DE69212111T2

DE69212111T2 - Substratverschiebungsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE69212111T2
Application number: DE69212111T
Authority: DE
Inventors: Richard R Baldwin; John Ertel; William D Holland; Jamp Rueiming Jamp Rueiming; Kent D Vincent
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1991-11-01
Filing date: 1992-07-31
Publication date: 1996-11-21
Anticipated expiration: 2012-08-01
Also published as: EP0540142A1; US5149980A; EP0540142B1; DE69212111D1; JP3866774B2; JPH0656314A

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Präzisionsüberwachung der Position eines Blatts Papier oder eines ähnlichen Materials durch optische Messungen einer differentiellen Bewegung des Blatts.

Hintergrund der Erfindung

Viele Computer-Peripheriegeräte, wie z.B. Photokopierer, Drucker und Dokumentenscanner, bauen auf dem Transport eines Blatts, oder einer Sequenz von Blättern, von Papier durch das Peripheriegerät, um ein Bild auf das Blatt zu übertragen, oder ein Bild von dem Blatt aufzunehmen. Dieser Blatttransport benötigt oft eine genaue Messung der Position des Blatts durch eine Erfassungsvorrichtung. Die Messung der Position des Blatts sollte nicht-invasiv durchgeführt werden, derart, daß die Oberfläche und die translatierte Position des Blatts irgendeines Bildes auf demselben nicht berührt, gestört oder verändert werden. Eine genaue Positionierung durch eine optische Einrichtung kann die Verwendung eines CCD-Sensors (CCD = Charge Coupled Device = Ladungs-gekoppeltes Bauelement) oder eines Arrays derartiger Sensoren benötigen, wobei der Abstand von dem Sensor zu der Papieroberfläche so genau als möglich bekannt sein muß, um die Bildgröße oder Vergrößerung und den Bildfokus zu steuern. Das Blatt kann sich bis zu 1000 µm in einer Richtung senkrecht zu der Ebene des Blatts bewegen, wobei das dem Sensor zugeordnete optische System diese Bewegung kompensieren muß. Herkömmliche optische Anordnungen, wie in Fig. 1 dargestellt, schaffen einen relativ großen Kegelwinkel 2θ für das Licht an den optischen Elementen 11, wobei dieser Winkel die augenscheinliche Bildgröße mit einer Positionsverschiebung des Blatts 13 zu oder von den optischen Elementen 11 oder dem Sensor weg um einen wesentlichen Betrag verändert.
In dem U.S. Patent Nr. 3,919,560 offenbart Nopper ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der gegenwärtigen Position eines sich durchgehend bewegenden Materialgewebes unter Verwendung einer photoelektrischen Abtastung des Gewebes nach einer oder mehreren Indexmarkierungssequenzen, die auf dem Geweberand positioniert worden sind, bevor das Gewebe überwacht wird. Dieser invasive Lösungsansatz, der eine vorherige Plazierung von Indexmarken benötigt, baut auf künstlichen Markierungen und benötigt die Verwendung von sehr nahe beabstandeten Markierungen, um sicherzustellen, daß die Positionsgenauigkeit des Gewebes gut im Bereich von ein paar Mikrometern liegt. Ferner kann, wenn sich die photoelektrische Abtasteinrichtung oder die Linie von Indexmarken lateral bezüglich zueinander bewegen, die photoelektrische Einrichtung das Vorbeilaufen einiger oder aller der Indexmarken nicht erfassen, während sich das Gewebe bewegt.
In dem U.S. Patent Nr. 4,373,816 offenbart Laib die Verwendung eines parallel gerichteten und periodisch zerhackten Lichtstrahls, der von einer Oberfläche eines Objekts, wie z.B. eines Stücks Holz, dessen Dicke gemessen werden soll, in einem Winkel reflektiert wird. Der Betrag der lateralen Verschiebung des reflektierten Lichtstrahls bestimmt die Objektdicke.
Die Verwendung eines Lichtsensors, um Licht zu empfangen, das durch ein dünnes, sich bewegendes Materialgewebe, wie z.B. ein Textilerzeugnis transmittiert wird, ist in dem U.S. Patent Nr. 4,683,380, das an Shipkowski u.a. erteilt wurde, offenbart. Zwei benachbarte Photodioden empfangen das transmittierte Licht, während eine Perforation in dein Gewebe zuerst die Anwesenheit desselben als eine abrupte Differenz des Lichts, das von den beiden Dioden empfangen wird, manifestieren wird.
Es wird ein Lösungsansatz benötigt, der eine Bestimmung des Abstandes einer Substratbewegung in einer gegebenen Richtung erlaubt, wobei der Lösungsansatz: (1) nicht auf eine Bewegung des Substrats in einer Richtung, die senkrecht zu der gegebenen Richtung ist, empfindlich ist; (2) nicht-invasiv ist und die Oberfläche des Blatts oder irgendeinen Text oder eine Graphik, die auf dem Blatt enthalten ist, berührt oder verändert; (3) das Vorhandensein von Signalrauschen und weiteren Störungen kompensiert; (4) eine Servoantwort oder Substratposition in der gegebenen Richtung nicht ändert oder beeinträchtigt; (5) flexibel ist und Genauigkeitsverbesserungen zusammen mit Verbesserungen in der Lichtmeßtechnologie erlaubt; und (6) nicht benötigt, daß äußere Merkmale (Referenzmarken, Zugvorrichtungs-Zuführungslöcher, usw.) zu dem Substrat als ein Codierstreifen hinzugefügt werden müssen

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Bedürfnisse werden durch die Erfindung erfüllt, welche bei einem Ausführungsbeispiel ein lineares Array von N Lichtsensoren schafft, die entlang des Arrays durch einen gleichmäßigen Abstand d beabstandet sind, um Licht, das von dem Blatt, das gerade bewegt wird, reflektiert worden ist oder durch dasselbe transmittiert worden ist, zu empfangen und zu erfassen. Ein erster Array von Lichtstärkewerten s&sub1;(k) (k = 1, 2, ..., N) wird bestimmt, wonach das Blatt bewegt wird. Ein zweiter Array von Lichtstärkewerten s&sub2;(k) (k = 1, 2, ...., N) wird dann für das Blatt bestimmt, wonach eine Kreuzkorrelationsfunktion aus der Summe einer Sequenz von Kreuzkorrelationstermen s&sub1;(k+i-1)s&sub2;(k+K-1) für eine ausgewählte ganze Zahl K gebildet wird. Der Kreuzkorrelationsfunktionswert wird dann durch die Wahl von K oder seinem entsprechenden Kontinuumwert, wie z.B. K = K&sub0;, maximiert, wobei der Abstand D, um den sich das Blatt in der gegebenen Richtung bewegt hat, als D (MF) (K&sub0;-i)d bestimmt wird, wobei d der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Photosensorelementen einschließlich irgendwelcher optischer Vergrößerungseffekte und i eine ganze Zahl sind, die eine Anfangsposition einer Sensorgruppe zum Überwachen einer Blatt-"Signatur" darstellen.
Das hier offenbarte Verfahren ist nicht-invasiv und kompensiert: (1) die Bewegung des Blatts in einer Richtung, die zu der gegebenen Richtung senkrecht ist; (2) ein Signalrauschen und andere unerwünschte Störungen; und (3) eine zweidimensionale Bewegung des Blatts.
Obwohl das Verfahren und die Vorrichtung in dieser Anmeldung bezüglich des Überwachens eines Blatts Papier diskutiert werden, ist die Erfindung ferner auf das nicht-invasive Überwachen (1) von Werkzeugmaschinen-Positionsauslesewerten, um relative Positionskoordinaten direkt von einer näherungsweise planaren Oberfläche des Fabrikmaterials zu bestimmen, (2) von Wafer- und Chip-Schrittmotorpositionen zur Halbleiterherstellung, (3) von Tisch-Translationskoordinaten für optische Geräte, wie z.B. Positionen eines Mikroskopobjektivs und (4) bei bestimmten interferometrischen Anwendungen anwendbar. Der Ausdruck "Substrat" wird sich hier auf ein Blatt Papier oder auf ein anderes reflektiv oder transmissiv schreibendes Material, auf ein Stück eines Fabrikmaterials, auf einen Halbleiterwafer, auf ein Mikroskopobjektiv oder auf ein ähnliches Licht-reflektives oder Licht-transmissives Medium beziehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Konfiguration gemäß dem Stand der Technik zum Erfassen einer Papierbewegung, wobei ein Effekt der Papierbewegung senkrecht zu der Ebene des Papiers veranschaulicht ist.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellungeines bevorzugten Ausführungsbeispiels zum Erfassen einer Papierbewegung, wobei eine Papierbewegung senkrecht zu der Ebene des Papiers dargestellt ist.
Fig. 3 zeigt die Verwendung von Daten von 128 aufeinanderfolgenden Elementen eines optischen CCD-Sensorarrays, das 256 Sensoren für drei verschiedene Nachführungskonfigurationen enthält: (a) Mitte; (b) ganz links; und (c) ganz rechts.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm des Systems, das zum Ausführen der Erfindung verwendet wird.
Fig. 5 stellt die Verwendung der Erfindung dar, um eine Ausrichtung der Richtung des Papiervorschubs zu schaffen.
Fig. 6 stellt die Verwendung der Erfindung dar, um eine tatsächliche optische Vergrößerung beim Überwachen des Papiervorschubs zu bestimmen.
Fig. 7 stellt die Kreuzkorrelation von Papiersignaturdaten und gespeicherten CCD-Sensordaten dar, während die CCD-Sensordaten gemäß der Erfindung translatiert sind.
Fig. 8 stellt eine Bestimmung der Kreuzkorrelation von Lichtstärkewerten gemäß der Erfindung dar.
Fig. 9 stellt drei geeignete Wahlmöglichkeiten für Funktionen dar, die Gewichtungen wk darstellen, um beim Bilden von bestimmten Kreuzkorrelationswerten gemäß der Erfindung verwendet zu werden.
Fig. 10 stellt in Flußdiagrammform ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung dar.
Fig. 11 und 12 stellen die Anwendung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung auf eine zweidimensionale Bewegung eines Blattes dar.

