用于确定光栅像在成像平面上的移位的方法和设备和用于确定物体高度的方法和设备

摘要

本公开实施例披露用于确定光栅像在成像平面上的移位的方法和设备、用于确定物体高度的方法和设备、和用于调整物体高度的方法和设备。本公开实施例提供的用于确定光栅像在成像平面上的移位的方法中，光栅经光学系统成像为所述光栅像并且投影到光学传感器上的所述成像表面形成光学光栅图案，所述方法包括：利用所述光学传感器接收所述光学光栅图案；保持所述光学传感器上的一部分像素的值且重置其余部分像素的值以形成虚拟的数字光栅图案；通过将光学光栅图案与数字光栅图案重叠并像素化来形成合成光栅图案；和通过测量所述合成光栅图案的积分光强分布，确定所述移位。

说明书

技术领域

本公开的实施例涉及到对物体高度的测量的领域，具体地，涉及一种用于确定光栅像在成像平面上的移位的方法和设备和一种用于确定物体高度的方法和设备。

背景技术

半导体制造过程中,物体，例如用于制造半导体微结构或集成电路的半导体原材料(更具体地，例如晶圆)，通常会被放置在工件台上进行诸如光刻等加工或者检测。晶圆的高度是所需采用的工艺流程中的一个非常重要的度量参数，且通常需要被调整以使得晶圆的表面被定位于适于入射光束或者带电离子束入射到的最佳焦平面处。由于晶圆通常具有较强反射性的镜面表面，因而，在一种用于对晶圆的高度进行检测的常规方法中，例如，使用一个光学装置照射光栅，光栅由此在受照射的情况下以一定的入射角度投影到晶圆表面以形成作为第一实像的第一光栅图案(grating pattern)；所投影的所述第一光栅图案继而经过晶圆表面反射后再次成像为(to image as)作为第二实像的第二光栅图案。第一和第二光栅图案是光学上由光线成像所呈的图案，称为光学光栅图案。当晶圆高度发生变化时，第二光栅图案相应地随之移位。由于第二光栅图案的位移与晶圆高度的变化相关，因此可以通过对于第二光栅图案的位移的测量来获得晶圆高度。

随着微电子技术的快速发展，集成电路的工艺尺度逐渐缩小到纳米数量级。在现有技术中，相应地，能够提供纳米量级测量精度的带电离子束(如电子束)已作为一种检测技术应用于半导体领域。在检测或者测量过程中，希望诸如硅片等物体能够位于最佳焦平面，以便于快速检测和实现较高的测量精度。由此，例如通过调整电子透镜电流来控制带电离子束的偏转、或者使得带有所述待测物体的Z向位移台发生移位，来使得待测物体(特别是其待测表面)处于带电离子束的最佳焦平面。在Z向位移台被移位从而导致待测物体表面处于离焦状态的情况下，例如使用一个测量装置来连续测量待测物体表面的高度。测量得到的高度例如被用作将位移台相对于作为移位目标的目标平面(例如在Z方向上)进行移位的反馈控制过程中的控制量。

并且，通常来说，测量装置可以使用实体的光栅(例如包含有多条光栅线)作为待投影到待测物体表面上以成像图案的物体。测量装置将光栅投射到待测物体的表面以成像为作为第一实像的第一光栅图案，随后第一光栅图案被物体表面反射后例如在一个光学传感器的成像平面上再次成像为作为第二实像的第二光栅图案，并被所述光学传感器接收。一旦物体高度发生变化，光学传感器上的第二光栅图案会相应移动。待测物体的高度值可以基于所述第二光栅图案的位移与待测物体的高度之间的函数关系来确定。然而，这种装置的测量精度会被光学传感器的像素大小所限制(例如，1/4像素大小)。

在现有技术中，常用的光学传感器诸如电荷耦合器件(CCD)，或者是互补型金属氧化物器件(CMOS)等例如被用于光栅图案的成像。这种依靠光栅的成像而实现的高度测量方法，其分辨率通常受限制于采用所述光学传感器的图像形成装置(诸如相机)的像素大小，而提高分辨率的方法一直在探寻中。

发明内容

为至少部分地克服上述现有技术中的缺陷和/或不足，本公开的实施例公开了用于确定光栅像在成像平面上的移位的方法和设备和用于确定物体高度的方法和设备。

在一方面，本公开的实施例公开了一种用于确定光栅像在成像平面上的移位的方法，所述光栅像投影到光学传感器上的所述成像表面且形成光学光栅图案，所述方法包括：

利用所述光学传感器接收所述光学光栅图案；

保持所述光学传感器上的一部分像素的值且重置其余部分像素的值以形成虚拟的数字光栅图案；

通过将光学光栅图案与数字光栅图案重叠并像素化来形成为合成光栅图案；和

通过测量所述合成光栅图案的积分光强分布，确定所述移位。

另一方面，本公开的实施例公开了一种用于确定物体高度的方法，包括：

将来自光源的光经过光栅投射到物体的表面上，且继而反射到所述光学传感器的所述成像表面上以形成所述光栅像；

利用前述的方法来确定所述光栅像在所述成像平面上的移位，和

基于所述移位与物体的高度之间的线性关系来确定所述高度。

再一方面，本公开的实施例公开了一种用于确定光栅像在成像平面上的移位的设备，所述光栅像投影到位于光学传感器上的所述成像表面并且形成光学光栅图案，所述设备包括：

光学传感器，被配置成接收所述光学光栅图案；和

处理器，与所述光学传感器成通信连通，且被配置成与所述光学传感器协同以执行以下操作：

保持所述光学传感器上的一部分像素的值且重置其余部分像素的值来形成虚拟的数字光栅图案；

通过将光学光栅图案与数字光栅图案重叠并像素化来形成合成光栅图案；和

通过测量所述合成光栅图案的积分光强分布来确定所述移位。

又一方面，本公开的实施例公开了一种用于确定物体高度的设备，包括：

照射装置，被配置为产生照射束；

光栅，位于所述照射装置下游且被配置成接收所述照射束并将其投射到物体的表面上且继而反射到光学传感器的成像表面上以形成所述光栅像；和

根据前述的设备，布置于所述物体的下游，且被配置成利用所述处理器基于所述移位与物体高度之间的线性关系来确定所述高度。

附图说明

结合附图阅读以下详细描述可以更好地理解本公开的实施例。需要强调的是，根据惯例，图纸的各种特征不是按比例绘制的。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意扩大或缩小。

图1是根据本公开实施例的用于确定光栅像在成像平面上的移位的方法的示意性流程图。图2是本公开的一些实施方式中的实体光栅的示例光学光栅图案。

图3示出如图1中的形成数字光栅图案的步骤S102的示意性过程的流程图。

图4示出如图1中的确定光学光栅图案在成像平面中的移位的步骤S104的示意性过程的流程图。

图5是本公开的一些实施方式中的示例数字光栅图案的示意图。

图6(a)和图6(b)是用于调节示例光学光栅图案和示例数字光栅图案之间的对准的一种实施例的示意图。

图7(a)和图7(b)是用于调节示例光学光栅图案和示例数字光栅图案之间的对准的另一种实施例的图。

图8(a)是在本公开的一些实施方式中的由示例光学光栅图案与示例数字光栅图案通过运算来重叠而形成合成光栅图案的示意性图样，其中光学光栅图案与数字光栅图案的周期不同。

图8(b)和图8(c)是示出如图8(a)所示重叠之后合成光栅图案的示意性图样，其中图8(b)示出由第一数字光栅子图案保持的部分912且图8(c)示出由第二数字光栅子图案保持的部分914。

图9(a)和图9(b)是在如图8(a)和图8(b)、图8(c)所示的本公开的一些实施方式中与由第一数字光栅子图案保持的部分912和由第二数字光栅子图案保持的部分914对应的积分信号曲线示意图，其中，等强度位置位于边界处。

图9(c)是在如图8(a)和8(b)、图8(c)所示的本公开的另一些实施方式中的积分信号曲线示例图，其中等强度位置不位于边界处。

图9(d)是在如图9(c)所示的本公开的另一些实施方式中的积分信号曲线的经归一化处理后的积分强度差示例图，其中等强度位置不位于边界处。

图10(a)是在本公开的另一些实施方式中的由示例光学光栅图案与示例数字光栅图案通过运算来重叠而形成其他的合成光栅图案的示意性图样，其中光学光栅图案与数字光栅图案的周期一致。

图10(b)和图10(c)是示出如图10(a)所示重叠之后合成光栅图案的示意性图样，其中图10(b)示出由第一数字光栅子图案保持的部分1106且图10(c)示出由第二数字光栅子图案保持的部分1108。

