(57)【要約】【課題】スペックルに基づく像相関変位センサの精度を改善する。【解決手段】  動きがない状態でスペックル像が経時的に変化しないことを保証することによって超高精度を提供する。スペックル像は、レーザダイオードの波長変化を低減または補償することによって安定化される。波長を安定化させる種々の方法は、熱電的温度制御、いずれかの適格な手段によって波長を測定および補正すること、または、外部格子からの光フィードバックの特定の波長を付与することを含む。像安定化はまた、システムのウォームアッププロセスを監視することによっても達成され得る。システムがウォームアッププロセスを完了したと決定されると、システムが使用の準備ができたことを指示するために指標がユーザに提示される。波長関連誤差を低減または排除するセンサの幾何学的構成もまた開示されている。【選択図】図１４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント放射で照明された時にスペックルを生じる表面を有する部材に対して少なくとも第１の測定軸に沿って相対変位測定値を決定するために使用されるスペックルパターン像を付与するスペックル像相関光学変位センシングの読取ヘッドであって、
相対変位に依存した前記表面の一部を照射して照明された部分に対応するスペックルパターンを生じさせる光ビームを放出するコヒーレント光源と、
前記スペックルパターンの像を受光するために読取ヘッドの光路に沿って配置された像検出器と、
コヒーレント光源の波長を安定化させることにより、少なくとも第１の測定軸に沿った相対変位以外の潜在的原因によるスペックルパターンの潜在的変化に関して相対変位測定値を決定するために使用されるスペックルパターン像を安定化させる安定化要素と
を備えることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項２】
前記安定化要素はコヒーレント光源の温度を安定化させるために使用される熱電冷却器を含むことを特徴とする請求項１記載の読取ヘッド。
【請求項３】
前記安定化要素は、公称動作波長に対する波長の変化を検出するために動作し、波長の検出された変化が低減されて、波長が安定化されるようにコヒーレント光源の動作を制御するフィードバックシステムを含むことを特徴とする請求項１記載の読取ヘッド。
【請求項４】
前記フィードバックシステムは、格子に入射する光の公称動作波長がコヒーレント光源に再び入るように方向づけられ戻るように、コヒーレント光源の出力ビームからの光を含む光路に対してある角度で配置された格子を備える光学フィードバックシステムであることを特徴とする請求項３記載の読取ヘッド。
【請求項５】
前記安定化要素は、相対変位測定値を決定するために使用されるスペックルパターン像が公称上安定している時に信号を供給するウォームアップ期間監視システムを含むことを特徴とする請求項１記載の読取ヘッド。
【請求項６】
前記読取ヘッドが固定位置に保持された時に前記ウォームアップ期間監視システムは、前記読取ヘッドがオンにされてからの経過時間と、２つの連続する像に基づくピーク相関値と、２つの連続するピーク相関値の差と、２つの連続する像に基づく相関品質値、および、２つの連続する相関品質値の間の差と、を含む少なくとも１つの値を決定および監視するように動作可能であり、相対変位測定値を決定するために使用されるスペックルパターン像は、決定および監視された値に基づき公称上安定していることを特徴とする請求項５記載の読取ヘッド。
【請求項７】
前記信号は、前記読取ヘッドのインジケータまたは光の状態の変化、およびホストシステムへの電気信号出力、の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項５記載の読取ヘッド。
【請求項８】
光学的拡散表面に法線入射照明を付与することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の読取ヘッド。
【請求項９】
前記読取ヘッドの焦点面が、スペックルを生じる表面に適切に近い、およびスペックルを生じる表面と公称上合致している、のうちの少なくとも１つであるように、読取ヘッドを光学的拡散表面の上方の動作高さにマウントすることをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の読取ヘッド。
