JP3866774B2 - 媒体送り距離を決定する方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はシートの移動の光学測定によって用紙シートまたは他の材料の位置を高精度に監視する方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術とその問題点】
複写機、プリンタ及び文書スキャナ等の多くのコンピュータ周辺装置は、イメージをシートに転写し、又はイメージを読み込むために１枚の用紙シートまたは連続する用紙シートを周辺装置を通して移動する(transfer)ことに依存している。このシート移動には感知機構によって用紙の位置を精密に測定することがしばしば要求される。シートの位置の測定は、シートの表面、シートの移動位置、それらのイメージが接触、妨害、変化することがないように非侵略的に行われる必要がある。光学手段による精密な位置決めはＣＣＤセンサまたはこのようなセンサのアレイを必要とすることがあり、イメージのサイズまたは倍率及びイメージ焦点を制御するためにはセンサから用紙表面への距離を可能なかぎり精密に測定しなければならない。シートはシート表面に対して垂直な方向に1,000 μm も移動することがあり、センサと連結した光学系はこの運動を補償しなければならない。図１に示したような従来の光学系は光学素子１１での光線の円錐角２Θが比較的大きく、この角度によって、シート１３の位置が光学素子１１またはセンサ１５に向かってまたは離れてシフトすると共に視覚的にイメージ・サイズが変化する。
【０００３】
米国特許第 3,919,560号には、ウェブが監視される前に、ウェブ・マージン上に配置させた単ー又は複数の一連のインデックス・マークに関してウェブを光電式に走査することを用いて連続的に移動する材料のウェブの現在位置を監視する方法と装置が記載されている。予めインデックス・マークを配置させることが要求されるこの侵略的な方法は、疑似マークに準拠しており、ウェブ位置を数ミクロン範囲内の精度で確認するために極めて密接に間隔をおいたマーキングが必要である。更に、光電式走査手段またはインデックス・マークのラインが互いに横方向に移動すると、光電手段はウェブが移動した場合に通過するインデックス・マークの一部または全てを感知することができない。
【０００４】
米国特許第 4,373,816号では、その厚さが測定される製材(lumber)等の対象の表面からある角度で反射されるコリメートし、または周期的にさい断された光を使用することが開示されている。反射ビームの横方向移動の量によって対象の厚さが決定される。
【０００５】
繊維等の材料の薄いウェブを移動させて、透過した光を受光する光センサの利用が米国特許第 4,683,380号に開示されている。２個の隣接するフォトダイオードが透過した光を受光し、最初にウェブ内の孔が２個のフォトダイオードにより受光された光の急激な差として孔の存在を示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
所定の方向での媒体(substrate) の移動の距離を決定できるアプローチが強く要求されている。このようなアプローチは、(1) 所与の方向に垂直な方向での媒体の移動に感知せず、(2) 非侵略的であり、シートの表面またはシートに含まれるテキストまたはグラフィックスに接触せず、またはこれを変化させず、(3) 信号ノイズ又は他の妨害の存在を補償し、(4) 所与の方向でのサーボ応答又は媒体の位置を変化させず、あるいはこれに影響を及ぼさず、(5) フレキシブルで、光測定技術の向上と共に精度の向上も可能であり、(6) エンコーダ・ストリップとして特別なフィーチャー（基準マーク、トラクタ・フィード穴等）を必要としないものであることが要求される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によって上述の要求は達成される。本発明のー実施例では、移動中のシートから反射またはこれを透過する光を受光し、検出するための、アレイに沿って均一な距離ｄだけ間隔をおいたＮ個の光センサの直線アレイを備えることによって達成される。第１アレイの光強度値ｓ₁(ｋ)(ｋ＝１，２，．．，Ｎ）が決定し、次にシートを移動する。そして、シートに関して第２アレイの光強度値ｓ₂ （ｋ)(ｋ＝１，２，．．，Ｎ）を決定し、選択された整数Ｋについて一連の相互相関項ｓ₁(ｋ＋ｉ−１）ｓ₂(ｋ＋Ｋ−１）の和からなる相互相関関数を決定する。次に相互相関関数値をＫの選択によって、又はこれに対応する連続値、例えば、Ｋ＝Ｋ₀ によって最大化し、シートが所与の方向に移動した距離Ｄをおよそ（ＭＦ）（Ｋ₀-i ）ｄによって決定する。ここでは、ｄは光学倍率効果を含む、２個の連続する光センサ素子の相互間の距離で、ｉは用紙の「サイン」(sheet signature) を監視するためのセンサ群の最初の位置を表す整数である。
【０００８】
本願明細書に開示される方法は、非侵略的であり、(1) 所与方向と垂直な方向でのシートの移動を補償し、(2) 信号ノイズや他の好ましくない妨害を補償し、(3) シートの２次元移動を補償する。
本願明細書に開示する方法および装置は、シートの監視に関して詳述するが、本発明は、(1) 圧延材料(mill stock)のほぼ平坦な表面から直接的に相対位置座標を決定するために機械ツール位置の読出し、(2) 半導体製造におけるウェーハ及びダイス・ステッパの位置、(3) 顕微鏡の対象物の位置等の光学手段のテーブル移動座標、(4) 干渉計の用途等の非侵略的の監視にも応用することができる。「媒体」という用語は、ここでは用紙シート又は他の反射性または光透過性の書き込み材料、圧延材、半導体ウェハ、顕微鏡の対象物または同類の光反射性あるいは光透過性の媒体を意味する。
【０００９】
【発明の実施例】
図２は用紙シート又は他の適切な材料から成る媒体２３のＸ方向への運動を感知し、そのＺ方向への移動に比較的影響を受けない本発明の簡略化した構造２１を示している。互いに間隔をあけた少なくとも２群の光学素子２５、２７を含むテレセントリック(telecentric) 光学系が光学センサのアレイ２９で媒体２３のイメージを形成する。テレセントリック光学系の光学素子群２５、２７の関連する円錐角２Θ₀ は小さい（２Θ₀ ＜＜１°）。本発明は更に媒体２３が少なくとも典型的には２〜３μm である最小距離ｘ_thr だけｘ方向に移動するまでｘ方向でのシートの移動を無視するアルゴリズムを利用している。媒体２３が移動し始め、ｘ方向での運動がｘ_thr を超えると、シートのそれ以上の移動が少なくとも１０サイクルの連続するセンサ周期にわたって検出されるまで移動が完了したとはみなされない。センサ周期の各暫時の長さは２ミリ秒である。
【００１０】
光学センサ・アレイ２９は、光学センサ・アレイ２９は典型的には図２に示すように直線的に配列されたＣＣＤセンサのような２５６個のセンサを備えている。テレセントリック光学系は移動が監視されている媒体２３のイメージまたはサインを集光し、センサ・アレイ２９に向ける。アレイ２９の各センサは、媒体２３がセンサ・アレイ２９に対して固定状態に保たれる場合とは異なる光学パターンを受光する。この変化するセンサ対センサのパターンは、用紙媒体２３の特定の部分のサインを示す一つの表現形態である。普通紙、けい紙（ruled paper）またはグラフィックスがある用紙は全てこの目的のサインを有している。サインは、媒体２３の表面テキスチュア又は他の光学特性を照射し、結像する（imaging）ことによって提供され、その場合、用紙シートに対する入射角が比較的大きい光で提供されることが好ましい。ほぼ平坦もしくは他の多くの異なる表面を含む他の多くの表面は、位置を監視する目的で照射され、結像あるいは感知することができるサインを有している。
【００１１】
標準ＣＣＤ光学センサ・アレイの２５６個の素子を最適に利用できるように、ここでは「基準セグメント」と呼ばれる１２８個の連続するデータ要素が２５６のＣＣＤの全データから取り出され、記憶され、基準として利用される。１２８という数が選択されたのは、説明の便宜上の理由からに過ぎず、本発明がその数に限定されるものではない。媒体が移動した後、基準セグメントは最適な適合もしくは相互相関を発見するために変換され、２５６のＣＣＤの全データと比較される。１２９の可能な相互相関があり、それぞれについて相関の強さの値がオペレータによる操作が可能な相関ボード(correlator board)上の電子ハードウェアによって計算される。Ｌ個の連続するＣＣＤ素子が基準セグメントを形成する場合は、可能な相関の数は２５７−Ｌである。
【００１２】
相関ボードは、ヒューレット・パッカード・カンパニー製のＨＰ９０００シリーズ３００または他の適宜のコンピュータの背面に接続されている２５６個のセンサからなるアレイに沿って用紙シートが移動する可能性の最も高い用紙シート位置の近傍における相関データ曲線に対して、ピーク検出器を用いてＭ次数の多項式（Ｍ≧２；Ｍ＝２であることが好ましい）を適用し、最大の相互相関値を生成する位置又は移動を決定する。光学倍率とフォトサイトの間隔がわかれば、相互相関ピークが基準データの元の位置からｘ方向に移動した量（センサ数）を観測することによって、媒体２３がｘ方向に移動した量を決定することができる。この場合、フォトサイト、即ち、センサの読み取りの位置の相互間の内挿が可能であるので、センサ幅のフラクションによる移動の測定が可能である。
【００１３】
１２８素子の幅の基準データは、データが２５６個の素子からなるアレイのどこから取り出されたかに応じて変換され、新たに提示された２５６素子の幅のCCDデータと比較することができる。新たなＣＣＤデータは２ミリ秒毎に取り出されるが、基準データはプログラムの開始時、または「移動」の終了時にのみ更新される。
【００１４】
測定ソフトウェアには３つのバリエーションが可能である。一つは基準データがＣＤＤセンサの直線アレイの中心位置から引き出され、もう一つは１２８の最も左側の素子から引き出され、別の一つは基準データが１２８の素子の最も右側の素子から引き出されるバリエーションである。中心の基準データを利用することによって、システムは媒体２３の前進又は後退運動のいずれかを検出することができるが、所与の光学倍率での可能な移動範囲の半分だけしかフォローすることができない。ある種のプリンタ又はその他のシートが移動する装置では、媒体２３を一つの方向にしか移動させることができないので、センサの向きに応じて一方又は他方の端部から基準データを引き出し、より大きい運動範囲を観察することが論理的である。これについては図３に示す。しかし、本発明の一部として双方向のソフトウェアも利用することができる。
【００１５】
基準セグメント・データのＣＣＤデータとの相関はこのシステムの運動検出能力の基本である。ピークの相関が生ずる位置の変化は用紙又は他の媒体の移動と直接関連する。閉ループ位置指定システムで使用するためにこの相関を実行する電子ハードウェアが本願出願人により設計され、この開ループ測定システシムにも同じ設計とハードウェアが利用される。相関プロセスは基本的に次のように行われる。基準データからの各データ点の値は変換されたＣＣＤデータの対応する値と乗算される。これらの部分的積の各々の値が互いに合計されて、変換された、又はインクリメントされた位置のための相関値が求められる。
【００１６】
ここで使用されるＣＣＤセンサ・アレイは例えば２５６個の１３μm²のフォトサイト（０．０００５１２インチ平方）又は同様のＣＣＤ素子を有するFairchild ＣＤ１１１Ａである。４倍の光学倍率を用いることによって、ＣＣＤは約1.33cm(0.524094 インチ) 幅の用紙部分を検出することができる。左又は右のトラッキングを採用した場合は可能な最大の用紙送りインクリメントは上述の半分、すなわち約0.66cm(0.262047 インチ) であり、中心の基準データを使用した場合は更にその半分、すなわち約0.33cm(0.131024 インチ) である。実際には、理論上可能な最大の用紙送り寸法よりも小さい寸法、例えば上述の最大値の約８０％を想定することが推奨される。その理由はシステムが最終位置に固定するまでにある程度の行き過ぎが生ずるサーボ・システムにある。センサで利用できるＣＣＤデータ内に基準データが完全には含まれていない場合は、オーバーラップが不完全であることにより有効な相互相関値を求めることは不可能であり、相互相関を表す曲線は極めて歪んだものになる。ピーク信号検出器ルーチンは動作せず、システムはリセット又は再開始されるまで「失う(lost)」。幾つかのプリンタは約0.42cm(0.1667 インチ) の理想的な列送り(swath advance) の値を有している。この列送り値は左又は右に位置調整された基準を採用すればこのシステムに容易に適応させることができ、左又は右のいずれの場合も適している。上述の列送り値よりも大きいか、小さい列送り値を有するプリンタの場合には、それに応じて光学倍率を調整することによってＣＣＤアレイを最適に利用することができる。
【００１７】
ほとんどの場合、室内の周囲光はセンサのＣＣＤに十分な強度の信号を与えることはできない。面積がより大きい検出器はより多くの光を集光させるが、検出器の面積の増大と共に暗電流が増加し、SN比は劣化する。補助光が要求され、光源の数を多くすることによって可能である。経験上、可能な光源には発光ダイオード（個別又はアレイ）、交流又は直流白熱灯（顕微鏡ライト、ポケット点滅灯、自動車ドーム・ライト）及び蛍光灯が含まれる。しかし、蛍光灯は交流電力でしか動作せず、隣接する交流周期の光の減衰が早いので、この周波数がＣＣＤデータのフリッカであると考えられる。動作周波数はＣＣＤ周期毎に多くの光周期が生ずるように充分高くなければならない。ＣＣＤシステムの小型の蛍光源として使用できる４０ＫＨｚの電源が設計された。光センサ・データを構成することができる用紙サインは用紙の表面からの光反射によって、又は用紙を通る透過光によって得ることができる（この場合は用紙の少なくとも一部が透明である) 。
【００１８】
周囲光に加えられる光の光量によってＣＣＤ出力が０．５ないし１ボルトのサインが生ずる。ここで使用されるＣＣＤセンサ・アレイは１ボルトの飽和出力電圧を有している。光源で必要な光の輝度の絶対値は光源から用紙までの距離、入射角及び特定の用紙の反射率及び使用される光学系の数ｆに依存する。ほぼ直角に近い入射角で光反射は最大となるが、用紙の表面テキスチュアを「洗い落とす(wash-out)」傾向がある。限界入射角で観察すると、用紙表面と垂直な光反射は最小化されるが、表面テキスチュアの陰影が強調されることによって、用紙繊維の照射分と陰影部分とのコントラストが高くなるので、用紙のサインが過度に先鋭となる。実際の用途ではこれらの両極端を補正することが必要であり、それには用紙に対するレンズ・バレルの近接（ー実施例では約1.27cm(0.5インチ）) 及び他の光路妨害を考慮することが含まれる。
【００１９】
測定システムの構成図が図４に示されている。ＣＣＤフォトサイトは２５６×１の直線アレイで配列されているので、このアレイは用紙の運動を正しく測定するために用紙送り方向と同一方向に配向しなければならない。角度θだけ位置合わせ誤差があると、（１−ｃｏｓθ）に比例する測定誤差が生じる。観測される運動は位置合わせ誤差角度のコサインと、媒体２３が移動した実際の距離とを乗算した値になる。システムの位置合わせ誤差が大きいと、基準面内の用紙のサインは用紙が前進するとＣＣＤの感知域の外に出てしまい、有効な相互相関が不可能になる。幸運にも、ＣＣＤを用紙の前進方向に位置合わせすることは極めて簡単である。最も直接的な方法は、測定対象の機構において、用紙と接触する固定ペンを用いて用紙を移動させることである。このペンによって描かれるライン（線）は、センサが配置された領域、通常は縁部の近傍に描かれることが必要である。用紙送りが停止し、センサがライン上に来ると、センサはラインと直交に移動するので、ペンで描かれたラインは、センサの感知領域内に入り、そして、感知領域の外にでることになる。オシロスコープを用いることによって、センサに感知されるペンで描かれたラインは、用紙のサインの光反射が減少することに起因して信号強度が低い部分への変化として検出される。センサの線位置が角度をもってペンで描かれたラインと交差する場合は、この交差は、用紙のサインを示す波形において判別可能な降下（沈下、 dip ）として見られる。用紙のサインを示す波形は、センサがラインを交差するように移動する際、その一方の端部から他方の端部へ変化するものである。センサがこれと平行なラインと交差する場合は、波形全体が同時に沈下し、再び上昇するものと見られる。このように、センサがラインに対してゼロでない角度に向いていると見られる場合は、センサがラインと平行に見えるまでＺ軸を中心に回転させることが必要である。図５に示すように所望の角度で円滑で小さい運動を行うために、回転および移動ステージを備えることが有用である。
【００２０】
所与のシステムは位置合わせすることに加えて、光学倍率を校正しなければならない。光学倍率は、用紙シート３１（図４）がＣＣＤの結像位置の変化から移動した距離を決定する目盛り係数（scaling factor）を提供する。具体的には、光学倍率は図４におけるＣＣＤ３７の光センサの間隔ｄに対応する用紙シート３１の移動距離と光センサの間隔ｄの比であり、ＣＣＤ３７において結像位置が光センサの間隔ｄだけ変化した場合に用紙シート３１がどれだけ移動するかを示すものである。光学倍率は用紙との距離の変化に対して不変であるが、製造および組立公差により正確な値を予測することは極めて難しい。このため、図６に示すようにレーザー干渉計によって正確な用紙の移動距離を測定してそのときの相互相関値（後述）のピークの移動量を計測し、光学倍率を校正する。この校正値はソフトウェアに送られ、このソフトウェアによって光学倍率が補償される。
【００２１】
ＣＣＤデータに個別のフーリェ変換を適用するソフトウェアが開発された。これは「ロンチ・ルール・ライン(Ronchi Rule Line)」を用いて用紙送りシステムの倍率目盛り係数をチェックするのに極めて有効である。ロンチ・ルール・ラインはガラスのような安定した媒体上で均等な間隔をおいて溶着又はエッチングされ、安価であり、幾つかの異なるインチ単位のライン間隔をおいたラインを利用するものである。校正された測定システムで使用すると、感知域内のロンチ・ルール・ラインはＣＤＤデータ中の正弦波のように見える。これらのデータに個別のフーリェ変換を適用すると、この変換によって正弦波の基本周波数が生成され、倍率目盛り係数を利用してインチ単位のラインの間隔が計算される。
【００２２】
安価なロンチ・ルール・ラインは安定しているが、そのインチ単位のライン間隔は極めて精密であることの確証がない。しかし、レーザ干渉計によって校正済の用紙送り測定システムによってロンチ・ルール・ラインを測定すれば、報告される間隔の精度は高くなる。その後、ロンチ・ルール・ラインは副次的な倍率点検基準として利用できる。これは用紙送り測定システムに倍率目盛り係数に影響を及ぼす変化が時間の経過後もなかったことを確認するために有用である。
【００２３】
システムの校正と位置合わせが終了した後、用紙の位置は次のように決定される。光センサによって検出された元の光強度信号の第１の値のアレイｓ1(ｋ）（ｋ＝１，２，．．．Ｎ）を構成し、図２の媒体２３が移動した後に光センサによって検出された光強度信号の第２の値のアレイｓ2(ｋ）を構成する。センサの検出値の基準アレイがＬの値の幅である場合は、相互相関値は次のように求められる
【式７】