图11(a)和图11(b)是在本公开的一些实施方式中的积分信号曲线示例图，其中光学光栅图案和数字光栅图案的周期相同。

图12是根据本公开的实施方式的用于测量物体高度的示例方法的示意性流程图。

图13是根据本公开的实施方式的用于确定光栅像在成像平面上的移位的设备的结构示意图。

图14是根据本公开的实施方式的用于确定物体的高度的设备的结构示意图。

图15是根据本公开的实施方式的用于确定光栅像在成像平面上的移位的设备中的处理器及其相关联器件的示意性框图。

具体实施方式

首先阐述本公开的总体技术构思。

根据本公开的实施方式公开了基于数字光栅的用于确定光栅像在成像平面上的移位的方法和设备、以及继而用于测量和调节物体的高度的方法和设备。具体地，本公开的方法和装置通过使用像素化的光学传感器来产生虚拟的、非物理的光栅图案(被称为“数字光栅图案”)以作为测量基准。数字光栅图案可以被配置用以保持和重置(或清除)光学光栅图案的选定像素。可以通过利用运算来重叠所述数字光栅图案和由实体的(即物理的)光栅器件通过投射和/或反射而成像的光学光栅图案以生成合成光栅图案。当物体的高度发生变化、以及由此导致光栅像在成像平面上移位时，合成光栅图案相应变化。合成光栅图案的积分光强(也称积分强度)可以被确定并用于测量光栅像在成像平面上的移位和物体高度。术语“积分光强”在本文中是指落入一个区域的总的光强(例如，通过求和或积分确定)。本公开的实施例披露的装置由于与机械游标卡尺在工作原理上的相似性而被类比地称为“光学游标卡尺”。

具体地，机械游标卡尺包含主尺和游标尺。主尺和游标尺在长度方向上各自的刻度分度(index)有所不同，这便决定了测量分辨率。类似地，在本公开的实施例中，数字光栅图案具有第一占空比(例如1：1)和第一空间周期(或者简称为“周期”)。光学光栅图案具有第二占空比(例如1：1)和第二空间周期。在一些实施方式中，第一和第二占空比可以是相同的。且第一空间周期与第二空间周期的不同可以类似于机械游标卡尺的主尺与游标尺各自刻度分度的不同，由此，数字光栅图案例如视为等效的“主尺”，相应地光学光栅图案例如视为等效的“游标尺”。在一些实施方式中，如果第一和第二占空比都是1：1，则第一周期和第二周期的差别(简称Δp)决定了所述“光学游标卡尺”的测量分辨率。光栅像在成像平面上的移位、及相应的物体表面的高度可以通过测量合成光栅图案的积分光强来测量。

在一些实施方式中，通过构造所述合成光栅图案的归一化积分光强差分曲线可以进一步改善测量分辨率。通过使用上述的所谓“光学游标卡尺”，测量分辨率取决于Δp和构造归一化积分光强差分曲线二者。由此，测量分辨率可达到像素的极小比例部分(例如，1/40像素)；此外，图像处理过程得以相应简化，提高了测量速度。而且，数字光栅图案的形状或尺寸可以例如通过数字化方式来灵活改变。通过构造归一化积分光强差分曲线，能够降低由于物体表面的形貌导致的合成光栅图案的光强度变化的敏感度，从而提高测量精度。

应该注意的是，本文中的“物体”或“待测物体”是指任何具有镜面特征、或具备镜面反射特性的物理对象。例如，所述物体可以包括硅片，镜子或玻璃产品。所述的光学游标卡尺的应用不局限于半导体制造过程中的硅片高度测量。它可用于测量任何具有反射表面的物体的高度，平移或位移。

下面阐述本公开的示例性的具体实施例。

图1是根据本公开实施例的用于确定光栅像在成像平面上的移位的方法的示意性流程图。如图所示，本公开实施例提供一种用于确定光栅像在成像平面上的移位的方法M100，所述光栅像投影到位于光学传感器上的所述成像表面并且形成光学光栅图案，所述方法M100包括：

步骤S101：利用光学传感器接收光学光栅图案；

步骤S102：通过所述光学传感器形成数字光栅图案，包括：

通过所述光学传感器保持所述光学传感器上的一部分像素的值且重置其余部分像素的值来形成虚拟的数字光栅图案；

步骤S103：通过将光学光栅图案与数字光栅图案重叠并像素化来形成合成光栅图案；和

步骤S104：通过测量所述合成光栅图案的积分光强分布来确定所述光学光栅图案在所述成像平面上的移位。

在更具体的实施例中，光学传感器例如是包括呈阵列布置的多个像素作为其感测单元的传感器，诸如CCD器件，CMOS器件传感器等。作为示例，在步骤S101中，通过利用光学传感器的呈阵列布置的所述多个像素对传送至其的关于图形的信号进行记录并显示为物理的图案在下文中被称为“像素化”。

因此，光学光栅图案是由所述光学传感器对已传播经过光栅器件继而投射到其成像平面上的所接收光线的光学像进行像素化后产生的物理的图案。并且，光学传感器还通过保持或重置(或清除)其指定像素的显示状态(即，点亮或关断/熄灭)来产生虚拟的数字光栅图案，如下文所述。

由此，可类似地得知，下文的由光学光栅图案和数字光栅图案形成的合成光栅图案也是所述光学传感器的呈阵列布置的所述多个像素在所述光学光栅图案的基础上受数字光栅图案的控制，来进行像素化而产生的物理的图案。

图2是示例性光学光栅图案900。照射光穿过光栅的狭缝并且形成图示为由白色区域与灰色区域交替布置而形成的图案，其中灰色区域被白色区域间隔开。在本公开实施例中，在如图所示的光栅图案中，以灰色突出表示的由相邻像素共同形成的呈条状的连续图案可以被称为“光栅线”，每条所述光栅线表征所述光栅图案上的透光的部分。例如，光栅图案900图示为包括8条光栅线。光栅图案900的图案可以类似于生成其的光栅的图案。光栅的周期可以是p，并且占空比可以是1：1。当光栅的占空比为1：1时，光栅图案900中的灰色区域的宽度等于白色区域的宽度。在其他实施方式中，光栅图案可以包括其他图案，或者具有其他图案，或者除1：1以外的周期。

图3示出如图1中的步骤S102的示意性过程的流程图。如图3所示，其操作确定数字光栅图案。例如，数字光栅图案可以由与光学传感器相连通的处理器中的图像处理软件生成。为了提高测量精度，可以将数字光栅图案形成为包括至少一个，典型地多于一个的数字光栅子图案。为了便于解释而不引起歧义，下文描述使用两个数字光栅子图案(称为“第一数字光栅子图案”和“第二数字光栅子图案”)的示例。数字光栅图案可以在软件或硬件级别上实施。例如，软件级数字光栅图案可以体现为光栅矩阵，在下文加以描述，从而易于构建数字光栅图案的任何特性。

例如，如图3所示，通过所述光学传感器基于所述光学光栅图案形成数字光栅图案的步骤S102包括：

S1021：形成所述第一数字光栅子图案，例如通过保持所述光学传感器上的所述一部分像素的值且重置所述其余部分像素的值来实现；

S1022：形成所述第二数字光栅子图案，例如通过重置所述光学传感器上的所述一部分的像素的值并且保持所述其余部分像素的值来实现；和

S1023：形成完整的所述数字光栅图案，例如通过使得所述第一数字光栅子图案和所述第二数字光栅子图案的被保持和重置部分彼此互补。

在具体的实施例中，在光学传感器的成像平面上接受光学光栅图案之后，继而通过利用光学传感器选择性地保持或重置(或清除)通过对所接收光线进行像素化处理所产生的光学光栅图案的像素，例如用以生成下文所具体讨论的数字光栅图案，这个保持或重置的过程实质上视为选择性的“过滤”。术语“保持”在这里指的是保持对象(例如像素的值)不变。这里术语“重置”是指将对象的值改变为另一个值，例如0。

这种保持和重置例如通过运算完成，诸如通过矩阵相乘，使得光学光栅图案的一些像素的值被保持(例如，乘以1)，并且图案的一些像素的值被清除(例如，乘以0)。保持和重置也可以运用硬件直接完成。具体地，在示例性实施例中，光学传感器的一些像素可以被激活或启用(activated)，例如被配置为输出信号；并且光学传感器的一些像素可以被去激活或停用(deactivated)，例如被配置为不输出信号。

通过这种处理，已被标记数值的各个像素(例如，光栅图案的像素、或传感器上的显示像素)整体地映射成的“数字光栅图案”表示为呈仅包含元素“1”和“0”的0-1矩阵，即实质上为用于标记符号的矩阵(标记像素的点亮/熄灭)。换言之，数字光栅图案可以表示为一个矩阵，该矩阵包括一系列与光学传感器各像素的状态(例如启用和停用状态)相关联的值，例如，与光学传感器的各像素对应的所述矩阵中的各元素的值例如标记为“1”和“0”，分别用于与对象矩阵的对应像素相乘(具体地，所述相乘是至两个矩阵的对应位置的元素之间的点积/点乘，而非矩阵之间的叉乘)以实现对后者的保持和重置。

