来提供相对运动的运动控制信号，或者两者，以便在潜在的模糊位置之间进行区分。

关于环形目标源1615，其具有标称直径D，及与半个轴锥体透镜相同的截面，以提供锥角α。这样，用于目标源1615环形透镜的角度可基本上按先前参照图13和方程式21-23所述设计和/或确定。除了目标源1615的环形透镜的目标部件1610表面部分等，通过传统的方法制成不透明的。在一个实施例中，目标部件1610包括一个使准直光通过环形模式开口的薄膜模式，该开口有效定义了结构光模式1642的壁宽度等。就是说，薄膜模式使光通过模式开口传送，该开口未充满形成环形目标源1615的环形透镜。透镜可通过任何传统的装置与环形开口同心形成，例如通过施加预形成的透镜，或任何其它适当现在已知或后来开发的方法。应当看到，当使用上述薄膜模式(等等)时，光传送开口区域外部及透镜区域外部的过量材料没有有害的效果。

图16与相邻结构光模式1642和1642’一同，还示出类似的相邻环形目标源1616-1619部分，其分别对应于目标源1616和1617。这样，在根据本发明的各示例性实施例中，这些环形透镜在目标部件1610上形成对应的阵列。

图17示出目标源配置1700的示意侧视图，其提供了类似于由目标源配置1600提供的延伸的Z范围。然而，目标源配置1700使用了一种透镜方案，其提供的结构光模式，能够在整个Z范围提供明确的z-坐标确定。其中下标“TOP”添加到图17的任何标号，应当理解，所标记的元件是从顶部表示的。对于相同元件的侧视图使用没有下标的标号。

目标源配置1700包含同心环形目标源1715B和1715C，其产生结构光模式1742’和1742”。结构光模式1742’类似于参照图16描述的结构光模式1642。结构光模式1742”是反向锥体。目标源配置1700还包括产生结构光模式1742的同心轴锥体透镜1715A，类似于参照图15描述的结构光光模式1542。所有的透镜及整个目标部件1710，可按类似于先前对类似元件的描述的方式制造。

如图17中所示，目标源1715B有一标称半径r，以及目标源1715C有一2.5r的标称半径。这一配置保证了对于目标源1710与同心检测器1730之间的任何分离，将提供有“嵌套的”椭圆配置的结构光图像，其具有对于该Z值特别的唯一的尺寸关系。

能够构成完整描述椭圆参数与Z之间的关系的一种算法。例如，考虑示例的情形，其中在假设的平面A到H集合处提供“圆圈椭圆”光环模式。为了确定目标部件1710上哪些透镜正引起每一个光环，比较光环的半径。在平面A到B上，外部的两个光环之间的距离等于r，且还有一个内环。在平面B到D上，最里面和最外面的光环之间的距离等于r。在平面H到G上，最里面和最外面的光环之间的距离等于1.5r，且也有一个内环。在平面G到E上，最里面和最外面的光环之间的距离等于1.5r。在平面E到D上，两个内光环之间的距离等于r，且也有一个外环。这样，明显的是每一平面具有唯一可辨认的的环结构。当然，各光环每一个的尺寸按已知的方式与Z成比例或者增加或者降低。这样，如先前这里所述，可以在整个Z范围，以高精确度和分辨率不模糊地确定Z。在应用中，如先前所述，图像中的光环一般将是椭圆的。然而这种情形下，在每一椭圆嵌套集中一定的椭圆参数将具有类似于以上讨论的半径之间的关系。例如，在倾角合理范围上椭圆短轴的行为是非常类似的。这样，基于确定的椭圆参数的关系，或确定的椭圆参数组合可用来在整个Z范围不模糊地确定Z值。

图17还示出类似的相邻环形目标源1716-1719部分。这样在根据本发明的各示例性实施例中，这种环形透镜在目标部件1710上形成对应的阵列。

图18对于根据本发明可使用的结构光部件1810示出一个示例性照明配置。目标部件1810由准直光1840照明，其至少对向位置传感器图像检测器被成象的目标部件1810部分，或整个目标部件1810照明。准直光的使用和产生是熟知的，且可根据任何现在已知或后来开发的方法提供准直光1840，不论目标部件1810的运动如何，假如准直光沿着或近似沿轴锥体透镜的光轴以固定关系保持对准。

在图18所示的实施例中，轴锥体透镜目标源1815和1816位于透明基片1811上，例如它可以是硼硅酸盐玻璃，厚度大约为1-3mm或更大，这取决于具体应用中目标部件1810整个的尺寸及所需的机械强度和硬度。除了与轴锥体透镜目标源1815和1816重合的区域之外，承载透镜的透明基片1811的表面以不透明的涂层覆盖。在一个实施例中，涂层是如先前参照图16所述的一薄膜涂层。