ここでは、媒体２３の移動の最も可能性が高い距離Ｄを決定するためにＣ（Ｋ）の最大値、すなわちＫ＝Ｋ0での最大値が利用される。この場合、監視される用紙のサインはセンサ番号ｉの位置からセンサ番号ｉ＋Ｌ−１の位置へと延びるものと想定する。光センサが光学系の倍率の補正を含まずに距離ｄだけ間隔をおいている場合は、最も可能性が高い移動距離Ｄは（Ｋ0−ｉ）となる。倍率が補正された場合は、数値（Ｋ0−ｉ）ｄは光学系の倍率係数ＭＦで割算される。前述の実施例では、Ｎ＝２５６で、Ｌ＝１２８である。用紙が双方向に移動又は前進することができる場合には、式１に用いた整数Ｋは一組の負から正の整数にわたって変更できるが、基準セグメントの大きさＬはそのままにである。
【００２４】
図８には、１１の基準データ要素（ｂ）と、１７の新たなＣＣＤデータ要素（ａ）がある。ここでは、（１７−１１）＋１＝７の可能な相関ポイントがある。各ポイント毎の相関値（ｃ）の部分積を合計し、（ｄ）に示す相関値を得る。最大相関値の近傍Ｍ＋１の連続する相関値Ｃ（Ｋ）にこれらのＭ＋１の連続する値を通過するＭ次の多項式（Ｍ≧２）が適合され、連続的な相関曲線が生成される。最大相関値すなわち相関ピーク値の位置は多項曲線の内挿によって得ることができるので、解像度は連続する光センサ位置の間隔よりも極めて高い。これについては図７に概略的に示す。
【００２５】
相関ピークの絶対値は以下のように定義される相関ピークとバックグランド・ピークとを区別するピーク先鋭度ほど重要ではない。
【式８】