由此，数字光栅图案实质上表征了两个不同动作的选择：保持(例如，诸如1的常数)和重置(0)。通过虚拟的数字光栅图案与物理的光学光栅图案的叠置(在算法的具体实现上表现为各自对应的矩阵相乘)，相当于对于光学传感器的已显示所述光学光栅图案的各个像素均进而赋予一个动作(保持，或重置)，从而使得，当光入射到光学传感器的某个像素上时，从该像素输出的例如光学光栅图案的实际光强值将根据由数字光栅图案赋予该像素的具体动作而被选择为输出或不输出(例如，当所述某像素被赋予动作为保持(1)时，该像素保持被点亮且以该处所接收的光学光栅图案的实际光强值而被输出；而当所述某像素被赋予动作为重置(0)时，该像素熄灭即该像素处所接收的光学光栅图案的实际光强值不输出)。由此，生成合成光栅图案。即，数字光栅图案实际上充当对于整个光学光栅图案上各点处的光强进行选择性过滤的过滤器。

具体地，在前述步骤S1021和S1022中分别形成的第一和第二数字光栅子图案，例如可以是跨越整个光学传感器的所有像素而形成的互补的图案。

在替代的实施例中，在前述步骤S1021和S1022中分别形成的第一和第二数字光栅子图案，也例如替代地是基于以与所述光学光栅图案的光强分布相同的亮暗规律而形成的互补的图案；更具体地，例如，通过以与所述光学光栅图案的光强分布相同的亮暗规律保持所述光学传感器上的所述一部分像素的值且重置所述其余部分像素的值来形成所述第一数字光栅子图案；进而，通过将所述第一数字光栅子图案中被保持和重置部分翻转为重置和被保持部分，形成一个互补的第二数字光栅子图案(即，先基于相同的以与所述光学光栅图案的光强分布相同的亮暗规律来进行保持和重置，随后进行状态的翻转。本公开全文的实施例中，“翻转”即使得原为“被保持”的部分的状态变为“被重置”，且使得原为“被重置”的部分的状态变为“被保持”，即二者状态互换)。

在一些实施例中，第一和第二数字光栅子图案可以被构造为互补的。这里术语“互补”是指：第一数字光栅子图案中标记为“1”和“0”的像素分别在第二数字光栅子图案中标记为“0”和“1”。如果第一和第二数字光栅子图案是互补的，它们典型地具有相同的占空比和周期。为了测量光学光栅图案的移位，两个数字光栅子图案的图案可以与光栅图案的图案类似，例如具有1：1的占空比。为了达到不同的目的，可以将两个数字光栅子图案的周期设置为与稍后将描述的光栅图案的周期略微不同或相同。

图5是本公开的一些实施方式中的示例数字光栅图案的示意图，示出了可以在本公开实施例的实现中使用的示例数字光栅图案600-630。在图6中，每个数字光栅图案600-630包括两个互补的数字光栅子图案。每个数字光栅图案600-630可以包括多个连续的像素，并且像素由灰色或白色的矩形块表示。像素的颜色可以代表数字光栅的不同标签。例如，对于数字光栅图案600的第一数字光栅子图案而言，像素602(灰色)可以标记为“1”，而像素604(白色)可以标记为“0”。而对于在数字光栅图案600中的第二数字光栅子图案，像素602可以被标记为“0”，而像素604可以被标记为“1”。在本公开实施例中，标记为“1”的相邻像素被称为数字光栅线，标记为“0”的像素形成数字光栅图案中的间隔。数字光栅图案的占空比可以是数字光栅线宽度与其相邻间隔宽度的比值。数字光栅图案的每个周期例如体现为包括数字光栅线及其相邻间隔的可重复空间图案。

如图5所示，数字光栅图案600-630的图案可以具有不同的配置，如不同的尺寸，方位或形状。数字光栅图案600和610表明数字光栅线可以具有不同的方向，例如布置呈水平和垂直。数字光栅图案612和614表明数字光栅线可以具有更大的尺寸，例如两个像素的宽度。数字光栅图案616和618示出了数字光栅图案可以具有始终相同的周期和占空比，但均与前述数字光栅图案不同，诸如占空比变为1：2(当灰色和白色像素分别标记为“0”和“1”时)或2：1(当灰色和白色像素分别标记为“1”和“0”时)。数字光栅图案620和622表明数字光栅图案可以具有不同的周期、但始终相同的占空比，例如1：1。数字光栅图案624和626表明数字光栅线可以倾斜布置，例如呈对角线布置。数字光栅图案628和630示出数字光栅线可以形成各种图案，例如数字光栅图案628中的矩形图案或数字光栅图案630中的十字形图案。

数字光栅图案的周期和占空比可以是任何值。例如，在图5中，数字光栅图案600-618在水平或垂直方向上具有恒定周期，数字光栅图案620和622具有变化的周期，数字光栅图案624和626具有沿倾斜方向的恒定周期，数字光栅图案628和630有不规则周期。在图6中，数字光栅图案600-614具有1：1的占空比；数字光栅图案616-618具有2：1或1：2的占空比；数字光栅图案620和622具有1：1的占空比，但具有变化的周期；并且数字光栅图案628和630具有不规则的占空比。

在一些实施例中，数字光栅图案可以被改变或调制。例如，某些像素的值可以被加权(例如，乘以-1.5，0.5，2或任何数字)。又如，某些像素的值可以用相位(例如，通过乘以复数)来调制。为了便于解释而不引起歧义，下文以利用运算方式实现保持和重置为例进行描述。

由此，实质上，数字光栅图案例如可如下定义：

在直观的图形形式上，所述数字光栅图案的意义被限定为：一种利用基于数字化(像素化)光学传感器而构造的对光学图案进行调制的调制器。最简单的调制是对光学图案各个像素上的信号进行选择性过滤，例如某些像素上的信号实现保持，某些信号上的信号实现重置/滤除。这时，数字光栅图案可被看作为一种光强过滤器。数字光栅图案为一个虚拟的光栅图案，通常基于光学光栅图案的具体图形来构造，构造成与光学光栅图案呈同样或相似图形形式(为便于理解，例如，如从图5中各种光学光栅图案可称为彼此不同图形形式的；则相应地，形状和尺寸完全一样的图形称为同样的图形形式，形状相似但尺寸不同(例如比例缩放)的图形则称为相似的图形形式)，每个像素点处的取值通常为单位值1或0，“1”仅表示像素上信号保持(亮)，“0”表示像素上的信号/重置(灭)；

在算法上，所述数字光栅图案的意义则被限定为：基于由光学光栅图案像素化处理后形成的光学光栅图案的矩阵，来构造一个呈对应结构形式的矩阵(为便于理解，例如，光学光栅图案的强度矩阵中的透光像素(即光强度较强)点与不透光像素(即光强度较弱)点两种像素的分布，实质上分别与光学光栅图案中的光栅线条与间隔二者各自的分布一致，换言之，光学光栅图案矩阵中的光强度较强的像素的区域对应于光学光栅图案中的光栅线区域，而光学光栅图案矩阵中的光强度较弱的像素的区域对应于光学光栅图案中的介于光栅线之间的间隔的区域、或背景区域；而数字光栅图案的像素信号保持(点亮)/像素信号重置(熄灭)的分布则与对应光学光栅图案的强度的矩阵(下文称为“强度矩阵”)中的光强度较强/光强度较弱像素分布相同、相反或相似，则称为对应矩阵形式)例如，0-1矩阵，以便于光学光栅在光学传感器上成像后与数字光栅相乘以达到特定的效果。

一旦已形成数字光栅图案，在直观的图形表示方法中，则合成光栅图案可以通过将光学光栅图案与作为数字光栅图案的一个或多个数字光栅图案重叠(例如通过运算实现)来生成。而在具体的算法实现中，这种重叠的具体实现例如可以体现为将表示光学光栅图案的强度的矩阵与数字光栅矩阵相乘。

在一些实施方式中，在重叠的过程中，可调整光学光栅图案与数字光栅图案之间的对准以减少测量误差。

图6(a)和图6(b)是用于调节示例光学光栅图案和示例数字光栅图案之间的对准的一种实施例的示意图。具体地，图6(a)是通过旋转调整对齐的过程中的状态示例图。如图6(a)所示，光学光栅图案706的光栅线倾斜地与两个互补的数字光栅子图案的数字光栅线交叉。第一数字光栅子图案可以包括标记为“1”的第一像素行702(灰色)和标记为“0”的第二像素行704(白色)，并且第二数字光栅子图案可以包括标记为“0”的第一像素行702以及标记为“1”的第二像素行704。为了调整对准，光学光栅图案706和/或数字光栅图案可以被旋转(例如，在处理器的控制下执行)以满足测量要求。例如，测量要求可以是数字光栅线平行于光学光栅图案的光栅线。在调整之后，如图6(b)所示，图6(a)是通过旋转调整对齐的最终状态示例图，如图所示，数字光栅图案和光学光栅图案708是平行的。