Beschreibung der besten Art und Weise

Fig. 2 stellt eine vereinfachte Konfiguration 21 der Erfindung zum Erfassen einer Bewegung eines Substrats 23, wie z.B. eines Blatts Papier oder eines anderen geeigneten Materials, in der x-Richtung dar, welche auf eine Bewegung desselben in der z-Richtung relativ unempfindlich ist. Ein telezentrisches optisches System einschließlich mindestens zweier Gruppen von optischen Elementen 25 und 27, die voneinander beabstandet sind, bildet eine Abbildung des Substrats 23 an einem Array 29 von optischen Sensoren. Der zugeordnete Kegelwinkel 2θ&sub0; für die Gruppen 25 und 27 des telezentrischen optischen Systems ist klein (2θ&sub0; « 1º). Die Erfindung verwendet ferner einen Algorithmus, der eine Papierbewegung in der x-Richtung ignoriert, bis sich das Substrat 23 in der x-Richtung um mindestens einen minimalen Abstand xthr, typischerweise 2 bis 3 µm, bewegt hat (thr = threshold = Schwelle). Sobald ein Substrat 23 damit begonnen hat, sich zu bewegen, und eine Bewegung in der x-Richtung xthr überschreitet, wird die Bewegung nicht als vollendet betrachtet, bis keine weitere Papierbewegung für mindestens 10 aufeinanderfolgende Sensorzyklen, von denen jeder eine zeitliche Länge von etwa 2 Millisekunden aufweist, erfaßt wird.
Ein optisches Sensorarray 29 wird typischerweise 256 derartige Sensoren, wie z.B. CCD-Sensoren aufweisen, die. wie in Fig. 2 gezeigt linear angeordnet sind. Das telezentrische optische System sammelt und richtet eine Abbildung oder eine "Signatur" des Substrats 23, dessen Bewegung überwacht werden soll, auf das Sensorarray 29. Jeder Sensor in dem Array wird ein etwas unterschiedliches Lichtmuster empfangen, wenn das Substrat 23. bezüglich des Sensorarrays 29 festgehalten wird, wobei dieses sich von Sensor zu Sensor verändernde Muster eine Darstellung der "Signatur" des Abschnitts des einzelnen Papiersubstrats 23 ist.
Jedes Papier, unbeschichtet oder liniert oder mit Graphiken auf demselben, weist für diesen Zweck eine Signatur auf. Die Signatur kann durch Beleuchten und Abbilden der Oberflächenbeschaffenheit oder weiterer optischer Charakteristika des Substrats 23 vorzugsweise mit Licht, dessen Einfallswinkel an dem Blatt relativ groß ist, geschaffen werden. Viele andere Oberflächen, sowohl näherungsweise planare als auch andere, weisen Oberflächensignaturen auf, die zwecks der Positionsüberwachung beleuchtet und abgebildet oder erfaßt werden können.
Um die 256 Elemente in einem standardmäßigen optischen CCD- Sensorarray optimal auszunützen, werden 128 aufeinanderfolgende Datenelemente, die hierin als "Referenzsegment" bezeichnet werden, von den ganzen 256 CCD-Datenelementen genommen und gespeichert und als Referenz verwendet. Die Auswahl der Zahl 128 dient nur der Zweckmäßigkeit der Diskussion und ist nicht darauf ausgerichtet, die Erfindung auf diese Zahl zu begrenzen. Nachdem sich das Substrat bewegt hat, wird das Referenzsegment translatiert und mit den ganzen 256 CCD-Datenelementen verglichen, um die beste Übereinstimmung oder Kreuzkorrelation zu finden. Es existieren 129 mögliche Kreuzkorrelationen, wobei ein Korrelationsstärkewert durch eine elektronische Hardware auf einer Betreiber-einstellbaren Korrelatorplatine für jede einzelne Kreuzkorrelation berechnet wird. Wenn L aufeinanderfolgende CCD- Elemente das Referenzsegment bilden, beträgt die Anzahl von möglichen Korrelationen 257-L.
Die Korrelatorplatine isümit der Rückseite eines HP9000 Serie 300 oder mit einem anderen geeigneten Computer verbunden. Ein Polynom M-ter Ordnung (M ≥ 2; M = 2 wird bevorzugt) wird in einer Nachbarschaft der wahrscheinlichsten Papierposition für Papiertranslationen entlang des 256-Sensorarrays den Korrelationsdaten angepaßt, wobei eine Spitzensignalfindevorrichtung an die Kurve angelegt wird, um die Position oder Translation, die den höchsten Kreuzkorrelationswert er zeugt, zu bestimmen. Mit Kenntnis der optischen Vergrößerung und der Beabstandung der Photoplätze ist es möglich, den Betrag zu bestimmen, um den sich das Substrat 23 in der x- Richtung bewegt hat, indem der Betrag (die Anzahl von Sensoren) betrachtet wird, um den sich die Kreuzkorrelationsspitze von der ursprünglichen Position der Referenzdaten in der x-Richtung bewegt hat. Eine Interpolation zwischen Photoplätzen und Plätzen von Sensoranzeigen ist hier erlaubt, derart, daß eine Messung der Bewegung um einen Bruchteil einer Sensorbreite möglich ist.
Die 128-Elemente-breiten Referenzdaten können translatiert werden und abhängig davon, wo die Daten von dem 256-Elemente-Array genommen worden sind, mit den neu präsentierten 256-Elemente-breiten CCD-Daten verglichen werden. Neue CCD- Daten werden alle zwei Millisekunden genommen, die Referenzdaten werden jedoch nur am Start des Programms oder am Ende einer "Bewegung" aktualisiert.
Drei Versionen der Meßsoftware sind verfügbar: eine, bei der die Referenzdaten von dem mittleren Abschnitt des linearen Arrays von CCD-Sensoren genommen werden; eine, bei der die Referenz von den 128 ganz links angeordneten Elementen genommen wird; und eine, bei der die Referenz von den 128 ganz rechts angeordneten Elementen genommen wird. Die Verwendung von Referenzdaten in der Mitte erlaubt es, daß das System entweder eine Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung des Substrats 23 erfaßt, wobei jedoch nur der halbe mögliche Bewegungsbereich bei einer gegebenen optischen Vergrößerung verfügbar ist. Da bestimmte Drucker und andere Papierbewegungs-Geräte das Papiersubstrat 23 nur in einer Richtung bewegen, ist es logisch, die Referenzdaten abhängig von der Ausrichtung des Sensors von einem oder dem anderen Ende zu nehmen, wodurch ein größerer möglicher Bewegungsbereich beobachtet werden kann. Dies ist in Fig. 3 därgestellt. Eine Software, die bidirektional ist, ist jedoch ebenfalls als Teil der Erfindung verfügbar.
Die Korrelation von Referenzsegmentdaten mit CCD-Daten ist die Basis der Bewegungserfassungsfähigkeit dieses Systems. Eine Veränderung der Position, bei der eine Spitzenkorrelation auftritt, ist direkt auf eine Bewegung des Papiers oder eines anderen Mediums bezogen. Es wurde elektronische Hardware entworfen, um diese Korrelation zur Verwendung in einem Positionssystem mit geschlossener Schleife durchzuführen, wobei der gleiche Entwurf und die gleiche Hardware in diesem Meßsystem mit offener Schleife verwendet werden. Die Wirkungsweise des Korrelationsverfahrens stellt sich folgendermaßen dar. Jeder Datenpunktwert von den Referenzdaten wird mit dem entsprechenden Punktwert aus den translatierten CCD-Daten multipliziert. Die Werte für jedes dieser Teilprodukte werden zusammen summiert, um den Korrelationswert für diese translatierte oder inkrementale Position zu erzeugen.
