DE10252321A1

DE10252321A1 - Systeme und Verfahren zum Verringern von Positionsfehlern in Bildkorrelationssystemen während der Verschiebung von inneren Referenzbildern

Info

Publication number: DE10252321A1
Application number: DE10252321A
Authority: DE
Inventors: Benjamin K Jones; Michael Nahum
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2003-05-22
Also published as: GB2384050B; GB0219755D0; CN1419217A; US7085431B2; JP2003178297A; CN1326090C; US20030090681A1; GB2384050A

Abstract

Ein Verfahren zur Positionsfehlerkorrektur oder Reduzierung und ein System, die in einem Bildkorrelationssystem verwendet werden, das eine Fehlerfunktion ermittelt, die im Wesentlichen einen Fehler, der über eine nominelle Referenzbildaktualisierungslänge auftritt, und einen Fehler, der bei einer ersten Frequenz auftritt, und diverse andere Systemfehler wiedergibt. Der Fehler kann mit einer ersten Referenz verglichen werden, um den Positionsfehler anzupassen. In diversen Ausführungsformen können Parameter einer Fehlerfunktion beim Anpassen der Fehlerfunktion an die erste Referenz variiert werden. Die ermittelte Fehlerfunktion kann dann verwendet werden, um den Positionsfehler zu bestimmen und die Genauigkeit des Bildkorrelationssystems zu verbessern. In einer beispielhaften Implementierung steht die erste Frequenz mit einem Pixelabstand in Beziehung, und die mit dem Abstand zwischen Referenzbildänderungen in Beziehung stehende nominelle Referenzbildaktualisierungslänge ist die maximale verwendbare Referenzbildaktualisierungslänge.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft Bildkorrelationssysteme.