图7(a)和图7(b)是用于调节示例光学光栅图案和示例数字光栅图案之间的对准的另一种实施例的图。图7(a)是通过调整光学光栅图案的尺寸来测量对准的过程中的状态的另一示例图。在图7(a)中，光学光栅图案802的尺寸大于数字光栅图案。为了调整对准，光学光栅图案802可以使用变焦镜头调整大小。例如，通过对用于引导穿过光栅传播的入射光投影至光学传感器上的透镜进行调整，光学光栅图案802可被调整为不同的尺寸以符合测量要求。如图7(b)所示，在调整之后，光学光栅图案804尺寸小于原光学光栅图案802。也可以选择应用不同图案的数字光栅图案来满足不同的测量要求。

图8(a)是在本公开的一些实施方式中的由示例光学光栅图案与示例数字光栅图案通过运算来重叠而形成合成光栅图案的示意性图样，其中光学光栅图案与数字光栅图案的周期不同。图8(b)、图8(c)分别示出如图8(a)所示重叠之后合成光栅图案的示意性图样，其中图8(b)示出由第一数字光栅子图案保持的部分912，且图8(c)示出由第二数字光栅子图案保持的部分914。

根据本公开的实施例，如图8(a)、图8(b)和图8(c)所示，所述第一数字光栅子图案的被保持部分912的像素被形成为平行的多个第一数字光栅线；所述第一数字光栅子图案的介于相邻第一数字光栅线之间的部分被重置以充当多个第一间隔；

所述第二数字光栅子图案的被保持部分914的像素被形成为平行的多个第二数字光栅线；所述第二数字光栅子图案的介于相邻第二数字光栅线的部分被重置以充当多个第二间隔；和

所述第一数字光栅线和所述第二数字光栅线交错布置成彼此平行且在多个边界处邻接，使得所述数字光栅图案具有第一占空比和第一周期。

在本公开的实施例中，例如，前述步骤S103即通过将光学光栅图案与数字光栅图案重叠成合成光栅图案包括：

将所述光学光栅图案与所述数字光栅图案叠置；继而

通过由所述第一数字光栅子图案保持所述光学光栅图案上的对应地重叠的部分来形成第一合成光栅子图案，其中第一合成光栅子图案包括由所述第一数字光栅子图案的第一数字光栅线保持所述光学光栅图案而形成的多个第一合成光栅线；和

通过由所述第二数字光栅子图案保持所述光学光栅图案上的对应地重叠的部分来形成第二合成光栅子图案，其中第二合成光栅子图案包括由所述第二数字光栅子图案的第二数字光栅线保持所述光学光栅图案而形成的多个第二合成光栅线。

具体地，如图8(a)和图8(b)、图8(c)所示，示出例如通过如前面图3相关的步骤S102形成数字光栅图案。一旦如图8(a)所示生成多个数字光栅子图案(例如，两个互补的数字光栅子图案)时，多个数字光栅子图案中的每一个均可与光学光栅图案的对应部分重叠以生成合成光栅图案的一个对应的子图案。即对于多个数字光栅子图案，每个数字光栅子图案可以生成一个合成光栅子图案。

图8(b)和图8(c)示出了包括第一合成光栅子图案912和第二合成光栅子图案914的示例性合成光栅图案。如图所示，数字光栅图案902包括两个互补的数字光栅子图案。第一数字光栅子图案包括标记为“1”的像素904(呈灰色)和标记为“0”的像素906(呈白色)。第二数字光栅子图案包括标记为“0”的像素904和标记为“1”的像素906。换句话说，像素904在第一数字光栅子图案中形成数字光栅线，且像素906在第二数字光栅子图案中形成数字光栅线。在图9中，两个互补数字光栅子图案中的每一个包括四条数字光栅线。分别对第一数字光栅子图案的数字光栅线和第二数字光栅子图案的数字光栅线进行排序，例如以从上往下的顺序来标记序号。基于此，如图8(a)所示，第一和第二数字光栅子图案各自的具备相同光栅线序号的数字光栅线相交界处的边界分别标记为C1-C4。例如，C1是第一数字光栅子图案的第一光栅线与第二数字光栅子图案的第一光栅线之间的边界。C2是第一数字光栅子图案的第二光栅线与第二数字光栅子图案的第二光栅线之间的边界，C3和C4定义依此类推。

例如，如图8(a)和图8(b)、图8(c)所示，第一和第二数字光栅子图案具有1：1的占空比和p的周期。数字光栅子图案的周期p即空间周期，例如定义为作为量度单位的可重复结构的物理尺寸，例如由所述图案在光学传感器上所跨越/涵盖的的多个像素数目(例如，图9中的4个像素)来表征，或替代地由多个像素所占据的实际尺寸来表征。类似地，例如，光学光栅图案908具有1：1的占空比和p+Δp的周期。周期差值Δp的数值可以是正值或负值，例如所述光学光栅图案的周期p+Δp与所述数字光栅图案的周期p之间的所述周期差值Δp小于或等于所述周期p的二分之一。

第一和第二合成光栅子图案912和914可以通过将光学光栅图案908分别与第一和第二数字光栅子图案重叠来获得。例如，第一合成光栅子图案912可以通过将光学光栅图案908的强度矩阵与第一数字光栅子图案的光栅矩阵相乘来生成。在乘法之后，与像素904叠置的光学光栅图案908的强度值被保持(表示为第一合成光栅子图案912中的矩形灰色区域)，而与像素906叠置的光学光栅图案908的强度值被清除(例如，设置为0)。第二合成光栅子图案914可以以类似的方式获得，其中与像素906叠置的光学光栅图案908的强度值被保持(表示为第二合成光栅子图案914中的矩形灰色区域)，而与像素904叠置的光栅图案908被清除(由空白表示)。两个互补数字光栅子图案的数字光栅线的边界可以形成用于测量光学光栅图案的移位的位置。例如，数字光栅图案902包括四个这样的边界C1-C4。

图4示出如图1中的确定光学光栅图案在成像平面中的移位的步骤S104的示意性过程的流程图。例如，如图4所示，通过测量所述合成光栅图案的积分光强分布来确定所述光学光栅图案在所述成像平面上的移位的步骤S104包括：

S1041：测量所述合成光栅图案的积分光强分布；

S1042：确定所述合成光栅图案上的积分光强的等强度位置，在所述等强度位置处，所述第一合成光栅子图案的单个第一合成光栅线的积分光强等于该处所邻接边界处的所述第二合成光栅子图案的对应的单个第二合成光栅线的积分光强；和

S1043：确定所述等强度位置相对于所述参考位置移位所跨越的所述数字光栅图案的周期数；和

S1044：通过将所述周期差值Δp与所确定的所述周期数相乘来确定所述移位，

其中，等强度位置相对于所述成像平面上的参考位置的距离是所述数字光栅图案的周期的整数倍，并且所述参考位置被设定为所述光学光栅图案在所述成像平面上尚未移位的情况下的上一个等强度位置，并且在所述等强度位置是所述参考位置的情况下，所述光学光栅图案在所述成像平面上的移位为零。

图4是用于使用一个或多个合成光栅子图案来测量光学光栅图案的移位的示例过程S104。例如，一个或多个数字光栅子图案可以包括两个互补的数字光栅子图案(例如，图8(b)中的第一和第二合成光栅子图案912和914为例)。在一种实现方式中，过程S104可以使用仅具备一个数字光栅子图案的数字光栅图案、和由此形成的仅具备一个合成光栅子图案的合成光栅图案来实现。为了降低测量参考位置对积分光强的依赖性并降低积分光强对测量精度的影响，可以使用两个互补的数字光栅子图案，并将在下文中作为示例进行描述。应该注意，这里公开的光学游标卡尺可以使用一个或多个数字光栅子图案，而不限于两个互补的数字光栅子图案。

在操作402中，积分光强由包括两个互补数字光栅子图案的数字光栅图案确定。例如，如图8(a)和图8(b)、图8(c)所示，可以计算数字子光栅图案902的每条数字光栅线的光强度，并且可以将合成光栅子图案的积分光强确定为由相应数字光栅子图案中每条数字光栅线的像素所保持而形成的合成光栅子图案的光栅线上的亮度之和。例如，在图8(a)中，第一和第二数字光栅子图案的数字光栅线分别包括像素904和906。相应地，第一和第二合成光栅子图案912和914中的每一个包括四行保持像素(显示为灰色矩形)。换句话说，第一和第二合成光栅子图案的每一个均包括四条光栅线，在图8(b)和图8(c)中例如以从上往下的顺序标记为L1-L4。第一合成光栅子图案912的L1-L4中的积分光强可分别确定为I11，I12，I13和I14。第二合成光栅子图案914的L1-L4中的积分光强可分别确定为I21，I22，I23和I24。

图9(a)和图9(b)是根据如图8(a)和8(b)所示的本公开的一些实施方式，在边界C1-C4处测量的合成光栅子图案的光栅线L1-L4的积分光强的曲线图，即与位于数字光栅线的同一边界处由第一数字光栅子图案保持而成的合成光栅子图案912和由第二数字光栅子图案保持而成的合成光栅子图案914二者分别对应的积分信号曲线示意图，其中，等强度位置位于边界处。图9(a)和图9(b)的垂直轴线表示积分光强。图9(a)和图9(b)的横轴表示数字光栅图案上对应的位置，包括边界C1-C4。如图所示，作为一种实施例，在两个合成光栅子图案的L1-L4中确定的积分光强位于图9(a)和图9(b)相应的边界处。例如，I11和I21位于C1，这是两个合成光栅子图案的L1的边界。两个积分光强曲线1002和1004中的每个可以分别通过连接每个合成光栅子图案的积分光强来确定。在一些实现中，积分光强曲线1002和1004可以通过拟合(例如，多项式拟合或三角关系拟合)来确定。