Das CCD-Sensorarray, das hier verwendet wird, kann beispielsweise ein Fairchild CCDIIIA, welches 256 Photoplätze (13-µm-Quadrate = 0,000512-Zoll-Quadrate) aufweist, oder ein ähnliches CCD-Bauelement sein. Die Verwendung einer vierfachen optischen Vergrößerung erlaubt es, daß das CCD einen Abschnitt Papier mit einer Breite von 0,524094 Zoll (= 1,331199 cm) erfaßt. Das maximal mögliche Vorschubinkrement beträgt die Hälfte dieses Wertes oder 0,262047 Zoll (= 0,665599 cm), wenn lediglich eine linke oder rechte Nachführung verwendet wird, und wieder die Hälfte dieses Wertes oder 0,131024 Zoll (=0,332800 cm), wenn mittige Referenzdaten verwendet werden. Für die Praxis wird geraten, eine kleinere maximale Papiervorschubgröße als theoretisch möglich anzunehmen, wie z.B. etwa 80% der oben aufgelisteten Maximalwerte. Dies ist nötig, da bei einem Servosystem oft ein Überschwingen auftritt, bevor sich das System in die Endposition einfindet. Wenn die Referenzdaten nicht vollständig in den in den Sensoren verfügbaren CCD-Daten enthalten sind, ist es unmöglich, aussagefähige Kreuzkorrelationswerte aufgrund einer unvollständigen Überlappung zu berechnen, wodurch die Kurve, die die Kreuzkorrelationsdaten darstellt, sehr verzerrt wird. Die Spitzensignalfinderoutine arbeitet nicht und das System wird "verloren", bis es zurückgesetzt oder neu gestartet wird. Bestimmte Drucker haben einen idealen Durchgangsvorschub von 0,1667 Zoll (= 0,4234 cm). Dieser Durchgangsvorschubswert wird von diesem System ohne weiteres untergebracht, wenn eine links- oder rechtsausgerichtete Referenz genommen wird, je nach dem, welche geeignet ist. Drucker mit größeren oder kleineren Durchgangsvorschüben als dieser würden das CCD-Array durch dementsprechendes Einstellen der optischen Vergrößerung optimal ausnützen.
In den meisten Fällen liefert die umgebende Raumbeleuchtung keine ausreichende Signalstärke an den CCDS des Sensors. Detektoren mit größerer Fläche würden mehr Licht sammeln, wobei jedoch der Dunkelstrom mit dem Quadrat der Detektorfläche ansteigt, wodurch das Signal/Rausch-Verhältnis schlecht sein kann. Zusätzliches Licht wird benötigt und ist aus einer großen Anzahl von möglichen Lichtquellen verfügbar. Die Erfahrung hat gezeigt, daß mögliche Lichtquellen Licht-emittierende Dioden (einzelne oder Arrays), Wechselstrom- und Gleichstrom-Glühlampen (Mikroskoplichter, Taschenlampen, Kraftfahrzeug-Deckenlichter) und Leuchtstofflampen umfassen. Leuchtstofflampen arbeiten jedoch nur mit Wechselleistung, und da das Licht zwischen benachbarten Wechseistromzyklen so schnell abklingt, ist diese Frequenz als Flackern in den CCD-Daten zu sehen. Die Betriebsfrequenz muß hoch genug sein, daß eine Anzahl von Lichtzyklen pro jedem CCD-Zyklus auftritt. Von der Anmelderin wurde eine 40-KHz-Leistungsversorgung entworfen, die die Verwendung kleiner Leuchtstofflichtquellen bei dem CCD-System ermöglicht. Die Papiersignatur, aus der die Lichtsensordaten aufgebaut sind, kann durch Reflexion des Lichts an der Oberfläche des Blatts oder durch Transmission des Lichts durch das Blatt (es wird hier angenommen, daß es zumindest teilweise transparent ist) geliefert.
Der Lichtbetrag, der zu dem Umgebungslicht hinzugefügt wird, sollte in einer CCD-Ausgabesignatur zwischen 0,5 und 1 Volt Gleichspannung resultieren. Das hier verwendete CCD-Sensorarray weist eine Sättigungs-Ausgabespannung von 1 Volt auf. Der Absolutwert der Lichtintensität, der an der Quelle benötigt wird, hängt von dem Abstand der Quelle von dem Blatt, von dem Einfallswinkel und der Reflektivität des speziellen Papiers und von der Blendenzahl der verwendeten optischen Anordnung ab. In der Nähe des senkrechten Einfalls ist die Lichtreflexion am höchsten, sie tendiert jedoch dazu, die Oberflächenbeschaffenheit des Papiers "auszuwaschen". Bei streifendem Einfall ist die Lichtreflexion senkrecht zur Ebene des Papiers minimal, wobei jedoch die übertriebene Schattierung der Oberflächenbeschaffenheit eine sehr deutliche Papiersignatur aufgrund des hohen Kontrasts zwischen dem beleuchteten und schattierten Abschnitten der Papierfaser erzeugt. Ein Kompromiß zwischen diesen beiden Extremen ist für eine praktische Anwendung notwendig, wobei derselbe ebenfalls die Nähe des Linsentubus zum Papier (bei einem Ausführungsbeispiel etwa 0,5 Zoll = 0,197 cm) und jedes andere Lichtweghindernis in Betracht ziehen muß.
Ein Blockdiagramm des Meßsystems ist in Fig. 4 gezeigt. Da die CCD-Photoplätze in einem linearen 256x1-Array angeordnet sind, muß dieses Array in der Richtung des Papiervorschubs ausgerichtet sein, um seine Bewegung korrekt zu messen. Eine Fehlausrichtung um einen Winkel Φ resultiert in Fehlern, die in der Messung zu (1-cosΦ) proportional sind. Die beobachtete Bewegung würde der Cosinus des Fehlausrichtungswinkels mal dem tatsächlichen Abstand, um den sich das Substrat 23 bewegt hat, sein. Wenn das System um einen großen Betrag fehlausgerichtet ist, wird die Papiersignatur der Referenz aus dem Gesichtsfeld des CCDs laufen, wenn das Papier vorgeschoben wird, wodurch keine aussagefähige Kreuzkorrelation möglich sein wird.
Günstigerweise ist es sehr einfach, das CCD in der Papiervorschubrichtung auszurichten. Das direkteste Verfahren besteht darin, zu bewirken, daß die zu testende Vorrichtung das Papier bewegt, wobei ein fester Stift in Kontakt mit dem Papier steht. Die von dem Stift erzeugte Linie sollte in dem Bereich sein, wo der Sensor positioniert werden soll, üblicherweise in der Nähe eines Randes. Nachdem der Papiervorschub gestoppt worden ist und der Sensor über der Linie positioniert worden ist, wird der Sensor bezüglich der Linie orthogonal bewegt, derart, daß die Stiftlinie in und aus dem Gesichtsfeld des Sensors kommt. Unter Verwendung eines Oszilloskopen wird die Stiftlinie durch den Sensor aufgrund der reduzierten Lichtreflexion der Papiersignatur als ein Übergang zu einem niedrigeren Signalstärkeabschnitt erfaßt. Wenn die Sensorzeile die Stiftlinie in einem Winkel kreuzt, wird diese Kreuzung als eine deutliche Senkung der Papiersignatur-Signalform sichtbar sein, die von einem Ende der Signalform zu dem anderen Ende läuft, während sich der Sensor über die Linie bewegt. Wenn der Sensor die Linie parallel zu ihr kreuzt, wird eine gleichzeitige Senkung und ein gleichzeitiger Wiederanstieg der Signalform zu sehen sein. Wenn somit gesehen wird, daß der Sensor bezüglich der Linie in einem Winkel außer Null ausgerichtet ist, sollte derselbe um die z-Achse gedreht werden, bis er parallel zur Linie erscheint. Das Schaffen einer Dreh- und Translationsstufe ist nützlich, um weiche, kleine Bewegungen auf der gewünschten Achse zu schaffen, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.