【請求項１０】
前記安定化要素は、読取ヘッドの焦点面がスペックルを生じる表面の適切に近くにある時に信号を供給するマウンティング位置高さ監視システムを含むことを特徴とする請求項１記載の読取ヘッド。
【請求項１１】
前記マウンティング位置高さが反復的に変更される時に、前記マウンティング位置高さ監視システムは、参照像と現在像との間で変位値を反復的に決定するように動作可能であり、参照像および現在像は、測定軸に沿って表面に対する読取ヘッドの変位を固定して保持しながら取得され、マウンティング位置高さ監視システムは、変位値の１つ以上に基づき読取ヘッドの焦点面が表面に適切に近い時を決定することを特徴とする請求項１０記載の読取ヘッド。
【請求項１２】
光学的拡散表面を有する部材に対して少なくとも第１の測定軸に沿って相対変位を測定するように動作可能であり、光学的拡散表面の一部を照明する光ビームを放出するコヒーレント光源と、伝送された光を受光するために読取ヘッドの光路に沿って配置された像検出器とを含み、照明された部分は相対変位に依存しており照明された部分に対応する散乱光を生じ、伝送された光は光学的拡散表面の照明された部分に対応する強度パターンを像検出器上で生成し、強度パターンは複数のスペックルよりなるスペックル像相関光学位置トランスデューサの読取ヘッドにおいて、
像ランダム性に起因する関数ノイズに対する相関関数ピーク値の低下を回避するために、コヒーレント光源の波長を安定化させることによって、強度パターン内での個別のスペックルの変調を低減するようにスペックル強度パターンを安定化させることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項１３】
前記波長は、前記コヒーレント光源の温度を安定化させるために熱電冷却器を利用すると共にフィードバックの使用によって安定化されることを特徴とする請求項１２記載の読取ヘッド。
【請求項１４】
前記フィードバックは、波長の測定値を取った後、前記波長の測定値をコヒーレント光源にフィードバックすることによって付与されることを特徴とする請求項１３記載の読取ヘッド。
【請求項１５】
前記フィードバックは外部格子を利用することによって付与され、前記外部格子は、前記外部格子に入射する波長の一部がコヒーレント光源にフィードバックされるように、コヒーレント光源の出力ビームに対してある角度で配置されていることを特徴とする請求項１３記載の読取ヘッド。
【請求項１６】
前記スペックル強度パターンは、システムウォームアップ期間の完了を監視し、ウォームアップが完了した時に指示を付与することによって安定化されることを特徴とする請求項１２記載の読取ヘッド。
【請求項１７】
光学的拡散表面に法線入射照明を付与することをさらに含むことを特徴とする請求項１２記載の読取ヘッド。
【請求項１８】
前記読取ヘッドが光学的拡散表面に対して固定の変位位置に保持されている時に、読取ヘッドは、読取ヘッドの初期ターンオンから１時間以内に始まり少なくとも１２時間の動作期間にわたり継続して、それらの平均値に対して±５０ナノメートルを超えて変化しない変位値を付与するように動作可能であることを特徴とする請求項１２記載の読取ヘッド。
【請求項１９】
請求項１６記載の読取ヘッドのウォームアップ期間の監視方法であって、
前記読取ヘッドを固定位置にマウントするステップと、
第１の像をキャプチャし、それをメモリに保存するステップと、
前記第１の像から一定時間に第２の像をキャプチャするステップと、
前記第１および第２の像の間の相関を計算するステップと、
前記相関がしきい値に達したら、システムが使用の準備ができているという指標をユーザに付与するステップとを有することを特徴とする監視方法。
【請求項２０】
前記指標は前記読取ヘッド上の光を含むことを特徴とする請求項１９記載の監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位センサ、より詳細には、スペックルに基づく像相関変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の既知の装置は、変形および／または変位を決定するためにスペックル像およびスペックル像間の相関を使用する。スペックル像は、光学的に粗い表面を光源で照明することによって生成される。一般に、光源は、コヒーレント光源であり、より詳しくは、レーザ、レーザダイオードなどといったレーザ発生光源である。光学的に粗い表面が光源によって照明された後、光学的に粗い表面から散乱した光は、電荷結合素子（ＣＣＤ）といった光学センサ、ＣＭＯＳイメージセンサアレイといった半導体イメージセンサアレイなどに結像される。