2. Beschreibung des Stands der Technik

In zahlreichen bekannten Vorrichtungen werden von einem Sensorfeld aufgenommene Bilder und eine Korrelation zwischen den von dem Sensorfeld aufgenommenen Bildern angewendet, um Deformationen und/oder Verschiebungen zu bestimmen. Beispielsweise basiert eine Klasse derartiger Vorrichtungen auf dem Aufnehmen eines Fleckenbildes, das durch Beleuchten einer optisch rauen Oberfläche mit einer Lichtquelle erzeugt wird. Im Allgemeinen ist die Lichtquelle eine kohärente Lichtquelle, etwa eine Laserlicht erzeugende Quelle. Derartige Laserlicht erzeugende Quellen umfassen einen Laser, eine Laserdiode und dergleichen. Nachdem die optisch raue Oberfläche mittels der Lichtquelle beleuchtet ist, wird das von der optisch rauen Oberfläche gestreute Licht auf einen optischen Sensor abgebildet. Der optische Sensor kann ein Ladungsverschiebeelement (CCD) oder ein Halbleiterbildsensorfeld, etwa ein CMOS-Bildsensorarray, oder dergleichen sein.
Vor der Verschiebung oder der Deformierung der optisch rauen Oberfläche wird ein erstes oder Referenzfleckenbild eingefangen und gespeichert. Nach dem Verschieben oder Deformieren der optisch rauen Oberfläche wird ein zweites oder nachfolgendes Fleckenbild aufgenommen und gespeichert. Das Referenzbild und das zweite Fleckenbild werden dann auf Pixel-Basis verglichen. Im Allgemeinen werden eine Vielzahl von Vergleichen ausgeführt. Bei jedem Vergleich werden das Referenzbild und das zweite Fleckenbild zueinander versetzt oder räumlich relativ zueinander verschoben. Zwischen jedem Vergleich wird der Betrag des Versatzes oder der räumlichen Translation um einen bekannten Betrag, etwa um ein Bildelement, d. h. ein Pixel, oder um ein ganzzahliges Vielfaches eines Bildelements oder Pixels erhöht.
Bei jedem Vergleich wird der Bildwert eines speziellen Pixel in dem Referenzbild multipliziert mit oder subtrahiert von dem Bildwert des entsprechenden zweiten Bildpixels, wobei das entsprechende zweite Bildpixel auf der Grundlage des Betrags der Verschiebung bestimmt ist. Der aus jedem Pixel-zu-Pixel-Vorgang resultierende Wert wird gesammelt, um einen Korrelationswert für diesen Vergleich zwischen dem Referenzbild und dem zweiten Bild zu bestimmen. Dieser Korrelationswert wird dann gegenüber dem Verschiebungsbetrag oder der Position der räumlichen Translation für diesen Vergleich aufgetragen, um einen Korrelationsfunktionswertepunkt zu bestimmen. Die Verschiebung bzw. die Versetzung mit der größten Korrelation zwischen dem Referenzbild und dem zweiten Bild erzeugt einen Spitzenwert oder einen Talwert - abhängig wie der Pixel-zu-Pixel-Vergleich durchgeführt wird - in der Darstellung der Korrelationsfunktionswertepunkte. Der dem Spitzenwert oder dem Talwert entsprechende Versetzungs- bzw. Offsetbetrag repräsentiert den Betrag der Verschiebung oder der Deformation zwischen dem Referenzbild und dem zweiten Fleckenbild.
In Bildkorrelationssystemen, in denen eine Teil- bzw. Subpixelauflösung und Teilpixelgenauigkeit erforderlich ist, wird die Teilpixelauflösung durch Teilpixelinterpolation erreicht. In bekannten Laborsystemen wird die Teilpixelinterpolation konventionellerweise durch Anpassen einer kontinuierlichen Funktion an die diskreten Pixel-Punkte einer konventionellen Kreuzkorrelationsfunktion, die das Extremum oder den Spitzenwert der angepassten Funktion mit Teilpixelauflösung lokalisiert, durchgeführt und es wird angenommen, dass das Extremum oder die Lage des Spitzenwerts die beste Abschätzung des wahren Versatzes zwischen dem Referenzbild und dem zweiten Bild und der damit der damit verknüpften Verschiebung ist. Es ist ferner bekannt, ein ähnliches Verfahren auf synthetische Bilder anzuwenden, die in Teilpixelschritten durch Interpolieren zwischen benachbarten Roh-Pixelwerten erzeugt werden, um synthetische Pixelwerte zu produzieren, so als ob ein Bild aufgenommen wird, in dem die Pixel an der gewünschten Teilpixelposition angeordnet sind.
In konventionellen Bildkorrelationssystemen und hoch genauen Laborsystemen, in denen eine Teilpixelauflösung erforderlich ist, werden systematische Verschiebungsfehler innerhalb eines Teilpixels eingeführt, wenn eine Verschiebung mit Teilpixelauflösung zwischen einem Referenzbild und einem zweiten Bild bestimmt wird. Beispielsweise können systematische Verschiebungsfehler, die durch ein in einem Kreuzkorrelationsalgorithmus angewendeten Interpolationsverfahren verursacht werden, in die Teilpixelbildkorrelation eingeführt werden. Systematische Fehler beim Bestimmen der Verschiebung können durch viele Faktoren beeinflusst werden, etwa der Frequenzanteil des Fleckenmusters, die Amplitudenabschwächung und der Phasenfehler des bei der Korrelation angewendeten Interpolators. Systematische Fehler beim Bestimmen der Verschiebung können ferner durch die Art der zur Modellierung der Korrelationsfunktion angewendeten Interpofationsfunktionsart, etwa linear, quadratisch, Gauß'isch etc. beeinflusst werden.
Die US-Patentanmeldung 09/731,671, die ausdrücklich hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit und für alle Zwecke miteingeschlossen ist, offenbart Systeme und Verfahren für eine Bestimmung der Verschiebung mit hoher Genauigkeit in einem korrelationsbasiertem Positionswandler. Die 671-Anmeldung offenbart Systeme und Verfahren, die die Teilpixelverschiebung von Bildern in korrelationsbasierten Positionswandlern und dergleichen abschätzen. Diese Systeme und Verfahren weisen dann die systematischen Verschiebungsabschätzungsfehler, die vorhanden sind, wenn konventionelle Teilpixelabschätzverfahren auf eine Reihe von Korrelationsfunktionswertepunkte angewendet werden, zurück, insbesondere, wenn die Korrelationsfunktionswertepunkte asymmetrisch angeordnet sind.
Die US-Patentanmeldung 09/860,636, die ausdrücklich hierin durch Bezugnahme für alle Zwecke in ihrer Gesamtheit miteingeschlossen ist, offenbart Systeme und Verfahren, die akkumulierte systematische Fehler in einem Bildkorrelationssystem reduzieren. In der 636-Anmeldung werden Systeme und Verfahren bereit gestellt, die akkumulierte systematische Fehler bei einer Teilpixelverschiebung von Bildern in einem bildkorrelationsbasierten Positionswandler und dergleichen verringern. Die Systeme und Verfahren, die in der 636-Anmeldung offenbart sind, kompensieren jedoch nicht Positionsfehler in Bildkorrelationssystemen, die auf unkollimierten Lichtquellen, oder optischen Verzerrungen oder beiden beruhen.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Zusätzlich zu den systematischen Verschiebungsfehlern haben die Erfinder erkannt, dass Bildkorrelationssysteme und hoch genaue Laborsysteme, in denen eine Teilpixelauflösung erforderlich ist, Positionsfehler aufweisen, die aufgrund unkollimierter Lichtquellen oder optischer Verzerrungen oder beidem entstehen. Beispielsweise kompensieren die Systeme und Verfahren, die in der 671-Anmeldung offenbart sind, keine Positionsfehler in Bildkorrelationssystemen, die aufgrund unkollimierter Lichtquellen, optischer Verzerrungen oder beidem hervorgerufen werden. In ähnlicher Weise kompensieren die Systeme und Verfahren, die in der 636-Anmeldung offenbart sind, keine Positionsfehler in Bildkorrelationssystemen, die aufgrund unkollimierter Lichtquellen, optischer Verzerrungen oder beidem hervorgerufen werden.
Die Erfinder haben entdeckt, dass in konventionellen Bildkorrelationssystemen referenzbildinterne Positionsfehler eingeführt werden, wenn eine Verschiebungsposition bestimmt wird, wobei die Verschiebungsfehler von der Verschiebung zwischen einem Referenzbild und einem zweiten Bild abhängen. Das heißt, referenzbildinterne Positionsfehler sind Fehler, die in einem Bereich von Verschiebungen auftreten, die keine Änderung des Referenzbildes erfordern.
Die Erfinder haben ferner in diversen beispielhaften Bildkorrelationssystemen erkannt, dass referenzbildinterne Verschiebungsfehler aufgrund unkollimierter Lichtquellen und/oder optischer Verzerrungen auftreten können. Die Erfinder haben erkannt, dass derartige referenzbildinterne Fehler die Genauigkeit von Bildkorrelationssystemen nachteilig beeinflussen, wenn die Position des zweiten Bildes um mehr als einige Pixel zu der Referenzbildposition verschoben wird. Sofern die Referenzbildpositionen nicht alle paar Pixel umgeschaltet wird, leidet somit die Genauigkeit der Bildkorrelationssysteme aufgrund dieser Positionsfehler. Andererseits kann ein häufiges Ändern der Referenzbildposition zur Vermeidung derartiger Positionsfehler die Anforderungen hinsichtlich des Systemspeichers und der Geschwindigkeit, mit der die Messungen auszuführen sind, nachteilig beeinflussen. Dies kann ebenso die Fehler ansteigen lassen, die sich anhäufen, wenn Referenzbilder "umgeschaltet" werden, wie dies in der 636-Anmeldung erläutert ist.
Sowohl in konventionellen Bildkorrelationsvorrichtungen und Laborsystemen, die Bildkorrelation bei der hoch genauen Positionierung und dergleichen anwenden, werden die praktischen Probleme bei Positionsfehlern, die aufgrund unkollimierter Lichtquellen und optischer Verzerrungen auftreten, nicht ausreichend berücksichtigt.
Insbesondere weisen diese konventionellen Vorrichtungen und hoch genauen Laborsysteme und dergleichen eine unzureichende Berücksichtigung zur Reduzierung oder zur Kompensierung der Positionsfehler, die aufgrund der unkollimierten Lichtquellen und/oder optischer Verzerrungen auftreten, auf. Das heißt, diese konventionellen Vorrichtungen und hoch genauen Laborsysteme und dergleichen berücksichtigen nicht in ausreichender Weise die Positionsfehler, die aufgrund unkollimierter Lichtquellen und/oder optischer Verzerrungen auftreten können, wenn die Verschiebung einige Pixelabstände übersteigt. Diese Positionsfehler und andere derartige referenzbildinterne Positionsfehler sind kennzeichnend für eine spezielle Systemplanung und/oder Konstruktion. Somit können für einen speziellen Systementwurf und/oder einen Aufbau derartige Fehler im Verhältnis zu Verschiebungen relativ zu einer unspezifizierten oder beliebigen Referenzbildposition gekennzeichnet werden. Anschließend können Verschiebungen relativ zu einer Referenzbildposition kompensiert oder korrigiert werden auf der Grundlage dieser Kennzeichnung.
Diese Erfindung stellt Systeme und Verfahren zum Reduzieren von referenzbildinternen Fehlern bereit, die mit der Verschiebung zwischen einem Referenzbild und einem zweiten Bild verknüpft sind.
Diese Erfindung stellt Systeme und Verfahren zum Reduzieren von Positionsfehlern bereit, die möglicherweise aufgrund unkollimierter Lichtquellen und/oder optischer Verzerrungen in einem Bildkorrelationssystem auftreten.
Diese Erfindung stellt Systeme und Verfahren zum Reduzieren des Positionsfehlers bereit.
Diese Erfindung stellt Systeme und Verfahren zum Reduzieren des Positionsfehlers in einem Bildkorrelationsverschiebungserfassungssystem, etwa einem korrelationsbasisierten Positionswandler und dergleichen bereit.
Diese Erfindung stellt Systeme und Verfahren bereit, die die Geschwindigkeit einer genauen Verschiebungsbestimmung durch Durchführung von Berechnungen in Echtzeit erhöhen.
Diese Erfindung stellt Systeme und Verfahren bereit, in denen Referenzbilder weniger oft geändert werden müssen, indem referenzbildinterne Positionsfehler, die aufgrund der Verschiebung zwischen einem Referenzbild und einem zweiten Bild auftreten, reduziert oder korrigiert werden.
Diese Erfindung stellt Systeme und Verfahren bereit, in denen Referenzbilder weniger häufig geändert werden müssen, indem die referenzbildinterne Positionsfehler, die aufgrund der Verschiebung zwischen einem Referenzbild und einem zweiten Bild auftreten können, etwa durch unkollimierte Lichtquellen und/oder optische Verzerrungen, reduziert oder korrigiert werden.
Diese Erfindung stellt Systeme und Verfahren bereit, in denen Referenzbilder weniger häufig geändert werden müssen, indem die Positionsfehler aufgrund unkollimierter Lichtquellen und/oder optischer Verzerrungen korrigiert oder verringert werden. Diese Erfindung stellt Systeme und Verfahren bereit, die insbesondere zum Messen der Verschiebung einer Oberfläche unter Anwendung von Fleckenbildern besonders geeignet sind.
Die erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren werden in Bezug auf Sensor-"Bilder" beschrieben, wobei der Begriff "Bild" nicht auf optische Bilder eingeschränkt ist, sondern sich allgemeiner auf einen beliebigen angeordneten Satz eindimensionaler, zweidimensionaler oder höherdimensionaler Sensorwerte bezieht. In ähnlicher Weise ist der hierin verwendete Begriff "Pixel" nicht auf optische Bildelemente eingeschränkt, sondern bezieht sich allgemeiner auf die "Körnung" des angeordneten Satzes aus eindimensionalen, zweidimensionalen oder höherdimensionalen Sensorwerten. Es sollte beachtet werden, dass der Begriff "Bild" nicht auf Gesamtbilder eingeschränkt ist, sondern sich allgemeiner auf einen beliebigen Bildbereich bezieht, der einen angeordneten Satz eindimensionaler, zweidimensionaler oder höherdimensionaler Sensorwerte beinhaltet.
Die erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren schätzen Positionsfehler in referenzbildinternen Verschiebungen auf der Grundlage einer ersten räumlichen Frequenz, die mit einem Pixelabstand in Beziehung steht, und einer zweiten räumlichen Frequenz, die mit Referenzbildänderungen in Beziehung steht, ab.
In diversen beispielhaften Ausführungsformen der Korrelationssysteme und Verfahren gemäß dieser Erfindung wird der Vorteil der Lösungsansätze zur Bestimmung diverser systematischer Verschiebungsfehler, die entstehen, wenn bekannte oder noch zu entwickelnde Bildkorrelationsverfahren zur Bestimmung der Verschiebung zwischen einem Referenzbild und einem verschobenen Bild, oder zwischen dem momentanen Referenzbild und einem neuen Referenzbild angewendet werden, dadurch erreicht, dass referenzbildinterne Positionsfehler, die aufgrund der Verschiebung zwischen dem Referenzbild und einem zweiten Bild auftreten, etwa jene Fehler, die aufgrund unkollimierter Lichtquellen und/oder optischen Verzerrungen auftreten, verringert oder korrigiert werden.
In diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Korrelationssysteme und Verfahren sind diese Systeme und Verfahren besonders gut geeignet für die Anwendung auf Fleckenbilder.
In diversen weiteren beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Korrelationssysteme und Verfahren sind diese Systeme und Verfahren besonders gut geeignet, um akkumulierte Fehler in einer Bildkorrelation bei Fleckenbild-Leseköpfen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit zu reduzieren.
Diese und weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden nun beschrieben und gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der diversen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Aspekte und Vorteile dieser Erfindung werden beim Studium der folgenden detaillierten Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen deutlich, wobei diese lediglich anschaulicher Natur sind, und somit nicht als für die vorliegende Erfindung einschränkend zu betrachten sind; es zeigen:
Fig. 1 eine Blockansicht eines optischen Positionswandlers mit Fleckenbildkorrelation;
Fig. 2 die Beziehung zwischen dem momentanen Referenzbild und einem verschobenen Referenzbild und die Bereiche des momentanen Referenzbild und des verschobenen Bildes, die zur Erzeugung der Korrelationswerte entsprechend einem ersten Verfahren verwendet werden;
Fig. 3 die Abhängigkeit zwischen dem momentanen Referenzbild und einem verschobenen Bild und die Bereiche des aktuellen Referenzbilds und des verschobenen Bildes, die zur Erzeugung der Korrelationswerte gemäß einem zweiten Verfahren verwendet werden;
Fig. 4 die Beziehung zwischen dem aktuellen Referenzbild und einem verschobenen Bild und die Bereiche des aktuellen Referenzbildes und des verschobenen Bildes, die zur Erzeugung der Korrelationswerte gemäß einem dritten Verfahren verwendet werden;
Fig. 5 einen Graphen, der eine beispielhafte Ausführungsform einer Korrelationsfunktion zeigt, die durch Vergleich des ersten und des zweiten Bildes mittels einer konventionellen multiplikativen Korrelationsfunktion gewonnen wird, wenn das erste und das zweite Bild um aufeinanderfolgende Pixelverschiebungen versetzt sind;
Fig. 6 einen Graphen, der die systematischen Verschiebungsfehler über eine Reihe von Verschiebungspositionen zwischen einem Referenzbild und einem aktuellen verschobenen Bild darstellt;
Fig. 7 einen Graphen, der eine beispielhafte Ausführungsform des typischen referenzbildinternen Positionsfehlers gegenüber der Verschiebungsposition zwischen einem Referenzbild und einer aktuellen verschobenen Bildposition in einem Bildkorrelationsmesssystem zeigt;
Fig. 8 einen Graphen, der den gemessenen referenzbildinternen Positionsfehler und den auf der Basis einer ersten Kompensationsfunktion kompensierten referenzbildinternen Positionsfehler zeigt, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren für ein Bildkorrelationsmesssystem erhalten wird, wobei das Referenzbild bei ungefähr 52,7 Mikrometer an Verschiebung aktualisiert wird;
Fig. 9 eine Graphen, der den gemessenen referenzbildinternen Positionsfehler und den aufgrund einer zweiten Kompensationsfunktion kompensierten referenzbildinternen Positionsfehler zeigt, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren für ein Bildkorrelationsmesssystem gewonnen wird, wobei das Referenzbild bei ungefähr 94,6 Mikrometer an Verschiebung aktualisiert wird;
Fig. 10 einen Graphen, der den gemessenen referenzbildinternen Positionsfehler und den auf der Basis einer dritten Kompensationsfunktion kompensierten referenzbildinternen Positionsfehler zeigt, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren für ein Bildkorrelationsmesssystem gewonnen werden, wobei das Referenzbild bei ungefähr 95 Mikrometer an Verschiebung aktualisiert wird;
Fig. 11 ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Gewinnen der Parameter einer Funktion, die den referenzbildinternen Positionsfehler beschreibt, gemäß dieser Erfindung darstellt;
Fig. 12 ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Kompensieren einer Verschiebungspositionsmessung darstellt, um referenzbildinterne Positionsfehler in der gemessenen Verschiebungsposition auf der Grundlage einer vorbestimmten Funktion, die den referenzbildinternen Positionsfehler beschreibt, zu reduzieren;
Fig. 13 eine Blockdarstellung, die detaillierter eine beispielhafte Ausführungsform der Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung des optischen Positionswandlers für Fleckenbildkorrelation aus Fig. 1 gemäß dieser Erfindung zeigt;
Fig. 14 ein Blockansicht, die detaillierter eine beispielhafte Ausführungsform der Schaltung oder Routine zur Bestimmung der Kompensation des referenzbildinternen Fehlers, die mit der Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung aus Fig. 13 anwendbar ist, gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 15 ein Blockdiagramm, das detaillierter eine beispielhafte Ausführungsform der Schaltung oder Routine zur Kompensation des referenzbildinternen Fehlers, die in der vorliegenden Erfindung anwendbar ist, zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 ist eine Blockansicht eines optischen Positionswandlers 100 auf Fleckenbildbasis. Der fleckenbildbasierte optische Positionswandler 100 sowie diverse geeignete mechanische und optische Konfigurationen, Bildkorrelationsverfahren und damit verknüpfte Signalverarbeitungsschaltungen sind detaillierter in der anhängigen US-Anmeldung mit der Nr. 09/584,264 beschrieben, die hiermit ausdrücklich durch Bezugnahme für alle Zwecke in ihrer Gesamtheit miteingeschlossen sei.
Der in Fig. 1 gezeigte fleckenbildbasierte optische Positionswandler 100 umfasst einen Lesekopf 126, eine Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200 und eine optisch raue Oberfläche 104. In Fig. 1 sind die Komponenten des Lesekopfs 126 und deren Beziehung zu der optisch rauen Oberfläche 104 schematisch in einer Darstellung gezeigt, die im Allgemeinen einer beispielhaften physikalischen Konfiguration entspricht, wie sie weiter im Folgenden beschrieben wird.
Insbesondere ist die optisch zerstreuende oder optisch raue Oberfläche 104 benachbart zu einem beleuchtenden und aufnehmenden Ende des Lesekopfs 126 angeordnet, so dass, wenn die optisch raue Oberfläche 104 durch von diesem Ende des Lesekopfs 126 mittels einer Lichtquelle 130 ausgesandten Lichts beleuchtet wird, das ausgesandte Licht von der optisch rauen Oberfläche 104 in Richtung der optischen Bildaufnahmeelemente, die an diesem Ende des Lesekopfs 126 positioniert sind, zurückgestreut wird. Die optisch raue Oberfläche 104 kann ein Teil eines speziell vorgesehenen Elements sein oder kann als eine integrale Oberfläche eines separat bestehenden Mechanismus sein.
In jedem Falle ist die optisch raue Oberfläche 104 mit einem im Wesentlichen konstanten Abstand von der Lichtquelle und einem optischen System, das in dem Lesekopf 126 untergebracht ist, positioniert und bewegt sich relativ zu dem Lesekopf 126 entlang mindestens einer vorgeschriebenen Achse der Relativbewegung, etwa einer Messachse 110, die in Fig. 1 gezeigt ist. Die Relativbewegung ist im Wesentlichen durch konventionelle Führungselemente oder Lager (nicht gezeigt) bestimmt, die an einem Rahmen montiert sind, der die geeignete relative Lage zwischen dem Lesekopf 126 und der optisch rauen Oberfläche 104 beibehält. Der Lesekopf 126 kann ein Justierelement (nicht gezeigt) aufweisen, das bei der Montage des Lesekopfs 126 hilft und die internen Komponenten des Lesekopfs 126 relativ zu dem Montagerahmen und/oder der erwarteten Achse der Relativbewegung der optisch rauen Oberfläche 104 ausrichtet.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, beinhalten die optischen Bildaufnahmeelemente des Lesekopfs 126 eine Linse 140, die an dem beleuchtenden und empfangenden Ende Lesekopfanordnung 100 so positioniert sind, dass die optische Achse der Linse 104 im Wesentlichen zu dem beleuchteten Fleck auf der optisch rauen Oberfläche 104 ausgerichtet ist. Der Lesekopf 126 umfasst ferner eine Lochaperturplatte 150, die von der Linse 140 entlang einer optischen Achse beabstandet ist, und einen Lichtdetektor 160, der von der Aperturplatte 150 entlang der optischen Achse beabstandet ist, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Der Lichtdetektor 160 kann ein beliebiger Typ eines bekannten oder noch zu entwickelnden lichtsensitiven Materials oder Elements sein, der in ein Feld bzw. Array aus unabhängigen und einzelnen lichterfassenden Elementen einteilbar ist, etwa eine Kamera, eine elektronische oder digitale Kamera, ein CCD-Array, ein Array aus lichtempfindlichen CMOS-Elementen oder dergleichen.
Ein beispielhafter Abstand und eine Anordnung der optisch rauen Oberfläche 104 und des Lesekopfs 136 einschließlich der Linse 140, der Aperturplatte 150 und des Lichtdetektors 160 ist im Folgenden sowie in der miteingeschlossenen 264-Anmeldung beschrieben. Das Montieren der Lichtquelle 130, der Linse 140, der Aperturplatte 150 und des Lichtdetektors 160 in dem Gehäuse des Lesekopfs 126 kann entsprechend herkömmlicher Verfahren für den Aufbau optischer Miniatursysteme und/oder entsprechend dem Aufbau industrieller Kameras ausgeführt werden, vorausgesetzt, dass die Komponenten in präziser und stabiler Manier montiert werden.
Wenn der Lesekopf 126 geeignet benachbart zu der optisch rauen Oberfläche 104 positioniert ist, enthält jedes von dem Lichtdetektor 160 eingefangene Bild ein Zufallsmuster aus relativ hellen Flecken, oder Speckeis, an Stellen, an denen die gebeugten Lichtquellen von der optisch rauen Oberfläche 104 sich positiv überlagern, um einen Intensitätsspitzenwert zu bilden, und relativ dunklen Flecken, an Stellen, an denen die gebeugten Lichtwellen von der optisch rauen Oberfläche 104 sich negativ überlagern, um ein Intensitätsminimum bzw. Tal zu bilden. Das Zufallsmuster, das einem beliebigen beleuchteten Bereich der optisch zerstreuenden oder optisch rauen Oberfläche 104 entspricht, ist einzigartig und die optisch raue Oberfläche 104 kann daher als eine Verschiebungsreferenz dienen, ohne dass spezielle Markierungen notwendig sind.
Der Lichtdetektor 160 besitzt ein Array bzw. ein Feld 166 aus Bildelementen 162, die entlang wenigstens einer Achse mit einem bekannten Abstand angeordnet sind. Der bekannte Abstand stellt die Grundlage zur Messung der Verschiebung oder der Versetzung zwischen zwei Bildern dar, die auf den Lichtdetektor 160 projiziert werden, und liefert damit die Grundlage zur Messung der Verschiebung der die Bilder bestimmenden Oberfläche, d. h. der optisch rauen Oberfläche 104.
Ferner umfasst der Lesekopf 162 mindestens einen Bereich der Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist eine Signalleitung 132 von der Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200 mit der Lichtquelle 130 verbunden, um die Lichtquelle 130 zu steuern und/oder zu versorgen. Eine Signalleitung 164 verbindet den Lichtdetektor 160 und die Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200. Insbesondere kann jedes der Bildelemente 162 des Arrays 166 einzeln adressiert werden, um einen Wert über die Signalleitung 164 zu der Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200 auszugeben, der die Lichtintensität in diesem Bildelement 162 repräsentiert. Weitere Bereiche bzw. Teile der Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200 können entfernt von dem Lesekopf 126 angeordnet werden und die Funktionen des Lesekopfs 126 können aus der Ferner betätigt und angezeigt werden. Die Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200 wird detaillierter im Anschluss mit Bezug zu den Fig. 12-14 beschrieben.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird ein Lichtstrahl 134 von der Lichtquelle 130 ausgesendet und auf die optisch streuende oder optisch raue Oberfläche 104 gelenkt, um einen Teil der optisch streuenden oder optisch rauen Oberfläche 104 zu beleuchten. Als Folge davon streut und beugt der beleuchtete Teil der optisch streuenden oder optisch rauen Oberfläche 104 Licht um die optische Achse 144. Weitere Details hinsichtlich dem Aufbau und der Funktionsweise dieser und anderer Ausführungsformen des fleckenbildbasierten optischen Positionswandlers 100 werden im Folgenden und der miteingeschlossenen 264-Anmeldung bereit gestellt.
Wenn die Lichtquelle 130 eine Weißlichtquelle ist, erzeugt das von der Weißlichtquelle ausgesandte Licht ein Bild des beleuchteten Bereichs, das auf das Array 166 der Bildelemente 162 projiziert werden kann. Obwohl dieses Bild in der gleichen Weise wie ein Fleckenbild in Korrelation gesetzt werden kann, beinhaltet dieses Bild keine Flecken, die durch Streuen von der optisch zerstreuenden oder optisch rauen Oberfläche 104 gebildet werden.
Wenn die Lichtquelle 130 kohärent ist und von dem Ansteuersignal auf der Signalleitung 132 so angesteuert wird, um den Lichtstrahl 134 als einen kohärenten Lichtstrahl auszusenden, beleuchtet der kohärente Lichtstrahl 134 einen Teil der optisch zerstreuenden oder optisch rauen Oberfläche 104. Der beleuchtete Teil liegt entlang der optischen Achse 144 des optischen Systems des Lesekopfs 126. Insbesondere wird das Licht 136, das von dem beleuchteten Teil der optisch zerstreuenden oder optisch rauen Oberfläche 104 gestreut wird, von der Linse 140 gesammelt.
Die Linse 140 projiziert dann das gesammelte Licht 140 von dem beleuchteten Teil der optisch zerstreuenden oder optisch rauen Oberfläche 104 auf die Lochaperturplatte 150 mit der Lochapertur 152. Die Linse 140 ist von der Platte 150 mit einem Abstand f angeordnet, der gleich der Brennweite der Linse 140 ist. Die Lochaperturplatte 150 ist von dem beleuchteten Bereich der optisch zerstreuenden oder optisch rauen Oberfläche 104 durch einen Abstand h getrennt.
Durch Anordnen der Platte 150 an dem Brennpunkt f der Linse 140 wird das optische System des fleckenbildbasierten optischen Positionswandlers telezentrisch. Durch Verwenden des Loches 152 in der Lochplatte 150 hängt die Fleckengröße und die Ausdehnung des Fleckenmusters lediglich von den Abmessungen des Loches 152 ab und wird insbesondere unabhängig von Linsenparametern der Linse 140.
Das gesammelte Licht 142 von der Linse 140 läuft durch das Loch 152. Insbesondere wird das durch das Loch 152 laufende Licht 154 entlang der optischen Achse 144 auf das Array 166 der Bildelemente 162 des Lichtdetektors 160 projiziert. Die Oberfläche des Array 166 der lichtempfindlichen Elemente 162 ist von der Platte 150 durch einen Abstand d entfernt. Die Fleckengröße hängt lediglich von dem Winkel α ab, der durch die Dimensionen des Loches 152 und dem Abstand d zwischen der Lochplatte 150 und der von dem Array 166 der Bildelemente 162 des Lichtdetektors 160 gebildeten Oberfläche bestimmt ist.
Die ungefähre Größe D der Flecken innerhalb des detektierten Bereichs des von dem beleuchteten Teil der optisch zerstreuenden oder optisch rauen Oberfläche 104 empfangenen Lichts auf dem Array 166 der Bildelemente 162 beträgt:

D ≍ λ/tan(α) = (λ.d)/w (1)

wobei:

