JPH0656314A - 媒体送り距離を決定する方法および装置 - Google Patents

媒体送り距離を決定する方法および装置

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JPH0656314A JP4315636A JP31563692A JPH0656314A JP H0656314 A JPH0656314 A JP H0656314A JP 4315636 A JP4315636 A JP 4315636A JP 31563692 A JP31563692 A JP 31563692A JP H0656314 A JPH0656314 A JP H0656314A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】用紙および他の反射性／透過性基材等の媒体
の、所与の方向における移動距離を高精度に検出する方
法および装置。 【構成】本発明のー実施例では、選択された媒体表面に
既知の光強度を有する光を照射し、間隔をおいた複数の
センサからなるアレイによって媒体表面からの光（反
射、透過等）を検出し、第１の信号を生成する。そし
て、媒体が移動した後、同様にアレイによって媒体表面
からの光を検出し、第２の信号を生成する。次に、これ
ら信号から相互相関関数に基づいて移動距離を求めるこ
とができる。本発明に用いる相互相関関数は重みづけを
おこなってもよいし、さらには、２次元の移動について
も移動・回転・大きさを含むベクトラによって求めるこ
ともできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【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
う必要がある。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 4,6
83,380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(s
ubstrate) 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(tel
ecentric) 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（２
Θ0 ＜＜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ｘthr 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ｘthr 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２
９内の各センサは、媒体２３がセンサ・アレイ２９に対
して固定状態に保たれている場合とはある程度異なる光
パターンを集光し、この変化したセンサ対センサのパタ
ーンは用紙の特定の媒体２３の部分のサインの一つの表
現形態である。一般紙、けい紙(ruled paper) またはグ
ラフィックスがある用紙は全て上記目的のためにサイン
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
って備えられ、その場合、シートに対する入射角が比較
的大きいことが好ましい。ほぼ平坦もしくは他の多くの
異なる表面も位置を監視する目的で照射され、結像され
ることができる表面の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２
５６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。基体が移動した後、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２５６７−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・アレイに沿ってシートが移動する可能性が
最も高いシート位置の近傍でＭ度の多項式（Ｍ≧２；Ｍ
＝２であることが好ましい）が相関データに適合され、
最大の相互相関値を生成する位置又は移動を決定するた
めに、ピーク信号検出器が曲線に適用される。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）を観察することによって、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、すなわちセンサの読み取りの位置の相互間の内挿入
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
１５６の素子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・ポイント値は変換されたＣＣＤデータの対応するポ
イント値と乗算される。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（０．０００
５１２インチ平方）又は同様のＣＣＤ素子を有するFair
child 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ＣＣ
Ｄ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２５６Ｘ１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φだけ位置合わせ誤差があると、（１−
ｃｏｓφ）に比例する測定誤差が生ずる。観察される運
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
直接的な方法は検査中の機構によって、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。ペンに
よって作成されたラインはセンサが配置された領域、通
常は縁部の近傍にあ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、ペンのラインはセンサの感知域内又
は感知域外に来る。オシロスコープを用いることによっ
て、ペンの線は用紙のサインの光反射が減少することに
起因した信号強度が低い部分への変化としてセンサによ
って検出される。センサのラインが角度をもってペンの
ラインと交差する場合は、この交差はセンサがラインを
越えて移動する際に、波形の一端から他端へと移動する
用紙のサインの明確な沈下(dip) と見られる。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は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
転及び移行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。倍率は用紙
シート３１（図４）がＣＣＤの結像位置の変化位置から
移動した距離を決定する目盛り係数を有する。倍率は用
紙との距離の変化に対して不変であるか、製造及び組立
公差により正確な値を予測することは極めて難しい。こ
れは適宜の倍率係数を有するソフトウェアによって補償
される。これは図６に図示されている。
【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・ラインは福次的な倍率点
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輝度で第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輝度の値で
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２】 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＝２５４６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（a)と、
１７の新たなＣＣＤデータ要素がある。ここでは、（１
７−１１）＋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。最大相関値の近傍のＭ＋１の連続する相関
値Ｃ（Ｋ）にこれらのＭ＋１の値を通過するＭ度の多項
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３】 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 〜10,0
00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４】 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５】
【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６】 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７】 ここでは、ｃ2 は正の定数であり、ｋ4 およびｋ5 は０
＜ｋ4 ＜ｋ5 を満たす整数指数である。式５、式６及び
式７で重みｗk によって表される台形及び三角関数は対
称である必要はない。より包括的に述べると、式３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関数を表すために選択することがで
きる。このような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
メントのエッジの近傍での積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２、式３、式４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８】 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９】 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
ｘthr 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ｘthr 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５
５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７
１（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だけ移動ひ、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で二次元に正規かされるもの
と想定してみる。共通して想定されたこれらの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１０】 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Ｎ1 ×Ｎ2 の二
次元アレイからセンサのＬ1 ×Ｌ2 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Ｃ2(ｋ1 ，ｋ2)は次のの式に
よって定義される。
【式１１】 更に、相関関数Ｃ2(ｋ1 ，ｋ2)が２つの移動ベクトル成
分Ｋ1 及びＫ2 の選択に関して最大化される。この場
合、用紙の二次元の折帳符号はｉ1 ≦ｋ1 ≦ｉ1＋Ｌ1
−１及びｉ2 ≦ｋ2 ≦ｉ2+Ｌ2 −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１２】 移動係数（Ｋ1,Ｋ2)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ｆ１Ｋ1cosＯ’＋ｆ
１Ｋ2sinＯ’と−ｆ２Ｋ1sinＯ’＋ｆ２Ｋ2cosＯ’は一
般に光輝度信号ｓ1(ｋ1,ｋ2)及びｓ2(ｋ1,ｋ2)が定義さ
れる別個の座標（ｋ1,ｋ2)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、光線輝度信号のサンプ
リング周波数が公知のナイキスト・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≦ｘ1 ≦Ｎ1
ｄ1 及び０≦ｘ2 ≦Ｎ2 ｄ1内の任意の値ｘ1 、ｘ2 に
ついての光輝度信号ｓ1(ｘ1,ｘ2)及びｓ2(ｘ1,ｘ2)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。個別の座標（ｋ1,ｋ2)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(ｋ1,ｋ2)及びｓ2(ｋ1,ｋ2)のこの拡張はここでは式１
２、式１３について行われる。
【００３２】式１１では、パラメータＫ1 、Ｋ2 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Ｃ3 （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（Ｋ1 ，Ｋ2 ）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
る正規化との組合せによって移動したものと見なされ
る。この組合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（Ｋ3,Ｋ4)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１３】 ここでは、パラメータＫ1,Ｋ2,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Ｎ1 ×Ｎ2
の光センサ・アレイと、光センサのＬ1×Ｌ2 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又は３つ
の相互相関関数Ｃ2 ，Ｃ3 及びＣ2'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
較す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る関連して説明
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。ここでは基体から「発行
する(issue from)」と表現する媒体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
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成５年８月１１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図５】
【図８】
【図７】
【図９】
【図１２】
【図１０】
【図１１】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケント・ディー・ビンセント アメリカ合衆国カリフォルニア州クーパテ ィノ、サイア・ストリート 20863 (72)発明者 ルーミング・ジャンプ アメリカ合衆国カリフォルニア州ロスアル トス、アベイオン・ドライブ 251 (72)発明者 リチャード・アール・バルドウィン アメリカ合衆国カリフォルニア州サラト ガ、ディハビランド・ドライブ 19334