【０００３】
光学的に粗い表面の変位または変形の前に、第１のスペックル像がキャプチャされ保存される。続いて、光学的に粗い表面の変形または変位の後、第２のスペックル像がキャプチャされ保存される。先行および後続のスペックル像はその後、ピクセル単位ベースで比較される。詳細には、複数の比較が実行される。個々の比較において、先行および後続のスペックル像は互いに対してオフセットされ、オフセットの量は、個々の比較間で、１つの画像要素またはピクセルずつ増やされる。個々の比較において、先行像の特定のピクセルの画像値は、（オフセットの量に基づいて）対応する後続画像ピクセルを乗ぜられるか、またはそれらから減じられ、その結果は全部のピクセルについて累積されて相関値を決定する。後続および先行の像間で最良の相関値を有するオフセットは、相関値の集合がオフセットに対してプロットされた時に、ピークまたはトラフを生成するはずである。
【０００４】
例えば、特許文献１は、マウスの２次元の動き方向を決定するためにスペックル像相関を使用するマウスを開示している。しかし、特許文献１では、スペックル像相関は高速度で実行される必要がなく、精度はミリメートルのレンジであればよいにすぎない。
【０００５】
特許文献２は、スペックル像相関を用いて物体の変形を測定するためのシステムおよび方法を開示している。詳細には、特許文献２は、２つのスペックル像を比較するための、そして現在の参照スペックル像を新しい参照スペックル像で更新するべき時を決定するための種々の従来方法を詳細に記載している。同様に、１９９６年１０月に公開された特許文献３はスペックル像に基づく変位ゲージにおける累積誤差を回避するための付加的な方法を開示している。
【０００６】
１９９３年３月に公開された特許文献４は、スリットプレートにおいて矩形または楕円形のスリットを使用するスペックル像に基づく変位計を開示している。レーザ光源からの光ビームは、それが光学的に粗い表面を照明する前に、スリットを通過する。従って、光ビームはスリットによって整形される。整形された光ビームは、主変位方向に対して垂直方向の変位成分が測定値に影響を及ぼさないようにしつつ、主変位方向の変位量を高感度で測定できるようにする。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４７９４３８４号明細書
【特許文献２】米国特許第４９６７０９３号明細書
【特許文献３】特開平８−２７１２３１号
【特許文献４】特開平５−５２５１７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、スペックルに基づく像相関変位センサの精度を改善するためのシステムおよび方法を提供することを目的とする。ここに開示されたシステムおよび方法は、システム測定分解能および精度がミクロン以下のレベルに達した時に重大になる、これまで無視または認識されていなかったスペックルに基づく像相関変位センサの誤差を低減または排除するために特に有用である。ここに開示されたシステムおよび方法は、種々のスペックルに基づく像相関変位センシングシステムにおいて、１００ナノメートル、１０ナノメートル、さらには１ナノメートル以下さえものオーダで有意な測定分解能および／または精度を付与するために特に有用である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る第１の読み取りヘッドは、コヒーレント放射で照明された時にスペックルを生じる表面を有する部材に対して少なくとも第１の測定軸に沿って相対変位測定値を決定するために使用されるスペックルパターン像を付与するスペックル像相関光学変位センシングの読取ヘッドであって、相対変位に依存した前記表面の一部を照射して照明された部分に対応するスペックルパターンを生じさせる光ビームを放出するコヒーレント光源と、前記スペックルパターンの像を受光するために読取ヘッドの光路に沿って配置された像検出器と、コヒーレント光源の波長を安定化させることにより、少なくとも第１の測定軸に沿った相対変位以外の潜在的原因によるスペックルパターンの潜在的変化に関して相対変位測定値を決定するために使用されるスペックルパターン像を安定化させる安定化要素とを備えることを特徴とする。  