λ die Wellenlänge des Lichtstrahls 134 ist;
d der Abstand zwischen der Lochplatte 150 und der Oberfläche des Arrays 166;
w der Durchmesser eines runden Loches 152; und
α der Winkel, der durch die Abmessung w an einem Radius gleich dem Abstand d bestimmt ist.
In diversen beispielhaften Ausführungsformen sind typische Werte für diese Parameter des optischen Positionswandlers 100: λ = 0,6 µm, d = 10 cm (10⁵ µm) und w = 1 mm (10³ µm). Folglich beträgt die ungefähre Fleckengröße D ungefähr 60 µm.
Zum Erreichen einer hohen Auflösung ist die mittlere Fleckengröße vorteilhafterweise ungefähr gleich oder größer als die Pixelgröße der Bildelemente 162 des Lichtdetektors 160. Ferner ist in diversen Ausführungsformen des Lesekopfs 126 die mittlere Fleckengröße ungefähr zwei Mal bis zehn Mal so groß als der Pixelabstand der Bildelemente 162.
Um ein Bild aufzunehmen, sendet die Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200 ein Steuersignal auf der Signalleitung 132 aus, um die kohärente Lichtquelle 130 anzusteuern, den kohärenten Lichtstrahl 134 zu emittieren. Der Lichtstrahl 134 beleuchtet einen Teil der optisch rauen Oberfläche 104, der auf das Array 166 der Bildelemente 162 des Lichtdetektors 160 abgebildet wird. Danach empfängt die Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200 mehrere Signalanteile über die Signalleitung 164, wobei jeder Signalanteil dem Bildwert, der von einem oder mehreren der einzelnen Bildelemente 162 detektiert wird, entspricht.
Um eine Verschiebung der optisch rauen Oberfläche 104 zwischen zwei Bildern zu bestimmen, werden die Signalanteile für ein erstes Bild, das von dem Lichtdetektor 160 in der Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200 empfangen wird, in einem Speicher gespeichert. Kurze Zeit später steuert die Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200 erneut die kohärente Lichtquelle 130 an und nimmt ein zweites Bildsignal von dem Lichtdetektor 160 über die Signalleitung 164 auf. Im Allgemeinen muss das zweite Bild innerhalb einer kurzen Zeitperiode nach Aufnahme des ersten Bildes - abhängig von der Verschiebungsgeschwindigkeit der optisch rauen Oberfläche 104 - erzeugt und aufgenommen werden. Die Zeitdauer muss klein genug sein, um sicherzustellen, dass das erste und das zweite Bild ausreichend "überlappen". Das heißt, die Zeitdauer muss kurz genug sein, um sicherzustellen, dass ein in dem ersten Bild vorhandenes Muster aus Bildwerten auch in dem zweiten Bild vorhanden ist, so dass eine deutliche Korrelation zwischen den beiden Bildern bestimmt werden kann.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, ein oder mehrere Referenzbilder entsprechend einer speziellen Position für Zeitdauern zu speichern, die länger als die Zeitdauer zum Erhalten des nächsten verschobenen Bildes sind. Das heißt, anstatt das aktuelle zweite Bild als das erste Bild für das nächste abgetastete Bild zu verwenden, wird ein aktuelles Referenzbild wiederholt für eine Abfolge verschobener Bilder verwendet. Im Allgemeinen kann das aktuelle Referenzbild verwendet werden, bis das aktuelle Referenzbild und das aktuelle verschobene Bild nicht mehr ausreichend überlappen, um einen signifikanten Korrelationsspitzenwert oder Talwert zu erzeugen. Auf diese Weise gibt es keine Akkumulation von Positionsfehlern zwischen aufeinanderfolgenden Bildern, wie dies im Stand der Technik der Fall ist.
Das heißt, ab einem gewissen Punkt erreicht das aktuelle verschobene Bild eine relative Verschiebung, die andeutet, dass ein künftig verschobenes Bild möglicherweise nicht mehr ausreichend mit dem aktuellen Referenzbild überlappt. Ab diesem Punkt sollte ein neues Referenzbild bezeichnet werden und das aktuelle Referenzbild sollte ersetzt oder durch das neu gekennzeichnete Referenzbild aktualisiert werden. Wie in der miteingeschlossenen 636-Anmeldung beschrieben ist, wird das neue Referenzbild aus zumindest einigen der Abfolge der verschobenen Bilder, die seit der ersten Verwendung des aktuellen Referenzbildes gewonnen wurden, ausgewählt, so dass der Positionsfehler, der aufgrund der systematischen Verschiebungsfehler, die beim Wechseln zwischen aufeinanderfolgenden Referenzbildern vorhanden sind, akkumuliert worden ist, bekannt, reduziert oder idealerweise eliminiert ist.
Das aktuelle Referenzbild und das aktuelle verschobene Bild werden verarbeitet, um eine Korrelationsfunktion zu erzeugen. Praktisch wird das aktuelle verschobene Bild digital bzw. diskontinuierlich relativ zu dem aktuellen Referenzbild über einen Bereich von Offsetwerten bzw. Versatzwerten oder räumlichen Translationspositionen verschoben, der einen Versatz enthält, der eine nahezu Übereinstimmung des Musters der beiden Bilder bewirkt. Die Korrelationsfunktion kennzeichnet das Ausmaß an Musterübereinstimmung und kennzeichnet somit den Betrag des Versatzes, der erforderlich ist, um die beiden Bilder zueinander zu justieren, wenn die Bilder digital verschoben werden.
Es sollte beachtet werden, dass es eine Reihe von unterschiedlichen Techniken zum Vergleichen des aktuellen Referenzbildes mit dem aktuellen verschobenen Bild gibt.
Beispielsweise wird, wie in Fig. 2 gezeigt wird, in einer ersten beispielhaften Technik der gesamte Bildbereich des aktuellen verschobenen Bildes auf einer Pixel-zu-Pixel-Basis mit dem gesamten Bildbereich des aktuellen Referenzbildes verglichen, um einen einzelnen Korrelationswert zu erzeugen. In diesem Falle werden jene Pixel, die in Gebieten des aktuellen Referenzbildes und der aktuellen verschobenen Bilder liegen, die nicht mit einem Gebiet des entsprechenden aktuellen Referenzbildes und der aktuellen verschobenen Bilder überlappen, mit Pixel mit einem Ersatzwert verglichen, oder werden einem Ersatzvergleichswert zugeordnet, oder dergleichen. Die Reihe an Korrelationswerten, etwa wie sie in Fig. 5 gezeigt sind, wird durch Verschieben des aktuellen verschobenen Bildes um ein Pixel relativ zu dem aktuellen Referenzbild nach Ausführen jedes Vergleichs erzeugt.
In einer zweiten beispielhaften Technik, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, wird der Vergleich mit einem zwei-Schritt-Verfahren durchgeführt. In einem ersten Schritt werden eine oder mehrere Reihen des aktuellen verschobenen Bildes als Ganzes mit der einen oder mehreren entsprechenden Reihen des aktuellen Referenzbildes verglichen, um einen genäherten Korrelationswert zu erzeugen. Es wird eine Reihe genäherten Korrelationswerten, etwa jene wie sie in Fig. 5 gezeigt sind, erzeugt, indem das aktuelle verschobene Bild um ein Pixel relativ zu dem aktuellen Referenzbild nach Ausführen jedes Vergleichs verschoben wird. Da lediglich eine geringe Anzahl an Reihen verglichen wird, kann jeder Vergleich rasch durchgeführt werden. Da jedoch lediglich eine geringe Anzahl an Reihen anstelle des gesamten Bildes verwendet wird, sind die gewonnenen Korrelationswerte lediglich eine Näherung der Korrelationswerte, die aus dem Vergleich aller Reihen des aktuellen verschobenen Bildes mit den entsprechenden Reihen des aktuellen Referenzbildes erhalten werden würden. Nichtsdestotrotz kennzeichnen die genäherten Korrelationswerte im Wesentlichen den genäherten Betrag des Überlapps zwischen dem aktuellen Referenzbild und den verschobenen Bildern.
Anschließend wird in dem zweiten Schritt das bestimmte Maß an Überlappung zwischen dem aktuellen Referenzbild und den verschobenen Bildern verwendet, um den Bereich des aktuellen verschobenen Bildes und dem Bereich des aktuellen Referenzbildes zu bestimmen, die zur Erzeugung der Korrelationswerte verglichen werden. Das heißt, es werden lediglich die Korrelationswerte verwendet, die um den Korrelationsspitzenwert oder Talwert herum angeordnet sind, um die interpolierte Teilpixelverschiebung zu bestimmen. Somit müssen also lediglich die Korrelationswerte um den Korrelationsspitzenwert oder Talwert herum auf der Basis des Vergleichs mehr als einer einzelnen Reihe oder lediglich einiger weniger Reihen des aktuellen verschobenen Bildes und des Referenzbildes bestimmt werden.
In diesem zweiten Schritt werden lediglich für jeden Betrag des Pixelversatzes zwischen dem aktuellen Referenzbild und den verschobenen Bildern um den Korrelationsspitzenwert oder Talwert herum die überlappten Gebiete des aktuellen verschobenen Bildes und des Referenzbildes auf einer Pixel-zu-Pixel-Basis gegeneinander verglichen, um einen Korrelationswert für diesen Betrag des Pixelversatzes zu erzeugen. Somit ist für jeden Betrag des Pixelversatzes die Größe der verglichenen Bereiche unterschiedlich zu anderen Beträgen des Pixelversatzes. Diese Technik kann weiter verfeinert werden, um Korrelationsfunktionswertepunkte für einen nur grob verteilten Satz an Versatzpositionen zu bestimmen, wie dies in der US-Patentanmeldung 09/921,889 offenbart ist, die ausdrücklich durch Bezugnahme für alle Zwecke in ihrer Gesamtheit miteingeschlossen ist.
In einer dritten beispielhaften Technik, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, wird ein Fenster mit einer vorbestimmten Ausdehnung entlang jeder Bewegungsrichtung verwendet, um einen Bereich des aktuellen verschobenen Bildes auszuwählen, der mit dem aktuellen Referenzbild zu vergleichen ist. In diesem Falle wird das Fenster über das aktuelle Referenzbild abtastend geführt, um einen Bereich des aktuellen Referenzbildes auszuwählen, der mit dem ausgewählten Bereich des aktuellen verschobenen Bildes zu vergleichen ist, um jeden Korrelationswert zu erzeugen. Das heißt, für einen Versatzwert bzw. Offsetwert von Null ist das Fenster zu einem Rand des aktuellen Referenzbildes ausgerichtet. Wenn der Offsetwert bei Zunahme der Pixelinkrementwerte ansteigt, wird das Fenster ein Pixel in Richtung des gegenüberliegenden Rands des aktuellen Referenzbildes bewegt. Der letzte Offsetwert, für den ein Korrelationswert erhalten wird, tritt auf, wenn das Fenster den gegenüberliegenden Rand des aktuellen Referenzbildes erreicht.
Beispielsweise hat in diversen anschaulichen Ausführungsformen der dritten Technik der Bereich des aktuellen verschobenen Bildes eine Ausdehnung entlang der Bewegungsrichtung, die ungefähr 1/3 bis 1/4 der gesamten Bildbereichslänge L des aktuellen verschobenen Bildes beträgt. Dieser Bereich kann auf die geometrische Mitte des aktuellen verschobenen Bildes zentriert werden. Es sollte beachtet werden, dass das Fenster eine festgelegte Ausdehnung aufweisen kann oder eine Ausdehnung, die auf der Grundlage eines zuvor bestimmten Betrages an Verschiebung zwischen dem aktuellen Referenzbild und dem verschobenen Bild variiert. In diversen beispielhaften Ausführungsformen kann die Größe des Fensters zumindest teilweise so gewählt werden, um die Anzahl der Pixel zu minimieren, die zu vergleichen ist, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass ein signifikanter Korrelationsspitzenwert/Talwert erhalten wird.
Es sollte ferner beachtet werden, dass in diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen der dritten Technik die Lage des Bereichs zumindest teilweise auf der Verschiebungsrichtung des aktuellen verschobenen Bildes relativ zu dem aktuellen Referenzbild basieren kann. Wenn dabei das aktuelle verschobene Bild auf die rechte Seite des aktuellen Referenzbildes verschoben würde, wäre die Lage des Bereichs des aktuellen Referenzbildes nach links von der Mitte versetzt. Weiterhin kann in diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen das Maß an Versetzung des Bereichs zumindest teilweise auf den Betrag der Verschiebung des vorhergehenden verschobenen Bildes relativ zu dem aktuellen Referenzbild basieren. Auf diese Weise kann der gesamte Bereich des aktuellen verschobenen Bildes innerhalb der Grenzen des Bildbereichs des aktuellen Referenzbildes gehalten werden, während der Betrag der relativen Verschiebung zwischen dem aktuellen Referenzbild und dem verschobenen Bild vergrößert werden kann, bevor ein neues Referenzbild verwendet werden muss.
Es sollte beachtet werden, dass in der zweiten und der dritten beispielhaften Technik, in denen lediglich ein Teil des aktuellen verschobenen Bildes mit einem entsprechend bemessenen Bereich des aktuellen Referenzbildes verglichen wird, ein deutlicherer Korrelationsspitzenwert oder Talwert im Vergleich zu dem Hintergrundkorrelationswert erhalten werden kann. In diesem Falle sollte das aktuelle Referenzbild aktualisiert werden, wenn der Bereich des aktuellen verschobenen Bildes sich den Rändern des aktuellen Referenzbildes nähert.
Ein üblicher Korrelationsalgorithmus für eine eindimensionale Verschiebung ist wie folgt, wenn die verglichenen Bereiche jeweils des aktuellen Referenzbildes und des aktuellen verschobenen Bildes M × N Pixel aufweisen, die in einem zweidimensionalen Array aus M-Reihen an Pixeln und N-Spalten an Pixeln angeordnet sind:

wobei:
R(p) der Korrelationsfunktionswert für den aktuellen Offsetwert ist;
p der aktuelle Offsetwert (in Pixel) ist;
m die aktuelle Spalte ist;
n die aktuelle Reihe ist;
I₁ der Bildwert für das aktuelle Pixel in dem ersten Bild ist; und
I₂ der Bildwert für das entsprechende Pixel in dem zweiten Bild für den aktuellen Offsetwert ist.
Für eine zweidimensionale Verschiebung kann Gleichung (2) von einem Fachmann so modifiziert werden, um der zweiten Dimension Rechnung zu tragen. Eine derartige Modifizierung ist in der miteingeschlossenen 889-Anmeldung offenbart.
Es sollte beachtet werden, dass in diversen beispielhaften Ausführungsformen zyklische Grenzbedingungen verwendet werden, wenn der gesamte Bildbereich des aktuellen Referenzbilds mit dem gesamten Bildbereich des aktuellen verschobenen Bilds verglichen wird. Wie in Gleichung (2) gezeigt ist, wird der Korrelationswert für jede Reihe ermittelt und die Korrelationswerte werden dann summiert. Die Summe wird dann über die M- Reihen gemittelt, um einen durchschnittlichen und rauschreduzierten Korrelationsfunktionswertepunkt zu erhalten. Diese Durchschnittsbildung ist wünschenswert, um sicherzustellen, dass die Korrelationsfunktionswertepunkte grob bis zu der Auflösung stabil bleiben, die durch Interpolation erhalten wird, um das Korrelationsfunktionsextremum zu bestimmen. Um damit grob eine Nanometer-Auflösung durch Interpolation zur Bestimmung des Korrelationsfunktionsextremums zu erreichen, wenn jeder Korrelationsfunktionswertepunkt um ungefähr 1 µm von benachbarten Korrelationsfunktionswertepunkten versetzt ist, wird angenommen, dass die Korrelationsfunktionswertepunkte grob bis zu der gewünschten Nanometer-Auflösung stabil sein müssen.
Fig. 5 ist ein Graph, der eine beispielhafte Korrelationsfunktion darstellt, die durch Vergleichen eines ersten und eines zweiten Bildes gemäß dem zuvor beschriebenen konventionellen multiplikativen Korrelationsfunktionsverfahren erhalten wird. Insbesondere enthält die in Fig. 5 gezeigte Korrelationsfunktion mehrere diskrete Korrelationsfunktionswertepunkte 201, die entlang der X-Achse durch einen vorbestimmten Offsetinkrementwert entsprechend dem Pixelabstand p voneinander getrennt angeordnet sind, wie dies durch den Abstand 208 angedeutet ist. Der vorbestimmte Offsetinkrementwert kann direkt mit einem Verschiebungsinkrementwert der optisch rauen Oberfläche 104, die in Fig. 1 gezeigt ist, in Beziehung stehen. Dieser Verschiebungsinkrementwert hängt von dem effektiven Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen den einzelnen Bildelementen 162 des Arrays 166 in Richtung der Messachse 110 ab, der in der folgenden Beschreibung auch als der Pixelabstand P bezeichnet wird, und hängt ferner vom Betrag der Vergrößerung der Verschiebung der optisch zerstreuenden oder optisch rauen Oberfläche 104 durch das optische System des Lesekopfs 126 ab.
Wenn beispielsweise der effektive Mitte-zu-Mitte-Abstand der Bildelemente 162 in Richtung der Messachse 110 10 µm beträgt, und das optische System des Lesekopfs 126 die Oberflächenverschiebung um den Faktor 10 vergrößert, dann wird eine 1 µm große Verschiebung des beleuchteten Bereichs der optisch zerstreuenden oder optisch rauen Oberfläche 104 auf eine 10 µm große Verschiebung des Fleckenmusters auf den Bildelementen 162 vergrößert.
Jeder Korrelationsfunktionswertepunkt 201 wird durch digitales Verschieben des zweiten Bildes relativ zu dem ersten Bild um den effektiven Mitte-zu-Mitte-Abstand der Bildelemente 162 in Richtung der Messachse 110 erzeugt. Da in diesem Falle der effektive Mitte-zu-Mitte-Abstand der Bildelemente 162 ungefähr 1 µm Verschiebung der optisch zerstreuenden oder optisch rauen Oberfläche 104 entspricht, sind die diskreten Korrelationsfunktionswertepunkte 201 mit einem Verschiebungsabstand von ungefähr 1 µm voneinander getrennt. Insbesondere die Korrelationsfunktion aus Fig. 5, die Korrelationsfunktionswerte aufweist, die in willkürlichen Einheiten dargestellt sind, weist ein Extremum in der tatsächlichen kontinuierlichen Korrelationsfunktion 205 an dem Offsetwert oder der räumlichen Translationsposition auf, an der die Bild- oder Intensitätsmuster in jeweils dem ersten und dem zweiten Bild am Besten übereinstimmen.
Hierbei wird der Offsetwert in Pixel, der mit dem Extremwert einer wahren kontinuierlichen Korrelationsfunktion verknüpft ist, als der Spitzenwertoffset bezeichnet, unabhängig davon, ob die zugrunde liegende Korrelationsfunktion einen Spitzenwert oder einen Talwert erzeugt, und die Oberflächenverschiebung entsprechend dem Spitzenwertoffset wird als die Spitzenwertverschiebung oder einfach als die Verschiebung bezeichnet, unabhängig davon, ob die zugrunde liegende Korrelationsfunktion einen Spitzenwert oder einen Talwert erzeugt.
Indem in Fig. 5 gezeigten Beispiel tritt der Extremwert der tatsächlichen kontinuierlichen Korrelationsfunktion 205 bei einem Offset bzw. Versatz von ungefähr 20 Pixel oder Bildelementen 162 - entspricht einer Verschiebung von 20 µm - auf, wie dies durch die Linie 203 angedeutet ist. In Fig. 5 ist der Extremwert der tatsächlichen kontinuierlichen Korrelationsfunktion 205 nicht von dem Extremwert 204 der Korrelationsfunktion unterscheidbar. Im Allgemeinen tritt der Extremwert nicht notwendigerweise bei einem Offsetwert oder einer räumlichen Translationsposition auf, die ein ganzzahliges Vielfaches des Pixelabstands ist, und stimmt daher nicht genau mit dem Extremwertepunkt der Korrelationsfunktion überein.
Wenn konventionellerweise eine Teilpixelauflösung und Genauigkeit erforderlich ist, wird eine Funktion f(x) numerisch an die Korrelationsfunktionswertepunkte angepasst, die den Korrelationsspitzenwert 202 bilden. Anschließend wird der Extremwert für die numerisch angepasste Funktion f(x) ermittelt und der entsprechende Offsetwert oder die räumliche Translationsposition wird als die beste Abschätzung für den Spitzenwertoffset des ersten und des zweiten Bildes festgestellt. Um beispielsweise den Offsetwert entsprechend dem Extremwert für die numerisch angepasste Funktion f(x) zu ermitteln, wird die numerisch angepasste Funktion f(x) differenziert, um den Offsetwert x zu bestimmen, an dem die Steigung von f(x) gleich Null ist.
Wenn eine multiplikative Korrelationsfunktion, etwa Gleichung (2), verwendet wird, ist die Korrelationsfunktion in dem Gebiet um den Spitzenwert oder den Talwert herum relativ gekrümmt. Somit wird für gewöhnlich die numerisch angepasste Funktion f(x) als eine Funktion zweiter oder höherer Ordnung gewählt. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass derartige konventionelle Verfahren zum Abschätzen des Extremwerts der Korrelationsfunktion auf Teilpixelebene bzw. Sub-Pixelebene nicht vernachlässigbare systematische Verschiebungsfehler einführen, etwa solche, wie sie in Fig. 6 dargestellt sind.
Fig. 6 ist ein Graph, der die Ergebnisse des Vergleichens des ersten und des zweiten Bildes auf Teilpixelebene entsprechend dem zuvor beschriebenen konventionellen multiplikativen Korrelationsfunktionsverfahren darstellt. In Fig. 6 ist der Fehler beim Abschätzen der Position periodisch. Die Periode des Abschätzungsfehlers entspricht dem Abstand eines Pixelabstandes, der zum Aufnehmen des Bildes angewendet wird. Die Erfinder haben herausgefunden, dass eine derartige periodische Fehlerkurve ein typisch systematischer Fehler in Teilpixelbildkorrelationssystemen ist. Die Erfinder haben ferner erkannt, dass die Periodizität eine vorbestimmte Fehlereigenschaft liefert, die in diversen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren als Basis zur Reduzierung oder Vermeidung dieser systematischen Verschiebungsfehler verwendbar ist, selbst ohne die Amplitude oder die genaue Form der periodischen Fehlerkurve zu bestimmen.
Die Erfinder haben ferner herausgefunden, dass derartige systematische Verschiebungsfehler für ein spezielles Verschiebungsmesssystem auf Bildkorrelationsbasis relativ konstant bzw. stabil sind und dass diese ferner relativ ähnlich sind für eine Vielzahl ähnlicher Verschiebungsmesssysteme auf Bildkorrelationsbasis. Wenn somit diese systematischen Verschiebungsfehler für ein spezielles Verschiebungsmesssystem auf Bildkorrelationsbasis in genauer Weise bestimmt sind, legen derartige systematische Verschiebungsfehler mindestens eine vorbestimmte Fehlereigenschaft offen, die eine Grundlage zum spezifischen Kompensieren oder zum Vermeiden dieser systematischen Verschiebungsfehler während des nachfolgenden Betriebs dieses speziellen Verschiebungsmesssystems auf Bildkorrelationsbasis bilden können. In dem Maße, indem ein spezielles Verschiebungsmesssystem auf Bildkorrelationsbasis repräsentativ ist für eine Klasse von ähnlichen Verschiebungsmesssystemen auf Bildkorrelationsbasis, können die systematischen Verschiebungsfehler einer beliebigen Vorrichtung in dieser Klasse bis zu einem gewissen Maße auf der Grundlage der vorbestimmten Fehlereigenschaft des speziellen repräsentativen Verschiebungsmesssystems auf Bildkorrelationsbasis in ähnlicher Weise kompensiert oder vermieden werden.
Wenn das aktuelle Referenzbild bei Verschiebung des Lesekopfs 126 entlang der optisch rauen Oberfläche 104 in ein neues Referenzbild umgewandelt wird, sind systematische Verschiebungsfehler, etwa solche, wie sie in Fig. 6 gezeigt sind den entsprechenden Messungen vorhanden. Wenn somit ein Referenzbild in das nächste Referenzbild umgewandelt wird, können sich diese systematischen Verschiebungsfehler in einer nicht beobachtbaren Weise anhäufen, sofern nicht die Systeme und Verfahren gemäß der Erfindung, die in der miteingeschlossenen 636-Anmeldung beschrieben sind, verwendet werden, um derartige Fehler zu verringern, oder um derartige Fehler in vorhersehbarer Weise anzuhäufen.
Die Erfinder haben ferner festgestellt, dass Teilpixelbildkorrelationssysteme zusätzliche Positionsfehler, die hierin als referenzbildinterne Positions- (oder Verschiebungs-) Fehler bezeichnet werden, aufweisen. Diese Fehler sind in den Fig. 7-10 dargestellt und ändern sich im Allgemeinen entsprechend einer komplexen Funktion der Verschiebung zwischen dem aktuellen Referenzbild und dem aktuellen verschobenen Bild. Obwohl die vollständige Ursache des referenzbildinternen Positionsfehlers nicht vollständig verstanden ist, sind die Erfinder der Meinung, dass der referenzbildinterne Positionsfehler wahrscheinlich aufgrund der unkollimierten Lichtquellen und/oder der optischen Verzerrungen in den optischen Elementen und den Lichtquellenelementen des Lesekopfs 126 auftritt. Die Erfinder erkannten, dass derartige referenzbildinterne Positionsfehler die Genauigkeit von Bildkorrelationssystemen nachteilig beeinflussen, wenn das aktuelle verschobene Bild zu dem aktuellen Referenzbild um mehr als einige Pixel verschoben wird. Sofern nicht das aktuelle Referenzbild durch ein neues Referenzbild alle paar Pixel ersetzt wird, leidet daher die Genauigkeit der Bildkorrelationssysteme aufgrund der referenzbildinternen Positionsfehler, wenn die Versetzung zwischen dem aktuellen Referenzbild und dem aktuellen verschobenen Bild anwächst. Andererseits beeinflusst das häufige Ersetzen der Referenzbilder zur Vermeidung derartiger referenzbildinterner Positionsfehler die Anforderungen hinsichtlich des Systemspeichers und der Geschwindigkeit, mit der die Messungen durchgeführt werden können, in negativer Weise. Diese Erfindung liefert Systeme und Verfahren zur Reduzierung oder idealerweise zur Korrektur des referenzbildinternen Positionsfehlers und verbessern damit die Genauigkeit von Bildkorrelationssystemen.
Fig. 7 ist ein Graph, der einen typischen referenzbildinternen Positionsfehler als eine Funktion des Betrags der Verschiebung relativ zu dem aktuellen Referenzbild für Bildkorrelationsmesssysteme zeigt, in der Art, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Der Graph aus Fig. 7 enthält keinen Skalierungsfaktorfehler. Das heißt, dieser Graph enthält keinen Fehler, der linear mit der Verschiebung verknüpft ist. Wie zuvor ausgeführt ist, ist der referenzbildinterne Positionsfehler derjenige Positionsfehler, der während der Anwendung eines einzelnen Referenzbildes in Zusammenhang mit verschobenen Bildern, die zunehmend von dem Referenzbild entfernt werden, auftritt. Insbesondere zeigt Fig. 7 den referenzbildinternen Positionsfehler als eine Funktion des Betrags der Verschiebung relativ zu dem aktuellen Referenzbild für ein Bildkorrelationsmesssystem, das ein Laserfleckenmuster verwendet. Der in Fig. 7 gezeigte referenzbildinterne Positionsfehler enthält eine periodische Komponente, die eine Spitze-zu-Spitze-Größe von ungefähr 30 Nanometer für eine Verschiebung des aktuellen verschobenen Bildes zu dem aktuellen Referenzbild von lediglich einigen Mikrometern aufweist. Die Spitze-zu-Spitze-Größe der periodischen Komponente wächst auf ungefähr 100 Nanometer bei einer Verschiebung des aktuellen verschobenen Bildes zu dem aktuellen Referenzbild von ungefähr 50 µm an. Diese periodische Fehlerkomponente tritt aufgrund des Interpolierens der Verschiebungsposition mit Teil- bzw. Sub-Pixelauflösung auf. Die Erfinder glauben, dass das Ansteigen der Spitze-zu-Spitze-Größe des referenzbildinternen Positionsfehlers aufgrund der Linsenverzerrung und/oder einer Bild-Dekorrelation auftritt. Der referenzbildinterne Positionsfehler zeigt ferner eine wesentliche Krümmung, die nach der Meinung der Erfinder der nicht perfekten Kollimierung der Lichtquelle, der Linsenverzerrung und/oder der Bilddekorrelation zuzuschreiben ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass unabhängig von der Ursache, die Form der Kurve des referenzbildinternen Positionsfehlers gemessen und charakterisiert werden kann.
Obwohl jedoch die Erfinder in der Lage waren, den referenzbildinternen Positionsfehler zu messen, sind die genauen Gründe dieser Fehler noch nicht definitiv bestimmt worden. Obwohl daher die Erfinder gegenwärtig der Meinung sind, dass diese Fehler das Ergebnis der Linsenverzerrungen, der nicht perfekten Kollimierung und/oder der Kohärenz des Lichtstrahls sind, der zur Beleuchtung der optisch rauen Oberfläche, und/oder andere optische Aberrationen sind, sollten diese Gründe nicht als eine Einschränkung des Schutzbereichs dieser Offenbarung oder des Schutzbereichs der angefügten Patentansprüche aufgefasst werden, sofern dies nicht ausdrücklich im Folgenden sowie in den Patentansprüchen zum Ausdruck gebracht wird.
Die in Fig. 7 gezeigte Kurve des referenzbildinternen Positionsfehlers kann durch die folgende generische Kompensationsfunktion beschrieben werden.

e(x) = f₁(x)f₂(x) + f₃(x) + f₄(x) (3)

wobei:
x die verschobene Position des aktuellen verschobenen Bildes gegenüber dem aktuellen Referenzbild, wie es anfänglich mit dem Bildkorrelationssystem gemessen wird, ist;
e(x) der Positionsfehler ist;
f₁(x) eine Funktion ist, die die Spitze-zu-Spitze-Größe des periodischen Interpolationsfehlers gegenüber der verschobenen Position beschreibt;
f₂(x) eine periodische Funktion ist mit einer Frequenz und/oder einer Form, die der Frequenz und/oder der Form des periodischen Interpolationsfehlers entspricht;
f₃(x) eine Funktion ist, die die allgemeine Krümmung der Kurve des referenzbildinternen Positionsfehlers beschreibt; und
f₄(x) eine lineare Funktion ist, die den Skalierungsfaktorfehler berücksichtigt. Der Skalierungsfaktorfehler kann eine Fehlerkomponente sein, die proportional zur Verschiebung ist.
Eine erste beispielhafte Ausführungsform einer Funktion, die die in Gleichung (3) beschriebene generische Funktion implementiert, ist wie folgt:

e(x) = (c₁ + c₂x)sin(ω₁x + φ₁) + ABS(c₃sin(ω₂x/2)) (4)

wobei:
c1, c2 und c3 empirisch hergeleitete Parameter sind;
ω1 die räumliche Frequenz des periodischen lnterpolationsfehlers ist;
φ1 der räumliche Phasenwinkel des periodischen Interpolationsfehlers ist, der zur Synchronisierung des periodischen Fehlers und der Kompensationsfunktion angewendet wird; und
ω2 die räumliche Frequenz für das Aktualisieren des Referenzbildes ist.
Es sollte beachtet werden, dass der Term f₄(x) in Gleichung (3) keine Entsprechung zu der beispielhaften Ausführungsform besitzt, die durch Gleichung (4) repräsentiert wird. Das heißt, die beispielhaften Ausführungsformen, die durch Gleichung (4) repräsentiert sind, beruhen auf der Annahme, dass ein linearer Skalierungsfaktorfehler zuvor durch andere Mittel eliminiert worden ist. Im Allgemeinen können die empirisch abgeleiteten Parameter c1, c2 und c3 durch Beobachtung und/oder Analyse der Form der Kurve des referenzbildinternen Positionsfehlers, wie sie etwa in den Fig. 7-10 für einen speziellen bildkorrelationsbasierten Positionswandler gezeigt ist, bestimmt werden. Es sollte beachtet werden, dass im Allgemeinen die Frequenz ω₁ des periodischen Interpolationsfehlers mit 2 + π/Pixelabstand in Beziehung steht. In ähnlicher Weise steht die Frequenz ω2 des aktualisierten Referenzbildes mit 2 + π/(Gesamtverschiebung in den Referenzbildaktualisierungen).
Fig. 8 zeigt eine grafische Darstellung des gemessenen referenzbildinternen Positionsfehlers, der Kompensationswerte für eine entsprechende Fehlerkompensationsfunktion, die nahezu nicht unterscheidbar von dem gemessenen Fehler ist, und des resultierenden kompensierten referenzbildinternen Positionsfehlers. Die Darstellungen aus Fig. 8 enthalten keinen Skalierungsfaktorfehler. Das heißt, die in Fig. 8 gezeigten Darstellungen enthalten keinen Fehler, der linear mit der Verschiebung in Beziehung steht. Der kompensierte referenzbildinterne Positionsfehler wird erhalten, indem der Wert der Kompensationsfunktion von dem gemessenen Fehler für eine gegebene Verschiebung subtrahiert wird. Für ein Bildkorrelationssystem mit einem Pixelabstand von ungefähr 1,5 µm und mit einer Verschiebung, die zwischen dem aktuellen Referenzbild und dem aktuellen verschobenen Bild auftritt, wenn das aktuelle Referenzbild durch ein neues Referenzbild ersetzt wird, von ungefähr 52,7 µm ist ein entsprechender Satz von Werten, der in Gleichung (4) verwendbar ist, gegeben durch:
c1 = 0,005;
c2 = 0,055;
c3 = 0,075;
ω1 = 5,977;
φ1 = 0,897; und
ω2 = 0,119.
Wie in Fig. 8 gezeigt ist, verbessert das Kompensieren des referenzbildinternen Positionsfehlers unter Verwendung der Gleichung (4) die Genauigkeit der Bildkorrelationssysteme, indem es möglich ist, die referenzbildinternen Positionsfehler zu korrigieren oder lediglich zu verringern, etwa Fehler, die aufgrund unkollimierter Lichtquellen und/oder optischer Verzerrungen auftreten können, ohne dass Referenzbilder für eine große Verschiebung zwischen dem aktuellen Referenzbild und dem aktuellen verschobenen Bild, die in der in Fig. 8 dargestellten beispielhaften Ausführungsform über 50 µm beträgt, geändert werden müssen.
Eine zweite beispielhafte Ausführungsform einer Kompensationsfunktion, die die in Gleichung (3) beschriebene generische Kompensationsfunktion verwendet, ist wie folgt:

e(x) = (c₁ + c₂x)sin(ω₁x + φ₁) + ABS(c₃sin(ω₂x/2)) + c₄sin(ω₂x/4) (5)

wobei:
c1, c2, c3 und c4 empirisch abgeleitete Parameter sind;
ω1 die räumliche Frequenz des periodischen Interpolationsfehlers ist;
φ1 der räumliche Phasenwinkel des periodischen Interpolationsfehlers, der zur Synchronisierung des periodischen Fehlers und der Kompensationsfunktion verwendet wird, ist; und
ω2 die räumliche Frequenz des Aktualisierens des Referenzbildes ist.
Im Vergleich zu der durch Gleichung (4) repräsentierten beispielhaften Ausführungsform enthält die durch Gleichung (5) dargestellte beispielhafte Ausführungsform einen zusätzlichen Term, der dem Term f₃(x) aus Gleichung (3) entspricht, so dass die wesentliche Krümmung der Kurve des referenzbildinternen Positionsfehlers mit größerer Genauigkeit kompensiert werden kann. Im Allgemeinen können die empirisch abgeleiteten Parameter c1, c2, c3 und c4 durch Ermitteln der Form der Kurve des referenzbildinternen Positionsfehlers, etwa wie dies in den Fig. 7-10 für einen speziellen bildkorrelationsbasierten Positionswandler gezeigt ist, bestimmt werden. Es sollte beachtet werden, dass im Allgemeinen die Frequenz ω₁ des periodischen lnterpolationsfehlers mit 2.π/Pixelabstand in Beziehung steht. In ähnlicher Weise ist die Frequenz ω₂ des Aktualisierens des Referenzbildes mit 2.π/(Gesamtverschiebung in den Referenzbildaktualisierungen) verknüpft.
Fig. 9 zeigt eine bildliche Darstellung des gemessenen referenzbildinternen Positionsfehlers, der Kompensationswerte für eine entsprechende Fehlerkompensationsfunktion, die wiederum nahezu nicht unterscheidbar von dem gemessenen Fehler ist, und des resultierenden kompensierten referenzbildinternen Positionsfehlers. Die Darstellungen aus Fig. 9 enthalten keinen Skalierungsfaktorfehler. Das heißt, die in Fig. 9 gezeigten Darstellungen enthalten keinen Fehler, der linear von der Verschiebung abhängt. Der kompensierte referenzbildinterne Positionsfehler wird erhalten, indem der Wert der Kompensationsfunktion von dem gemessenen Fehler für eine gegebene Verschiebung subtrahiert wird. Für ein Bildkorrelationssystem mit einem Pixelabstand von ungefähr 1,05 µm und bei einer Verschiebung, die zwischen dem aktuellen Referenzbild und dem aktuellen verschobenen Bild auftritt, wenn das aktuelle Referenzbild durch ein neues Referenzbild ersetzt wird, von ungefähr 94,6 µm sind Werte, die in der Kompensationsfunktion aus Gleichung (5) verwendbar sind, gegeben durch:
c1 = 0,005;
c2 = 0,350;
c3 = 0,070;
ω1 = 5,935;
φ1 = 0,655; und
ω2 = 0,0664.
Wie in Fig. 9 gezeigt ist, verbessert das Kompensieren des referenzbildinternen Positionsfehlers unter Verwendung der Gleichung (5) die Genauigkeit der Bildkorrelationssysteme, indem es möglich ist, die referenzbildinternen Positionsfehler, etwa jene, die aufgrund unkollimierter Lichtquellen und/oder optischer Verzerrungen auftreten können, zu korrigieren oder lediglich zu reduzieren, ohne dass Referenzbilder für eine große Verschiebung zwischen dem aktuellen Referenzbild und dem aktuellen verschobenen Bild, die in der in Fig. 9 dargestellten beispielhaften Ausführungsform über 90 µm beträgt, geändert werden müssen.
Eine dritte beispielhafte Ausführungsform einer Kompensationsfunktion, die die in Gleichung (3) beschriebene generische Kompensationsfunktion verwendet, ist gegeben durch:

e(x) = (c₁ + c₂x)sin(ω₁x + φ₁) + c₃sin(π/D)x)) + c₄sin(π/D)x) + c₅x (6)