回头参考图4，操作S1042确定积分光强曲线1002和1004之间的等强度位置。例如，可以在图9(a)中确定交叉点1006。如图9(a)所示，交叉点1006的x坐标可以对应于数字光栅图案902中的位置，其可以被定义为“等强度位置”。在图9(a)中，作为例子，等强度位置是边界C3。换句话说，第一和第二合成光栅子图案912和914的积分光强在光栅线L3处相等。也就是说，边界C3将跨越其的光栅线L3等分为两部分。一部分在第一合成光栅子图案的第三光栅线(定位成与图8(a)中从上到下的像素904的第三灰色光栅线重合)中，并且具有积分光强I13，而另一部分在第二数字光栅子图案的第三光栅线(定位成与第二数字光栅子图案中从上到下的像素906的第三白光栅线重合)，并具有积分光强I23。

基于等强度位置，可以进而确定光学光栅图案的移位。

例如，如图9(a)和图9(b)所示，在确定所述等强度位置位于所述多个边界之一上的情况下，确定所述等强度位置相对于所述参考位置移位所跨越的所述数字光栅图案的周期数包括：

通过计数介于所述等强度位置与所述参考位置之间的第一数字光栅线、第二数字光栅线和边界之一的数量，来直接确定所述周期数。

具体地，例如，当光学光栅图案908向下移动Δp时，第一合成光栅子图案912和第二合成光栅子图案914在光栅线L2处的积分光强相等。换句话说，交叉点1006移动数字光栅图案的一个周期p，如图9(b)所示。也就是说，在图9(b)中，等强度位置从C3移位到C2。与图9(a)相比，因为L1-L4的积分光强随着光学光栅图案908的移动而变化，所以积分光强曲线1002和1004在图9(b)中相应地改变。又例如，当光学光栅图案908向下移动2Δp时，等强度位置从C3移位到C1。换句话说，光学光栅图案的位移(例如，2Δp)与等强度位置改变的周期数(例如2)之间存在关系。通常，假设等强度位置从一个参考位置变化了d个周期，则光学传感器上的光学光栅图案的对应位移x可被确定为：

x＝Δp·d方程式(1)

当等强度位置处于参考位置时，光学光栅图案的移位可被设置为0。在一些实施方式中，参考位置可被提前确定(例如，设计，分配或校准)。通过测量d，并使用方程式(1)，可以确定光学光栅图案的移位x。

在一些实现中，可以将Δp选择为小值，例如p的小比例部分(例如，1/10,1/30,1/40等)。也就是说，Δp可以小于或等于p的十分之一。当光学光栅图案在数字光栅上上下移动时(例如，如图8(a)、8(b)和8(c)所示)，测量过程可以类似于机械游标卡尺：具体而言，数字光栅图案可以当作主尺，具有间距p，而前述可移动的光学光栅图案可以当作游标尺，具有间距(p+Δp)。找到等强度位置的过程可以类比于找到机械游标卡尺的主尺和游标尺之间的对齐的过程。由方程式(1)可知，本公开实施例的这种测量的测量分辨率取决于周期差值Δp。

尽管图9(a)和图9(b)描述了当等强度位置处于两个互补数字光栅子图案的数字光栅线之间的边界时的示例，但在更普遍的情况下，等强度位置可以位于边界外的位置。图9(c)是根据如图8(a)和8(b)所示的本公开的一些实施方式，光栅线积分光强的曲线图，其中等强度位置不位于数字光栅线的边界处。在图9(c)中，交叉点1006对应于边界C3和C4之间的等强度位置1008。参考位置1010在边界C1和C2之间。换句话说，当等强度位置在参考位置1010处时，光学光栅图案的移位为0。在一些实施例中，光学光栅图案的移位可以如下确定。

例如，如图9(c)所示，在确定所述等强度位置介于两个相邻边界之间的情况下，确定所述等强度位置相对于所述参考位置移位所跨越的所述数字光栅图案的周期数包括：确定所述等强度位置相对于所述成像平面上的参考位置之间的距离；继而基于所述距离与所述周期数之间的线性关系来确定所述周期数。其中，确定所述等强度位置相对于所述成像平面上的参考位置之间的距离的步骤又包括：测量所述两个相邻边界处的所述第一合成光栅子图案的两个第一合成光栅线的积分光强、和所述两个相邻边界处的所述第二合成光栅子图案的两个第二合成光栅线的积分光强；并且基于在所述两个相邻边界中的一个边界处的所述第一合成光栅线与所述第二合成光栅线的积分光强的第一差值与在所述两个相邻边界中另一边界处的所述第一合成光栅线与所述第二合成光栅线的积分光强的第二差值二者的比值与所述距离之间的线性关系，来确定所述距离。

具体地，如图9(c)所示，等强度位置1008与参考位置1010之间的距离为D。边界C3与参考位置1010之间的距离为D1。边界C3与等强度位置1008之间的距离是D2。边界C4与等强度位置1008之间的距离是D3。数字光栅的周期是p。可以推导出：

p＝D2+D3方程式(2)

基于积分光强I13，I14，I23和I24，D2和D3之间的关系可以近似线性地确定为：

基于D2和D3之间的关系，D2可以被确定为：

基于D1和D2，距离D可以被确定为：

D＝D1+D2方程式(5)

当D确定时，可以将周期数d确定为D/p。通过返回使用前面的方程式(1)，可以确定光学光栅图案的移位。

具体地，在一些实施方式中，积分光强测量的精度可以受各种因素影响，例如物体的表面图案或不平衡照射光。为了进一步降低测量精度对积分光强的依赖性，可以在确定等强度位置之前将两个互补数字光栅子图案的积分光强进行归一化，并进而进行差分处理。

图9(d)是在如图9(c)所示的本公开的另一些实施方式中的积分信号曲线的经归一化处理后的积分强度差示例图，其中等强度位置不位于边界处。

在本公开的一些实施例中，如图9(d)所述，例如通过对积分光强的曲线图进行归一化来提高测量精度。例如，确定所述等强度位置相对于所述参考位置移位所跨越的所述数字光栅图案的周期数包括：

确定所述等强度位置相对于所述成像平面上的参考位置之间的距离，例如，确定所述第一合成光栅子图案的单个第一合成光栅线的积分光强和该处所邻接边界处的所述第二合成光栅子图案的对应的单个第二合成光栅线的积分光强二者之间的归一化的积分光强差值来确定在所述多个第一合成光栅线与所述多个第二合成光栅线互相邻接的所述多个边界处的归一化的差分的积分光强；继而基于所述归一化的差分的积分光强来确定所述距离；以及基于所述距离与所述周期数之间的线性关系来确定所述周期数。其中，步骤“基于所述归一化的差分的积分光强来确定所述距离”例如：包括通过基于所述多个边界处的归一化的差分的积分光强来构造归一化的积分光强差分曲线以确定所述等强度位置，所述曲线上的零值点对应于所述等强度位置；继而计算所述等强度位置与所述参考位置之间的距离。

具体地，例如，如果第一和第二合成光栅子图案的光栅线的积分光强分别是I1和I2，则归一化积分光强差I可以被确定为：

图9(d)是在如图9(c)所示的本公开的另一些实施方式中数字光栅线L1-L4处的积分信号曲线的经归一化处理后的积分光强差I的曲线图，其中所述等强度位置不位于边界处。Ii(i＝1,2,3,4)可以使用方程式(6)从图9(c)中的I1i和I2i(i＝1,2,3,4)确定。图9(c)的等强度位置1008表明此处两个合成光栅子图案的积分光强相等，对应于图9(d)中的零位置1012。归一化积分光强差分曲线1014可以通过使用Ii拟合(例如，使用多项式函数或三角关系)来确定。可以将零位置1012确定为归一化积分光强差分曲线1014的根。当光学光栅图案的移位为0时，可以更新曲线1014，并且可以将参考零位置确定为更新的曲线1014的根。在图9(d)中，零位置1012和参考零位置之间的距离可以被确定为位移d，并且光学光栅图案的移位可以返回使用前述方程式(1)来确定。

应该注意的是，测量的精度还可以取决于p(即，数字光栅的周期)和Δp(光栅图案和数字光栅之间的周期差值)之间的比率。通常，比值越大，归一化积分光强差分曲线1014的形状越精确，因此测量越精确。在一些实施方式中，可以设置该比值为几十倍(例如，30,40,50或更多)。