【００１０】
本発明に係る第２の読み取りヘッドは、光学的拡散表面を有する部材に対して少なくとも第１の測定軸に沿って相対変位を測定するように動作可能であり、光学的拡散表面の一部を照明する光ビームを放出するコヒーレント光源と、伝送された光を受光するために読取ヘッドの光路に沿って配置された像検出器とを含み、照明された部分は相対変位に依存しており照明された部分に対応する散乱光を生じ、伝送された光は光学的拡散表面の照明された部分に対応する強度パターンを像検出器上で生成し、強度パターンは複数のスペックルよりなるスペックル像相関光学位置トランスデューサの読取ヘッドにおいて、像ランダム性に起因する関数ノイズに対する相関関数ピーク値の低下を回避するために、コヒーレント光源の波長を安定化させることによって、強度パターン内での個別のスペックルの変調を低減するようにスペックル強度パターンを安定化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一つの態様によれば、スペックル強度パターンは、像ランダム性に起因する相関関数ノイズ値に向けて収束する相関関数ピーク値を回避するために、変位以外の原因による強度パターン内での個別のスペックルの変調を低減するように安定化される。言い換えると、システムは、動きがない状態でスペックル像が経時的に著しく変化しないことを保証することによって高精度を有するようにされる。これは、スペックルに基づく像相関変位センサが、（メモリに保存された）参照像と現在像との間の相関を計算することによって動作するので、重要である。変位は、サブピクセル精度で相関値曲線のピークを求めるために補間を使用することによって決定され、最高の精度が得られるようにするために、像は、所望の変位誘起効果を除き安定していなければならない。より詳細には、後述する特定の源泉および／または形式の像不安定性について、像内の異なるスペックルの変調位相はランダムである傾向がある。言い換えると、像全体が強度に関して変調するのではなく、むしろ、像の種々の部分（すなわち、個別のスペックル）が、他の部分とランダムな位相関係で変調する。この種の不安定性の影響は、ノイズ（電子的ノイズでなく、相関曲線のピーク（またはトラフ）から離れたオフセット値で公称上非ゼロの「背景」相関値を生じる像ランダム性に起因する固有の相関関数ノイズ）に対する、相関関数ピーク値を低下させる、すなわち、ピーク高さを低減することである。これは転じて、相関「信号」の信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を本質的に低下させ、システム精度および繰返し性の低減を生じるであろう。それゆえ、この種の像不安定性を低減または排除することによって、システムの精度および繰返し性は改善され得る。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、スペックル像は、変位センサシステムのコヒーレント光源の波長変化を低減または補償することによって安定化される。ここで使用される用語「光」は、放射のあらゆる作用可能な可視または不可視の波長を意味する。一実施形態において、コヒーレント光源は、レーザダイオードである。波長変化は、像の「ドリフト」またはスペックルの空間位相変調を生じる傾向があるので、従って、波長変化を低減または補償することが像を安定化させる。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、スペックル像および結果として得られる測定精度は、スペックル生成表面を、光学変位センサの光学系の焦点面の近くに位置づけるか、またはそれと合致させることによって、波長変化に対して安定化される。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、少なくとも１つの測定軸方向に関して、スペックル像および結果として得られる測定精度は、少なくとも１つの測定軸方向と少なくとも７０°の角度をなす方向に沿ってスペックル生成表面を照明することによって波長変化に対して安定化される。
