JPS61501721A - 無接触な運動測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 無接触な運動測定方法および装置 本発明は、走査可能な・ぞターンに対する物体の相対運動の無接触測定方法に関 し、その際走査ビームが発生され、該走査ビームは、物体とともに移動する・ぞ ターン部分をパターン上の走査軌道に沿って走査して、前記パターン部分のノＲ ターンストラクチャ要素に相応する走査パルス列から走査信号が発生される。

この形式の公知の方法において（クロイツエルＰ。

著、リヒトウ／グスエアケヌンク・）ζイ・ベリュールングスローゼル・ゲシュ ヴインデイヒカイツメツスング・ミツト・オプチツシエン・ギテルン、雑誌ファ インヴエルクテヒニーク・ラント脅メステヒニーク８３（１９７５年）、第７冊 、第３３０〜３３２頁、カール・ハンサー出版社、ミュンヒエン）、ケーシング に固定された走査光学装置を介してパターンが走査される。したがって走査軌道 はパターンに対して相対的である物体の運動軌道に相応する。格子の後方に、配 設されている複数のホト受信機を用いて、複数の走査信号が発生され、これら信 号の重畳から、・ぞターンに対して相対的である物体の運動の方向の正負の極性 をめることができる。

本発明の課題は、物体に固定された基準方向と走査可能なパターンに対する物体 の相対運動の方向との間の角度をめることができるようにした冒頭に述べた形式 の方法を提供することである。

この課題は次のようにして解決される、ａ）走査ビームを物体に固定された湾曲 した案内曲線に沿って、走査軌道が実質的に案内曲線に浴った走査運動とパター ンおよび物体の相対運動との重畳として生じるように平行に移動するかおよび／ または旋回し、その際案内曲線に沿った走査ビームの運動は案内角度関数にした がって行なわれ、該関数は物体に固定された基準方向と案内曲線の湾曲中心点か ら走査ビームに導かれる半径方向ビームとの間の瞬時角度（案内角度）の時間経 過を表わし、 ｂ）走査信号から密度信号を導出し、該密度信号は瞬時の走査パルスと先行する 走査／セルスとの間の時間間隔の逆数値の時間経過を示し、場合に応じて案内曲 線に泊った走査ビームの運動に対して必要な走査持続時間に比べて小さい平均時 間間隔にわたって平均化されて、かつ Ｃ）密度信号の、案内角度関数に対する位相位置を規定し、該位相位置は基準方 向と・ξターンの、物体に対して相対的である運動の方向との間の角度に相応す る。

本発明の方法は、走査・モターンの走査の際、物体およびパターンの相対運動と 、物体に対して固定された湾曲された案内曲線に沿った走査ビームの運動との重 畳から固有の走査信号が生じ、この信号において連続する走査・ｅルス間の時間 間隔は、半径方向ビームと物体およびパターンの相対運動方向との間の角度に前 身って決められたように依存するという認識に基いている。この絶対角度が約９ ０°である、つまり円形の案内曲線の場合に、案内曲線に沿った走査ビームの瞬 時の運動方向が相対運動方向に対して平行に延在していることを意味しているの だが、その時、走査ビームが案内曲線に沿ってパターンに抗してまたは、ｅター ンとともに瞬時的に運動するかに応じて、特別迅速ないし特別緩慢に連続する走 査パルスを有する走査信号が得られる。密度信号はこの場合最大値ないし最小値 をとる。

Ｏｏの絶対角度において密度信号の平均値が生じ、この値に、部分円または完全 な円（全円）に沿った走査ビームの同形状の運動の場合実質的に正弦波状の密度 信号の転換点が相応する。案内角度関数に対する密度信号の位相位置から結果的 に直ちに、以下運動方向角度と称する。物体に固定された基準方向と物体に対し て相対的であるパターンの運動の方向との間の得ようとする角度が検出される。

特別簡単な仕方において運動方向角度は、密度信号の転換点をめ、並びにこの転 換点に対応する案内角度をめることによって直接検出される。この場合絶対角度 はＯｏ　であるので請求める運動方向角度は案内角度と同一である。本発明の方 法は周期的な・ぞターン（例えばドツトパターン）にも統計学的に分布された・ ぞターンストラフチャ要素を有する。ｌターンにも適している。後者の場合、密 度信号の形成の際時間間隔値の平均化を、走査持続時間に比べて小さな平均時間 間隔にわたって行なって、正弦波に申し分なく近似し、したがって引続く処理の ために好適である形状の密度信号を得ると有利である。

ノソターンの、物体に対する運動方向の正負の極性は、密度信号の転換点に密度 信号最小値が続くがまたは最大値が続くかどうかを検出することによって簡単に められる。前者の場合・ぞターンは、物体に対して相対的に、案内曲線に沿った 走査ビームと同じ方向におい的に進んだ距離は簡単な手段によって次のようにし てめられる。

ａ）第１および第２の、物体に固定された、共通の端点を有する案内曲線部分に 沿った走査ビームの平行移動および／または旋回によってまたはそれぞれ同じ走 査持続時間を有する、案内曲線部分の一つに沿ったその都度２つの走査ビームの 平行移動および／または旋回によって、第１および第２の、案内曲線部分に沿っ た走査ビーム運動とパターンの、物体に対する相対運動とのその都度の重畳から 生じる走査軌道部分を走査し、その際第１の案内曲線部分に沿った走査ビーム運 動は、パターンの、物体に対する運動の方向にあり、実質的に常時同一の正負の 極性を有する、物体に対して相対的である速度成分を有し、該速度成分は値とし では・ぞターンの、物体に対する速度より大きくかつその際第２の案内曲線部分 に沿った走査ビーム運動は、・ぞターンの、物体に対する運動の方向にあり、実 質的に常時反対の正負の極性を有する速度成分を有し、がｂ）第１の案内曲線部 分に沿った走査ビームの運動の期間中生じる、走査信号の走査、ｅルスの数並び に第２の案内曲線部分に沿った走査ビームの運動期間中生じる。走査信号の走査 パルスの数をめがっ両数の差および和の商をめ、核間は走査時間区間中パターン が物体に対して進んだ距離に比例する。