この例ではピークは23,000ユニットの絶対値を有しており、近接するバックグランド・ピークは約7,000 〜10,000ユニットの絶対値を有していることがわかる。所与のプリント媒体、照射状態等で、相関ピーク強度Ｃp が定められると、式１の後続のピークＣ（Ｋ）max が最初のピーク値の約1/2 されるべきであることが判明した。最初の相関ピークに対する後続のピークの比率Ｃ（Ｋ）max ／Ｃpのしきい値ｆ＝０．５は０＜ｆ＜１である別の適宜の比率ｆに置き換えることができる。このシステムは常に「最良の」相関適合位置を報告するので、最小のしきい値を用いることによって、測定が妥当であることを確認する判断基準が得られる。妥当ではない測定の原因となることがある要因にはスキュー、センサ・アレイと同列ではない変移、単一又は複数の光学素子の位置の変化及び光輝度の変化が含まれる。測定周期の開始時で相関値を記録し、相関値が最低のしきい値以下であるインクリメントの測定があればそれをフラグするためにソフトウェアが更新される。ソフトウェアは測定システムが移動周期の開始を検出する場合もこれをフラグするが、最終位置は開始位置と同一である。それによって「ノイズ」及び振動により誘発される「偽の」移動の双方又は一方が取り消される。
【００２６】
式１における相互相関Ｃ（Ｋ）を計算するためのＬの連続するセンサ値の基準アレイを用いることは次の式の重みづけされたアレイを用いることと等価である。
【式９】