【００１５】
本発明のさらなる態様によれば、スペックル像および結果として得られる測定精度は、少なくとも１つの測定軸方向と直交する方向に沿ってスペックル生成表面を照明することによって波長変化に対して安定化される。
【００１６】
本発明のさらなる態様によれば、スペックル像および結果として得られる測定精度は、スペックル生成表面に垂直である方向に沿ってスペックル生成表面を照明することによって波長変化に対して安定化される。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、熱電冷却器が、コヒーレント光源の温度および、それゆえ波長を安定化させるために利用され得る。コヒーレント光源における温度変動は、場合によって、システムのターンオンおよびウォームアップ中か、またはシステムが定常状態に達した後の周囲温度変動によるかのどちらかで生じ得る。従って、コヒーレント光源の温度を安定化させるために熱電冷却器を利用することによって、波長ドリフトは低減され得る。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、コヒーレント光源の波長は、波長を測定しフィードバックを付与することによって安定化され得る。言い換えると、波長が測定されて、その波長を所望の波長と比較することから生じる誤差信号がコヒーレント光源システムにフィードバックされると、波長は、誤差信号のフィードバックに従って温度または電流を変化させることによって制御され得る。１実施形態において、温度を変えることは、やはりパワーにも望ましくない変化を生じ得る、電流を変えることよりも好ましいかもしれない。
【００１９】
本発明の別の態様によれば、コヒーレント光源のパワーおよび／または照明強度が安定化される。
【００２０】
本発明の別の態様によれば、波長は外部格子からの光学フィードバックを用いて安定化され得る。格子は放出光ビームに対してある角度に配置され得て、格子に入射する波長の一部がコヒーレント光源システムにフィードバックされ得る。格子は、格子ピッチおよび格子角度によって決定される好適に規定された波長をフィードバックしてその波長でレーザを安定化させる。
【００２１】
本発明の別の態様によれば、システムが安定して使用の準備ができた時を指示するために指標が提示され得る。言い換えると、システムがウォームアップしている間、読取ヘッド（およびコヒーレント光源の）内部の温度変動が相対的に大きいということに起因して、像不安定性が起きる。従って、ウォームアッププロセスが定常状態でほぼ完了に達した時を合図するために指示が付与され得て、それにより潜在的に不安定な像の使用を抑止する。
【００２２】
本発明の別の態様によれば、ウォームアッププロセスは、指定された時間間隔にわたって取得された像を比較することによって監視され得る。１実施形態において、プロセスは、読取ヘッドを固定位置に保持しシステムをオンにすることによって始まる。その後、第１の像がキャプチャされて、ある時間間隔の後に第２の像がキャプチャされる。像は相関を決定するために比較され、プロセスは必要に応じて繰り返される。連続する像間の相関が十分に高くかつ／または安定している場合、システムはウォームアッププロセスを完了したと判断され、指標または信号がユーザまたはホストシステムに付与されて（例えば、読取ヘッドの光が緑になる、または信号がホストシステムに出力される）、システムが安定し使用の準備ができていることを指示する。
【００２３】
本発明の別の態様によれば、スペックルに基づく像相関変位センサは、スペックルを結像するための光軸が、スペックルを生じる表面および変位測定軸に対して公称上垂直であるように設計および／または装着される。
【００２４】
本発明の別の態様によれば、スペックルに基づく像相関変位センサの安定化要素は、読取ヘッドの焦点面がスペックルを生じる表面の適切に近くにある時に信号を供給するマウンティング位置高さ監視システムを含む。
【００２５】
本発明のさらなる態様によれば、マウンティング位置高さが反復的に変更される時、マウンティング位置高さ監視システムは、参照像と現在像との間で変位値を反復的に決定するように動作可能であり、参照像および現在像は、測定軸に沿って表面に対する読取ヘッドの変位を固定して保持しながら取得され、マウンティング位置高さ監視システムは、変位値の１つ以上に基づき読取ヘッドの焦点面が表面の適切に近くにある時を決定する。