進んだ距離に対しである程度精確な結果を得るための前提は、パターンストラフ チャ要素の分布が案内曲線部分の長さに関連しである程度一定であるという点精 確な結果を来たすけれども、相応に統計学的に分布されたパターンストラフチャ 要素を有するパターンも距離測定のために用いることができる。周期的なノぞタ ーンを用いる場合、２つの案内曲線部分は、・にターンの、物体に対する運動の 方向に平行である直線の曲線部分からも形成することができる。この方法は、周 期的なパターンにおいては１合わせると円になる半円の弧から成る２つの案内曲 線部分を形成すれば装置技術的に特別簡単に実施され、その際半円の弧の端点を 結ぶ直径は、パターンの、物体に対する運動方向に実質的に平行である。

多かれ少なかれ一様に分布されたノミターンストラフチャ要素を有する・ぐター ンの場合、２つの案内曲線部分を、実質的に一致する２つの半円の弧によって形 成し、弧の端点を結ぶ直径全相応に配向するようにすれば測定誤差は著しく低減 される。半円弧に沿った走査ビームの復路において走査ビームは、ノターン上の 走査軌道部分を走査し、この走査軌道部分は、物体の相対運動速度と、案内曲線 に沿った走査ビームの運動速度との比に相応して、往路の走査軌道部分とはほん の僅かしかまたは多少しか異ならない。

半円弧に沿った走査による距離測定に対する前提は、弧端点を結ぶ直径が・ξタ ーンの、物体に対する運動方向に平行であるという点である。パターンおよび物 体の相対運動の方向が前取って決められて一定である場合は、困難が生じない。

相対運動方向が変化する場合その都度の瞬時の方向は、例えば冒頭に述べた方法 によって定めることができ、それからこれに基いて半円弧を相応に配向すること ができる。例えば半円弧を確定するために絞り半部を使用するならば、それらを 瞬時の運動方向に相応してその空間位置を追従制御することができる。

本発明の実施例において機械要素のこの形式の追従制御は省略される。このこと は、２つの走査ビームを、閉じた。有利には円形の案内曲線に沿って反対方向に 運動させ、かつ２つの走査ビームを用いて発生される２つの走査信号からその都 度密度信号を導出しかつその位相位置を規定し、かつ密度信号の１つにおいて密 度信号最大値の時間的に前および後に位置する２つの密度信号転換点並びにこれ ら転換点の間の走査パルスの数をめかつ別の密度信号において密度信号の前およ び後に位置する２つの密度信号転換点並びにこれら転換点間の走査パルスの数を めることによって、実現することができる。その後パターンは２回走査され、そ の際２つの走査ビームは同一の円形の案内曲線に沿って、だが反対の走行方向に おいて案内される。２つの走査信号から２つの密度信号が導出されかつ一方にお いて密度信号最大値を含んでいる正弦波半周期が定められかつ他方において最小 値を含んでいる半周期が定められる。これら２つの半周期には、この場合も一致 する半円弧部分が相応し、その際円弧端点を結ぶ直径は、パターンの、物体に対 する運動方向に平行でちる。一方ないし他方の半周期の間発生する走査信号の数 から結果的にパターンが物体に対して進んだ距離がめられる。

パターンが、相応に構成された変換器によって走査することができる磁気、また は静電または放射性のパターン要素等を含むようにするが考えられる。この方法 は、パターンを光学走査するとき、特別簡単に実施される。

本発明はさらに、走査ビームを画像部分の相応の遮光によって確定する絞り、有 利には少なくとも１つの走査光学装置の光路における少なくとも１つの回転する 孔絞りの形態の、少なくとも１つの回転する走査ビームガイド装置によって特徴 付けられている、例えば冒頭に述べた方法を実施するために、物体の、走査可能 な・ぞターンに対する相対運動の無接触の測定のための装置に関する。

論文Ｒ，アルットおよびＨ，リンゲルバーン著　ゝゝオプテイツシエ・センゾー レン・ツーア・ベリュールングスローゼン・ラント・シュルプフフライ二ン・ヴ エークー・ラント・ゲシュヴインディヒヵイッメッソング・アン・ランドファー ルツォイゲン〃雑誌ファインヴエルクテヒニーク、ラント・メステヒニーク１９ ７８年。

第２冊、第６９頁ないし第７１頁から確かに、この形式の装置において走査光学 装置の光路に回転素子を配設すること自体は公知である（第１０図）。しかしこ こで扱われているのは走査ビームを周期的に遮断する回転するプリズム格子ディ スクであり、その際走査ビームは、走査ビームが絞りによって物体に対して相対 的である回転運動に変換される本発明に比して、回転するプリズムディスクを支 持する物体に対して場所固定的に延在する。

本発明によれば走査光学装置の画像側の焦点に、有利にはホト素子とともに、形 成することができる光センサを設けることによって光学的に特別簡単な構成が生 じる。ホト素子のホト電流は、相応の増幅後直接走査信号を発生する。

殊に統計学的に分布されたパターンストラフチャ要素を有する・ぞターンにおい て、パターンを方向測定および／または距離測定のために一致する曲線軌道部分 に沿って走査すると有利である。このために本発明によれば、走査光学装置の光 軸に対して傾斜している半透明の鏡とこの鏡に隣接して平行に配設されている、 この走査光学装置または別の走査光学装置の光路における全反射する鏡とを有す る、画像２倍拡大装置が設けられる。

同じ半円弧形状の走査軌道部分を得るために、それぞれ回転する孔絞りおよびこ の孔絞りを半分覆う不透明な絞り半部を、半透明な鏡とそれに配属された光セン サとの間の光路および全反射する鏡とそれに配属された光センサとの間の光路に 設け、かつ孔絞りを反対の回転方向に回転させかつ２つの走査ビームを固定し。

該走査ビームが物体に対して静止しているパターンにおいて実質的に同一の半円 弧形状の走査軌道部分を走査することが提案される。この場合、２つの孔絞りに 配属された１つの光センサを使用すれば十分でちる。