wobei:
c1, c2, c3, c4 und c5 empirisch abgeleitete Parameter sind;
ω1 die räumliche Frequenz des periodischen Interpolationsfehlers ist;
φ1 der räumliche Phasenwinkel des periodischen Interpolationsfehlers, der zur Synchronisierung des periodischen Fehlers und der Kompensationsfunktion verwendet wird, ist; und D eine Referenzverschiebung ist, die im Wesentlichen dem Gesamtverschiebungsbereich der zum Erhalten der empirischen Konstanten c1-c5 verwendeten Daten entspricht.
Im Allgemeinen können die empirisch abgeleiteten Parameter c1, c2, c3, c4 und c5 durch Beobachten und/oder Analysieren der Form der Kurve des referenzbildinternen Positionsfehlers, wie sie etwa in den Fig. 7-10 für einen speziellen bildkorrelationsbasierten Positionswandler gezeigt sind, beobachtet und/oder analysiert werden. Es sollte beachtet werden, dass im Allgemeinen die Frequenz ω₁ des periodischen Interpolationsfehlers von 2.π/Pixelabstand abhängt. Im Gegensatz der durch Gleichung (5) repräsentierten beispielhaften Ausführungsform besitzt der Term f₄(x) aus Gleichung (3) eine Entsprechung in der durch Gleichung (6) repräsentierten beispielhaften Ausführungsform. Das heißt, Gleichung (6) enthält einen Term, der einen linearen Skalierungsfaktorfehler, der zuvor nicht durch andere Mittel behoben worden ist, kompensiert. Im Gegensatz zu der durch Gleichung (5) repräsentierten beispielhaften Ausführungsform besitzt ferner der Term f₃(x) aus Gleichung (3) entsprechende Terme in der durch Gleichung (6) repräsentierten beispielhaften Ausführungsform, die von einer Referenzverschiebung D anstatt von einer festen räumlichen Frequenz ω₂ für das Aktualisieren des Referenzbilds abhängen. Im Allgemeinen ist Gleichung (6) für Verschiebungen gültig, die geringfügig größer als D sind. In diversen beispielhaften Implementierungen repräsentiert D jedoch eine maximale zulässige Verschiebung, die vor dem Aktualisieren des Referenzbilds auftreten kann. In derartigen beispielhaften Implementierungen beträgt die maximale Verschiebung vor der Aktualisierung des Referenzbildes typischerweise ungefähr dreiviertel eines Bildbereichs.
Allgemeiner gesagt, es sollte beachtet werden, dass, obwohl trigonometrische Funktionen erfolgreich für die dem Term f₃(x) aus Gleichung entsprechenden Terme verwendet werden, ebenso eine beliebige Funktion geeignet ist, die den allgemeinen Verlauf der Kurve des referenzbildinternen Positionsfehlers beschreibt.
Fig. 10 zeigt eine Diagrammdarstellung des gemessenen referenzbildinternen Positionsfehlers, der Kompensationswerte für eine entsprechende Fehlerkompensationsfunktion, die wiederum nahezu nicht unterscheidbar von dem gemessenen Fehler sind, und des resultierenden kompensierten referenzbildinternen Positionsfehlers. Die Darstellungen aus Fig. 10 enthalten einen Skalierungsfaktorfehler. Das heißt, diese Darstellungen enthalten einen Fehler, der linear von der Verschiebung abhängt. Ein derartiger Fehler kann beispielsweise entstehen, wenn ein angenommener Pixelabstand nicht der wahre Pixelabstand ist. Der kompensierte referenzbildinterne Positionsfehler wird erhalten, indem der Wert der Kompensationsfunktion von dem gemessenen Fehler für eine gegebene Verschiebung subtrahiert wird. Für ein Bildkorrelationssystem mit einem Pixelabstand von ungefähr 1,05 Mikrometer und für eine Verschiebung, die zwischen dem aktuellen Referenzbild und dem aktuellen verschobenen Bild auftritt, wenn das aktuelle Referenzbild durch ein neues Referenzbild ersetzt wird, von ungefähr 95 Mikrometer sind Werte, die in der Kompensationsfunktion aus Gleichung (6) verwendbar sind, gegeben durch:
c1 = 0,005
c2 = 0,00084;
c3 = 0,35;
c4 = 0,050;
c5 = -0,00835;
ω1 = 5,984;
φ1 = -0,658; und
D = 95.
Wie in Fig. 10 gezeigt ist, verbessert das Kompensieren des referenzbildinternen Positionsfehlers bei Verwendung der Gleichung (6) die Genauigkeit der Bildkorrelationssysteme, indem es möglich ist, die referenzbildinternen Positionsfehler zu reduzieren oder idealerweise zu korrigieren, ohne die Referenzbilder ändern zu müssen. Zu derartigen referenzbildinternen Positionsfehlern gehören jene, die aufgrund unkollimierter Lichtquellen und/oder optischer Verzerrungen für eine große Verschiebung zwischen dem aktuellen Referenzbild und dem aktuellen verschobenen Bild, die in der in Fig. 10 dargestellten beispielhaften Ausführungsform über 90 µm beträgt, auftreten können.
Es sollte beachtet werden, dass hinsichtlich der in den Fig. 8-10 gezeigten Ergebnisse die mit c1 und c2 in den durch die Gleichungen (4)-(6) repräsentierten beispielhaften Ausführungsformen in Beziehung stehenden Termen von den entsprechenden Fehlerkompensationsfunktionen in diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen weggelassen werden können. Der Fehler aufgrund der allgemeinen Krümmung der Kurve des referenzbildinternen Positionsfehlers kann dennoch für die verbleibenden Terme der Gleichungen kompensiert werden. Derartige andere beispielhafte Ausführungsformen können günstig sein, wenn beispielsweise der allgemeine Verlauf der Kurve des referenzbildinternen Positionsfehlers der vorherrschende Systemfehler ist. Allgemeiner gesagt, in diversen beispielhaften Ausführungsformen können jene Terme, die jeweils den Termen f1(x), f2(x), f3(x) und f4(x) aus Gleichung (3) entsprechen, getrennt oder in Kombination verwendet werden, um erfindungsgemäß Fehler bei der Bestimmung einer Verschiebung zu reduzieren.
Fig. 11 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Ermitteln der Parameter einer Funktion oder einer Gleichung, die mit einem gewissen Grad an Genauigkeit den Positionsfehler bei einer referenzbildinternen Verschiebung repräsentiert, gemäß dieser Erfindung darstellt. Beginnend im Schritt S1000 geht der Ablauf weiter zu S1010, in dem die "tatsächlichen" Positionsfehler bei Verschiebungen erhalten werden. Der "tatsächliche" Positionsfehler für eine Verschiebung ist die Differenz zwischen einem "tatsächlichen" Positionswert für eine referenzbildinterne Verschiebung und dem unkompensierten Positionsfehler in der referenzbildinternen Verschiebung.
In diversen beispielhaften Implementierungen wird der "tatsächliche" Positionswert der aktuellen Verschiebung direkt aus beliebigen bekannten oder einem noch zu entwickelnden Verschiebungsmessungsverfahren oder einem Instrument mit einem Interferometer oder dergleichen, ohne dass dies allerdings einschränkend ist, erhalten. In diversen anderen beispielhaften Implementierungen ist alternativ die Abhängigkeit zwischen Positionsfehlern und diversen physikalischen Parametern und Systemeigenschaften, etwa der Linsenaberration, Komponentenjustierparameter, generisches Dekorrelationsverhalten und dergleichen aufgrund von Analyse, Korrelationsstudien und/oder Simulation bekannt.
In diversen beispielhaften Implementierungen wird der unkompensierte referenzbildinterne Positionswert für die aktuelle Verschiebung von einem Bildkorrelationssystem erhalten, das ein beliebiges bekanntes oder noch zu entwickelndes Bildkorrelationsverfahren anwendet. Das Erhalten des "tatsächlichen" Positionsfehlers beinhaltet das Empfangen der "tatsächlichen" Positionsfehlerwerte (oder deren konstituierende Anteile), die mittels eines Verfahrens erzeugt wurden/werden, das nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. In diversen anderen beispielhaften Implementierungen umfasst das Erhalten der "tatsächlichen" Positionsfehlerwerte das Erzeugen der "tatsächlichen" Positionsfehlerwerte (oder deren konstituierende Anteile) als ein Teil des beispielhaften Verfahrens beim Ausüben dieser Erfindung.
In diversen beispielhaften Ausführungsformen wird der "tatsächliche" Positionswert der aktuellen Verschiebung indirekt gewonnen, indem die diversen physikalischen Parameter und Systemeigenschaften gemessen oder bestimmt werden; die damit verknüpften Positionsfehler durch ein bekanntes oder noch zu entwickelndes Analyseverfahren, eine Korrelation und/oder eine Simulation und dergleichen bestimmt werden, und der "tatsächliche" Positionswert der aktuellen Verschiebung bestimmt wird, indem die bestimmten Positionsfehler mit dem unkompensierten referenzbildinternen Positionswert für die aktuelle Verschiebung kombiniert werden.
Anschließend werden im Schritt S1020 die Anfangsparameter in der Funktion, die den referenzbildinternen Positionsfehler repräsentiert, ermittelt oder als die aktuellen Parameter festgelegt. In einer beispielhaften Implementierung werden die Anfangsparameter c1, c2, c3, c4 - wenn Gleichung (5) verwendet wird, c5 - wenn Gleichung (6) verwendet wird, und φ1 beispielsweise gleich Null gesetzt, und ω1 und ω2 oder D werden gleich dem Pixelabstand bzw. dem Abstand zwischen den Referenzbildaktualisierungen gesetzt. In einer weiteren beispielhaften Implementierung werden die Anfangsparameter auf die Parameter festgelegt, die einem Korrelationssystem entsprechen, dessen Entwurfsparameter ungefähr, aber nicht notwendigerweise identisch sind zu den Entwurfsparameter des zu charakterisierenden Korrelationssystems.
Anschließend wird im Schritt S1030 die Differenz zwischen dem "tatsächlichen" Positionsfehler, der im Schritt S1010 erhalten wurde, und dem abgeschätzten Positionsfehler für eine referenzbildinterne Verschiebung auf der Grundlage der aktuellen Parameter ermittelt. Das heißt, es wird die Positionsfehlerabschätzungsgleichung verwendet, um den Positionsfehler bei der referenzbildinternen Verschiebung auf der Grundlage der aktuellen Parameter abzuschätzen. Alternativ werden in einer Variation des Schritts S1030 in diversen beispielhaften Ausführungsformen die bestimmten Positionsfehler direkt als die abgeschätzten Positionsfehler verwendet.
Anschließend wird im Schritt S1040 bestimmt, ob die Differenz zwischen dem "tatsächlichen" Positionsfehler und dem abgeschätzten Positionsfehler akzeptabel ist. Wenn der Differenzfehler akzeptabel ist, dann geht der Prozessablauf zum Schritt S1060 weiter, in dem das Verfahren anhält.
Wenn im Gegensatz dazu die Differenz zwischen den "tatsächlichen" Positionsfehler und dem abgeschätzten Positionsfehler nicht akzeptabel ist, dann geht der Verfahrensablauf zum Schritt S1050 weiter, wobei neue Parameter als die aktuellen Parameter ermittelt werden. In einer beispielhaften Implementierung werden die Parameter c1, c2 und c3, c4 - wenn Gleichung (5) verwendet wird, c5 - wenn Gleichung (6) verwendet wird - und φ1 variiert, während ω1 und ω2 oder D konstant gehalten werden.
In einer weiteren beispielhaften Implementierung werden die Parameter c1, c2 und c3, c4 - wenn Gleichung (5) verwendet wird, c5 - wenn Gleichung (6) verwendet wird, φ1, ω1 und ω2 oder D variiert, während die Änderungen in ω1 und ω2 oder D im Vergleich zu den Änderungen der Parameter c1, c2 und c3, c4 - wenn Gleichung (5) verwendet wird und c5 - wenn Gleichung (6) verwendet wird, und φ1 klein gehalten werden. In einer noch weiteren beispielhaften Implementierung werden Kombinationen der Parameter c1, c2 und c3, c4 - wenn Gleichung (5) verwendet wird, c5 - wenn Gleichung (6) verwendet wird, φ1, ω1 und ω2 oder D bei unterschiedlichen Relativbeträgen variiert. In einer noch weiteren beispielhaften Implementierung werden ein oder mehrere dieser Parameter unterschiedlich auf der Grundlage der Verschiebung von dem Referenzbild variiert. Anschließend geht der Prozessablauf zum Schritt S1030 zurück, um die Differenz zwischen dem "tatsächlichen" Positionsfehler und einer Abschätzung des Positionsfehlers auf der Grundlage der neuen aktuellen Parameter zu ermitteln. Die Schleife mit den Schritten S1030 bis S1050 läuft weiter bis die Differenz zwischen dem "tatsächlichen" und dem abgeschätzten Positionsfehler als akzeptabel erachtet wird.
Das Ändern der Parameter um ein Erhalten eines akzeptabeln abgeschätzten Positionsfehlers wirksam zu erreichen, kann durch ein beliebiges bekanntes oder noch zu entwickelndes Verfahren mit - ohne Einschränkung der Allgemeinheit - Kurvenanpassung auf der Grundlage von Kriterien, die vom Anwender aufgestellt werden, und/oder Kurvenanpassung auf der Grundlage einer Minimierung der Differenz zwischen dem abgeschätzten Positionsfehler, der von der Abschätzgleichung geliefert wird, und der Differenz zwischen dem "tatsächlichen" Positionswert und der unkompensierten Position der referenzbildinternen Verschiebungen, erreicht werden.
In diversen beispielhaften Implementierungen werden der "tatsächliche" Verschiebungswert und der unkompensierte Positionswert für eine große Anzahl von Verschiebungen zuvor ermittelt und werden vor dem Mitteln des tatsächlichen Verschiebungspositionsfehlers im Schritt S1010 bereit gestellt. In anderen beispielhaften Implementierungen werden der "tatsächliche" Verschiebungswert und der unkompensierte Positionswert für die aktuelle Verschiebung als Teil des Schrittes S1010 in Echtzeit erhalten, die dann zum Ermitteln des "tatsächlichen" Positionsfehlers verwendet werden. In diversen anderen beispielhaften Implementierungen werden die Differenz zwischen den "tatsächlichen" Positionswerten und dem unkompensierten Positionswert referenzbildinterner Dislokationen (d. h., die "tatsächlichen" Positionsfehler) zuvor bestimmt und gespeichert und werden daher im Schritt S1010 lediglich zur Verfügung gestellt.
In dem in Fig. 11 dargestellten Verfahren kann in diversen beispielhaften Implementierungen die Differenz zwischen dem "tatsächlichen" Positionsfehler und dem abgeschätzten Positionsfehler als akzeptabel bestimmt werden auf der Grundlage einer Entscheidung eines Anwenders mit - ohne allerdings einschränkend zu sein - Anpassung einer bestimmten Position einer Verschiebung an eine Referenzposition. In diversen anderen beispielhaften Implementierungen kann alternativ der Fehler als akzeptabel bestimmt werden auf der Grundlage des Minimierens des gesamten akkumulierten Fehlers oder des Gesamtdurchschnittfehlers, des gesamten Spitze-zu-Spitze-Fehlers, oder dergleichen. In diversen anderen beispielhaften Implementierungen kann alternativ der Fehler als akzeptabel bestimmt werden auf der Grundlage des Minimierens des akkumulierten Fehlers in einem spezifischen Bereich von Verschiebungen, der ein Teilgebiet eines größeren Bereichs von Verschiebungen ohne Ändern des Referenzbilds ist.
In dem in Fig. 11 dargestellten Verfahren kann in diversen beispielhaften Implementierungen der Fehler als akzeptabel bestimmt werden auf der Grundlage des Ermittelns eines Parametersatzes, der durchwegs für einen Bereich von Verschiebungen ohne Änderung eines Referenzbilds geeignet ist. In diversen anderen beispielhaften Implementierungen kann der Fehler als akzeptabel bestimmt werden auf der Grundlage des Aufteilens des Bereichs von Verschiebungen, wenn ein Referenzbild nicht geändert wird, in mehrere kleinere Unterteilungen, wobei mindestens ein Parameter unterschiedliche Werte für mindestens einige der kleineren Teilbereiche annimmt.
Es sollte beachtet werden, dass, wenn die referenzbildinternen Positionsfehlereigenschaften für ein bildkorrelationsbasiertes Verschiebungsmesssystem genauer bestimmt worden sind, diese referenzbildinternen Positionsfehlereigenschaften eine Grundlage zum spezifischen Kompensieren oder Reduzieren dieser referenzbildinternen Positionsfehler während des anschließenden Betriebs dieses speziellen bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystems bilden. Ferner können jedoch die referenzbildinternen Positionsfehlereigenschaften für eine Vielzahl ähnlicher bildkorrelationsbasierter Verschiebungsmesssysteme ähnlich sein. Somit kann in dem Maße, wie ein spezielles bildkorrelationsbasiertes Verschiebungsmesssystem für eine Klasse von ähnlichen bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystemen repräsentativ ist, der referenzbildinterne Positionsfehler einer beliebigen Vorrichtung in dieser Klasse in ähnlicher Weise zu einem gewissen Grade auf der Grundlage der zuvor bestimmten referenzbildinternen Positionsfehlereigenschaften des speziellen repräsentativen bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystems kompensiert oder reduziert werden.
Fig. 12 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Kompensieren einer Verschiebungspositionsmessung zur Reduzierung referenzbildinterner Positionsfehler in der Verschiebungspositionsmessung auf der Grundlage einer vorbestimmten Funktion, die den Positionsfehler beschreibt, darstellt. Beginnend im Schritt S1100 geht der Prozessablauf weiter zum Schritt S1110, in dem ein aktuelles verschobenes Bild eingespeist wird. Anschließend wird im Schritt S1120 ein unkompensierter Verschiebungspositionswert für das aktuelle verschobene Bild relativ zum dem aktuellen Referenzbild bestimmt. Dieser Anfangsverschiebungswert kann bestimmt werden unter Anwendung eines beliebigen bekannten oder noch zu entwickelnden Verfahrens, etwa solche Verfahren, wie sie in der miteingeschlossenen 071,636 und 889- Anmeldungen offenbart sind. Anschließend wird im Schritt S1130 der referenzbildinterne Positionsfehler für den ermittelten Anfangsverschiebungswert auf der Grundlage einer vorbestimmten Funktion des referenzbildinternen Fehlers, etwa die zuvor beschriebenen Gleichungen 3-6, und den entsprechenden vorbestimmten Parameterwerten für diese Funktion bestimmt. Danach geht der Prozessablauf zum Schritt S1140 weiter.
Im Schritt S1140 wird der im Schritt S1130 bestimmte referenzbildinterne Positionsfehler mit dem unkompensierten Verschiebungswert kombiniert, um einen kompensierten Positionswert für die referenzbildinterne Verschiebung zu erzeugen. Dann wird im Schritt S1150 der kompensierte Positionswert an ein Anzeigegerät ausgegeben und/oder für einen im Ablauf nachgeschalteten Prozess als die abgeschätzte kompensierte Position der referenzbildinternen Verschiebung zwischen dem aktuellen Referenzbild und dem aktuellen verschobenen Bild zur Verfügung gestellt. Im Schritt S1160 wird bestimmt, ob ein weiteres verschobenes Bild zu ermitteln ist. Wenn dies zutrifft, kehrt der Ablauf zum Schritt S1110 zurück. Ansonsten geht der Ablauf weiter zum Schritt S1170, in dem das Verfahren anhält.
Es sollte beachtet werden, dass, obwohl die zuvor erläuterten Funktionsabläufe der beispielhaften Ausführungsformen aus den Fig. 11 und 12, die zur Kompensierung der referenzbildinternen Positionsfehler erforderlichen Informationen in Form einer mathematischen Funktion einer Verschiebung relativ zu einer Referenzbildfunktion gesammelt haben, wobei diese mathematische Funktion zur Kompensierung der Fehler verwendet wird, in diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen die Information gesammelt und/oder angewendet werden kann in einer anderen bekannten oder noch zu entwickelnden Form, etwa als eine Nachschlagtabelle oder dergleichen.
In diversen beispielhaften Ausführungsformen, in denen eine Nachschlagtabelle verwendet wird, werden tatsächliche Verschiebungspositionsfehler gemäß den Funktionsabläufen aus Schritt S1010, die zuvor mit Bezug zu Fig. 11 beschrieben sind, ermittelt. Die tatsächlichen Verschiebungsfehler werden in einer Nachschlagtabelle für referenzbildinterne Fehler gespeichert und mit ihren geeigneten entsprechenden Verschiebungspositionen verknüpft. Die Funktionsabläufe der Schritte S1100-S1170 werden dann ausgeführt, wie dies mit Bezug zu Fig. 12 beschrieben ist, mit der Ausnahme, dass das Ausführen des Schritt S1130 entsprechend der vorliegenden beispielhaften Implementierung modifiziert wird. Es sollte beachtet werden, dass der Schritt S1130 aus Fig. 12 einen referenzbildinternen Positionsfehler für den ermittelten Anfangsverschiebungswert liefert. In der zuvor beschriebenen beispielhaften Implementierung des Verfahrens aus Fig. 12 wurde jedoch der referenzbildinterne Positionsfehler auf der Grundlage einer vorbestimmten Funktion des referenzbildinternen Fehlers bestimmt. Im Gegensatz dazu wird in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform der referenzbildinterne Positionsfehler auf der Grundlage der vorbestimmten Nachschlagtabelle für den referenzbildinternen Fehler bestimmt.
In diversen beispielhaften Implementierungen enthält die Nachschlagtabelle für den referenzbildinternen Fehler Daten, die den Verschiebeschritten von 1/20 der räumlichen Frequenz des zuvor erläuterten periodischen Interpolationsfehlers entsprechen. Der Wert der Fehlernachschlagtabelle, der dem Nachschlagtabellenverschiebewert entspricht, der am nächsten zu dem anfänglich ermittelten Verschiebewerts liegt, wird als der aktuelle referenzbildinterne Positionsfehler verwendet. In diversen anderen beispielhaften Implementierungen wird der aktuelle referenzbildinterne Positionsfehler als ein interpolierter Wert zwischen den beiden Fehlerwerten in der Nachschlagtabelle bestimmt, die den Verschiebewerten der Nachschlagtabelle entsprechen, die den ermittelten Anfangsverschiebewert eingrenzen. Der interpolierte Wert wird zwischen den beiden Nachschlagtabellenfehlerwerten auf der Grundlage der Abhängigkeit zwischen den begrenzenden Nachschlagtabellenverschiebewerten und dem ermittelten anfänglichen Verschiebewert entsprechend bekannter Verfahren bestimmt. Diverse alternative Implementierungen unter Verwendung diverser anderer Verschiebeschritte in der Nachschlagtabelle und/oder in Kombination mit mathematischen Funktionen, die dem referenzbildinternen Positionsfehler über diverse Bereiche entsprechen, mittels diverser alternativer Interpolationsverfahren sind für den Fachmann offensichtlich.
Fig. 13 ist ein Blockansicht, die eine beispielhafte Ausführungsform der Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200 darstellt, die eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren repräsentiert. Wie in Fig. 13 gezeigt ist, umfasst die Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200 eine Steuerung 210, einen Lichtquellentreiber 220, eine Lichtdetektorschnittstelle 230, einen Speicher 240, eine Vergleichsschaltung 250, einen Vergleichsergebnisakkumulator 260, eine Interpolationsschaltung 270, eine referenzbildinterne Positionsfehlerkompensationsschaltung 300, einen Positionsakkumulator 280, einen Anzeigetreiber 290 und eine optionale Eingabeschnittstelle 295.
Die Steuerung 210 ist mit dem Lichtquellentreiber 220 mittels einer Steuerleitung 211, mit der Bilddetektorschnittstelle 230 mittels einer Signalleitung 212 und mit dem Speicher 240 mittels einer Signalleitung 213 verbunden. Ferner ist die Steuerung 210 mit einer oder mehreren Signalleitungen 214-219 mit der Vergleichsschaltung 250, dem Vergleichsergebnisakkumulator 260, der Interpolationsschaltung 270, der referenzbildinternen Kompensationsschaltung 300 und dem Positionsakkumulator 280 verbunden. Schließlich ist die Steuerung 210 mit dem Anzeigetreiber 290 mittels einer Steuerleitung 220 und mit der Eingabeschnittstelle 295 - falls vorhanden - mit einer Eingabesignalleitung 221 verbunden. Der Speicher 240 umfasst einen ersten oder Referenzbildbereich 242, einen zweiten oder nachfolgenden Bildbereich 244 und einen Korrelationsbereich 246.