【００２６】
本発明の別の態様によれば、スペックルに基づく像相関変位センサがスペックルを生じるスケール表面に対して固定の変位位置に保持されている時に、読取ヘッドは、読取ヘッドの初期ターンオンから約１時間以内に始まり少なくとも１２時間の動作期間に継続して、それらの平均値に対して±５０ナノメートルを超えて変化しない変位値を付与するように動作可能である。
【００２７】
本発明の別の態様によれば、コヒーレント光源はＶＣＳＥＬ型レーザダイオードも可能である。
【００２８】
本発明の別の態様によれば、少なくとも１２時間の動作期間は、読取ヘッドの初期ターンオンから約３０分以内に始まる。
【００２９】
本発明の別の態様によれば、少なくとも１２時間の動作期間は、読取ヘッドの初期ターンオンから約１０分以内に始まる。
【００３０】
本発明の別の態様によれば、変位値はそれらの平均値に対して±２５ナノメートルを超えて変化しない。
【００３１】
本発明の別の態様によれば、変位値はそれらの平均値に対して±１０ナノメートルを超えて変化しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。
【００３３】
図１は、２次元（以下、「２Ｄ」と呼ぶ）変位測定値を生成するための本発明の一実施形態に係る光学変位センサ１００であって、本発明に従って、光学的拡散表面または光学的に粗い表面に使用可能な２Ｄ光学変位センサ１００の概略的なブロック図である。図１に示された２Ｄ光学変位センサ１００は、読取ヘッド１２６、信号生成・処理回路２００および２Ｄスケール１１０を含む。２Ｄスケール１１０は、光学的拡散表面または光学的に粗い表面３００を含み、これは２Ｄスケール１１０と一体であるか、および／または区別できないか、または付加もしくは処理された表面とすることができる。図１には、読取ヘッド１２６の構成要素および、２Ｄスケール１１０および表面３００に対するそれらの関係が、以下でさらに述べる通り、例示的な物理的構成に概ね対応する配置で図式的に示されている。
【００３４】
図３に関して以下でさらに詳述するように、光学的拡散表面または光学的に粗い表面３００は、表面３００を照明するために使用された光を回析するか、または別様に散乱させる。従って、表面３００が照明され、カメラ、電子式またはディジタルカメラ、ＣＣＤアレイ、ＣＭＯＳ光電性素子のアレイなどといった光検出デバイスに向けて光を散乱させた時、散乱光は、光学的拡散表面または光学的に粗い表面３００が、回析された光波に、像面上の各場所でのそれらの相対位相に依存して光検出デバイスの像面において強め又は弱め合って重なり合うかまたは干渉するようにさせる領域を有する。その結果、図３に例示されたように、光検出デバイスによってキャプチャされた像は、回析された光波が強めあい重なりあっている相対的に明るい点またはスペックル、および回析された光が弱めあい重なりあっている相対的に暗い点によるパターン３００Ａを含む。
【００３５】
光検出デバイスによってキャプチャされた像は、光検出デバイスによってキャプチャされる光を散乱させる表面３００の部分と光路の特性とに主に依存する強度パターン３００Ａを有する。詳細には、表面３００のいずれかの特定の照明された部分によって生成される強度パターン３００Ａは、光学的拡散表面または光学的に粗い表面３００のその特定の部分の特定の表面構造に一致する、対応する特定のランダム構造化パターンである。詳細には、光学的拡散表面または光学的に粗い表面３００は、所定のまたは規則的なパターンで規定または意図的にパターン化される必要はない。従って、表面３００のいずれかの特定の照明部分に対応する特定の強度パターンは、所定のまたは構造化パターンを表面３００に配置することに依存しない。それどころか、表面３００は、作用可能な光学的拡散表面または光学的に粗い表面の特性を有していればよい。そのようなシステムの動作のための種々の設計態様および方法は、米国特許第６６４２５０６号ならびに、米国特許出願第０９／９２１８８９号、第０９／８６０６３６号、第０９／９８７１６２号および第０９／９２１７１１号にさらに詳述されている。
【００３６】