ここでは、ゼロではない重みｗk は全て等しい。これは下記の選択によって再現される直角関数を表す図９の曲線(a) に示されている。
【式１０】

【００２７】
別の方法は図９の曲線（ｂ）によって示される台形関数を表すために重みｗｋを選択することであり、選択は下記の通りになされる。
【式１１】

ここでは、ｃ１は正の定数であり、ｋ２及びｋ３は０＜ｋ２＜ｋ３＜Ｌ／２を満たす整数指数である。第３の方法は図９の曲線（ｃ）に示すような三角関数を表すために重みｗｋを選択することであり、選択は下記の通りになされる。
【式１２】

式１０、式１１及び式１２で重みｗｋによって表される台形及び三角関数は対象である必要はない。より包括的に述べると式９の重みｗｋは負ではなく、選択された区間で正であり、この区間内で最大の重み値までインデックスｋを単調に増加させ、重みｗｋが最大値以下になると直ちにインデックスｋを単調にゼロに減少させ、且つ選択された区間外ではゼロである任意の窓関数を表すために選択することができる。このような窓関数はここではダブリー・モノトーン重み関数（Doubly Monotone Weight Function）と呼ばれる。ダブリー・モノトーン重み関数はいずれも基準セグメントのエッジ近傍での積ｓ₁（ｋ）ｓ₂（ｋ＋Ｋ）に、基準セグメントの中心の近傍の対応する積よりも小さい重みを割り当てる。
【００２８】
式７、式８、式９に示される相互相関関数Ｃ（Ｋ）及びＣp は次のようなより一般的な累乗の法則の相互相関関数と置き換えることができる。
【式１３】

ここでは、μ1 とμ2 は所定の正数であり、位置をインクリメントさせる変化を決定する信号処理は前述の通りである。例えば、数値μ1 とμ2 は正規化の関係式μ1 ＋μ2 ＝１（又は２）を満たすことができる。更に一般化すると、従来の相互相関関数又は累乗の法則の相互相関関数は次のように定義される累乗の法則の差分関数と置き換えることができる。
【式１４】