Zusätzlich zur Ausrichtung muß ein gegebenes System bezüglich der optischen Vergrößerung kalibriert werden. Die Vergrößerung schafft einen Skalierfaktor beim Bestimmen der Strecke aus dem Wechsel der Bildposition des CCDs, um die sich das Blatt Papier 31 (Fig. 4) bewegt hat. Obwohl die Verstärkung bezüglich von Veränderungen im Abstand zu dem Papier stabil ist, ist der genaue Wert aufgrund von Herstellungs- und Aufbautoleranzen sehr schwer vorherzusagen. Das wird durch Software mit einem geeigneten Vergrößerungsfaktor kompensiert. Dies ist in Fig. 6 dargestellt.
Eine Software, die eine diskrete Fourier-Transformation der CCD-Daten verwendet, wurde entwickelt. Dies ist sehr nützlich zum Überprüfen des Vergrößerungs-Skalierungsfaktors des Papiervorschubsystems, wobei eine "Ronchi-Linierung" verwendet wird. Eine Ronchi-Linierung besteht aus gleichmäßig beabstandeten Linien, die auf einem stabilen Substrat, wie z.B. Glas aufgebracht oder eingeätzt sind, wobei dasselbe billig und mit mehreren verschiedenen Linien-pro-Zoll-Beabstandungen verfügbar ist. Wenn es mit einem kalibrierten Meßsystem verwendet wird, erscheint eine Ronchi-Linierung in dem Gesichtsfeld als eine Sinuswelle in den CCD-Daten. Wenn auf diese Daten eine diskrete Fourier-Transformation angewendet wird, ergibt die Transformation die Fundamentalfrequenz der Sinuswelle und berechnet unter Verwendung der Vergrößerungsfaktoren die Beabstandung in Linien-pro-Zoll.
Eine billige Ronchi-Linierung ist stabil, wobei jedoch die Beabstandung in Linien-pro-Zoll derselben keine sehr hohe Genauigkeit garantiert. Wenn die Ronchi-Linierung jedoch durch ein Papiervorschubmeßsystem gemessen wird, das durch ein Laserinterferometer kalibriert worden ist, ergibt sich die berichtete Beabstandung mit hoher Genauigkeit. Danach kann die Ronchi-Linierung als ein sekundärer Vergrößerungsüberprüfungsstandard verwendet werden. Dies ist nützlich, um zu verifizieren, daß sich bei dem Papiervorschubmeßsystem im Laufe der Zeit nichts verändert hat, was den Vergrößerungsfaktor beeinträchtigen würde.
Nachdem das System kalibriert und ausgerichtet worden ist, wird die Position des Blatts Papier folgendermaßen bestimmt. Es wird davon ausgegangen, daß die ursprünglichen Lichtstärkewerte, die von den Lichtsensoren erfaßt worden sind, ein erstes Array s&sub1;(k) (k = 1, 2, ..., N) von Werten bilden, während die Lichtstärkewerte, die von den Lichtsensoren nach einer Translation des Substrats 23 in Fig. 2 erfaßt worden sind, ein zweites Array von Werten s&sub2;(k) bilden. Wenn das Referenzarray von Sensorwerten eine Breite von L Werten besitzt, wird der Kreuzkorrelationswert folgendermaßen gebildet:
Der Maximalwert von C(K), z.B. bei K = K&sub0;, wird verwendet, um die wahrscheinlichste Translationsstrecke D (D = Distance = Strecke) des Substrats 23 zu bestimmen. Hier wird angenommen, daß sich die Signatur des Blatts, das überwacht wird, von der Position des Sensors Nr. i zu der Position des Sensors Nr. i+L-1 erstreckt. Wenn benachbarte Lichtsensoren durch einen Abstand d beabstandet sind, wobei die Kompensation der optischen Systemvergrößerung nicht enthalten ist, beträgt die wahrscheinlichste Translationsstrecke D = (K&sub0;-i)d. Wenn die Vergrößerung kompensiert ist, würde die Zahl (K&sub0;-i)d durch den Vergrößerungsfaktor des optischen Systems MF (MF = Magnification Factor) geteilt werden. Bei dem oben diskutierten Ausführungsbeispiel betragen N = 256 und L = 128. Wenn sich das Papier in beiden Richtungen bewegt oder vorgeschoben wird, kann die ganze Zahl K, die in Gl. (1) verwendet worden ist, über einem Satz von negativen und positiven ganzen Zahlen variieren, wobei die Größe L des Referenzsegments jedoch gleich bleiben würde.
Bei der in Fig. 8 gezeigten Darstellung sind 11 Elemente von Referenzdaten (a) und 17 Elemente von neuen CCD-Daten (b) vorhanden. Es existieren bei dieser Darstellung (17-11)+1 = 7 mögliche Korrelationspunkte. Die Teuprodukte für die Korrelationswerte (c) für jeden Punkt werden aufsummiert, um die in (d) gezeigten Korrelationswerte zu erzeugen.
M+1 aufeinanderfolgende Korrelationswerte C(K) in einer Nachbarschaft des maximalen Korrelationswertes werden mit einer Polynomanpassung M-ter Ordnung (M ≥ 2) angepaßt, die durch diese M+1 Werte läuft, um eine durchgehende Korrelationskurve zu schaffen. Die Position des maximalen Korrelationswerts oder der Korrelationsspitze wird durch Interpolation der Polynomkurve gefunden, derart, daß die Auflösung wesentlich feiner als die Beabstandung aufeinanderfol gender Photosensorplätze ist. Dies ist schematisch in Fig. 7 dargestellt.
Die absolute Größe der Korrelationsspitze ist nicht so wichtig wie die Spitzenschärfe, welche eine Hintergrundspitze von der Korrelationsspitze unterscheidet, wobei sie folgendermaßen definiert ist:
Die Spitze weist bei diesem Beispiel eine Größe von 23.000 Einheiten auf, wobei zu sehen ist, daß nahegelegene Hintergrundspitzen absolute Größen von etwa 7.000 bis 10.000 Einheiten aufweisen. Es wurde herausgefunden, daß bei beliebigen gegebenen Druckmedien, Lichtbedingungen, usw., sobald eine Korrelationsspitzenstärke Cp bestimmt ist, eine minimale Schwelle für aufeinanderfolgende Spitzen C(K)max in Gl.(1) bei etwa der Hälfte der anfänglichen Spitzengröße eingerichtet werden sollte. Die Schwelle f = 0,5 für das Verhältnis C(K)max/Cp einer darauffolgenden Spitze zur anfänglichen Korrelationsspitze kann durch irgendein anderes geeignetes Verhältnis f, das zwischen 0 < f < 1 liegt, ersetzt werden. Da dieses System immer die Position der "besten" Korrelationsanpassung berichten wird, schafft die Verwendung einer minimalen Schwelle ein Kriterium, um sicherzustellen, daß die Messung eine gültige Messung ist. Faktoren, die ungültige Messungen bewirken könnten, umfassen Schieflauf, Translation in einer anderen Richtung als zum Sensorarray ausgerichtet, Positionsveränderungen eines oder mehrerer optischer Elemente und Lichtintensitätsveränderungen. Die Software wurde aktualisiert, um die Korrelationsgröße am Beginn eines Meßzyklus aufzuzeichnen, und um jede inkrementale Messung zu markieren, bei der die Korrelationsgröße unter der minimalen Schwelle liegt. Die Software markiert ferner Fälle, bei denen das Meßsystem den Start eines Bewegungszyklus erfaßt, wobei die Endposition jedoch die gleiche wie die Startposition ist. Dies hebt "Rauschen" und/oder Schwingungs-induzierte "falsche" Bewegungen auf.
Die Verwendung eines Referenzarrays von L aufeinanderfolgenden Sensorwerten zum Berechnen der Kreuzkorrelation C(K) in Gl. (1) ist zu der Verwendung eines gewichteten Arrays folgender Form äquivalent:
In Gl. (3) sind die Gewichtungen wk alle gleich aber nicht Null. Dies ist in Fig. 9 in Kurve (a) dargestellt, welche eine rechteckformige Funktion darstellt, die durch die folgende Gewichtungsauswahl reproduziert ist:
wk = 1 (k=k&sub1;, k&sub1;+1, ..., L+k&sub1;-1)
= 0 (sonst) (4)
Eine andere Alternative besteht darin, die Gewichtungen wk auszuwählen, um eine trapezförmige Funktion darzustellen, wie es durch Kurve (b) in Fig. 9 dargestellt ist, wobei Folgendes gilt:
wk = c&sub1;(k-k&sub2;) (k=k&sub2;, k&sub2;+1, ..., k&sub3;)