Im Betrieb gibt die Steuerung 210 ein Steuersignal über die Signalleitung 211 an den Lichtquellentreiber 220 aus. In Reaktion darauf gibt der Lichtquellentreiber 220 ein Ansteuersignal an die Lichtquelle 130 über die Signalleitung 132 aus. Anschließend sendet die Steuerung 210 ein Steuersignal zu der Bilddetektorschnittstelle 230 und zu dem Speicher 240 über die Signalleitungen 212 und 213, um die Signalanteile, die über die Signalleitung 164 von dem Lichtdetektor 160 empfangen werden, entsprechend jeweils den Bildelementen 162 in dem ersten oder Referenzbildbereich 242 oder dem zweiten oder nachfolgendem Bildbereich 244 zu speichern. Insbesondere werden die Bildwerte von den einzelnen Bildelementen 162 in einem zweidimensionalen Array bzw. Feld in dem ersten Bildbereich 242 und dem zweiten Bildbereich 244 entsprechend den Positionen der einzelnen Bildelemente 162 in dem Array 166 gespeichert.
Wenn ein erstes Bild in dem ersten Bildbereich 242 gespeichert ist, wartet die Steuerung 210 die vorbestimmte kurze Zeitperiode ab, um erneut das Steuersignal auf der Signalleitung 211 zu dem Lichtquellentreiber 220 auszusenden, um erneut die Lichtquelle 130 anzusteuern. Die Bilddetektorschnittstelle 230 und der Speicher 240 werden dann unter Verwendung von Signalen auf den Signalleitungen 212 und 213 so gesteuert, um das resultierende Bild in dem zweiten Bildbereich 244 zu speichern.
Danach gibt die Steuerung 210 ein Signal auf der Signalleitung 215 zu der Vergleichsschaltung 250 aus. In Reaktion darauf sendet die Vergleichsschaltung 250 einen Bildwert für ein spezielles Pixel von dem ersten Bildbereich 242 über eine Signalleitung 252und empfängt den Bildwert für das entsprechende Pixel auf der Grundlage des aktuellen Offset von dem zweiten Bildbereich 244 über die Signalleitung 252. Die Vergleichsschaltung 250 wendet dann einen Korrelationsalgorithmus an, um ein Vergleichsergebnis zu ermitteln. Es kann eine beliebige geeignete Korrelationstechnik, die bislang bekannt ist oder noch zu entwickeln ist, von der Vergleichsschaltung 250 angewendet werden, um das in dem ersten Bildbereich 242 gespeicherte erste Bild mit dem in dem zweiten Bildbereich 244 gespeicherte zweite Bild auf einer Pixel-zu-Pixel-Basis auf der Grundlage des aktuellen Offsetwertes zu vergleichen. Die Vergleichsschaltung 250 gibt das Vergleichsergebnis auf einer Signalleitung 254 an den Vergleichsergebnisakkumulator 260 für den aktuellen Korrelationsoffsetwert aus.
Wenn die Vergleichsschaltung 250 den Bildwert für jedes der Bildelemente 162 von dem ersten Bildbereich 242 extrahiert und verglichen hat und diese mit dem in dem zweiten Bildbereich 244 gespeicherten entsprechenden Bildwert verglichen hat, und die Korrelationstechnik angewendet und das Vergleichsergebnis an den Vergleichsergebnisakkumulator 260 ausgegeben hat, dann definiert der in dem Vergleichsergebnisakkumulator 260 gespeicherte Wert den Korrelationswert in vorbestimmten Einheiten entsprechend dem aktuellen Offsetwert, wie dies beispielhaft in Fig. 7 dargestellt ist. Die Steuerung 210 sendet dann ein Signal über die Signalleitung 214 zu dem Vergleichsergebnisakkumulator 260 und zu dem Speicher 240 über die Signalleitung 213 aus. Als Folge davon wird das Korrelationsalgorithmusergebnis, das in dem Vergleichsergebnisakkumulator 260 gespeichert ist, ausgegeben und in dem Korrelationsbereich 246 des Speichers 240 an einer Stelle entsprechend dem aktuellen Offsetwert gespeichert.
Die Steuerung 210 gibt dann ein Signal auf der Signalleitung 214 aus, um den Ergebnisakkumulator 260 zurückzusetzen. Wenn alle Vergleichsvorgänge für alle gewünschten Offsetwerte zwischen dem in dem ersten Bildbereich 242 gespeicherten ersten Bild und dem in dem zweiten Bildbereich 244 gespeicherten zweiten Bild durch die Vergleichsschaltung 250 ausgeführt sind und die Ergebnisse von dem Vergleichsergebnisakkumulator 260 gesammelt und in dem Korrelationsbereich 246 unter der Kontrolle der Steuerung 210 gespeichert sind, gibt die Steuerung 210 ein Steuersignal über die Signalleitung 216 zu der Interpolationsschaltung 270 aus.
In Reaktion darauf nimmt die Interpolationsschaltung 270 die in dem Korrelationsbereich 246 gespeicherten Ergebnisse über die Signalleitung 252 auf und ermittelt Korrelationswerte, die mit einem Spitzenwert oder Talwert der Korrelationsfunktion übereinstimmen und interpoliert unter Anwendung ausgewählter Korrelationsfunktionswertepunkte in der Nähe des Spitzenwerts/Talwerts der Korrelationsfunktion, um den Spitzenoffsetwert oder den Bildverschiebungswert mit Teil- bzw. sup-Pixelauflösung zu bestimmen. Die Interpolationsschaltung 270 gibt dann mittels der Steuerung des Signals auf der Signalleitung 216 von der Steuerung 210 den ermittelten abgeschätzten Teilpixel- Verschiebungswert auf einer Signalleitung 279 zu der referenzbildinternen Positionsfehlerkompensationsschaltung 300 aus.
Die referenzbildinterne Positionsfehlerkompensationsschaltung 300 verwendet in Reaktion auf die Steuerung mittels eines Signals von der Steuerung 210 auf einer Signalleitung 218 eine vorbestimmte referenzbildinterne Fehlerkompensationsfunktion auf den ermittelten abgeschätzten Teilpixelverschiebungswert, der auf der Signalleitung 279 empfangen wird, an, um einen kompensierten abgeschätzten Teilpixelverschiebungswert zu erzeugen. Dieser kompensierte abgeschätzte Teilpixelverschiebungswert wird über eine Signalleitung 302 zu dem Positionsakkumulator 280 ausgegeben. Der Positionsakkumulator 280 addiert in Reaktion auf das Signal auf der Signalleitung 217 von der Steuerung 210 den kompensierten abgeschätzten Verschiebungswert zu einer akkumulierten Verschiebung, die in dem Positionsakkumulator 280 gespeichert ist. Der Positionsakkumulator 280 gibt dann die aktualisierte Positionsverschiebung an die Steuerung 210 über die Signalleitung 282 aus.
In Reaktion darauf kann die Steuerung 210 den aktualisierten Verschiebewert zu dem Anzeigetreiber 290 - falls vorhanden, über die Signalleitung 220 ausgegeben. Der Anzeigetreiber 290 sendet dann Ansteuersignale über die Signalleitung 292 zu einem Anzeigegerät (nicht gezeigt), um en aktuellen Verschiebewert anzuzeigen.
Eine oder mehrere Signalleitungen 296 - falls vorgesehen - bilden eine Schnittstelle zwischen einem Bediener oder einem kooperierenden System und der Steuerung 210. Falls vorgesehen, kann die Eingabeschnittstelle 295 die Eingangssignal oder Befehle zwischenspeichern oder umwandeln und das geeignete Signal an die Steuerung 210 aussenden. Die Eingabeschnittstelle 295 kann ferner entfernbar mittels einer Verbindung 412 an einem referenzbildinternen Positionsfehlerkompensationsfunktionsbestimmungssystem 400, das im Anschluss beschrieben wird, verbunden sein.
Fig. 14 ist eine Blockansicht, die detaillierter eine beispielhafte Implementierung der referenzbildinternen Positionsfehlerkompensationsschaltung 300 zeigt, die den Positionsfehler für die referenzbildinterne aktuelle Verschiebung abschätzt. Wie in Fig. 13 gezeigt ist, umfasst die referenzbildinterne Positionsfehlerkompensationsschaltung 300 eine Schaltung oder ein Modul 310 zum Ermitteln eines referenzbildinternen Positionsfehlers, eine Schaltung oder ein Modul 330 zum Bestimmen eines kompensierten Verschiebungswertes, und eine Signalleitung 320, die funktionsmäßig die Schaltung oder das Modul 310 zum Ermitteln des referenzbildinternen Positionsfehlers mit der Schaltung oder dem Modul 300 zum Bestimmen des kompensierten Verschiebungswertes verbindet.
Im Betrieb empfängt die Schaltung oder das Modul 310 zum Ermitteln des referenzbildinternen Positionsfehlers den aktuellen unkompensierten abgeschätzten Verschiebungswert von der Interpolationsschaltung 270 über die Signalleitung 279 und ermittelt den referenzbildinternen Positionsfehler für den empfangenen aktuellen unkompensierten Verschiebungswert, wobei die Parameter bereits ermittelt worden sind. In diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen werden andere Gleichungen, die sich von den Gleichungen (4) und (5) unterscheiden, aber dem referenzbildinternen Positionsfehler angepasst sind, verwendet, um den referenzbildinternen Positionsfehler für den aktuellen unkompensierten abgeschätzten Teilpixelverschiebungswert zu ermitteln. Die Schaltung 310 zum Ermitteln des referenzbildinternen Positionsfehlers ermittelt einen referenzbildinternen Positionsfehler für die aktuelle Verschiebung auf der Grundlage der vorbestimmten Fehlerfunktion und des empfangenen unkompensierten abgeschätzten Teilpixelverschiebungswertes und gibt den ermittelten referenzbildinternen Positionsfehler zu der Schaltung oder dem Modul 300 zur Bestimmung des kompensierten Verschiebungswertes über die Signalleitung 320 aus.
Die Schaltung 330 zum Bestimmen des kompensierten Verschiebungswertes nimmt den unkompensierten abgeschätzten Teilpixelverschiebungswert von der Interpolationsschaltung 270 über die Signalleitung 279 und den referenzbildinternen Positionsfehler für den unkompensierten Verschiebungswert über die Signalleitung 320 auf. Die Schaltung oder das Modul 230 zum Bestimmen des unkompensierten Verschiebungswertes kombiniert den unkompensierten abgeschätzten Teilpixelverschiebungswert und den referenzbildinternen Positionsfehler, um den kompensierten abgeschätzten Teilpixelverschiebungswert zu erzeugen. Die Schaltung oder das Modul 330 zum Bestimmen des kompensierten Verschiebungswertes gibt den bestimmten kompensierten abgeschätzten Teilpixelverschiebungswert über die Signalleitung 302 zu dem Positionsakkumulator 280 aus.
Fig. 15 ist eine Blockansicht, die detaillierter eine beispielhafte Ausführungsform des Systems 400 zum Bestimmen der referenzbildinternen Positionsfehlerkompensationsfunktion darstellt. Wie in Fig. 15 gezeigt ist, kann das System 400 zum Bestimmen der referenzbildinternen Positionsfehlerkompensationsfunktion lösbar mittels einer Verbindung 412 mit der Eingabeschnittstelle 295 verbunden sein. Die Steuerung 210 kann während eines Startvorganges, wenn das System zum Bestimmen der referenzbildinternen Positionsfehlerkompensationsfunktion an der Eingabeschnittstelle 295 angebracht ist, die rohen, unkompensierten Teilpixelverschiebungswerte von der Interpolationsschaltung 270 zu dem System 400 zum Bestimmen der referenzbildinternen Fehlerkompensationsfunktion mittels der Verbindung 412 liefern. Das System 400 zum Bestimmen der referenzbildinternen Fehlerkompensationsfunktion verwendet die unkompensierten abgeschätzten Teilpixelverschiebungswerte und entsprechende Messungen des tatsächlichen Teilpixelverschiebungswertes, um eine referenzbildinterne Positionsfehlerkurve zu erzeugen, wie etwa jene, die in den Fig. 7-10 gezeigt sind. Das System 400 zum Bestimmen der referenzbildinternen Fehlerkompensationsfunktion bestimmt dann die referenzbildinterne Fehlerkompensationsfunktion und gibt diese an die Steuerung 210 über die Eingabeschnittstelle 295 und über die Verbindung 412 aus. Die Steuerung 210 speist dann die referenzbildinterne Fehlerkompensationsfunktion in die referenzbildinterne Positionsfehlerkompensationsschaltung 300 ein, um diese zu initialisieren, so dass diese während des Betriebsmodus verwendbar ist, um die unkompensierten abgeschätzten Verschiebungswerte in kompensierte abgeschätzte Verschiebungswerte umzuwandeln.
Wie in Fig. 15 gezeigt ist, umfasst das System 400 zum Bestimmen der referenzbildinternen Positionsfehlerkompensationsfunktion eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 410, einen Speicher 420, eine Steuerung 430, eine Schaltung oder Modul 440 zum Ermitteln eines Parameters, eine Schaltung oder ein Modul 450 zum Ermitteln eines Fehlers, und eine Schaltung oder ein Modul 460 zum Bestimmen einer Fehlerakzeptanz, die jeweils mit einem Steuer/Datenbus 470 verbunden sind. Die Steuerung 430 steuert die Funktion der diversen Komponenten, die das System 400 zum Bestimmen der referenzbildinternen Positionsfehlerkompensationsfunktion bilden, und verarbeitet die Daten. Der Speicher 420 liefert den notwendigen Speicherplatz zum Speichern von Parametern und Zwischen- und Endergebnissen, die daraus gewonnen werden und die notwendig sind, um die Bearbeitungssequenz, die von den diversen Komponenten des Systems 400 zum Bestimmen der referenzbildinternen Positionsfehlerkompensationsfunktion ausgeführt werden, durchzuführen. Die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle ist mindestens mit der Verbindung 412 mit der Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200 verbindbar, und ermöglicht ferner Eingaben von beliebigen angeschlossenen Anwendereingabeelementen, und/oder ermöglicht eine Ausgabe zu beliebigen angeschlossenen Anwenderausgabeelementen.
Im Betrieb ermittelt, erzeugt oder empfängt und setzt die Schaltung oder das Modul 440 zur Parameterermittlung die anfänglichen Parameter für die Funktion, die zum Abschätzen des referenzbildinternen Positionsfehlers für die aktuelle Verschiebung verwendet wird. Beispielsweise können die Anfangsparameter auf Null gesetzt werden. Alternativ können die Anfangsparameter auf Werte von Parametern von Systemen gesetzt werden, die unterschiedliche Komponentenabmessungen aufweisen. Die ermittelten Anfangsparameter werden der Schaltung oder dem Modul 450 zum Fehlerermitteln zugeführt.
Auf der Grundlage der ermittelten Anfangsparameter ermittelt die Schaltung oder das Modul 450 zur Fehlerermittlung unter Anwendung einer Gleichung, die den Positionsfehler abschätzt, eine Abschätzung des referenzbildinternen Positionsfehlers für die aktuelle Verschiebung. Die ermittelte Abschätzung des Positionsfehlers der referenzbildinternen Verschiebung wird an die Schaltung oder das Modul 460 zum Bestimmen der Fehlerakzeptanz weitergeleitet.
Auf der Grundlage des bereitgestellten oder bestimmten Positionsfehlers der referenzbildinternen Verschiebung bestimmt die Schaltung oder das Modul 460 zum Bestimmen der Fehlerakzeptanz, ob der restliche Positionsfehler akzeptabel ist. Wenn dies bestimmt wird, hat die Schaltung oder das Modul 460 zum Bestimmen der Fehlerakzeptanz in diversen beispielhaften Ausführungsformen Zugriff zu der Differenz zwischen dem "tatsächlichen" Positionswert der aktuellen Verschiebung und der unkompensierten Position des Referenzbildes der aktuellen Verschiebung. In diversen beispielhaften Implementierungen wird der "tatsächlichen" Positionswert der aktuellen Verschiebung durch ein beliebiges bekanntes und noch zu entwickelndes Verschiebungsbestimmungssystem oder Instrument mit beispielsweise Interferometrie und dergleichen bestimmt, die ein Messergebnis einer Verschiebung mit einer Auflösung ergibt, die mindestens so hoch ist als die Auflösung des Bildkorrelationssystems. In diversen beispielhaften Implementierungen wird der unkompensierte referenzbildinterne Positionswert für die aktuelle Verschiebung durch ein bekanntes oder noch zu entwickelndes Bildkorrelationssystem gewonnen.
In diversen beispielhaften Implementierungen vergleicht die Schaltung oder das Modul 460 zur Bestimmung der Fehlerakzeptanz den Wert der Gleichung zum Abschätzen des Positionsfehlers der aktuellen referenzbildinternen Verschiebung mit der Differenz zwischen dem "tatsächlichen" Positionswert und dem unkompensierten Positionswert der aktuellen referenzbildinternen Verschiebung, um zu bestimmen, ob der abgeschätzte Positionsfehler akzeptabel ist. Wenn der abgeschätzte Positionsfehler beispielsweise auf der Grundlage eines oder mehrerer vom Anwender bereit gestellter Kriterien akzeptiert wird, dann gibt die Schaltung oder das Modul 460 zum Bestimmen der Fehlerakzeptanz ein Signal aus, das zeigt, dass die Parameter der zum Abschätzen des Positionsfehlers in einer referenzbildinternen Verschiebung verwendet wird, akzeptabel sind. Wenn der abgeschätzte Positionsfehler nicht akzeptiert wird, dann gibt die Schaltung und das Modul 460 zum Bestimmen der Fehlerakzeptanz ein Signal aus, das anzeigt, dass die Parameter der zum Abschätzen des Positionsfehlers in einer referenzbildinternen Verschiebung verwendet werden, geändert werden sollten.
In diversen Implementierungen beeinflusst die Steuerung 430 die Änderung der Parameter der Gleichung zum Abschätzen des Positionsfehlers in einer Weise, die zum Akzeptieren des abgeschätzten Positionsfehlers führt. In anderen beispielhaften Implementierungen beeinflusst die Schaltung oder das Modul 440 zur Parameterermittlung das Ändern der Parameter der Gleichung zum Bestimmen des Positionsfehlers in einer Weise, die zum Akzeptieren des abgeschätzten Positionsfehlers führt. Das Ändern oder Überarbeiten der Parameter, um damit das Akzeptieren des abgeschätzten Positionsfehlers zu bewirken, wird durch ein beliebiges bekanntes oder noch zu entwickelndes Verfahren erreicht, beispielsweise mittels Anpassung auf der Grundlage von vom Anwender bereit gestellter Kriterien und/oder Anpassung auf der Grundlage des Minimierens der Differenz zwischen dem abgeschätzten, von der Abschätzgleichung bereit gestellten Positionsfehlers und der Differenz zwischen dem "tatsächlichen" Positionswert und der unkompensierten Position der referenzbildinternen Verschiebungen.
In einer beispielhaften Implementierung werden die Parameter c1, c2, c3, c4 - falls Gleichung (5) verwendet wird, c5 - falls Gleichung (6) verwendet wird und φ1, variiert, während ω1 und ω2 oder D konstant gehalten werden. In einer noch weiteren beispielhaften Implementierung werden die Parameter c1, c2, c3, c4 - falls Gleichung (5) verwendet wird, c5 - falls Gleichung (6) verwendet wird, φ1 ω1 und ω2 oder D variiert, wobei die Änderungen von ω1 und ω2 oder D relativ klein sind im Vergleich zu den Änderungen der Parameter c1, c2, c3, c4 - falls Gleichung (5) verwendet wird, c5 - falls Gleichung (6) verwendet wird, und φ1. In einer noch weiteren beispielhaften Implementierung werden die Kombinationen der Parameter c1, c2, c3, c4 - falls Gleichung (5) verwendet wird, c5 - falls Gleichung (6) verwendet wird, φ1, ω1, und ω2 oder D mit unterschiedlichen relativen Beträgen variiert. In einer noch weiteren beispielhaften Implementierung werden ein oder mehrere dieser Parameter auf der Grundlage der Verschiebung von dem Referenzbild unterschiedlich variiert.
In diversen beispielhaften Implementierungen werden der "tatsächliche" Verschiebungswert und der unkompensierte Positionswert für eine große Zahl von Verschiebungen zuvor ermittelt und werden dem System 400 zum Bestimmen der referenzbildinternen Positionsfehlerkompensationsfunktion über die I/O 410 zugeführt. In anderen diversen beispielhaften Implementierungen werden der "tatsächliche" Verschiebungswert und der unkompensierte Positionswert für die aktuelle Verschiebung in Echtzeit ermittelt. In diversen anderen beispielhaften Implementierungen werden die "tatsächlichen" Positionswerte und der unkompensierte Positionswert von referenzbildinternen Dislokationen an die Schaltung oder das Modul 450 zur Fehlerermittlung zugeführt, die dann die Differenz zwischen den "tatsächlichen" und unkompensierten Positionswerten ermittelt.
In diversen beispielhaften Implementierungen können eine Kombination mit zumindest dem System 400 und diversen Komponenten der Schaltung 200 angewendet werden, um ein Korrelationsabbildungssystem mit spezifischen optischen Entwurfsparametern zu kennzeichnen. Dies lässt die Massenproduktion vieler Korrelationsabbildungssysteme mit den gekennzeichneten optischen Entwurfsparametern zu.
Die Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200 und das System 400 zum Bestimmen der referenzbildinternen Positionsfehlerkompensationsfunktion sind in diversen beispielhaften Ausführungsformen in einem programmierten Computer für allgemeine Zwecke implementiert. Die Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200 und das System 400 zur Bestimmung der referenzbildinternen Positionsfehlerkompensationsschaltung können jedoch auch jeweils auf speziellen Computern, einem programmierten Mikroprozessor oder Mikrokontroller und peripheren integrierten Schaltungselementen, einem ASIC oder einer anderen integrierten Schaltung, einen digitalen Signalprozessor, einer fest verdrahteten elektronischen oder Logikschaltung, etwa in Form einer Schaltung mit diskreten Elementen, einem programmierbaren Logikelement, etwa ein PLD, PLA, FPGA oder PAL oder dergleichen implementiert sein. Im Allgemeinen kann ein beliebiges Gerät, das eine finite Zustandsmaschine implementieren kann, die die Flussdiagramme in den Fig. 11 und 12 repräsentieren, verwendet werden, um die Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200 und das System 400 zum Bestimmen der referenzbildinternen Positionsfehlerkompensationsfunktion zu implementieren.
Selbstverständlich kann jede der Schaltungen, Module oder Routinen, die in den Fig. 11-15 gezeigt sind, als Teile eines geeigneten programmierten Computers für allgemeine Zwecke implementiert werden. Alternativ kann jede der Schaltungen, Module oder Routinen, die in den Fig. 11-15 gezeigt sind, als physikalisch unterscheidbare Schaltung in einem ASIC, implementiert sein, oder es können ein FPGA, ein PDL, ein PLA, ein PAL oder ein digitaler Signalprozessor verwendet werden, oder es können diskrete Logikelemente oder diskrete Schaltungselemente angewendet werden. Die spezielle Form, die jede der Schaltungen, Module oder Routinen annehmen kann, die in Fig. 11-15 gezeigt sind, ist entsprechend den Erfordernissen wählbar und ist für den Fachmann offensichtlich und erkennbar.
Beispielsweise können die Module als Trägerwellen implementiert sein, die Steuerinstruktionen zum Ausführen der in den Fig. 11 und 12 gezeigten Schritte sowie der Abschnitte dieser Offenbarung, die detaillierter die diversen beispielhaften Implementierungen beschreiben, transportieren. Des Weiteren können die Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung 200 und das System 400 zum Bestimmen der referenzbildinternen Positionsfehlerkompensationsfunktion jeweils in einem einzelnen Bildkorrelationssystem integriert sein, das das Fehlermaß (d. h. die Funktion) ermittelt, das den Positionsfehler beschreibt, und dieses anwendet, um die fehlerreduzierte Verschiebungsposition zu ermitteln. Diverse beispielhaften Implementierungen können sich als kompakter erweisen, wenn Redundanzen in den konstituierenden Schaltungen vermieden werden, beispielsweise indem eine Speicherschaltung oder Modul oder eine Steuerungsschaltung oder Modul vorgesehen wird. Diverse andere beispielhaften Implementierungen können Redundanzen beibehalten, um beispielsweise eine parallele Verarbeitung zu ermöglichen.
Diese Erfindung wurde anhand diverser beispielhafter Ausführungsformen mit Fleckenbildverarbeitung beschrieben, wobei die Verschiebungsbestimmung auf der Grundlage der Fleckenbilder verbessert wird. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Bestimmung der Verschiebung auf der Grundlage konventionell aufgenommener Bilder ebenso durch die erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren verbesserbar ist. Insbesondere wenn die konventionell aufgenommenen Bilder in gewisser Weise vorhersagbar oder gesteuert sind und eine große Informationsmenge in hohen räumlichen Frequenzen enthalten, sind die entsprechenden Verschiebungsbestimmungen gemäß dieser Erfindung deutlich besser im Vergleich zu konventionellen Verfahren.
Obwohl diese Erfindung im Zusammenhang mit den beispielhaften Ausführungsformen, die zuvor erläutert sind, beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, dass viele Alternativen, Modifikationen und Variationen für den Fachmann offenkundig sind. Die beispielhaften, zuvor erläuterten Ausführungsformen der Erfindung sind daher lediglich als anschaulich und nicht beschränkend zu betrachten. Es können diverse Änderungen durchgeführt werden, ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.