ここでは、μ3 は別の所与の正数、例えばμ3 ＝１又は２である。従来の相互相関関数、累乗の法則の相互相関関数及び累乗の法則の差分関数は全てパターン整合を探索するための特定の例であり、これらは「一般化パターン整合」(Generalized Pattern Match)と呼ばれる。
【００２９】
図１０は一実施例の基本ステップを示すフローチャートである。ステップ５１でシステムは用紙の基準位置を記録する。ステップ５３（オプション）ではシステムは用紙が選択された方向に少なくともしきい値ｘ_thr の距離だけ引き続き移動したかどうかを決定する。そうではない場合は、システムは用紙が固定しているものと解釈する。用紙がしきい値ｘ_thr の距離だけ移動した場合は、ステップ５３で用紙の現在位置も判定し、記録することができる。ステップ５５で決定された結果、用紙がなお移動している場合は、システムは用紙が例えば２０μm 等の少なくとも最小の所与の長さの間隔だけ停止したと判断されるまで繰り返す。ステップ５５で決定された結果、用紙が停止したと判断されると、新たな停止位置がステップ５７で、ここに記載する方法によって決定され、記録される。最後に、用紙が移動した距離はステップ５９で記録され、報告される（オプション）。そして、システムを再び循環させる。
【００３０】
ここに開示する技術は用紙が決定できる速度で移動している場合は、選択された将来の時間△ｔでの用紙の位置を予測することにも拡大することができる。現在位置、現在速度及び選択された方向での現在の加速度がｔ₀ の時点でそれぞれｘ₀ ，ｖ₀ 、ａ₀ であった場合は、ｔ＝ｔ₀ ＋△ｔ（△ｙ＞０）での用紙の位置はｘ（ｔ₀ ＋△ｔ）＝ｘ₀ ＋ｖ₀ （△ｔ）＋ａ₀ （△ｔ）² ／２であると予測される。この位置予測を利用して、Ｌの連続的な光学的フォトサイトと関連するウインドウは選択された将来の時点ｔ＝ｔ₀ ＋△ｔで用紙があると予測される位置に移動し、中心に配置する。
【００３１】
ここに開示する本発明は更にここでは便宜上平面上のｘ及びｙと呼ぶ２つの選択された方向での位置決定にも拡張することができる。平面Ｐにある用紙７１（図１１）が平面Ｐの二次元ベクトルＲ＝（△ｘ，△ｙ）で示される選択された方向に△ｓだけ移動し、次に平面Ｐの回転軸を中心に角度Ｏだけ回転し、次にそれぞれの目盛り係数ｆ１、ｆ２で二次元に正規化されるものと想定してみる。共通して想定されたこれら３つの運動は平面Ｐにある点（ｘ，ｙ）上のマトリクス変換として表すことができる。すなわち、以下の式に示すとおりである。
【式１５】

ここでは、光学式センサの二次元アレイは図１２に示すように、用紙７１の二次元運動の後の用紙表面上の選択された領域のサインを検出するために用紙７１の近傍に備えられる。ここでセンサのより大きいＮ ₁ ×Ｎ ₂ の二次元アレイからセンサのＬ ₁ ×Ｌ ₂ の直角のサブアレイ７３により規定される光学センサ・イメージのための二次元の相互相関ウインドウＷが形成される。この２変数、二次元の相互相関関数Ｃ ₂ （ｋ ₁ ，ｋ ₂ ）は次の式によって定義される。
【式１６】

更に、相関関数Ｃ ₂ （ｋ ₁ ，ｋ ₂ ）が２つの移動ベクトル成分Ｋ ₁ 及びＫ ₂ の選択に関して最大化される。この場合、用紙の二次元のサインはｉ ₁ ≦ｋ ₁ ≦ｉ ₁ ＋Ｌ ₁ −１及びｉ ₂ ≦ｋ ₂ ≦ｉ ₂ ＋Ｌ ₂ −１の範囲にわたって広がるものと想定される。用紙７１はウインドウＷを選択された領域のほぼ中心に移動するために２つの移動ベクトル成分Ｋ₁、Ｋ₂を適用する。次に、回転角Ｏ´と目盛り係数ｆ１、ｆ２に応じて第２の３つの変数を有する二次元相互相関関数を導入する。
【式１７】

移動係数（Ｋ ₁ 、Ｋ ₂ ）による選択された領域の移動の結果生ずる領域内の回転軸を中心にして角度Ｏ´だけ用紙のサインを回転させ、平面Ｐ内の目盛り係数ｆ１、ｆ２で正規化することによって、用紙７１の再配向を記述するために利用される。２つの連続変数ｆ１Ｋ ₁ ｃｏｓＯ´＋ｆ１Ｋ ₂ ｓｉｎＯ´と−ｆ２Ｋ ₁ ｓｉｎＯ´＋ｆ２Ｋ ₂ ｃｏｓＯ´は一般に光強度信号ｓ ₁ （ｋ ₁ ，ｋ ₂ ）及びｓ ₂ （ｋ ₁ ，ｋ ₂ ）が定義される別個の座標（ｋ ₁ ，ｋ ₂ ）の格子の一つとは一致しない。ここで想定しているように、光強度信号のサンプリング周波数がナイキスト・サンプリング周波数と等しいか、これを超える場合は、期間０≦ｘ ₁ ≦Ｎ ₁ ｄ ₁ 及び０≦ｘ ₂ ≦Ｎ ₂ ｄ ₂ 内の任意の値ｘ ₁ 、ｘ ₂ についての光強度信号ｓ ₁ （ｘ ₁ ，ｘ ₂ ）及びｓ ₂ （ｘ ₁ ，ｘ ₂ ）の値はサンプル抽出された値と異なることなく再構成することができる。ここでｄ ₁ 、ｄ ₂ は、２次アレイのそれぞれ独立した方向に沿った間隔である。個別の座標（ｋ ₁ ，ｋ ₂ ）の格子から２つ折りの連続体（two-fold continuum）までの光輝度信号ｓ ₁ （ｋ ₁ ，ｋ ₂ ）及びｓ ₂ （ｋ ₁ ，ｋ ₂ ）のこの拡張はここでは式１７、式１８について行われる。
【００３２】
式１６では、パラメータＫ ₁ 、Ｋ ₂ は先行する移動処理によって定められるものと見られる。次に相互相関関数Ｃ ₃ （Ｏ´，ｆ１，ｆ２）は回転角Ｏ´と目盛り係数ｆ１、ｆ２の選択に関して最大化される。そこで用紙７１のサインは図１１に示すように、その順序で行われるベクトル（Ｋ ₁ ，Ｋ ₂ ）への移動と、回転軸を中心にした角度Ｏ´の回転と、係数ｆ１及びｆ２による正規化との組み合わせによって移動したものと見なされる。この組み合わせによってウインドウＷ又はウインドウＷ´と関連する用紙のサインの正確なセンサ相互の適合が必ずしも達成されるものではない。又、関連する移動ベクトル（Ｋ ₃ ，Ｋ ₄ ）を有する第２の移動ベクトルを含め、且つ下記の２変数、二次元相互相関関数を最大化することが好ましい。
【式１８】