２つの孔絞りに同様１つの走査光学装置だけを配属させるようにすれば光学上の 構造は簡略化てれる。

パターンを、実質的に同一の全円に沿って走査するために本発明によれば、それ ぞれ１つの回転する孔絞りが半透明の鏡と第１の光センサとの間の光路および全 反射する鏡と第２の光センサとの間の光路に設けられておりかつ孔絞りは反対方 向に回転しかつ物体に対して静止しているパターンでは、ｅターン上において実 質的に同一の全円を走査する２つの走査ビームを固定するようになっている。こ のようにして得られた２つの走査信号から、相応に前に述べられた方法にしたが って２つの密度信号が導出てれかつ密度信号の相応の半周期の期間中発生する走 査信号の数がめられかつそこから面形成によってそこから距離が導き出される。

求められた距離の相応の時間微分によって、パターンの、物体に対する相対運動 速度が困難なく導出される。

請求の範囲第１６項は、米国特許第３０４５２３２号明細書から出発しており、 それによれば円弧に沿って案内される走査ビームを用いて相対運動速度並びに運 動方向をめることが公知である。この米国特許からは、物体から走査可能なパタ ーンに対して相対的に進んだ距離をどのようにめることができるかは推考するこ とができない。

これに対して本発明の課題は、冒頭に述べた形式の方法を、進んだ距離をめるこ とができるように改良することでちる。

請求の範囲第１項の要旨に記載の特徴が、上位概念の特徴との関連においてこの 課題を解決する。本発明の重要な思想は、同一の半円弧上をＬつの走査方向にお いて走行しく２つの反対方向に回転する走査ビームを用いてかまたは唯一の、運 動方向を反転可能な走査ビームを用いて）かつそれぞれの半円弧に対してその都 度測定された走査パルスを加算する点にある。これによって進んだ距離の無接触 な測定のために不規則なパターンストラフチャ要素を有する・ぞターンも走査さ れる。というのは、半円弧を２つの方向にお（・て２度走査する期間中、不規則 なパターンは相対運動に基〜・て殆んど変化しないということから出発しても・ る。その際半円弧端点を結ぶ直径が相対運動方向に対して平行に延在する点が重 要である、本発明の、半円弧に沿った２つの方向における走査は、上記の米国特 許明細書から推考されない。というのはそこでは走査ビームは常時全円に沿って 一方向において運動するからでちる。

スイス国特許明細書第５２３５０４号からは、直線的を振動しながら往復運動す る統計学的な・ぐターンの速度の振幅を、静止した走査ビームを用いて／ｌ’タ ーンを直線路に沿って振動しながら走査しかつ得られた走査信号を低域フィルタ を介して送出して、このようにして得られた。ろ波された信号の振幅から速度の 大きさを導き出すことができるようにしてめることを推考することができるにす ぎない。しかも冒頭に述べた形式の方法とは対照的に、任意の相対運動方向を走 査信号からめることができない。それだけにますます上記スイス特許明細書から 、どのようにして無接触に進んだ距離を、場合に応じて変化する運動方向におい て検出するかを推考することはできない。

本発明を以下多数の実施例において図面に基いて説明する。その際 第１図は、無接触の運動測定のための本発明の装置の第１の実施例の概略図であ り、 第２図は、第１図の装置の孔絞りの下方におけるノツター／の平面図でら９、 第３図は、第１図の装置のホト素子によって発生される走査信号であり、 第４図は、走査信号から導出される密度信号であり。

第５図は、案内角度関数であり、 第６図は、第２図に類似した孔絞りの下方における周期的なパターンの平面図で おり、 第６Ａ図は、第６図に示すパターンの走査の際生じる密度信号でちり。

第７図は１本発明の装置の第２実施例であり、第８図は、第７図の装置の回転す る絞りの平面図であり（第７図における矢印■）、 第８Ａ図は、第７図の装置によって発生される、静止したノぞターンにおける走 査軌道曲線であり、第９図は、本発明の装置の別の実施例であり、かつ第９Ａ図 は、第９図に示す装置によって、静止したパターンにおいて発生される走査曲線 軌道であり、第９Ｂ図は、第９図に示す装置を用いた走査の際生じる２つの密度 信号である。

第１図に略示されている、無接触の運動測定装置１０ｔ−用いて、後に詳しく説 明するように、簡単な構成の手段によって迅速かつ確実に、第１図の下側に図示 されているパターン１２の、装置１０を支持しており、破線で輪郭全体を示して いる物体１４に対する相対的な運動が測定される。第１図において物体１４は静 止しているものと仮定されている。しかし物体は物体の方がパターン１２に対し て運動するものであってもよい。というのは本発明によれば相対運動、殊に／ｅ ターン１２の、物体１４に対する相対速度■の方向、並びに相対変位距離Ｓが測 定されるからである。パターン１２の、物体１４に対する運動方向は例えば、物 体に固定された基準系において第２図に図示の、速度ベクトル■の方向と物体に 対して固定された基準方向１６との間の角度αによって検出することができる。

この角度αは本発明によれば迅速かつ簡単にめることが４が、ｓターン１２に対 して相対的に進んだ距離、ひいては運動速度Ｖの値もめることができる。

このために装置１０は、第１図にブロックダイヤグラムの形で図示した評価回路 １８の他に、回転する孔絞り２０．第１図に集束レンズによつ℃象徴的に示す焦 点距離ｆ′を有する結像光学系２２並びてこの結像光学系２２の焦点にあるホト 素子２４だけを必要とする。

孔絞り２０は、結像光学系の光軸１５と一致する、孔絞り２０の回転軸から間隔 γを有する絞りの孔３０を備えている。したがって孔３０は孔絞り２０の回転の 際（第２図においては時計の針の進む方向において）角速度ωによって物体に固 定された基準系において半径ｒｌ有する円４８を描く。円の中心４８ａから出発 して、孔の中心と交差する半径方向ビーム５０は、基準方向１６に対して角度β を成す。半径方向ビーム５０と速度■の方との間の角度は第２図にはγで示され ている。第２図の瞬時の絞り位置において、角度αの値は角度βおよびγの値の 和から生じる。