附图2至图9(d)中，作为示例，光学光栅图案可以具有与数字光栅图案类似的形状。应该注意的是，光栅图案可以与数字光栅相似或不相似，如周期，大小，占空比或任何参数。

图10(a)是在本公开的另一些实施方式中的由示例光学光栅图案与示例数字光栅图案通过运算来重叠而形成其他的合成光栅图案的示意性图样，其中光学光栅图案与数字光栅图案的周期一致。图10(b)和图10(c)是示出如图10(a)所示重叠之后合成光栅图案的示意性图样，其中图10(b)示出由第一数字光栅子图案保持的部分1106，和图10(c)示出由第二数字光栅子图案保持的部分1108。

在替代的实施例中，如图10(a)、图10(b)和图10(c)所示，所述第二周期等于所述第一周期。在此情况下，通过测量所述合成光栅图案的积分光强分布来确定所述光学光栅图案在所述成像平面上的移位包括：

确定所述第一合成光栅子图案的单个第一合成光栅线的积分光强和该处所邻接边界处的所述第二合成光栅子图案的对应的单个第二合成光栅线的积分光强之间的积分光强差值；和

根据所述积分光强差值与所述光学光栅图案在所述成像平面上的移位之间的线性关系确定所述移位。

作为具体示例，在图10(a)中，光学光栅图案1102以相同周期与数字光栅图案902叠置。相应地，可以确定合成光栅图案，包括第三合成光栅子图案1106和第四合成光栅子图案1108。第三和第四合成光栅子图案1106和1108的光栅线L1-L4处的积分光强可以在图11(a)中绘出。积分光强曲线1202和1204可以分别由1108和1106确定(例如，通过拟合)。

图11(a)和图11(b)是在本公开的一些实施方式中的积分信号曲线示例图，其中光学光栅图案和数字光栅图案的周期相同。与图9(a)相比，在图11(a)中，积分光强曲线1202和1204彼此不交叉。图11(a)中，由于光学光栅图案具有与第一和第二数字光栅图案相同的周期。由此光学传感器上的光学光栅图案的位移x可以与积分光强曲线1202和1204之间的距离D具有关系(例如，线性关系)。通过测量D，可以确定光学光栅图案的移位x。

当光学光栅图案1102处于参考位置时，光学光栅图案的移位可以被设置为0，并且积分光强曲线1202和1204可以叠置，如图11(b)所示。

图12是根据本公开的实施方式的用于测量物体高度的示例方法的示意性流程图。

在本公开实施例的另一方面，还披露一种用于确定物体高度的方法M1，包括：

M0：通过将来自光源的光经过光栅投射到待测物体的表面上来形成所述光栅像；

M100：利用根据前述的用于确定光栅像移位的方法，来确定从所述表面朝向所述光学传感器反射的光栅像在所述成像平面上的移位，和

M200：基于所述移位与物体的高度之间的线性关系来确定所述高度。

具体地，在一些实施方式中，当待测物体相对于参考高度(例如，零高度)移动h时，光学光栅图像可相对于光学传感器上的其成像平面上的对应参考位置移动x。例如，h和x之间的关系是：

h＝f·x方程式(7)

其中f是比例因子。在一些实施方式中，可以基于几何参数(例如，从物体表面朝向光学传感器的成像平面反射的待检测光与物体表面之间的角度)和/或光学参数(例如，介于物体表面与光学传感器之间的光学装置的放大率)来确定f。

在本公开实施例的另一方面，还披露一种用于调节物体高度的方法，包括：

通过致动器基于根据前述的用于确定物体高度的方法所确定的所述高度来朝向目标位置致动所述物体以调节物体的高度。

具体地，在一些实施方式中，前述方法可与用于对物体进行高度调节的致动器相结合使用以调节物体高度。例如，可用于实现承载所述物体的位移台的连续移动。在一些实施方式中，光栅可以附着到所述位移台上，并且光学传感器例如数字相机可以用于监测其移动。当位移台连续移动时，归一化积分光强差分曲线1014可水平移动。位移台的目标位置可以对应于数字光栅图案的位置。当零位置1012到达参考位置时，位移台及其所承载的物体移动到目标位置。

在本公开的一些进一步实施方式中，前述方法可以用于指令所述致动器实现步进移动来测量物体高度。例如，如果物体高度测量值不是在目标高度处，即如果物体高度的实时测量值未与目标高度重合，则可以将台阶单调递增或递减一个步长，然后重新测量物体高度。这个过程可以重复，直到物体高度达到目标高度。由此实现通过微调来实现对于物体高度的精确测量。

在本公开实施例的另外方面，还提供了一种用于确定光栅像在成像平面上的移位的设备，所述光栅像投影到位于光学传感器上的所述成像表面并且形成光学光栅图案，所述设备包括：

光学传感器，被配置成接收所述光学光栅图案；和

处理器，与所述光学传感器成通信连通，且被配置成与所述光学传感器协同工作以执行以下操作：

保持所述光学传感器上的一部分像素的值且重置其余部分像素的值来形成虚拟的数字光栅图案；

通过将光学光栅图案与数字光栅图案重叠并像素化来形成合成光栅图案；和

通过测量所述合成光栅图案的积分光强分布来确定所述光学光栅图案在所述成像平面上的移位。

图13是根据本公开的实施方式用于确定光栅像在成像平面上的移位的示例性设备100的结构示意图。如图所示，设备100包括光学传感器114和处理器202。并且例如，所述设备100位于作为光源的照射装置104、以及光栅108、和待测物体102下游，且光栅像是由来自光源108的光经光栅108入射到待测物体102，并被物体朝向光学传感器114反射，从而在光学传感器的成像平面上而形成。

在具体的实施例中，例如，光学传感器114是包括多个像素的诸如CCD传感器，CMOS传感器或任何其它类型的光学传感器。所述光学传感器选择性地保持或重置(或清除)其指定像素的显示状态(即，点亮或关断/熄灭)来生成前述数字光栅图案，在此不再赘述。

在具体的实施例中，例如，处理器202例如是被配置用于执行依序生成数字光栅图案(例如，体现为将要与光学光栅图案的光强矩阵通过运算而重叠的数字光栅矩阵)和合成光栅图案(例如，体现为重叠的结果)的代码或指令的单一处理单元或多个处理单元，诸如作为单个器件的微处理器(μP)、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑控制器(PLC)等；或例如可包括用于执行例如(通过相乘而)重叠等图像逻辑运算的中央处理单元(CPU)、和/或用于执行诸如选择待处理图像的范围等图像处理的图形处理单元(GPU)。

在一种实施例中，处理器202执行的代码或指令例如是内置的，由此，合成光栅图案例如可以通过由处理器直接执行内置的所述代码或指令，即通过对光学光栅图案的的光的强度矩阵和数字光栅矩阵二者执行相乘的运算来生成。

所述光学传感器与所述处理器协同工作以实现确定光栅像在成像平面上的移位的具体操作，类似于如前述的用于确定光栅像在成像平面上的移位的方法，且具有相似优点，在此不再赘述。

继而，本公开在下文中提供了若干种关于所述用于确定光栅像在成像平面上的移位的示例性设备100的实施例，其各个结构和子结构的配置分别与前述的用于确定光栅像在成像平面上的移位的示例性方法M100的各个步骤和子步骤对应，且相应具有类似优点，再次不再赘述。

在进一步的实施例中，所述数字光栅图案包括至少一个数字光栅子图案。

在进一步的实施例中，所述光学传感器还被配置成由所述处理器的指令以保持所述光学传感器上的一部分像素的值且重置其余部分像素的值来形成虚拟的数字光栅图案包括执行以下操作：

通过以与所述光学光栅图案的光强分布相同的亮暗规律保持所述光学传感器上的所述一部分像素的值且重置所述其余部分像素的值来形成所述第一数字光栅子图案，和通过将所述第一数字光栅子图案中被保持和重置部分翻转为重置和被保持部分，形成一个与所述第一数字光栅子图案互补的第二数字光栅子图案(本公开全文的实施例中，“翻转”即使得原为“被保持”的部分的状态变为“被重置”，且使得原为“被重置”的部分的状态变为“被保持”，即二者状态互换)。第一数字光栅子图案和第二数字光栅子图案一起形成完整的所述数字光栅图案。

在替代的实施例中，所述数字光栅子图像的尺寸、方位、形状、周期、占空比中至少一种是不同的。

在替代的实施例中，所述光学光栅图案的被所述光学传感器保持的部分像素的值被加权或相位调制。

在进一步的实施例中，所述第一数字光栅子图案的被保持部分的像素被形成为彼此平行的像素行以充当多个第一数字光栅线；所述第一数字光栅子图案的介于相邻第一数字光栅线之间的部分被重置以充当多个第一间隔；

所述第二数字光栅子图案的被保持部分的像素被形成为彼此平行的像素行以充当多个第二数字光栅线；所述第二数字光栅子图案的介于相邻第二数字光栅线的部分被重置以充当多个第二间隔；以及