ここでは、パラメータＫ ₁ ，Ｋ ₂ ，Ｏ´，ｆ１，ｆ２は先行する移動、回転及び正規化処理によって定められるものである。元のウインドウＷは位置Ｗ´に移動し、次に位置Ｗ´´（Ｏ´，ｆ１，ｆ２）に移動し、次に位置Ｗ´´´に移動する。前述のこの二次元の実施例ではＮ ₁ ×Ｎ ₂ の光センサ・アレイと、光センサのＬ ₁ ×Ｌ ₂ ウインドウのサブアレイ７３を使用し、且つそれに関して最大化が行われる２つ又は３つの変数を各々有する２つ又は３つの相互相関関数Ｃ ₂ 、Ｃ ₃ 及びＣ ₂ ´を順次最大化することが必要である。この二次元エクステントの計算上の複雑さは前述の一次元のアプローチの計算上の複雑さと比べると恐るべきものである。
【００３３】
測定システムの光学倍率の決定に関しては、本発明の好ましい実施例では前述のロンチ・ルール・ライン技術は用いられない。テレセントリック光学系の４個のレンズは全て互いに機械的に固定されている。焦点調整によって４つのレンズのセットの全体がＣＤＤセンサに対して移動する。これは、イメージのサイズと倍率に小さいが感知できる作用を及ぼす。このシステムはレンズ・バレル上のロック・リングを用いて所定の焦点と、対応する倍率でロックすることができることがわかった。倍率係数ＭＦは一旦定められると、レーザ／空気軸受システム又は他の適宜の倍率決定システムによって高い精度で決定することが可能である。テレセントリック光学系は対象の距離の変化によって画像のサイズは変化せず、このシステムは充分な焦点深度を有しているので、所定の距離±１．０mmにわたって維持される。我々の経験ではこのようにしてシステムを校正した後は、システムは極めて強固であり、レーザ／空気軸受システムに対して再検査しても測定には再現性があることが判明している。付加的な利点として、(1) ユーザは焦点を調整する必要なく、倍率を決定する必要がない。(2) こ のシステムは振動にも強い。
【００３４】
前述の位置合わせ手順に関して、今日の全てのシステムは手動調整されており、好結果を得ている。高性能のライン送り精度を達成する場合のようなある種の用途では「回転キー」検査システムの一部として自動位置合わせを利用することもできる。このような自動化は手動的な位置合わせについて記載したものと同じアルゴリズム／手順に従ったロボット技術を用いて達成可能である。
【００３５】
これまで本発明を、図１の用紙もしくは媒体２３のサインを供給するための反射光に関連して説明してきたが、本発明の別の実施例には媒体を透過する光を利用するものがある。サインを生成するために透過光を使用する場合は、媒体２３は少なくとも部分的に光を透過しなければならないが、用紙のサインをシステムが認識できるように透過光が照射された用紙はある程度局部的に振動しなければならない。光を透過する媒体２３では、光センサが媒体２３のサインを認識できない場合があるため、透過光が照射される用紙に凹凸等の振動が必要となる。ここでは、媒体より「生成される（issue from）」という記述は、媒体２３を透過し、又はこれから反射する光は可視領域にある必要はない。光センサがその範囲に適正に感応する限りは任意の波長範囲を利用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により安価で、高精度に媒体移動距離を測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の用紙移動検出装置の概略図。
【図２】本発明のー実施例である装置の概略図。
【図３】本発明で検出されるデータを示す図。
【図４】本発明のー実施例である装置のブロック図。
【図５】本発明に用いられる用紙送り方向のアライメントをとる装置のブロック図。
【図６】本発明に用いられる用紙送り検出において実際の光学倍率を決定する手段の動作を説明するための図。
【図７】本発明のー実施例のセンサの出力データを示す図。
【図８】図７の出力データから相互相関関数させた結果を示す図。
【図９】本発明に用いられるいくつかの相互相関関数の変数を表す図。
【図１０】本発明のー実施例の動作を説明すための図。
【図１１】シートの２次元移動に適用される本発明のー実施例を示す図。
【図１２】シートの２次元移動に適用される本発明のー実施例を示す図。
【符号の説明】
１１、２５、２７：光学素子
１３：シート
１５：センサ
２３：媒体
２９：アレイ
３１：用紙
３７：ＣＣＤ／ボード
３９：相関ボード
４１：コンピュータ
４３：ディスプレイ

Claims (9)

1. 次の（イ）から（ヘ）のステップを含むことを特徴とする選択された方向における媒体送り距離を決定する方法。
   （イ）選択された媒体の表面に対して予め決定した角度で少なくとも予め決定した光強度の光を照射し、
   （ロ）直線アレイを構成し、前記直線アレイに沿って間隔ｄを均一においたＮ個の光センサを設け、前記各光センサは、前記媒体の選択された表面からの光を受光し、前記光センサの間隔ｄに対応する前記媒体の移動距離と前記光センサの間隔ｄの比であって予め決められた光学倍率係数ＭＦで感知し、第１のアレイ光強度信号ｓ ₁ （ｋ）（ｋ＝１，２，．．．．．，Ｎ）（Ｎは２以上の選ばれた整数）を生成し、
   （ハ）前記媒体を選択した方向に移動することを可能とし、
   （ニ）前記直線アレイの各光センサは、前記媒体が移動した後、前記媒体の表面からの光を受光し、感知して、第２のアレイ光強度信号ｓ ₂ （ｋ）（ｋ＝１，２，．．．．．，Ｎ）を生成し、
   （ホ）前記第１のアレイ光強度信号と前記第２のアレイ光強度信号に基づいて以下の相互相関関数を求め、
   【式１】
   