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】次の（イ）から（ヘ）のステップを含むこ
    とを特徴とする媒体送り距離を決定する方法。 （イ）選択した媒体に予め決定した角度で予め決定した
    光強度の光を照射し、（ロ）直線アレイを構成し、間隔
    ｄを均一においたＮ個の光センサを設け、前記媒体の表
    面からの光を光学倍率係数ＭＦで感知し、第１のアレイ
    光強度信号を生成し、（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）前記アレイを前記選択
    された前記媒体表面からの光を光学倍率係数ＭＦで感知
    し、第２の信号を生成し、（ホ）前記第１のアレイ光強
    度信号と第２のアレイ光強度信号に基づいて相互相関関
    数を求め、（ヘ）前記媒体の前記選択された方向で移動
    した距離Ｄを決定する。
  2. 【請求項２】請求項第１項記載の媒体送り距離を決定す
    る方法おいて、前記相互相関関数は以下のように求めら
    れる。 【式１】 ここでは、ｓ1(ｋ）は第１のアレイ光強度信号、ｓ
    2(ｋ）は第２のアレイ光強度信号（ｋ=1,2,....,Ｎ、Ｎ
    は２以上の整数) 、Ｌは１≦Ｌ＜Ｎを満足する整数、整
    数ｋ＝ｋ0 として求めることにより相互相関関数値Ｃ
    （Ｋ）を決定することができる。
  3. 【請求項３】請求項第２項記載の媒体送り距離を決定す
    る方法において、前記媒体の移動距離Ｄが以下の式によ
    って求められる。 Ｄ＝（ＭＦ)(Ｋ0-i )
  4. 【請求項４】媒体の選択された表面に予め決定した強度
    の光を予め決定した前記表面に対する入射角で照射する
    光源とテレセントリック光学系と、 直線アレイを構成し、間隔ｄを均一においたＮ個の光セ
    ンサと、 前記光センサは前記媒体の表面からの光を光学倍率係数
    ＭＦで感知し、第１のアレイ光強度信号を生成し、前記
    媒体を選択した方向に移動した後、前記選択された前記
    媒体表面からの光を光を光学倍率係数ＭＦで感知し、第
    ２の信号を生成し、 前記第１のアレイ光強度信号と第２のアレイ光強度信号
    に基づいて相互相関関数を計算する手段。
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