= c&sub1;(k&sub3;-k&sub2;) (k=k&sub3;+1, ..., L+2k&sub2;-k&sub3;-1)
= c&sub1;(k-L-k&sub3;+1) (k=L+2k&sub2;-k&sub3;, ..., L+k&sub2;-1)
= 0 (sonst) (5)
In Gl. (5) ist c&sub1; eine positive Konstante und k&sub2; und k&sub3; sind ganzzahlige Indizes, die 0 < k&sub2; < k&sub3; < L/2 erfüllen. Eine dritte Alternative besteht darin, die Gewichtungen wk auszuwählen, um eine dreieckförmige Funktion darzustellen, wie in Kurve (c) in Fig. 9 dargestellt ist, wobei Folgendes gilt:
wk = c&sub2;k (k=k&sub4;, k&sub4;+1, ..., k&sub5;)
= c&sub2;(L+2k&sub5;-2k&sub4;-1-k) (k=k&sub5;+1, ..., L+2k&sub5;-2k&sub4;-1)
= 0 (sonst) (6)
c&sub2; ist eine positive Konstante und k&sub4; und k&sub5; sind ganzzahlige Indizes die 0 < k&sub4; < k&sub5; erfüllen. Die rechteckförmige, die trapezförmige und die dreieckförmige Funktion, die durch die Gewichtungen wk in den Gl. (4), (5) und (6) dargestellt sind, müssen nicht symmetrisch sein. Allgemeiner gesagt können die Gewichtungen wk in Gl. (3) ausgewählt werden, um eine beliebige, nicht-negative Funktion darzustellen, welche in einem ausgewählten Intervall positiv ist, in dem Index k bis zu einem Maximalgewichtungwerts innerhalb dieses Intervalls monoton steigend ist und in dem Index k, sobald die Gewichtung wk unter den Maximalwert fällt, monoton fallend ist, und außerhalb des ausgewählten Intervalls Null ist. Eine derartige Funktion wird hier als eine Doppelmonoton-Gewichtungsfunktion bezeichnet. Jede Doppelmonoton-Gewichtungsfunktion wird Produkten s&sub1;(k) s&sub2;(k+K) neben dem Rand des Referenzsegmentes eine kleinere Gewichtung zuweisen, als entsprechenden Produkten in der Nähe der Mitte des Referenzsegments.
Die Kreuzkorrelationsfunktionen C(K) und Cp, die in den Gl. (1), (2) und (3) erscheinen, können durch allgemeinere Potenzgesetz-Kreuzkorrelationsfunktionen entsprechend der folgenden Gleichung dargestellt werden:
Cµ1,µ2(K) = Σ[s&sub1;(k+i-1)]µ1[s&sub2;(k+K-1)]µ2, (7)
µ1 und µ2 sind vorbestimmte positive Zahln, wobei die Signalverarbeitung wie vorher beschrieben durchgeführt wird, um die inkrementale Positionsänderung zu bestimmen. Die Zahlen µ1 und µ2 könnten beispielsweise die Normierungsbeziehung µ1+µ2 = 1 (oder = 2) erfüllen. Als weitere Verallgemeinerung können die herkömmliche Kreuzkorrelationsfunktion und die Potenzgesetz-Kreuzkorrelationsfunktion durch eine Potenzgesetz-Differenzfunktion, die folgendermaßen definiert ist, ersetzt werden:
Dµ3(K) = Σ s&sub1;(k+i) - s&sub2;(k+K-1) µ3 (8)
µ3 ist eine andere vorbestimmte positive Zahl, beispielsweise µ3 = 1 oder 2. Die herkömmliche Kreuzkorrelationsfunktion, die Potenzgesetz-Kreuzkorrelationsfunktion und die Potenzgesetz-Differenzfunktion sind alle spezielle Beispiele einer Suche nach einer Musterübereinstimmung, wobei diese hier als eine "verallgemeinerte Musterübereinstimmung" bezeichnet werden.
Fig. 10 ist ein Flußdiagramm, das die allgemeinen Schritte eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens darstellt. In einem Schritt 51 zeichnet das System eine Referenzposition des Blatts auf. In einem Schritt 53 (optional) bestimmt das System, ob sich das Blatt anschließend mindestens um eine Schwellenstrecke xthr in der ausgewählten Richtung bewegt hat. Wenn nicht, nimmt das System an, daß das Blatt stillsteht. Wenn sich das Blatt um mindestens die Schwellenstrecke Xthr bewegt hat, kann die gegenwärtige Position des Blatts ferner bestimmt und in einem Schritt 53 aufgezeichnet werden. Wenn sich das Blatt noch bewegt, was in einem Schritt 55 bestimmt wird, führt das System seinen Kreislauf fort, bis es erscheint, daß das Blatt für mindestens ein minimales Zeitintervall einer vorbestimmten Länge, wie z.B. 20 µsec, zur Ruhe gekommen ist. Wenn es erscheint, daß das Blatt zur Ruhe gekommen ist, wird seine neue Ruheposition bestimmt und in einem Schritt 57 aufgezeichnet, indem das hier offenbarte Verfahren verwendet wird. Schließlich wird die Strecke, um die sich das Blatt bewegt hat, aufgezeichnet und in einem Schritt 59 (optional) berichtet. Das System führt dann wieder seinen Kreislauf fort.
Die hier erörterte Technik kann auf eine Vorhersage der Position des Blatts zu einer ausgewählten Zeit Δt in der Zukunft erweitert werden, wobei sich das Blatt mit einer bestimmbaren Rate bewegt. Wenn die vorliegende Position, die vorliegende Geschwindigkeit und die vorliegende Beschleunigung, die in der ausgewählten Richtung gemessen werden, x&sub0;, v&sub0; bzw. a&sub0; bei einem Zeitpunkt t&sub0; sind, lautet die Vorhersage für die Blattposition zu einem Zeitpunkt t = t&sub0;+Δt (Δt > 0):
x(t&sub0;+Δt) = x&sub0; + v&sub0; Δt + a&sub0; Δt²/2
Unter Verwendung dieser Positionsvorhersage kann das Fenster, das L aufeinanderfolgenden optischen Photoplätzen zugeordnet ist, translatiert und auf der wahrscheinlichsten Position des Blattes zu einem ausgewählten zukünftigen Zeitpunkt t = t&sub0;+Δt zentriert werden.
Die hier offenbarte Erfindung kann ebenfalls auf die Positionsbestimmung in zwei zueinander senkrechten Richtungen, die aus Zweckmäßigkeitsgründen hier x und y bezeichnet sind, in einer Ebene erweitert werden. Es wird ein Blatt 71 betrachtet (Fig. 11), das in einer Ebene P (P = Plane = Ebene) liegt und um einen Betrag Δs in einer ausgewählten Richtung, die durch den zweidimensionalen Vektor R = (Δx,Δy) bezeichnet ist, der in der Ebene P liegt, translatiert worden ist, dann um einen Winkel Ω um eine Drehmittelpunkt in der Ebene P gedreht worden ist und dann in zwei Dimensionen durch die jeweiligen Skalierungsfaktoren f1 und f2 skaliert worden ist. Diese drei Bewegungen, die zusammen betrachtet werden, können als eine Matrixtransformation auf einen Punkt (x, y), der in der Ebene P liegt, dargestellt werden:
Hier ist neben dem Blatt 71 ein zweidimensionales Array von optischen Sensoren vorgesehen, um eine Signatur einer ausgewählten Region auf der Blattoberfläche nach einer zweidimensionalen Bewegung des Blatts 71, wie es in Fig. 12 dargestellt ist, zu erfassen. Ein zweidimensionales Kreuzkorrelationsfenster W (W = Window Fenster) für die Abbildungen des optischen Sensors ist jetzt gebildet, und durch ein rechteckiges L1xL2-Teilarray 73 von Sensoren aus dem größeren zweidimensionalen N&sub1;xN&sub2;-Array von Sensoren definiert. Diese zweidimensionale Kreuzkorrelationsfunktion mit zwei Variablen C&sub2;(k&sub1;,k&sub2;) ist durch folgende Beziehung definiert:
Die Korrelationsfunktion C&sub2;(K&sub1;,K&sub2;) wird bezüglich einer Auswahl der beiden Translationsvektorkomponenten K&sub1; und K&sub2; maximiert. Hier wird angenommen, daß sich eine zweidimensionale Signatur des Blatts über die Bereiche i&sub1; ≤ k&sub1; ≤ i&sub1;+L&sub1;-1 und i&sub2; ≤ k&sub2; ≤ i&sub2;+L&sub2;-1 erstreckt. Es wird angenommen, daß die Anwendung der beiden Translationsvektorkomponenten K&sub1; und K&sub2; das Fenster W des Blatts 71 zu etwa der Mitte der ausgewählten Region translatieren. Eine zweite zweidimensionale Kreuzkorrelationsfunktion mit drei Variablen lautet folgendermaßen:
C&sub3;(Ω',f1,f2)=C&sub2;(f1k&sub1;cosΩ'+f1k&sub2;sinΩ',-f2k&sub1;sinΩ'+f2k&sub2;cosΩ') (11)
Die Funktion hängt von einem Rotationswinkel Ω' und Skaherungsfaktoren fl und f2 ab, wobei dieselbe eingeführt und verwendet wird, um eine Neuausrichtung des Blatts 71 durch eine Rotation der Blattsignatur um einen Winkel Ω' um einen Drehmittelpunkt, der innerhalb der Region liegt, die aus der Translation der ausgewählten Region durch den Translationsvektor (K&sub1;&sub1;K&sub2;) resultiert, und durch eine Skalierung durch die Faktoren f1 und f2 in der Ebene P zu beschreiben. Die beiden kontinuierlichen Variablen f1k&sub1;cosΩ'+f1k&sub2;sinΩ' und -f2k&sub1;sinΩ'+f2k&sub2;cosΩ' werden allgemein nicht mit einem der Gitter diskreter Koordinaten (k&sub1;,k&sub2;) zusammenfallen, für welches die Lichtstärkesignale s&sub1;(k&sub1;,k&sub2;) und s&sub2;(k&sub1;,k&sub2;) definiert sind. Wenn, wie hier angenommen wird, die Abtastfrequenz der Lichtstärkesignale s&sub1;(k&sub1;,k&sub2;) und s&sub2;(k&sub1;,k&sub2;) der bekannten Nyquist-Abtastfrequenz gleich ist oder dieselbe übersteigt, können die Werte der Lichtstärkesignale s&sub1;(x&sub1;,x&sub2;) und s&sub2;(x&sub1;,x&sub2;) für beliebige Werte x&sub1; und x&sub2; in den Intervallen 0 ≤ x&sub1; ≤ N&sub1;d&sub1; und 0 ≤ x&sub2; ≤ N&sub2;d&sub2; ohne Rückfaltung aus den abgetasteten Werten rekonstruiert werden. Diese Erweiterung der Lichtstärkesignale s&sub1;(k&sub1;,k&sub2;) und s&sub2;(k&sub1;,k&sub2;) von einem diskreten Koordinatengitter (k&sub1;,k&sub2;) zu einem zweifachen Kontinuum wird hier durch die Gl. (11) und (12) durchgeführt.
In Gl. (11) werden die Parameter K&sub1; und K&sub2; als durch die vorhergehende Trans lationsoperation festgehalten betrachtet. Die Kreuzkorrelationsfunktion C&sub3;(Ω',f1,f2) wird dann bezüglich der Wahl des Rotationswinkels Ω' und der Skalierungsfaktoren f1 und f2 maximiert. Es wird angenommen, daß sich die Signatur des Blatts 71 um die Kombination einer Translation um den Vektor (K&sub1;,K&sub2;) plus einer Rotation um die Rotationsmitte um einen Winkel Ω' bewegt hat und zusätzlich durch die Faktoren f1 und f2 skaliert worden ist, wobei dies in dieser Reihenfolge ausgeführt wird, wie es in Fig. 11 dargestellt ist. Diese Kombination wird nicht notwendigerweise eine exakte Sensor-um-Sensor-Anpassung der Blattsignatur, die dem Fenster W oder dem Fenster W' zugeordnet ist, erzeugen, wobei dieselbe vorzugsweise eine zweite Translation mit einem zugeordneten Translationsvektor (K&sub3;,K&sub4;) enthält, und vorzugsweise eine andere zweidimensionale Kreuzkorrelationsfunktion mit zwei Variablen maximieren soll:
C&sub2;(K&sub3;,K&sub4;)'=
C&sub2;(f1k&sub1;cosΩ'+f1k&sub2;sinΩ'+K&sub3;,-f2k&sub1;sinΩ'+f2k&sub2;cosΩ'+K&sub4;) (12)
Die Parameter K&sub1;, K&sub2;, Ω', f1 und f2 werden als durch die vorhergehende Translations-, Rotations- und Skalierungs-Operation als festgehalten betrachtet. Das ursprüngliche Fenster W hat sich zu der Position W', dann zu der Position W"(Ω',f1,f2) und dann zu der Position W'" bewegt. Dieses zweidimensionale Ausführungsbeispiel, das oben diskutiert worden ist, wird die Verwendung eines N&sub1;xN&sub2;-Arrays von Photosensoren, die Verwendung eines L&sub1;xL&sub2;-Fenster-Unterarray 73 von Photosensoren und eine sequentielle Maximierung der zwei oder drei Kreuzkorrelationsfunktionen C&sub2;, C&sub3; und C&sub2;' erfordern, von denen jede zwei oder drei Variablen aufweist, bezüglich derer eine Maximierung durchgeführt wird. Die Berechnungskomplexität dieser zweidimensionalen Erweiterung ist im Vergleich zu der Berechnungskomplexität des eindimensionalen oben diskutierten Lösungsansatzes erschreckend groß.
Bezüglich der Bestimmung der optischen Vergrößerung des Meßsystems wird die Ronchi-Linierungs-Technik, die vorher beschrieben wurde, bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung nicht verwendet. Alle vier Linsen des telezentrischen, optischen Systems sind zueinander mechanisch befestigt. Fokuseinstellungen bewegen den Satz von vier Linsen bezüglich des CCD-Sensors als Ganzes. Dies hat eine kleine, jedoch wertvolle Auswirkung auf die Bildgröße und die Vergrößerung. Es wurde herausgefunden, daß das System bei einem gegebenen Fokus und der entsprechenden Vergrößerung unter Verwendung eines Verriegelungsrings auf dem Linsentubus verriegelt werden kann. Sobald es fixiert ist, kann der Vergrößerungsfaktor MF mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, indem ein Laser/Luft-Lagerungssystem oder ein anderes geeignetes Vergrößerungsbestimmungssystem verwendet wird. Telezentrische optische Anordnungen verändern nicht die Bildgröße mit, Veränderungen in dem Objektabstand, wobei dieses System eine ausreichende Feldtiefe aufweist, derart, daß der Fokus auch über den entworfenen Abstand ±1,0 mm beibehalten wird. Die Erfahrung der Anmelderin hat gezeigt, daß, sobald das System auf diese Art und Weise kalibriert worden ist, es ziemlich robust ist und die Messungen wiederholbar sind, wenn sie gegen das Laser/Luft-Lagerungssystem neu getestet worden sind. Zusätzliche Vorteile bestehen darin, daß (1) die Benutzer weder den Fokus einstellen müssen noch die Vergrößerung bestimmen müssen, und (2) das System für Schwingungsprobleme weniger anfällig ist.
Bezüglich der Ausrichtungsprozedur, die oben beschrieben worden ist, wurden bisher alle Systeme mit sehr gutem Erfolg manuell ausgerichtet. Möglicherweise könnten bestimmte Anwendungen, wie z.B. Produktionslinien-Qualitätssicherung von Zeilenvorschub-Genauigkeiten, die Verwendung einer automatischen Ausrichtung als Teil eines "schlüsselfertigen" Testsystems rechtfertigen. Eine derartige Automatisierung könnte unter Verwendung von Robotertechniken erreicht werden, welche dem gleichen Algorithmus und der gleichen Prozedur, die für die manuelle Ausrichtung beschrieben worden sind, folgen.
Obwohl die Erfindung unter Verwendung von reflektiertem Licht beschrieben worden ist, um die Signatur des Blatts oder Substrats in Fig. 1 zu schaffen, verwenden weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung Licht, das durch das Substrat transmittiert worden ist. Wo transinittiertes Licht verwendet wird, um die Signatur zu bilden, muß das Substrat 23 wenigstens teilweise für Licht transparent sein, wobei das Blatt, während es durch transinittiertes Licht beleuchtet worden ist, jedoch eine bestimmte lokale Variation der Transmission zeigen muß, derart, daß durch das System eine Blattsignatur erkannt werden kann. Das durch das Substrat 23 transmittierte oder von dem Substrat 23 reflektierte Licht, was hier als die "Ausgabe von" dem Substrat bezeichnet wird, muß nicht im sichtbaren Bereich liegen. Jeder Wellenlängenbereich kann verwendet werden, solange die Photosensoren in diesem Bereich angemessen empfindlich sind.