所述第一数字光栅线和所述第二数字光栅线交错布置成彼此平行且在多个边界处邻接，使得所述数字光栅图案具有第一占空比和第一周期。

在进一步的实施例中，所述光学传感器还被配置成通过将光学光栅图案与数字光栅图案重叠成合成光栅图案包括执行以下操作：

将所述光学光栅图案与所述数字光栅图案叠置；

通过由所述第一数字光栅子图案保持所述光学光栅图案上的对应地重叠的部分来形成第一合成光栅子图案，其中第一合成光栅子图案包括由所述第一数字光栅子图案的第一数字光栅线保持所述光学光栅图案而形成的多个第一合成光栅线；和

通过由所述第二数字光栅子图案保持所述光学光栅图案上的对应地重叠的部分来形成第二合成光栅子图案，其中第二合成光栅子图案包括由所述第二数字光栅子图案的第二数字光栅线保持所述光学光栅图案而形成的多个第二合成光栅线。

在进一步的实施例中，所述光学传感器还被配置成在所述处理器的指令下：在通过测量所述合成光栅图案的积分光强分布来确定所述光学光栅图案在所述成像平面上的移位之前，调整所述光学光栅图案与所述数字光栅图案之间的对准，包括执行以下操作之一：旋转光学光栅图案和数字光栅图案中的至少一个；和使用光学镜头调整光学光栅图案的尺寸，由此来减少测量误差。

在进一步的实施例中，所述光学光栅图像具有第二占空比和第二周期，第二占空比等于第一占空比。

在进一步的实施例中，存在着例如所述第二周期与所述第一周期之间存在周期差值的情况，更具体地例如所述周期差值小于或等于所述第一周期的二分之一。在这种情况下，所述处理器还被配置成通过测量所述合成光栅图案的积分光强分布来确定所述光学光栅图案在所述成像平面上的移位包括执行以下操作：

测量所述合成光栅图案的积分光强分布；

确定所述合成光栅图案上的积分光强的等强度位置，在所述等强度位置处，所述第一合成光栅子图案的单个第一合成光栅线的积分光强等于该处所邻接边界处的所述第二合成光栅子图案的对应的单个第二合成光栅线的积分光强；

确定所述等强度位置相对于参考位置移位所跨越的数字光栅图案的周期数；和

通过将所述周期差值与所确定的所述周期数相乘来确定所述移位，

其中，等强度位置相对于所述成像平面上的参考位置的距离是所述数字光栅图案的周期的整数倍，并且所述参考位置被设定为所述光学光栅图案在所述成像平面上尚未移位的情况下的上一个等强度位置，并且在所述等强度位置是所述参考位置的情况下，所述光学光栅图案在所述成像平面上的移位为零。

为了实现如上述在光学光栅图像的第二周期不同于数字光栅图像所述第一周期的情况下通过确定等强度位置相对于参考位置移位所跨越的数字光栅图案的周期数，例如采用下述方法：

在一种示例性实施例中，例如在已确定所述等强度位置位于所述多个边界之一上的情况下，所述处理器被配置成确定所述等强度位置相对于所述参考位置移位所跨越的所述数字光栅图案的周期数包括执行以下操作：

通过计数介于所述等强度位置与所述参考位置之间的第一数字光栅线、第二数字光栅线和边界之一的数量，来直接确定所述周期数。

在又一种示例性实施例中，例如在已确定所述等强度位置介于两个相邻边界之间的情况下，所述处理器被配置成确定所述等强度位置相对于所述参考位置移位所跨越的所述数字光栅图案的周期数包括执行以下操作：

确定所述等强度位置相对于所述成像平面上的参考位置之间的距离，包括：

测量所述两个相邻边界处的所述第一合成光栅子图案的两个第一合成光栅线的积分光强、和所述两个相邻边界处的所述第二合成光栅子图案的两个第二合成光栅线的积分光强，并且

基于在所述两个相邻边界中的一个边界处的所述第一合成光栅线与所述第二合成光栅线的积分光强的第一差值与在所述两个相邻边界中另一边界处的所述第一合成光栅线与所述第二合成光栅线的积分光强的第二差值二者的比值与所述距离之间的线性关系，来确定所述距离；和

基于所述距离与所述周期数之间的线性关系来确定所述周期数。

以上两种实施例实质上是采用第一和第二数字光栅子图案分别形成的第一和第二合成光栅子图案的积分强度的分布曲线来直接进行计算。

在本公开的一种替代实施例中，所述处理器被配置成确定所述等强度位置相对于所述参考位置移位所跨越的所述数字光栅图案的周期数包括执行以下操作：

确定所述等强度位置相对于所述成像平面上的参考位置之间的距离，例如，通过确定所述第一合成光栅子图案的单个第一合成光栅线的积分光强和该处所邻接边界处的所述第二合成光栅子图案的对应的单个第二合成光栅线的积分光强二者之间的归一化的积分光强差值，来确定在所述多个第一合成光栅线与所述多个第二合成光栅线互相邻接的所述多个边界处的归一化的差分的积分光强；继而基于所述归一化的差分的积分光强来确定所述距离；以及基于所述距离与所述周期数之间的线性关系来确定所述周期数。其中，步骤“基于所述差分的积分光强来确定所述距离”例如：包括通过基于所述多个边界处的归一化的差分的积分光强来构造归一化的积分光强差分曲线以确定所述等强度位置，所述曲线上的零值点对应于所述等强度位置；继而计算所述等强度位置与所述参考位置之间的距离。

在替代的实施例中，如所述第二周期等于所述第一周期。在此情况下，所述处理器还被配置成通过测量所述合成光栅图案的积分光强分布来确定所述光学光栅图案在所述成像平面上的移位包括执行以下操作：

确定所述第一合成光栅子图案的单个第一合成光栅线的积分光强和该处所邻接边界处的所述第二合成光栅子图案的对应的单个第二合成光栅线的积分光强之间的归一化积分光强差值；和

根据所述归一化积分光强差值与所述光学光栅图案在所述成像平面上的移位之间的线性关系确定所述移位。

在进一步的实施例中，保持所述一部分像素的值包括将所述一部分像素的值乘以1，并且重置所述其余部分像素的值包括将所述其余部分像素的值乘以0。

在进一步的实施例中，所述光学传感器包含电荷耦合装置器件(CCD)传感器和互补金属氧化物半导体器件(CMOS)传感器之一。

在进一步的实施例中，所述的设备还包括：存储器，所述存储器被布置成联接至所述处理器，且被配置成存储数据和指令中至少一种，且能够被所述处理器访问以存取所述数据和指令中至少一种。

在本公开实施例的又一个方面，还提供了一种用于确定物体高度的设备，包括：

照射装置，被配置为产生照射束；

光栅，包括以一定周期和占空比交替布置的多个狭缝和间隔，所述光栅被布置于所述照射装置下游且被配置成接收来自照射装置的照射束；和根据前述的用于确定光栅像在成像平面上的移位的设备，布置于所述物体的下游，且被配置成利用所述处理器基于所述移位与物体高度之间的线性关系来确定所述高度。

图14是根据本公开的实施方式的用于确定物体的高度的设备200的结构示意图。

具体地，例如，如图所示，照射装置104被配置为产生照射束106。照射装置104例如包括光源。光源可以是发光二极管(LED)，激光器或任何发射可由光学传感器114检测的光的光源。照射装置104还例如额外地包括光引导装置(照明光学系统)，所述光引导装置被配置成用于改变光传播方向以将照射束106引导至照射光栅108。

光栅108可以包括多个狭缝和间隔，且被配置成接收来自照射装置104的照射束106。狭缝有一定周期的占空比。在一个实施方式中，光栅108布置成以其至少一个狭缝基本上平行于物体102表面。光栅108可以包括各种图案，例如矩形图案或交叉图案。

光栅的占空比例如被定义为光栅上的狭缝的布置的一个重复周期内狭缝的宽度与狭缝间间隔的宽度的比值。例如，光栅108的占空比可以是1：1，这意味着狭缝的宽度和狭缝间间隔的宽度是1：1。

前述的用于确定光栅像在成像平面上的移位的设备100布置于所述照射装置104、所述光栅108与待测物体的下游，且被配置成进行操作以利用所述处理器基于所述移位与物体高度之间的线性关系，例如前述方程式(7)来确定所述高度，从而使得本公开的用于确定物体的高度的设备200具有前述用于确定光栅像在成像平面上的移位的设备100的优点，在此不再赘述。

图15是根据本公开的实施方式的用于确定光栅像在成像平面上的移位的设备中的处理器及其相关联器件的示意性框图。如图所示，处理器202经由相关联器件，例如输入装置208和输出装置210而联接至光学传感器114的下游处，所述处理器202和输入装置208和输出装置210，以及可选地与所述处理器202成信号连通的存储器204共同协作且构成计算装置116。

计算装置116被配置用于生成数字光栅图案和合成光栅图案。合成光栅图案可以通过将光学光栅图案与作为数字光栅图案的一个或多个数字光栅图案重叠(例如通过运算实现)来生成。这种重叠的具体实现例如可以体现为将表示光学光栅图案的强度的矩阵(称为“强度矩阵”)与数字光栅矩阵相乘。计算装置116的组件将参照图2在下文实施例中详细描述。