图19A和19B示出对于可根据本发明使用的结构光目标部件1910的另一示例性照明配置。最好在不那么详细的图19A中可见，代表性的各轴锥体透镜目标源1915和1916与各梯度指数透镜1982和1983的末端邻接。各梯度指数透镜1982和1983邻接并接收来自各单模光纤1980和1981的光，它们从位于任何方便的位置的光源(未示出)接收光(意思是可由对应的图像检测器可检测的光的任何可操作的频谱或波长)。梯度指数透镜1982和1983及单模光纤1980与1981的特性通过分析和/或实验选择，以便向轴锥体透镜目标源1915和1916提供准直光。光纤，梯度指数透镜与轴锥体透镜目标源可通过任何选择已知或后来开发的方法组装。例如通过通常在远程通信工业中使用的方法。在一个实施例中，在基片1911中以精确的允差制成孔，并***各种光学元件并在孔中对准，并通过适当的光度粘合剂固定就位。

图20是一个表，比较传统的圆锥形轴锥体透镜与适用于根据本发明各实施例中目标源的替代的多面体“轴锥体状”透镜的特性。传统的轴锥体透镜在列20-A中示出。沿该列，单元R-1示出传统的轴锥体透镜单元，R-2示出当图像平面与透镜的光轴正交时，由传统的轴锥体透镜提供的圆形结构光图像，而单元R-3示出一个椭圆结构光图像，这是当图像平面与透镜的光轴成一角度时由传统的轴锥体透镜提供的。

替代的多面体“轴锥体状”透镜的一个示例性示例示于列20-B。为了解释这种透镜的操作，假设它是以与列20-A中所示的透镜的轴锥体基角相同的小面基角构成。沿列20-B，单元R-1示出多面体“轴锥体状”透镜，本实施例中它们有6个面。

为了比较，列20-B的单元R-2再产生由传统轴锥体透镜提供并在单元(R-2，20-A)中表示的圆形结构光图像，并叠加由多面体透镜提供的“离散”结构光图像。如在单元R-2中所看到的，多面体透镜提供了6个离散光点，它们在名义上是对应于多面体透镜的6个小面的单独的三角形。当沿行R-1的两个透镜有近似相同的半径尺寸，以及相同的基角时，由多面体透镜提供的离散结构光图像点，将形成与先前所述对应于传统轴锥体透镜连续图像的形状和图像线宽度一致的图像模式。列20-B的单元R-3示出，当图像平面相对于透镜的光轴成一角度时，与从对应的传统轴锥体透镜叠加的图像轮廓一同，由多面体轴锥体状透镜提供的离散结构光图像点的一个椭圆模式。一般来说，多面体透镜集中了源照明以提供具有相对高强度的离散点。

应当看到，使用适当的模式识别算法，能够识别这种离散点模式。然后类似于先前对于通过传统轴锥体透镜提供的椭圆图像描述的方式，椭圆能够与它们适配。一般来说，需要6个或更多的多面体，并对于更高的精确度和更容易的描述识别最好有更多的多面体。

应当看到，对于本发明重要的是提供了结构光模式，而不是特定的透镜类型。因而，任何可操作的折射型透镜能够由任何其它功能上等价的元件代替。这种元件包括但不限于各种类型衍射光学元件(DOE)透镜，包括菲涅耳(Fresnel)透镜等。包括菲涅耳透镜等的DOE透镜可根据已知的方法设计和制造，并如果需要可作为单基片上的阵列制造。定制设计和制造的DOE透镜，菲涅耳透镜和/或阵列可从各种来源获得，例如Digital Optics Corporation，9815 David Taylor Drive，Charlotte，North Carolina，USA。DOE透镜设计技术还在以下文献中有述MICRO-OPTICS：Elements，Systems and Applications，Edited byHans Peter Herzig.Taylor & Francis，London，1970，and Methods forComputer Design of Diffractive Optical Elements，Edited by Victor A.Soifor.Wiley-Interscience；John Wiley and Sons，Ins.，New York，2002，这些文献在此结合以资参考。

虽然已结合示例性实施例和以上概述的配置描述了本发明，但明显的是，上述的实施例与配置指示了附加的可替换的实施例、配置和设计参数值的组合，本公开的好处对于业内专业人员是明显的。因而，如上所述本发明的实施例，是说明性的而非限制。在不背离本发明的精神和范围之下可作出各种改变。

Claims (1)

1.一种位置测量装置，可用于测量两个部件之间的相对位置，所述位置测量装置包括：

一个成象检测器；以及

一个结构光产生目标部件，

其中：

成象检测器与结构光产生部件可被定位以在阵列检测器上提供一个图像，其对应于由至少结构光产生目标部件的一部分产生的结构光模式；以及

阵列检测器上的图像可用来确定至少一个测量值，其对应于成象检测器与目标部件之间相对位置的至少一个自由度。

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