Claims

1. Ein Verfahren zum Bestimmen der Vorschubstrecke in einer ausgewählten Richtung eines Blatts Papier oder eines anderen Substrats (23), wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

Beleuchten einer ausgewählten Oberfläche des Substrats (23) mit Licht mindestens eines vorbestimmten Lichtstärkensignals in einem vorbestimmten Winkel;

Bereitstellen von N Lichtsensoren (29), die in einem linearen Array positioniert und durch einen Abstand d entlang des linearen Arrays gleichmäßig beabstandet sind, damit jeder die Signalstärke einer Lichtausgabe, von der ausgewählten Oberflche (23) bei einem vorbestimmten optischen Vergrößerungsfaktor (MF) empfängt und erfaßt und ein erstes Array von Lichtstärkesignalen s&sub1;(k) (k = 1, 2, ..., N) liefert, wobei N eine ausgewählte ganze Zahl > 2 ist;

Zulassen, daß sich das Substrat (23) in der ausgewählten Richtung bewegt;

Zulassen, daß das Array von Sensoren (29) ein zweites Array von Lichtstärkesignalen s&sub2;(k) (k = 1, ..., N) für eine Lichtausgabe von der ausgewählten Oberfläche s&sub2;(k) empfängt und erfaßt, nachdem sich das Substrat bewegt hat; Bilden der Kreuzkorrelationsfunktion des ersten und zweiten Arrays von Lichtstärkesignalen, wobei L eine vorbestimmte ganze Zahl ist, die 1 ≤ L < N erfüllt, und i eine ausgewählte ganze Zahl ist, die 1 ≤ i ≤ N erfüllt, und Bestimmen des Wertes der ganzen Zahl K = K&sub0;, die den größten Wert des Kreuzkorrelationsfunktionswertes C(K) erzeugt; und

Bestimmen, daß sich das Substrat (23) etwa um eine Strecke D (MF) (K&sub0;-i)d in der ausgewählten Richtung bewegt hat.

2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Licht, das von der ausgewählten Oberfläche (23) ausgegeben wird, durch ein telezentrisches optisches System (25/27) zu den Lichtsensoren (29) geleitet wird.

3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Gewichtungen Wk eine Doppelmonoton-Gewichtungsfunktion darstellen.