結像光学系２２は、孔絞り２０の孔３０によってその都度切り取られる、・ξタ ーン１２の領域（）ξターン部分）をホト素子２４上に結像する。・ξターン１ ２は、統計的に分布された不規則に配置されたストライプ１２ａから成っており 、ストライプは、それらが一層間るいかまたは暗いかによって背景から際立って いる。・ξターン１２は、例えばＰットパターンのような、別の形式の不規則な パターンとすることもできる。条件は、・ぐターン１２が円４８によって規定さ れる部分において、個々のパターンストラフチャ要素（ここではストライプ１２ ａ）の間隔に関しである程度一様に平面上に分布されているということだけであ る。

物体１４に対して停止している・にターン１２であって、角速度ωによって回転 する孔絞り２０において、パターン１２上に円形の走査軌道が生じる。したがっ て順次に走査軌道によって捕捉される・ぞターンストラフチャ要素（この場合ス トライプ１２ａ）が走査される。ホト素子２４は続いて、場合に応じて、相応の 増幅およびパルス整形段の通過の後走査信号ｆを発生し、一連の個別ノＲルスか ら、個別に走査されたパターンストラフチャ要素に相応する走査ｉＲパルス発生 する。時間間隔Δｔは、パターン分布の循環の間統計学的にしたがって変化する 。

ところで・ぞターン１２が物体１４に対して速度イクトルＶの方向において運動 すると、走査信号ｆの相応の変調が生じる。というのは今や・ぐターン１２上に おける走査軌道はサイクロイド形状フあるからである。

その際周速度の値ω・ｒは常時、速度Ｖの値より大きく選択されている。第２図 において物体に固定された基準系において絞シ２０の孔３０、したがって孔３ｏ によって規定される走査ビーム３１の４つの瞬時の走査位置がＡ　、Ｂ　、Ｃお よびＤで示されておシ、これらは速度Ｖの方向に対してＯｏないし９０ｏないし １８０°ないし２７０°の角度γを成している。点ＡおよびＣにおいて孔３０． すなわち走査ビーム３１の瞬時の運動方向は、物体に固定された円４８に沿って 方向Ｖに対して垂直に延在する。一方点ＢおよびＤにおいて走査ビームは円４８ に沿って、物体１４に対する／ｅターン１２と同じ方向もしくは反対の方向にお いて運動する。走査ビームの点りにおいて単位時間当り、走査ビームおよびｉｅ ターンの反対方向の運動に基いて、走査ビームがたとえ比較的大きな速度受あろ うとも、物体１４に対してパターン１２と同じ方向において移動する点Ｂにおけ るよりも著しく多くのノぞターンストラフチャ要素が走査される。したがって、 このことは第３図に略示されているように、角周波数ωに相応して変調された、 連続する・ぐルスの時間間隔の逆数１／Δｔを有する走査信号が得られる。上下 に並べて示されている第３図、第４図および第５図は、同一の時間目盛を有する 。

第４図に図示の点ＢおよびＤにおいて、連続する走査・ξルスｆｉの時間間隔の 逆数ｇｉは最小ないし最大である。第４図によれば、連続する等間隔の時点１１ ．１２゜ｔ３等・・・において丁度終了したインターバル内の連続する７ぞルス の平均時間間隔の逆数を記入しかつこれらの点ｇ１１　ｇ２１　ｇ５等・・・を 結ぶと、第４図においてｇで示す曲線が得られる。この曲線は以下“密度信号″ と称する。この密度信号は実質的に、・ソターンストラクチャ要素の統計学的な 位置分布に基いた統計学的な変動が重畳されている正弦波状曲線に従っている。

この正弦波状の変調成分の最小値は点已にあシ、最大値は点りにありかつ転換点 は点ＣおよびＡにある。必要の場合忙は、統計学的に変動する信号から引続く処 理のために変調成分を取り出すことができる。

第５図において基準方向と走査ビームを通って導かれる半径方向ビーム５０との 間の角度βの時間経過が示されている。一定の角周波数ωに基いて、３角形の階 段経過が生じる。そこで、基準方向１６と速度Ｖの方向との間の得ようとする運 動方向の角度をめるために単に、密度信号ｇの、案内角度関数りとして表わされ ている、第５図の曲線に対する位相偏移をめることができる。第２図から、第２ 図の位置Ａに相応する、密度信号ｇの転換点の一方を形成する時点Ａが、得よう とする角度αが角度βと等しい点であることが明らかである。第５図によればβ はこの時点において例えば４５ｏ−ｔ’ある。・ξターン１２はそれから物体に 固定された基準方向１６に対して４５°の角度において物体１４に向かって移動 する。

角度αを規定するために勿論密度信号ｇの正弦波形の極大値を用いることもでき 、その際その場合は相応の角度βから９０°ないし２７０ｏが取り出される。

方向の規定を行なうことができる評価回路１８は、走査信号ｆを発生しかつさら に必要に応じてホト素子２４から送出される電気信号を増幅しかつ・ξルス整形 を行なうブロック５２を有している。それに、走査信号ｆから第４図の密度信号 ｇを導き出すブロック５４が続く。引続くブロック５６において密度信号ｇの位 相位置が、例えば密度関数ｇの正弦波形の転換点ＡおよびＣをめることによって 、規定される。線５９を介してモータ３２から絞シ２０のその都度の瞬時の回転 位置に関する情報が得られるブロック６０は、第５図の案内角度関数りを形成す る。ブロック５８は、例えば一致回路を用いて、いずれの瞬時角度βが一方また は他方の転換点ＡないしＣに相応するかを確定する。

それからこの角度は得ようとする運動の方向角度αである。

第２図および第４図においてさらに、アルファベットａ　、ｂ　、ｃおよびｄに よって、走査ビーム３１が順番に基準方向１６とともに０°、９００．１８０ｏ ないし２７００の角度βを形成する瞬間が示されるように書き加えることができ る。