如图所示，输入装置208例如被布置成在处理器202上游且与处理器202成通信连接，且由此被配置成将数据或信号输入到处理器202以进行处理。例如，输入装置208可以包括物理接口(例如，诸如通用串行总线这样的数据总线、或有线以太网链路)或用于实现无线通信连接(诸如但不限于Wi-Fi，蓝牙，NFC，ZigBee，UWB等等)的无线收发器件(例如无线接收器)以接收来自光学传感器114的信号，例如光学光栅图案。另外，输入装置208可以进一步包括键盘或触摸屏，使得用户能够输入命令到计算装置116。例如，可以从输入装置208输入命令或参数以生成数字光栅图案和合成光栅图案。从输入装置208接收的参数或控制指令例如被加载或缓存到存储器204中(例如存储在控制模块216中)。

如图所示，输出装置210例如被布置成在处理器202下游且与处理器202成通信连接，且由此被配置成将来自处理器202的控制信号输出，例如输出至下文的用于调节物体高度的致动器118。例如，输出装置210可以包括物理接口(例如，通用串行总线)或用于实现无线通信连接(诸如但不限于Wi-Fi，蓝牙，NFC，ZigBee，UWB等等)的无线收发器件(例如无线发送器)，以输出用于控制致动器118的数字控制信号(例如，控制电压)。数字控制信号可以输出到数模转换器(DAC)以转换为模拟控制信号。模拟控制信号继而输入至致动器118以对其进行驱动。另外，输出装置210还可以包括可用于显示与物体高度的测量有关的信息的显示屏幕；由此，输出装置210可以使诸如过程工程师的用户能够监测物体高度的当前状态。

在一种另外的或替代的实施例中，所述计算装置116例如还包括与CPU成数据联通(in data communication)且配置成存储可供处理器202访问的指令和数据的存储器204，诸如随机存取存储器(RAM)、或具有非易失性或易失性存储器形式的至少一个可读存储介质，例如是电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存、和/或硬盘驱动器、或能够存储可供处理器202访问的指令和数据等任何合适的存储设备。

作为示例，从输入装置208接收的参数(例如光学光栅图案)或控制指令例如被加载或缓存到存储器204中(例如存储在控制模块216中)。

进一步地，例如，存储器204可以存储有用于生成数字光栅图案(例如，体现为将要与光学光栅图案的光强矩阵通过运算而重叠的数字光栅矩阵的形式)和合成光栅图案(例如，体现为所述重叠的结果)的代码或指令。处理器202可以访问存储器204，由此合成光栅图案可以通过由处理器202调用存储器204中的所述代码或指令来将光学光栅图案的强度矩阵和数字光栅图案的数字光栅矩阵相乘而生成。

存储器204例如还可以包括用于进一步处理合成光栅图案的代码或指令，如计算其光强的积分光强。

存储器204例如还可以包括用于进一步分析合成光栅图案以确定物体高度的代码或指令。

存储器204例如还可以进一步包括用于调整物体高度的代码或指令。例如，在迭代操作中，可以将当前测量的物体高度与先前测量的物体高度进行比较，并且可以将比较结果输入到用于确定Z向位移台的移动方向和/或值的反馈控制回路中。移动方向和/或数值可以被转换为数字或模拟格式的控制信号(例如，电压)。

处理器202可以访问存储器204，由此合成光栅图案可以通过由处理器202调用存储器204中所储存的计算机可读指令例如控制模块216来将强度矩阵和数字光栅矩阵相乘来生成。

存储器204可以包括诸如代码或计算机可读指令的计算机程序，其由计算装置116中的处理器202执行时使得计算装置116能够生成数字光栅图案和合成光栅图案。例如，所述指令或代码作为一个或更多个模块而被分别存储于存储器204中，包括但不限于图2所示的控制模块216。处理器可以经由存储器204访问控制模块216。.并且在一些实施方式中，控制模块216可以包括用于驱动位移台移动的驱动器(例如，软件驱动器)。

在本公开的进一步实施例中，例如，如图14所示，所述用于确定物体的高度的设备200还包括：

第一光学装置110，被布置于所述光栅与待测物体的表面之间，且被配置为接收和引导经过所述光栅的照射束朝向所述物体的表面投射来形成所述光栅像、并且反射所述照射束以形成待检测光；和

第二光学装置112，被布置于所述物体与用于确定光栅像在成像平面上的移位的设备之间，且被配置为引导从所述物体的表面反射的待检测光至所述光学传感器。

具体地，如图14所示，第一光学装置110被配置为接收经过光栅108的照射束106并且以投影光120的形式将透过光栅108的光线投射成实像到物体102的表面以形成第一光栅图案。第一光学装置110被布置在投影光120的光路中。第一光学装置110例如包括一个或多个协同工作以传送投影光120经过的光学器件。在一个具体实施方式中，第一光学装置110例如包括用于将光栅108远心成像到物体102的远心透镜。投影光120继而被物体表面反射以变成待检测光122。

第二光学装置112被布置在待检测光122的光路中。第二光学装置112被配置用以引导(例如接收，聚焦并投影)所述待检测光122到光学传感器114上。第二光学装置112例如包括一个或多个协同工作以传送待检测光122经过的光学器件。在一个具体实施方式中，第二光学装置112例如包括用于将待检测光122远心投射到光学传感器114的远心透镜。应该注意的是，第一光学装置110和第二光学装置112还例如包括适于投影和操纵光的其他形式的透镜。

在本公开实施例的另一方面，还披露一种用于调节物体高度的设备，包括：

根据前述的用于确定物体高度的设备；和

用于高度调节的致动器，所述致动器布置于所述用于确定物体高度的设备的下游，且配置成根据所确定的物体高度来朝向目标位置致动所述物体以调节所述高度。

具体地，如图14所述，还示出所述用于调节物体高度的设备300，其包括前述的用于确定物体高度的设备200，以及用于高度调节的致动器118。

用于高度调节的致动器118被用来例如通过移位来调节物体高度。致动器118被布置成连接到被配置为支持或固定物体102的固定装置(例如载台)。致动器118被配置成接收来自计算装置116的信号或命令并且致动所述固定装置来调节物体高度。例如，致动器118可以是被配置用以垂直移动物体102的Z向位移台。本文使用的术语“接收”可以指以任何方式接收，输入，获取，检索，得到，读取，访问，收集或任何动作以输入信息或数据。

从而所述用于调节物体高度的设备300具有用于确定物体高度的设备200的优点，在此不再赘述。

在本公开实施例的再一方面，还披露一种非易失性的计算机可读介质，储存有用于确定光栅像在成像平面上的移位的指令，所述光栅像投影到位于光学传感器上的所述成像表面并且成像为光学光栅图案，所述指令由与所述计算机可读介质成通信连通的处理器调取以执行如下操作：

利用所述光学传感器接收所述光学光栅图案；

通过所述光学传感器保持所述光学传感器上的一部分像素的值且重置其余部分像素的值来形成虚拟的数字光栅图案；

通过将光学光栅图案与数字光栅图案重叠并像素化来形成合成光栅图案；和

通过测量所述合成光栅图案的积分光强分布来确定所述光学光栅图案在所述成像平面上的移位。

具体地，在一些实施方式中，非暂时性计算机可读介质可以用于确定光栅像在成像平面上的移位、继而测量物体的高度。非暂时性计算机可读介质可以存储可由处理器访问和执行的指令。例如，非暂时性计算机可读介质可以包括存储器(例如，存储器204)和/或外部存储设备(例如，只读存储器)。在一些实现中，计算设备116可以包括非暂时性计算机可读介质。

实质上，所述非易失性的计算机可读介质存储的用于确定光栅像在成像平面上的移位的指令与前述用于确定光栅像在成像平面上的移位的方法对应，从而其具有类似的技术效果，在此不再赘述。

在进一步的实施例中，所述非易失性的计算机可读介质例如还储存有用于调节物体高度的指令，所述指令由与所述计算机可读介质成通信连通的处理器调取以执行如下操作：通过致动器基于所确定的物体的高度来朝向目标位置致动所述物体以调节所述高度。从而所述非易失性的计算机可读介质具有与前述的用于调节物体高度的方法具有类似的技术效果，在此不再赘述。如本公开的实施例所述的计算装置(以及存储在其上和/或由此执行的算法，方法，指令等)可以用硬件，软件或其任何组合来实现。硬件可以包括例如计算机，知识产权(IP)内核，专用集成电路(ASIC)，可编程逻辑阵列，光处理器，可编程逻辑控制器，微代码，处理器，服务器，微处理器，数字信号处理器或任何其他合适的电路。在权利要求中，术语“处理器”应理解为包含任何前述内容，单独或组合。此外，计算装置的部分不一定必须以相同的方式来实现。

尽管已经结合某些实施方式描述了本公开的实施例，但应理解的是，本公开的实施例不限于所公开的实施方式，而是相反，旨在覆盖包括在本公开的实施例内容中的各种修改和等同安排。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释以涵盖法律允许的所有这些修改和等同结构。