4. Ein Verfahren zum Bestimmen der Vorschubstrecke in einer ausgewählten Richtung eines Blatts Papier oder eines anderen Substrats (23), wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

Beleuchten einer ausgewählten Oberfläche des Substrats (23) mit Licht von mindestens einem vorbestimmten Lichtstärkesignal in einem vorbestimmten Winkel;

Bereitstellen von N Lichtsensoren (29), die in einem linearen Array positioniert und durch einen Abstand d entlang des linearen Arrays gleichmäßig beabstandet sind, damit jeder Sensor die Signalstärke einer Lichtausgabe von der ausgewählten Oberfläche (23) bei einem vorbestimmten optischen Vergrößerungsfaktor MF empfängt und erfaßt und ein erstes Array von Lichtstärkesignalen s&sub1;(k) (k = 1, 2, . .., N) liefert, wobei N eine ausgewählte ganze Zahl > 2 ist;

Zulassen, daß sich das Substrat (23) in der ausgewählten Richtung bewegt;

Zulassen, daß das Sensorarray (29) ein zweites Array von Lichtstärkesignalen s&sub2;(k) (k = 1, ..., N) für eine Lichtausgabe von der ausgewählten Oberfläche empfängt und erfaßt, nachdem sich das Substrat bewegt hat; Bilden der Kreuzkorrelationsfunktion

des ersten und zweiten Arrays von Lichtstärkesignalen, wobei L eine vorbestimmte ganze Zahl ist, die 1 ≤ L < N erfüllt, und i eine ausgewählte ganze Zahl ist, die 1 ≤ i ≤ N erfüllt;

Approximieren des Korrelationsfunktionswerts C(x) (x = 0, 1, 2, ..., N-1) durch ein Polynom p(x) eines ausgewählten Grades M > 2 für M+1 aufeinanderfolgende Werte C(x) in der Nähe des größten Wertes von C(x), und Bestimmen des Wertes x = X&sub0;, der von der durchgehenden Linie genommen wird, die durch 0 ≤ x ≤ N definiert ist, für welchen das Polynom p(x) einen maximalen Wert erreicht; und

Bestimmen, daß sich das Substrat etwa um eine Strecke D = (MF) (X&sub0;-i)d in der ausgewählten Richtung bewegt hat.

5. Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem einer Lichtausgabe von der ausgewählten Oberfläche (23) durch ein telezentrisches optisches System (25/27) zu den Lichtsensoren (29) geleitet wird.

6. Ein Verfahren zum Bestimmen der Vorschubstrecke in einer ausgewählten Richtung in einer zweidimensionalen Ebene eines Blatts Papier oder eines anderen Substrats (71), wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

Beleuchten einer ausgewählten Oberfläche des Substrats (71) mit Licht mindestens eines vorbestimmten Lichtstärkesignals in einem vorbestimmten Winkel;

Bereitstellen eines zweidimensionalen Arrays von N&sub1;xN&sub2; Lichtsensoren (73), die durch Abstände d1 und d2 in zwei jeweiligen unabhängigen Richtungen innerhalb des Arrays gleichmäßig beabstandet sind, wobei jeder Lichtsensor die Signalstärke einer Lichtausgabe von der ausgewählten Oberfläche (71) bei einem vorbestimmten optischen Vergrößerungsfaktor MF empfängt und erfaßt und ein zweites Array von Lichtstärkesignalen s&sub1;(k&sub1;,k&sub2;) (k&sub1; = 1, 2, .., N&sub1;; k&sub2; = 1, 2, ..., N&sub2;) liefert, wobei N&sub1; und N&sub2; ausgewählte ganze Zahlen > 2 sind;

Zulassen, daß sich das Substrat (71) in der ausgewählten Richtung bewegt;

Zulassen, daß das Array von Sensoren (73) ein zweites Array von Lichtstärkesignalen s&sub2;(k&sub1;,k&sub2;) (k&sub1; = 1, 2, N&sub1;; k&sub2; = 1, 2, ..., N&sub2;) für eine Lichtausgabe von der ausgewählten Oberfläche empfängt und erfaßt, nach dem sich das Substrat (71) bewegt hat;

Bilden der Kreuzkorrelationsfunktion C&sub2;(f1K&sub1;cosΩ - f1K&sub2;sinΩ + K&sub3;, f2k&sub1;sinΩ + f2K&sub2;cosΩ + K&sub4;)

C&sub2;(K',K'') =

L&sub1; L&sub2;

Σ Σ s&sub1;(k&sub1;+i&sub1;-1,k&sub2;+i&sub2;-1) s&sub2;(k&sub1;+K'-1,k&sub2;+K''-1)

k&sub1;=1 k&sub2;=1

(K' = 1, ..., N&sub1;-L&sub1;+1; K'' = 1, ..., N&sub2;-L&sub2;+1),

des ersten und zweiten Arrays von Lichtstärkesignalen, wobei L&sub1; und L&sub2; vorbestimmte ganze Zahlen sind, die 1 ≤ L&sub1; < N&sub1; und 1 ≤ L&sub2; < N&sub2; erfüllen, und i&sub1; und i&sub2; ausgewählte ganze Zahlen sind, die 1 ≤ i&sub1; ≤ N&sub1; und 1 ≤ i&sub2; ≤ N&sub2; erfüllen, und Bestimmen der Werte der ganzen Zahlen K&sub1;, K&sub2;, K&sub3; und K&sub4;, der Werte der Skalierungsfaktoren f1 und f2 (0 < f1, f2 ≤ 1) und des Werts des Drehwinkels n (0 ≤ Ω < 2π), die zusammen den größten Wert des Kreuzkorrelationsfunktionswerts C&sub2;(f1K&sub1;cosΩ + f1k&sub2;sinΩ + K&sub3;, -f2k&sub1;sinΩ + f2k&sub2;cosΩ + K&sub4;) erzeugen; und

Bestimmen, daß sich das Substrat (71) um einen zweidimensionalen Vektor in der Ebene entsprechend der Wahl der Parameter K&sub1;, K&sub2;, K&sub3;, K&sub4;, f1, f2 und Ω, die den Kreuzkorrelationsfunktionswert C&sub2;(f1K&sub1;cosΩ + f1k&sub2;sinΩ + K&sub3;, - f2k&sub1;sinΩ + f2k&sub2;cosΩ + K&sub4;) maximieren, bewegt hat.

7. Das Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem eine Lichtausgabe von der ausgewählten Oberfläche (23) durch ein telezentrisches optisches System (25/27) zu den Lichtsensoren (29) geleitet wird.

8. Vorrichtung zum Bestimmen der Vorschubstrecke in einer ausgewählten Richtung eines Blatts Papier oder eines anderen Substrats (23), wobei die Vorrichtung durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:

eine Lichtquelle zum Beleuchten einer ausgewählten Oberfläche des Substrats (23) mit Licht mit einer vorbestimmten Lichtstärke und mit einem vorbestimmten Einfallswinkel bezüglich einer ausgewählten Licht-empfangenden Oberfläche des Substrats;

N Lichtsensoren (29), die in einem linearen Array positioniert und durch einen Abstand d entlang des linearen Arrays gleichmäßig beabstandet sind, damit jeder die Signalstärke eines von der ausgewählten Oberfläche (23) reflektierten Lichts durch ein telezentrisches Lichtfokussiersystem (25/27) bei einem vorbestimmten optischen Vergrößerungsfaktor MF empfängt und erfaßt,

wobei ein erstes Array von Lichtstärkesignalen s&sub1;(k) (k = 1, 2, ..., N) geliefert worden ist, bevor sich das Substrat bewegt hat, und das Array von Lichtsensoren ebenfalls ein zweites Array von Lichtstärkesignalen s&sub2;(k) (k = 1, ..., N) für eine Lichtausgabe von der ausgewählten Oberfläche mit dem optischen Vergrößerungsfaktor M empfängt und erfaßt, nachdem das Substrat bewegt worden ist, wobei N eine ausgewählte ganze Zahl > 2 ist; und

eine Berechnungseinrichtung zum Empfangen des ersten und zweiten Arrays von Lichtstärkesignalen s&sub1;(k) und s&sub2;(k) zum Bilden einer Kreuzkorrelationsfunktion

wobei L eine vorbestimmte ganze Zahl ist, die 1 ≤ L ≤ N erfüllt, und i eine ausgewählte ganze Zahl ist, die 1 ≤ i ≤ N erfüllt, zum Bestimmen des Werts einer positiven ganzen Zahl K = K&sub0;, die den größten Wert der Kreuzkorrelationsfunktion C(K) erzeugt, und zum Bestimmen und Anzeigen, daß sich das Substrat etwa um eine Strecke D = (MF) (K&sub0;-i)d; in der ausgewählten Richtung bewegt hat.