   

   ここでは、Ｌは１≦Ｌ＜Ｎを満足する整数、ｉは１≦ｉ≦Ｎを満足する整数であり、最大の相互相関関数値Ｃ（Ｋ）を生成するＫの値Ｋ０を決定し、
   （へ）前記選択された方向における前記媒体の近似移動距離Ｄを以下の式によって決定する。
   Ｄ＝（ＭＦ）（Ｋ０−ｉ）ｄ
   ここで、ＭＦは前記光学倍率係数、ｄは前記光センサの間隔ｄである。
2. 請求項１記載の媒体送り距離を決定する方法は、前記選択された方向において少なくとも距離μｄ（μは選択された正のしきい値）だけ移動しない限り、媒体の移動がなかったものと判断する工程をさらに含むことを特徴とする媒体送り距離を決定する方法。
3. 請求項１記載の媒体送り距離を決定する方法は、さらに、前記第１のアレイ光強度信号より以下の式によってピーク相関値Ｃｐを決定し、
   【式２】
   

   

   ピーク値Ｃｐを前記相互相関関数値Ｃ（Ｋ）より求められた最大相互相関値Ｃ（Ｋ）と比較し、
   Ｃ（Ｋ０）／Ｃｐ＜ｆ（ｆは、０＜ｆ＜１を満足する予め決められた正の整数）の関係が成立したとき、エラーを表示する工程を含むことを特徴とする媒体送り距離を決定する方法。
4. 次の（ａ）から（ｅ）のステップを含むことを特徴とする選択された方向における媒体送り距離を決定する方法。
   （ａ）選択された媒体の表面に対して予め決定した角度で少なくとも予め決定した光強度の光を照射し、
   （ｂ）直線アレイを構成し、前記直線アレイに沿って間隔ｄを均一においたＮ個の光センサを設け、前記各光センサは、前記媒体の選択された表面からの光を受光し、前記光センサの間隔ｄに対応する前記媒体の移動距離と前記光センサの間隔ｄの比であって予め決められた光学倍率ＭＦで感知し、第１のアレイ光強度信号ｓ ₁ （ｋ）（ｋ＝１，２，．．．．．，Ｎ）（Ｎは２以上の選ばれた整数）を生成し、
   （ｃ）前記媒体を選択した方向に移動することを可能とし、
   （ｄ）前記直線アレイの各光センサは、前記媒体が移動した後、前記媒体の表面からの光を受光し、感知して、第２のアレイ光強度信号ｓ ₂ （ｋ）（ｋ＝１，２，．．．．．，Ｎ）を生成し、
   （ｅ）前記第１のアレイ光強度信号と前記第２のアレイ光強度信号に基づいて以下の相互相関関数を求め、
   【式３】
   

   

   ここでは、Ｌは１≦Ｌ＜Ｎを満足する整数、ｉは１≦ｉ≦Ｎを満足する整数であり、
   （ｆ）相互相関関数値Ｃ（Ｋ）のＫをｘ（ｘ＝０，１，２，．．．．．，Ｎ−１）で置換した相互相関関数値Ｃ（ｘ）を、選択された次数Ｍ（≧２）の多項式ｐ（ｘ）によってＣ（ｘ）が最大値となるｘ近辺の（Ｍ＋１）個の連続した値Ｃ（ｘ）に近似させ、さらに、最大値を有する多項式ｐ（ｘ）を０≦ｘ≦Ｎで定義される連続する曲線より求めることができるｘをＸ０として決定する。
   （ｇ）前記選択された方向における前記媒体の近似移動距離Ｄを以下の式によって決定する。
   Ｄ＝（ＭＦ）（Ｘ０−ｉ）ｄ
   ここで、ＭＦは前記光学倍率係数、ｄは前記光センサの間隔ｄである。
5. 次の（i）から（ vi ）のステップを含むことを特徴とする選択された方向における媒体送り距離を決定する方法。
   （i）選択された媒体の表面に対して予め決定した角度で少なくとも予め決定した光強度の光を照射し、
   （ii）直線アレイを構成し、前記直線アレイに沿って間隔ｄを均一においたＮ個の光センサを設け、前記各光センサは、前記媒体の選択された表面からの光を受光し、前記光センサの間隔ｄに対応する前記媒体の移動距離と前記光センサの間隔ｄの比であって予め決められた光学倍率係数ＭＦで感知し、第１のアレイ光強度信号ｓ ₁ （ｋ）（ｋ＝１，２，．．．．．，Ｎ（Ｎは２以上の選ばれた整数）を生成し、
   （iii）前記媒体を選択した方向に移動することを可能とし、
   （iv）前記直線アレイの各光センサは、前記媒体が移動した後、前記媒体の表面からの光を受光し、感知して、第２のアレイ光強度信号ｓ ₂ （ｋ）（ｋ＝１，２，．．．．．，Ｎ）（Ｎは２以上の選ばれた整数）を生成し、
   （v）前記第１のアレイ光強度信号と前記第２のアレイ光強度信号に基づいて以下の相互相関関数を求め、
   【式４】
   

   