第６図において、互いに平行に周期的に配列されたストライプ１２ａ′から成る ストライプ幅ぞターン１２′が図示されている。ストライプのストライプ幅およ びストライプ間間隔は実質的に一定である。第１図ないし第５図に図示のこのス トライプノミターンが回転する孔絞りによって走査される場合、次のような方法 で簡単孔３０が円４８に沿って位置Ｃかも再び位置Ｃに運動れた基準系における 点Ａに相応する、走査軌道の点Ａ′は、半周期の間パターンが物体に対して進ん だ距離Ｓだけ点Ａに対して外側へずれている。これに相応して走査ビームは、２ ｒ＋Ｓに比例する、Ｍ個のストライプ１２８′を走査する。次の半周期の終了時 には走査ビームは、物体に固定されだ円４８０点Ｃに相応する、走査軌道４９０ 点Ｃ′に達する。この半周期の期間中走査されるストライプ１２ａ′の数Ｎは　 ＡＩおよびＣ′の位置間隔、したがって値２ｒ−３に相応する。このことから半 周期内に・ぐターンが物体に対して進んだ距離Ｓが次のように生じる： したがって距離測定のために、走査信号ｆを検出しかつ走査ビームが、速度Ｖに 対して平行な円の直径（点ＡおよびＣ）を２回通過する間順次発生する走査・ξ ルスの数ＭおよびＮを確定する必要があるだけである。

基準方向１６を、この場合もストライプ１２　ａ’の方向に対して垂直に延在す る方向Ｖに対して平行に設定すれば、点ＡおよびＣにＯＯおよび１８００の角度 βが相応する。

ストライプ長手方向と速度Ｖとの間の角度が９００相異している場合、ｓｉｎΔ に比例する距離Ｓ′が計算されることは明らか″Ｉ１％オシ、その際Δは、スト ライプ長手方向と運動方向Ｖとの間の角度である。

第１図ないし第５図に基いて先に説明した方法に相応して、第６図に図示の線的 に周期的なストライプパターンにおいても物体に固定された基準方向と運動方向 Ｖとの間の角度が確定される。しかしこの場合走査信号ｆから導出される密度信 号ｇは次の式：Ｃ１−５ｉｎ（ω＋ｃ２）＋Ｃ３（第４図によれば）とは相異し ている。というのはこの式にはさらに次の関数 Ｃ４・ｌ　ｓｉｎ　（ωｔ　＋　Ｃ２）　１が重畳されているからである。この 成分が運動に規定されて、第４図に示す正弦波状成分と重畳されると例えば第６ Ａ図に示す形状の密度信号ｇが生じ、その際破線により停止したノミターンにお いて既に生じる信号成分が図示されている。２つの半周期部分曲線Ａ−Ｃおよび Ｃ−Ａの最大値の位置は点ＢおよびＤに精確に相応し、その結果この最大値は有 利には方向角度αを規定するために用いることができる。しかし点Ａおよた形式 の測定は、例えば第２図に示すように、平面上に統計学的に一様に分布されたパ ターンストラフチャ要素を有する・ｑターンにおいても実施される。走査ビーム が点Ｃから点Ａへ運動する際走査されるノツター／ストラフチャ要素の数は、第 ６図に示す相応の軌道曲線部分Ｃ−Ａ’の長さに比例している。この軌道曲線部 分の長さは、ｒより小さい距離Ｓの場合近似的に２ｒ＋Ｓに比例する。これに相 応して走査軌道の円弧部分Ａ′−Ｃ′の長さは２ｒ−３に比例し、その結果半周 期の期間中進んだ距離Ｓに対してストライプ・ぞターンに対する場合と同じ表現 が得られる。

第７図および第８図において、統計学的に分布されたノツター／ストラフチャ要 素を有するパターンにおいて距離検出のために定められている、本発明の装置の 実施例が１１０で示されている。第１図の場合と類似して装置１１０は、集束レ ンズ１２２によって象徴的に示されている、焦点距離ｆ′の走査光学装置から成 っており、その画像側の焦点にはホト素子１２４が配設されている。ノξターン エ２と走査光学装置との間に、画像２倍拡大装置が設けられている。この装置は 、光軸１１４に対して傾いている半透明の鏡１６０およびこの鏡の隣りに、それ と平行に配設されている全反射する鏡１６２から成る。２つの鏡１６０の上側の 縁１６２ａおよび鏡１６２の下側の縁１６２ａは上下に位置しかつ光軸１１４に 対して適正な角度を成している。したがって第７図において右側の半透明の鏡１ ６０の下方に位置する、ノソターン１２の部分は、一方において鏡１６０を通し て直接上方に位置する回転する走査ディスク１２０ａによって走査することがで き、他方において鏡１６０および１６２に２回反射して鏡によって走査すること が１きる。孔絞、９１２０ａはモータ１３２ａによって運動され、その際回転軸 線は鏡１６０の上方のほぼ中央に配置されておシかつ光軸１１４に対して平行に 間隔をおいて延在している。しかし第１図、第７図において、光軸１１４の左側 に同じ間隔をおいて、ディスク１２０ｂを駆動するモータ１３２ｂの回転軸線が 延在している。第８図の平面図が示すように、２つの孔絞ｆｉ１２０ａおよび１ 　ｚｏｂは反対方向に、しかも同じ周波数ωによって回転する。

それぞれの孔１３０と回転軸線との間隔ｒは、両方の場合において同じである。

２つの孔絞りのそれぞれ同じ半部（第７図および第８図において左側の半部）は 、例えばそれぞれの孔絞シと光センサ１２４の間に位置する絞シ半部１７０ａな いし１７０ｂによってカッモーされる。それぞれ右側の縁１７２ａないし１７２ ｂはそれぞれの孔絞り回転軸線と交差しかつ両方の縁部は互いに平行に水平平面 内に位置する。