Figurenbeschreibung

Fig. 1

200 Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung
Fig. 2, 3, 3 1 verschobenes Bild
2 M Pixel
3 N Pixel
4 Reihe n
5 Pixel (m, n)
6 Spalte m
7 Referenzbild
8 Verschiebung
9 M x N Fenster im Referenzbild
10 M x N Fenster im verschobenen Bild
Fig. 5 1 X = Verschiebung (in µm)
X = Verschiebung (in Einheiten von P)
2 Y = Multiplikativer Korrelationsfunktionswert (willkürliche Einheiten)
Fig. 6 1 tatsächliche Position (Mikrometer)
2 Fehler bei der Positionsabschätzung (Mikrometer)
Fig. 7 1 Position w. r. t. des Referenzbilds (µm)
2 Positionsfehler (µm)
3 allgemeiner Kurvenverlauf
Fig. 8 1 Position w. r. t. des Referenzbilds (µm)
2 Positionsfehler (µm)
3 gemessener Fehler
Kompensationsfunktion
kompensierter Fehler
Fig. 9 1 Referenz µm
2 Fehler µm
3 gemessener Fehler
Kompensationsfunktion
kompensierter Fehler
Fig. 10 wie Fig. 9 Fig. 11 S1000 Ermitteln des tatsächlichen Verschiebungspositionsfehlers
S1020 Ermitteln der Anfangsparameter
S1030 Ermitteln der Differenz zwischen dem tatsächlichen und den abgeschätzten Positionsfehlern
S1040 ist die Fehlerdifferenz akzeptabel?
S1050 Ermitteln neuer Parameter
No, Yes Nein, Ja
Fig. 12 S1110 Ermitteln des aktuellen Verschiebungsbildes
S1120 Ermitteln eines unkompensierten Positionswertes für aktuelle Verschiebung
S1130 Ermitteln des referenzbildinternen Positionsfehlers für aktuelle Verschiebung
S1140 Ermitteln eines kompensierten Positionswertes für den referenzbildinternen Positionsfehler für die aktuelle Verschiebung
S1150 Ausgeben des ermittelten kompensierten Positionswertes für die aktuelle Verschiebung
S1160 Weitere Verschiebung?
Yes, No Ja, Nein
Fig. 13 200 Signalerzeugungs- und Verarbeitungsschaltung
220 Lichtquellentreiber
230 Lichtdetektorschnittstelle
290 Anzeigetreiber
295 Eingabeschnittstelle
400 System zum Bestimmen der referenzbildinternen Positionsfehlerkompensationsfunktion
210 Steuerung
240 Speicher
242 Referenzbildbereich
244 Bereich für aktuelles Bild
246 Korrelationsbereich
250 Vergleichsschaltung
260 Vergleichsergebnisakkumulator
270 Interpolationsschaltung
280 Positionsakkumulator
300 Referenzbildinterne Positionsfehlerkompensationsschaltung
Fig. 14 310 Schaltung oder Modul zum Ermitteln des referenzbildinternen Positionsfehlers
330 Schaltung oder Modul zum Bestimmen eines kompensierten Verschiebungswertes
300 Referenzbildinterne Positionsfehlerkompensationsschaltung
Fig. 15 400 System zum Bestimmen der referenzbildinternen Positionsfehlerkompensationsfunktion
410 Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle
420 Speicher
430 Steuerung
440 Schaltung oder Modul zur Parameterermittlung
450 Schaltung oder Modul zur Fehlerermittlung
460 Schaltung oder Modul zum Bestimmen der Fehlerakzeptanz

Claims

1. Verfahren, das zum Reduzieren von Verschiebungsfehlern in einem bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem anwendbar ist, wobei das Verfahren umfasst:
Bestimmen einer Abschätzung eines Fehlerbetrags entsprechend einem unkompensierten Verschiebungswert, wobei der unkompensierte Verschiebungswert eine Verschiebung zwischen einem Referenzbild und einem verschobenen Bild repräsentiert,
wobei die Abschätzung des Fehlerbetrags in dem bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem in Abhängigkeit zu einer Verschiebung relativ zu einer unspezifizierten Referenzbildposition dargestellt wird.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Erzeugen des unkompensierten Verschiebungswerts auf der Basis eines Referenzbildes und eines verschobenen Bildes umfasst.

3. Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Kombinieren des abgeschätzten Fehlerbetrags und des unkompensierten Verschiebungswertes, um eine kompensierte Verschiebung zwischen dem Referenzbild und dem verschobenen Bild zu bestimmen.

4. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei:
die Abschätzung des Fehlerbetrags eine von mehreren Fehlerabschätzungen ist, die in dem bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem in Abhängigkeit von den Verschiebungen relativ zu einer unspezifizierten Referenzbildposition repräsentiert sind; und
die Verschiebungen relativ zu einer unspezifizierten Referenzbildposition einen Bereich abdecken, der ein wesentlicher Teil des maximalen Verschiebungsbereichs ist, der für ein einzelnes Referenzbild in dem bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem verwendbar ist.

5. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abschätzung des Fehlerbetrags in einer Form repräsentiert ist, die eine Nachschlagtabelle umfasst.

6. Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Abschätzung des Fehlerbetrags in einer Form repräsentiert ist, die einen Wert auf der Grundlage einer Interpolation zwischen in der Nachschlagtabelle dargestellten Werten umfasst.

7. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei:
die Abschätzung des Fehlerbetrags in einer Form dargestellt wird, die eine Fehlerfunktion aufweist, die die Fehler repräsentiert, die in den unkompensierten Verschiebungswerten beobachtet werden, die von dem bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem über einen wesentlichen Teil eines maximalen Ver- Schiebungsbereiches, der in einem einzelnen Referenzbild in dem bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem verwendbar ist, bestimmt werden; und
die Fehlerfunktion mindestens eine Komponente enthält, die mit einem allgemeinen Kurvenverlauf der beobachteten Fehler in Beziehung steht, wobei der allgemeine Kurvenverlauf sich über einen wesentlichen Teil des maximalen Verschiebungsbereichs erstreckt, der mit einem einzelnen Referenzbild in dem bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem verwendbar ist.

8. Das Verfahren nach Anspruch 7, das ferner umfasst: Anpassen der Fehlerfunktion an eine Differenz zwischen Referenzwerten und unkompensierten Verschiebungswerten, wobei die Referenzwerte Verschiebungen zwischen dem Referenzbild und verschobenen Bildern repräsentieren, und wobei die unkompensierten Verschiebungswerte Verschiebungen zwischen dem Referenzbild und den verschobenen Bildern repräsentieren.

9. Das Verfahren nach Anspruch 8, das ferner Minimieren der Differenz zwischen der Fehlerfunktion und den Referenzwerten umfasst.

10. Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Fehlerfunktion eine erste periodische Komponente, die mit einem periodischen Bildkorrelationsinterpolationsfehler in Beziehung steht, aufweist.

11. Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Fehlerfunktion eine zweite Komponente enthält, die die Amplitude der ersten periodischen Komponente über einen Bereich modifiziert, der ein wesentlicher Anteil des maximalen Verschiebungsbereichs ist, der mit einem einzelnen Referenzbild in dem bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem verwendbar ist.

12. Vorrichtung, die zum Reduzieren von Verschiebungsfehlern in einem bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem verwendbar ist, mit:
einem Modul zum Bestimmen einer Abschätzung eines Fehlerbetrags entsprechend einem unkompensierten Verschiebungswert, wobei der unkompensierte Verschiebungswert eine Verschiebung zwischen einem Referenzbild und einem verschobenen Bild repräsentiert,
wobei die Abschätzung des Fehlerbetrags in dem Modul in Abhängigkeit von einer Verschiebung relativ zu einer unspezifizierten Referenzbildposition dargestellt ist.

13. Die Vorrichtung nach Anspruch 12, die ferner ein Modul zum Erzeugen des unkompensierten Verschiebungswerts auf der Grundlage eines Referenzbildes und eines verschobenen Bildes umfasst.

14. Die Vorrichtung nach Anspruch 12, die ferner ein Modul zum Kombinieren des abgeschätzten Fehlerbetrages und des unkompensierten Verschiebungswertes zur Bestimmung einer kompensierten Verschiebung zwischen dem Referenzbild und dem verschobenen Bild umfasst.

15. Die Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei:
die Abschätzung des Fehlerbetrags eine von mehreren Fehlerabschätzungen ist, die in dem Modul in Abhängigkeit von Verschiebungen relativ zu einer unspezifizierten Referenzbildposition dargestellt sind; und
die Verschiebungen relativ zu einer unspezifizierten Referenzbildposition einen Bereich abdecken, der ein wesentlicher Teil des maximalen Verschiebungsbereichs ist, der mit einem einzelnen Referenzbild in dem bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem anwendbar ist.

16. Die Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Abschätzung des Fehlerbetrags in einer Form repräsentiert ist, die eine Nachschlagtabelle umfasst.

17. Die Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Abschätzung des Fehlerbetrags in einer Form repräsentiert ist, die einen Wert auf der Grundlage einer Interpolation zwischen Werten, die in der Nachschlagtabelle dargestellt sind, aufweist.

18. Die Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei:
die Abschätzung des Fehlerbetrags in einer Form dargestellt ist, die eine Fehlerfunktion umfasst, die die Fehler repräsentiert, die in den unkompensierten Verschiebungswerten beobachtet werden, die von dem bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem über einen wesentlichen Teil eines maximalen Verschiebungsbereichs bestimmt sind, der mit einem einzelnen Referenzbild in dem bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem verwendbar ist; und
die Fehlerfunktion mindestens eine Komponente enthält, die mit einem allgemeinen Kurvenverlauf der beobachteten Fehler in Beziehung steht, wobei der allgemeine Kurvenverlauf sich über einen wesentlichen Teil des maximalen Verschiebungsbereichs erstreckt, der mit einem einzelnen Referenzbild in dem bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem verwendbar ist.

19. Die Vorrichtung nach Anspruch 18, die ferner ein Modul zum Anpassen der Fehlerfunktion an eine Differenz zwischen Referenzwerten und unkompensierten Verschiebungswerten aufweist, wobei die Referenzwerte Verschiebungen zwischen dem Referenzbild und verschobenen Bildern repräsentieren, und
wobei die unkompensierten Verschiebungswerte Verschiebungen zwischen dem Referenzbild und den verschobenen Bildern repräsentieren.

20. Die Vorrichtung nach Anspruch 19, die ferner ein Modul umfasst, das die Differenz zwischen der Fehlerfunktion und den Referenzwerten minimiert.

21. Die Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Fehlerfunktion eine erste periodische Komponente aufweist, die mit einem periodischen bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem in Beziehung steht.

22. Die Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Fehlerfunktion eine zweite Komponente enthält, die die Amplitude der ersten periodischen Komponente über einen Bereich modifiziert, der ein wesentlicher Teil des maximalen Verschiebungsbereichs ist, der mit einem einzelnen Referenzbild in dem bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem verwendbar ist.

23. Die Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung ein computerlesbares Medium ist und wobei das Modul ein Steuerungsprogramm ist, das auf dem computerlesbarem Medium gespeichert ist.

24. Trägerwelle, die so codiert ist, um ein Steuerungsprogramm zu einem Gerät zu übermitteln, das das Steuerungsprogramm ausführen kann, wobei das Steuerungsprogramm verwendbar ist, um Verschiebungsfehler in einem bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem zu reduzieren, wobei das Steuerungsprogramm umfasst:
Instruktionen zum Bestimmen einer Abschätzung eines Fehlerbetrags entsprechend einem unkompensierten Verschiebungswert, wobei der unkompensierte Verschiebungswert eine Verschiebung zwischen einem Referenzbild und einem verschobenen Bild repräsentiert,
wobei die Abschätzung des Fehlerbetrags in dem Steuerungsprogramm oder dem bildkorrelationsbasierten Verschiebungsmesssystem in Abhängigkeit zu einer Verschiebung relativ zu einer unspezifizierten Referenzbildposition repräsentiert ist.