   ここでは、Ｌは１≦Ｌ＜Ｎを満足する整数、ｉは１≦ｉ≦Ｎを満足する整数であり、重みｗｋは所定の窓関数であり、Ｋの値として、相互相関関数値Ｃ（Ｋ）の最大値を生成するＫ０が決定され、
   （vi）前記選択された方向における前記媒体の近似移動距離Ｄを以下の式によって決定する。
   Ｄ＝（ＭＦ）（Ｋ０−ｉ）ｄ
   ここで、ＭＦは前記光学倍率係数、ｄは前記光センサの間隔ｄである。
6. 次の（ア）から（カ）のステップを含むことを特徴とする選択された方向における媒体送り距離を決定する方法。
   （ア）選択された媒体の表面に対して予め決定した角度で少なくとも予め決定した光強度の光を照射し、
   （イ）２次元アレイを構成し、前記２次アレイのそれぞれ独立した方向に沿ってそれぞれ間隔ｄ ₁ 、ｄ ₂ をおいてＮ ₁ ×Ｎ ₂ 個の光センサを設け、前記各光センサは、前記媒体の選択された表面からの光を受光し、前記光センサの間隔ｄ ₁ 、ｄ ₂ に対応する前記媒体の移動距離と前記光センサの間隔ｄ ₁ 、ｄ ₂ の比であって予め決められた光学倍率係数ＭＦで感知し、第１のアレイ光強度信号ｓ ₁ （ｋ ₁ 、ｋ ₂ ）（ｋ ₁ ＝１，２，．．．．．，Ｎ ₁ 、ｋ ₂ ＝１，２，．．．．．，Ｎ ₂ ）（Ｎ ₁ 、Ｎ ₂ は２以上の選ばれた整数）を生成し、
   （ウ）前記媒体を選択した方向に移動することを可能とし、
   （エ）前記アレイの各光センサは、前記媒体が移動した後、前記媒体の表面からの光を受光し、感知して、第２の光強度信号ｓ ₂ （ｋ ₁ 、ｋ ₂ ）（ｋ₁＝１，２，
   ．．．．．，Ｎ ₁ ，ｋ ₂ ＝１，２，．．．．．，Ｎ ₂ ）を生成し、
   （オ）前記第１のアレイ光強度信号と前記第２のアレイ光強度信号に基づいて以下の相互相関関数を求め、
   【式５】
   

   

   ここでは、Ｌ ₁ 、Ｌ ₂ は、１≦Ｌ ₁ ＜Ｎ ₁ 及び１≦Ｌ ₂ ＜Ｎ ₂ を夫々満足する整数、ｉ ₁ 、ｉ ₂ は１≦ｉ ₁ ≦Ｎ ₁ 及び１≦ｉ ₂ ≦Ｎ ₂ を夫々満足する整数であり、前記相互相関関数値Ｃ ₂ （Ｋ ₁ ，Ｋ ₂ ）が最大となるＫ ₁ ，Ｋ ₂ の整数値を決定した後、以下の式の相互相関関数値Ｃ ₃ （Ｏ´，ｆ１，ｆ２）が最大となるように目盛り係数ｆ１、ｆ２（０＜ｆ１、ｆ２）の値と回転角度Ｏ´（０≦
   Ｏ´＜２π）を決定し、
   Ｃ ₃ （Ｏ´，ｆ１，ｆ２）＝Ｃ₂（ｆ１Ｋ ₁ ｃｏｓＯ´＋ｆ１Ｋ ₂ ｓｉｎＯ´，
   −ｆ２Ｋ ₁ ｓｉｎＯ´＋ｆ２Ｋ ₂ ｃｏｓＯ´）
   （カ）以下の式の相互相関関数値Ｃ ₂ （Ｋ ₃ ，Ｋ ₄ ）´を最大化するＫ ₃ 、Ｋ ₄ の整数値を決定し、相互相関関数値Ｃ ₂ （Ｋ ₁ ，Ｋ ₂ ）、Ｃ ₃ （Ｏ´，ｆ１，ｆ２）、Ｃ ₂ （Ｋ ₃ ，Ｋ ₄ ）´を最大化するＫ ₁ 、Ｋ ₂ 、Ｋ ₃ 、Ｋ ₄ 、ｆ１、ｆ２、Ｏ´の組を求めることにより前記媒体がある平面において２次元ベクトルの移動を決定する。
   Ｃ ₂ （Ｋ ₃ ，Ｋ ₄ ）´＝Ｃ₂（ｆ１Ｋ ₁ ｃｏｓＯ´＋ｆ１Ｋ ₂ ｓｉｎＯ´＋Ｋ ₃ ，
   −ｆ２Ｋ ₁ ｓｉｎＯ´＋ｆ２Ｋ ₂ ｃｏｓＯ´＋Ｋ ₄ ）
7. 選択された媒体の表面に対して予め決定した角度で少なくとも予め決定した光強度の光を照射する光源とテレセントリック光学系と、直線アレイを構成し、前記直線アレイに沿って間隔ｄを均一においたＮ個の光センサと、前記各光センサは、前記媒体の選択された表面からの光を受光し、前記光センサの間隔ｄに対応する前記媒体の移動距離と前記光センサの間隔ｄの比であって予め決められた光学倍率係数ＭＦで感知し、第１のアレイ光強度信号ｓ ₁ （ｋ）（ｋ＝１，２，．．．．．，Ｎ）（Ｎは２以上の選ばれた整数）を生成するものであり、媒体の移動後、前記各光センサは、前記媒体の表面からの光を受光し、前記光学倍率係数ＭＦで感知して、第２のアレイ光強度信号ｓ ₂ （ｋ）（ｋ＝１，２，．．．．．，Ｎ）（Ｎは２以上の選ばれた整数）を生成するものであり、前記第１のアレイ光強度信号と前記第２のアレイ光強度信号に基づいて以下の相互相関関数を求める計算手段とを具備し、
   【式６】
   

   

   ここでは、Ｌは１≦Ｌ＜Ｎを満足する整数、ｉは１≦ｉ≦Ｎを満足する整数であり、前記計算手段は前記相関関数値Ｃ（Ｋ）の最大値を生成するＫをＫ０として決定し、前記選択された方向における前記媒体の近似移動距離ＤをＤ＝（ＭＦ）（Ｋ０−ｉ）ｄで求めることを特徴とする媒体送り距離を決定する装置。
8. 前記媒体への照射に用いる前記光は、前記媒体を反射させるものであることを特徴とする請求項７記載の媒体送り距離を決定する装置。
9. 前記媒体への照射に用いる前記光は、前記媒体を透過させるものであることを特徴とする請求項７記載の媒体送り距離を決定する装置。

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