２つの孔絞り１２０ａ、１２０ｂは、孔１３０ａないし１３０ｂがその都度同時 に、たとえ反対方向ｔあろうとも、縁部１２７ａないし１２７ｂ上を通過するよ うに相互に同期をとって駆動される。したがってホト素子１２４は、２つの孔絞 りの同期された回転運動の半周期の期間中、例えば孔１３０ａを介して貫通通過 した、ノセターン１２から派生する光を受信しかつ引続く半周期の期間中側の孔 １３０ｂを通ってくる光を受信する。装置１１０に対して相対的に停止している ノｅターンにおいて、ノミターン１２上の次のような走査軌道１４９が生じる。

すなわち走査ビームが終点で方向転換して一方および他方の方向において走行す る半円弧によって形成される。

第８Ａ図には、第２図ないし第５図に図示の物体に固定された点Ａ　、Ｂ　、Ｃ に相応する軌道点Ａ’　、　Ｂ’およびＣ′が図示されている。同じく点Ｄ′も 図示されているが、これは走査曲線４８を半円になるように相応に折シ畳んだ場 合の第２図の点りに相応する。その際パターン１２が、点Ａ′およびＣ′を結ぶ 直径１５０に対して平行１ある矢印Ｖの方向において装置１１０に対して相対的 に運動した場合、第３図に類似した走査信号およびこれに相応して第４図に類似 した密度信号が得られる。そこで距離検出のためには、走査ビームが軌道曲線Ａ ’　、　Ｂ’　、　Ｃ’に沿って運動する期間中走査・ξルスの数Ｎをめかつ引 続いて軌道部分Ｃ’　、　Ｄ’　、　Ａ’に沿った走査・ξルスの数Ｍをめさえ すればよい。さらに装置１１０の下方において・ぞターフ１２は引続き移動する ので、軌道部分Ａ’　、　Ｂ／　、　Ｃ’はもはや次回の軌道部分とは一致しな い。しかし２つの走査軌道部分は相対的に密接に近傍にまとまって位置しておシ 、その結果／ｅターンストラクチャ要素の分布密度の局所的な変動が原因で生じ る測定誤差は依然として相対的に小さい。しかし第６図に相応する全円走査の際 には２つの円弧は、互いに相反的に位置する。すなわちそれらは場合によっては ・ξターンストラフチャ分布密度が場合によっては互いに著しく相異している領 域に位置する。

装置１１０を用いて距離測定するだめの上述の方法においては、第８図の直径１ ５０が速度Ｖの方向と平行であることが前提となっている。すなわちこのことに 相応して２つの絞シ半部１７０ａおよび１７０ｂの右側の縁部１７２ａおよび１ ７２ｂは、速度方向に対して平行に位置する。方向Ｖが変化する場合絞シ半部１ ７０ａはこれに相応して追従配向されなければならず、その際場合に応じてまず 第３図ないし第５図に基いて既に説明した方法に従った方向規定が行なわれる。

このためにホト素子１２４から送出される走査信号を使用することができる。

第９図に図示の、２１０によって示されている本発明の運動測定装置によれば、 絞り半部の上記の、配向の機械的な追従制御が不要になる。この装置も、像を２ 倍に拡大するための半透明の鏡２６０並びに全反射する鏡２６２を、これら２つ の鏡の上方に配設されているそれぞれ別個に回転する孔絞り２２０ａないし２２ ０ｂ同様に有している。しかしこれら両方の２倍拡大画像のそれぞれに、固有の 走査光学装置２２２ａおよび２２２ｂが対応配設されており、これら光学装置の それぞれの画像側の焦点にこの場合も、固有のホト素子２２４ａないし２２４ｂ が配設されている。ここ費も２つの孔絞］１！２０ａおよび２２０ｂは、同じ周 波数で反対方向に回転する。すなわち２つの絞シの孔２３０ａないし２３０ｂの 軸との間隔はそれぞれｒである。第９Ａ図に図示のように・ξターン１２が静止 している場合、相互に一致するが、反対方向に描かれる円の形状の２つの走査軌 道曲線２４９ａおよび２４９ｂが生じる。

２つのホト素子２２４＆および２２４ｂはそれぞれ走査信号ｆａおよびｆｂ４発 生し１、それらからそれぞれ別個に第９図に図示のブロック２８０ａおよび２８ ０ｂにおいて密度信号ｇａないしｇｂが導出される。これに基いて密度信号の１ つ、例えば密度信号ｇ８において、間隔Ｃ−Ａが規定されかつこの間隔における 走査パルスの数Ｍａがめられる。このことに相応して、密度信号ｇｌ）に対して 間隔Ａ−Ｃが規定されかつこの間隔の間に生じる走査・ξルスの数Ｎｂがめられ る。このことはブロック２８２ａおよび２８２ｂによって象徴的に示されている 。次のステップにおいて（ブロック２８４）、Ｓが図示の式にしたがって計算さ れる。

パターン１２の、物体に対して相対的な速度Ｖの値を検出しようとする場合は、 上述の方法でめられた「 蜂距離Ｓの導関数を形成しさえすればよい。

上述の本発明の方法によって、任意の、周期的または周期的でない・リーンに対 して、Ａ固定された基準方向との関連において相対運動の方向が検出される位置 が、案内曲線に沿った走査ビーム運動に関連して検出される。案内曲線によって 力／々−される角度領域は、３６００または１８００或いはそれ以下とすること ができる。例えば方向変動が比較的狭い角度領域においてしか期待されなければ 、案内軌道曲線部分は、僅かげかシ大きな角度領域を上回るようにすれば十分で ある。しかしこの角度領域は、密度信号の位相位置を、例えば密度信号の１次ま たは高次導関数の位置を検出することによって規定することができるような大き さｆなければならない。

本発明の距離検出においては、１つないし複数の走査ビームがその都度案内軌道 の部分に沿って走行する際常時・ξターンとともに走行するかもしくは・ξター ンとは反対に走行するかを考慮しさえすればよい。案内軌道は直線または湾曲状 とすることができる。

ＦＩＧ、６ ＦＩＧ、８ ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　ＴＨＥ　ＺＮτＥＲＮＡＴＩＯＮＡｊ、５ＥＡＲＣＨＲＥＥ ’ＯＲＴ　０ＮＵＳ−Ａ−３０５９５２１Ｎｏｎ＠

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．走査ビームを発生し、該走査ビームは物体との関連で移動するパターン部分 をパターン上の走査軌道に沿つて走査して、パターン部分のパターンストラクチ ヤ要素に相応する走査パルス列からパルス信号を発生する、走査可能なパターン に対する物体の相対運動を無接触に測定する方法において、ａ）走査ビームを物 体に対して固定された、湾曲した案内曲線に沿つて、走査軌道が実質的に、案内 軌道に沿つた走査運動とパターンおよび物体の相対運動との重畳として生じるよ うに、平行に移動および／または旋回し、その際走査ビームの、案内曲線に沿つ た運動は、物体に固定された基準方向と案内曲線の曲率中心点から走査ビームに 導かれる半径方向ビームとの間の瞬時の角度（案内角度）の時間経過を表わす案 内角度関数にしたがつて行なわれ、 ｂ）走査信号から密度信号を導出し、該密度信号は先行の走査パルスから瞬時の 走査パルスまでの時間間隔の逆数値の時間経過を表わし、場合に応じて案内曲線 に沿つた走査ビームの運動に対して必要な走査持続時間に比べて小さい平均時間 間隔にわたつて平均化されて、かつ ｃ）基準方向とパターンの、物体に対する相対運動との間の角度に相応する、密 度信号の位相位置を前記案内角度関数に対して規定することを特徴とする無接触 な測定方法。 ２．密度信号の転換点を求め並びにこの転換点に対応している案内角度を求める 請求の範囲第１項記載の方法。 ３．転換点に密度信号最小値が続くかまたは最大値が続くかを検出する請求の範 囲第１項または第２項記載の方法。 ４．ａ）走査ビームを、共通の終点を有する第１および第２の、物体に固定され た案内曲線部分に沿つた走査ビームの平行移動および／または旋回によつてまた はそれぞれ同じ走査持続時間を有する、それぞれ案内曲線部分の１つに沿つた２ つの走査ビームの平行移動および／または旋回によつて、第１および第２の、案 内曲線部分に沿つた走査ビーム運動とパターンの、物体に対する相対運動のその 都度の重畳から生じる走査軌道を走査し、その際第１の案内曲線部分に沿つた走 査ビーム運動が、パターンの、物体に対する運動の方向にある、物体に対して相 対的であつて、実質的に常時同一の正負の極性を有する速度成分を有しかつその 際第２の案内曲線部分に沿つた走査ビーム運動は、パターンの、物体に対する運 動の方向にあつて、実質的に常時反対の正負の極性を有する速度成分を有し、か つ ｂ）第１の案内曲線部分に沿つた走査ビームの運動の期間中生じる、走査信号の 走査パルスの数（Ｍ）並びに第２の案内曲線部分に沿つた走査ビームの運動の期 間中生じる、走査信号の走査パルスの数（Ｎ）を求めてから前記２つの数（Ｍ， Ｎ）の差（Ｍ−Ｎ）および和（Ｍ＋Ｎ）の商を求め、該商が走査時間間隔の期間 中パターンが物体に対して進んだ距離に比例する、請求の範囲第１項から第４項 までのいずれか１項または請求の範囲第１項の上位概念に記載の方法。 ５．２つの案内曲線部分を、合わせると円になるかまたは実質的に重なり合う半 円弧によつて形成し、その際円弧の端点を結ぶ直径は、パターンの、物体に対す る運動方向に対して実質的に平行である請求の範囲第４項記載の方法。 ６．２つの走査ビームを、閉じた、有利には円形の案内曲線に沿つて反対方向に 運動させ、かつ２つの走査ビームを用いて発生される２つの走査信号からその都 度密度信号を導出しかつその位相位置を規定し、かつ密度信号の１つにおいて密 度信号最大値より時間的に前および後に位置する２つの密度信号転換点並びにこ れら転換点の間の走査パルスの数（Ｍａ）を求めかつ別の密度信号において密度 信号最小値より時間的に前および後に位置する２つの密度信号転換点並びにこれ ら転換点の間の走査パルスの数（Ｎｂ）を求める請求の範囲第５項記載の方法。 ７．パターンを光学走査する請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項記 載の方法。 ８．少なくとも１つの回転する走査ビームガイド、有利にはその絞りが画像部分 の相応の遮光によつて走査ビームを固定する少なくとも１つの走査光学装置（２ ２；１２２；２２２ａおよび２２２ｂ）の光路にある少なくとも１つの回転する 走査ビームガイド装置が設けられていることを特徴とする例えば請求の範囲第１ 項から第７項までのいずれか１項記載の方法を実施するための、物対の、走査可 能なパターンに対する相対運動の無接触測定装置。 ９．走査光学装置（２２；１２２；２２２ａおよび２２２ｂ）の画像側の焦点に 、有利にはホト素子（２４；１２４；２２４ａおよび２２４ｂ）によつて形成さ れた光センサが設けられている請求の範囲第８項記載の方法。 １０．走査光学装置（１２２；２２２ａ）の光軸に対して傾いている半透明の鏡 （１６０；２６０）と、このまたは別の走査光学装置（１２２；２２２ｂ）の光 路にある前記鏡と隣接してかつ平行に配設されている全反射する鏡（１６２，２ ６２）とを有する、画像２倍拡大装置が設けられている請求の範囲第８項または 第９項記載の装置。 １１．回転する孔絞り（１２０ａおよび１２０ｂ）および孔絞りを半分覆う不透 光性の絞り半部（１７０ａおよび１７０ｂ）がそれぞれ、半透明の鏡（１６０） とこれに対応配属された光センサ（１２４）との間の光路および全反射する鏡（ １６２）とこれに対応配属された光センサ（１２４）との間の光路に設けられて おり、かつ前記孔絞り（１２０および１２０ｂ）は反対方向に回転しかつ２つの 走査ビームを固定し、該走査ビームは物体に対して停止しているパターン（１２ ）において、実質的に同一の半円弧形状の走査軌道部分（Ａ′Ｂ′Ｃ′；Ｃ′Ｄ ′Ａ′）を走査する請求の範囲第１０項記載の装置。 １３．２つの孔絞り（１２ａおよび１２ｂ）に対応配属されている光センサ（１ ２４）が設けられている、請求の範囲第１１項の記載の装置。 １４．２つの孔絞り（１２０ａおよび１２０ｂ）に対応配属された走査光学装置 （１２２）が設けられている請求の範囲第１１項または第１３項記載の装置。 １５．それぞれ回転する孔絞り（２２０ａおよび２２０ｂ）が、半透明の鏡（２ ６０）と第１の光センサ（２２４ａ）との間の光路および全反射する鏡（２６２ ）と第２の光センサ（２２４ｂ）との間の光路に設けられており、かつ前記孔絞 り（２２０ａおよび２２０ｂ）が反対方向に回転しかつ２つの走査ビームを固定 し、該走査ビームは物体に対して静止しているパターンにおいてパターン上に実 質的に同一の全円（２４９ａおよび２４９ｂ）を走査する請求の範囲第８項から 第１０項までのいずれか１項記載の装置。 １６．少なくとも１つの、物体から派生する走査ビームを発生し、該走査ビーム は物体とともに移動するパターン部分を、パターン上の、円軌道と相対運動との 重畳としての走査軌道に沿つて走査して、パターン部分のパターンストラクチヤ 要素に相応する走査パルス列から走査信号を発生する、物体の、走査可能なパタ ーンに対する相対運動の無接触測定方法において、 パターンを、パターン上の、半径ｒを有する半円弧および相対運動方向に対して 実質的に平行に配置された、半円弧端点を結ぶ直径を有する半円弧と、反対方向 における相対運動との重畳として、２回、２つの反対方向に回転する走査ビーム か或いは個別の運動方向を反転可能な走査ビームかを用いて、例えば光学走査し 、 一方の走査方向における走査パルスの数Ｍａおよび他方の走査方向における走査 パルスの数Ｎｂを求め、かつ進んだ距離を求めるために２つの走査パルス数の差 および和の商を半円弧半径の２倍と乗算することを特徴とする無接触測定方法。 １７．回転する走査ビームガイド装置を有する、請求の範囲第１６項記載の方法 を実施するための装置において、 ａ）パターンから到来する走査ビームを２つの部分ビームに分割するために、傾 斜した、半透明のビームスプリツタ（１６０；２６０）が設けられており、 ｂ）反射により取り出された部分ビームは、前記ビームスプリツタ（１６０；２ ６０）に隣接していてかつ該ビームスプリツタに平行に配設されている、全反射 する転向ミラー（１６２；２６２）を用いて、透過する部分ビームに対して平行 な方向に転換され、 ｃ）２つの、反対方向に回転する孔絞り（１２０ａ，１２０ｂ；２２０ａ，２２ ０ｂ）が透過する部分ビームないし反射により取り出される部分ビームの光路に 設けられており、 ｄ）おのおのの部分ビームに対してそれぞれ光センサ（２２４ａ，２２４ｂ）を 有する走査光学装置（２２２ａ，２２２ｂ）が画像側の焦点に設けられているか 、或いは ｅ）１つの光センサ（１２４）を有する、２つの部分ビームに共通な走査学装置 （１２２）が、画像側の、２つの部分ビームを結びつける焦点に設けられており 、その際さらに２つの、同じに配向されている、それぞれの孔絞り（１２０ａ， １２０ｂ）を半分覆う、不透光性の絞り半部（１７０ａ，１７０ｂ）が、反射に より取り出される部分ビームの光路ないし透過する部分ビームの光路に設けられ ていることを特徴とする装置。 １８．回転する走査ビームガイド装置を有する物体の、走査可能なパターンに対 する相対移動の無接触測定装置において、 ａ）パターンから到来する走査ビームを２つのビームに分割するために、傾斜し た、半透明のビームスプリツタ（１６０；２６０）が設けられており、ｂ）反射 により取り出された部分ビームは、前記ビームスプリツタ（１６０；２６０）と 隣接しておりかつ該ビームスプリツタに対して平行に配設されている全反射する 転向ミラー（１６２；２６２）を用いて、透過する部分ビームに対して平行な方 向に転換され、 ｃ）２つの反対方向に回転する孔絞り（１２０ａ，１２０ｂ；２２０ａ，２２０ ｂ）が、透過する部分ビームないし反射により取り出される部分ビームの光路に 設けられており、 ｄ）それぞれの部分ビームに対してそれぞれ、光センサ（２２４ａ，２２４ｂ） を有する走査光学装置（２２２ａ，２２２ｂ）が画像側の焦点に設けられている か、或いは ｅ）２つの部分ビームに対して共通の、光センサ（１１４）を有する走査光学装 置（１２２）が、２つの部分ビームを結びつける、画像側の焦点に設けられてお り、その際さらに２つの同じに配向された、それぞれの孔絞り（１２０ａ，１２ ０ｂ）を半分覆う、不透光性の絞り半部（１７０ａ，１７０ｂ）が、反射により 取り出される部分ビームの光路ないし通過する部分ビームの光路に設けられてお り、 ｆ）その都度一方の走査方向および他方の走査方向における走査半円弧に沿つた 走査期間中、走査信号から導出可能な、パターンのパターンストラクチヤ要素に 相応する走査パルスを計数するために、１つまたは複数の光センサの走査信号を 受信する装置（２８２ａ，２８２ｂ）が設けられており、その際半円の円弧端点 を結ぶ直径（２ｒ）が実質的に相対運動方向（Ｖ）に対して平行に延在しており 、かつ ｇ）進んだ距離（ｓ）を、走査円直径（２ｒ）と、一方および他方の走査方向に おける走査パルス数の差（Ｍａ−Ｎｂ）および和（Ｍａ＋Ｎｂ）の商との積とし て計算するための装置（２８４）が設けられていることを特徴とする無接触測定 装置。