図１に戻って、スペックル読取ヘッド１２６は、光学的に粗い表面３００に向けて光ビーム１３４を出力する光源１３０を備える。この表面３００から散乱された光がスペックルを生じる。散乱光は、像検出器上に結像され、像はキャプチャされ保存される。その後、第２の像がキャプチャされ保存される。２つの像は、変位方向に異なるオフセットでの相関によって繰り返し比較される。最も高い相関値（単数または複数）を有する比較（単数または複数）が、２つの像を取得する間に生じた読取ヘッド１２６と表面３００との間の変位の量を決定するために使用され得る。
【００３７】
動作時、スケール１１０の表面３００は、読取ヘッド１２６の照明・受光端に隣接して位置決めされ、それにより、表面３００が光源１３０によって読取ヘッド１２６のその端から放出された光ビーム１３４によって照明された時に、放出された光ビーム１３４は、読取ヘッド１２６のその端に配置された受像光学素子１６２に向けて表面３００の照明された変位依存部分によって反射される。２Ｄスケール１１０の表面３００は、光源１３０および読取ヘッド１２６に収容された光学系から概ね安定した距離に位置決めされる。２Ｄスケール１１０の表面３００は、図１に示されたように、第１の測定軸方向１１１および第２の測定軸方向１１２といった、２つの相対的動きの軸に沿って読取ヘッド１２６に対して移動する。
【００３８】
第１および第２の測定軸１１１および１１２と直交する第３の次元での相対的動きは、読取ヘッド１２６と表面３００との間の適正な相対距離または間隙を維持するために、例えば、フレームに装着された従来のガイドウェイまたはベアリング（図示せず）によるなどして、一般に抑制される。読取ヘッド１２６は、読取ヘッド１２６をマウンティングするのを助け、読取ヘッド１２６の内部構成要素をマウンティングフレームおよび／または相対的動きの予想軸１１１および１１２に対して位置合わせするアラインメント機能（図示せず）を備え得る。
【００３９】
図１に示されたように、読取ヘッド１２６の光学系は、レンズ１４０の光軸１４４が表面３００の照明領域と概ねアラインメントされるように読取ヘッドアセンブリ１０６の照明・受光端に配置されたレンズ１４０を含む。図１に示された例示的な実施形態において、読取ヘッド１２６はさらに、レンズ１４０の焦点距離ｆに合致する距離だけ光軸１４４に沿ってレンズ１４０から離間された開口１５２を備えるピンホールアパーチュアプレート１５０と、図１に図式的に示されたように、光路に沿ってアパーチュアプレート１５０から離間された受像光学素子１６２のアレイ１６６を有する光検出器１６０とを含む。そうしたテレセントリック構成が、光学系の倍率を、レンズ１４０から表面３００までの物体距離ｇからほぼ独立にしている。
【００４０】
種々の実施形態において、物体距離ｇが、例えば正確なベアリングなどによるなどして、十分に好適に制御される場合、アパーチュアプレート１５０は省略され得る。光検出器１６０は、カメラ、電子式またはディジタルカメラ、ＣＣＤアレイ、ＣＭＯＳ光電性素子のアレイなどといった独立した個別の光電性素子の２次元アレイに編成され得るあらゆる既知または新開発の形式の光電性材料またはデバイスを含み得る。
【００４１】
２Ｄスケール１１０の表面３００および、レンズ１４０、アパーチュアプレート１５０および光検出器１６０の結像平面を含む読取ヘッド１２６の例示的な離間および位置決めは、以下でさらに説明する。読取ヘッド１２６のハウジングにおける光源１３０、レンズ１４０、アパーチュアプレート１５０および光検出器１６０の装着は、構成要素が相対的に精確かつ安定した態様で装着される限り、ミニチュア光学系の製作および／または産業カメラの製作の従来方法に従って行われ得る。読取ヘッド１２６がスケール１１０の表面３００に隣接して適切に位置決めされると、光検出器１６０によってキャプチャされた個々の像は、表面３００の対応する特定の２次元部分から生じる特定のスペックル像を含むであろう。
【００４２】
加えて、読取ヘッド１２６は、信号生成・処理回路２００の少なくとも一部を含む。図１に示されたように、信号生成・処理回路２００からの信号線１３２は、光源１３０を制御および／または駆動するために光源１３０と接続されている。信号線１６４は、光検出器１６０および信号生成・処理回路２００を接続している。詳細には、アレイ１６６の撮像素子１６２の各々は、その撮像素子１６２における光の強度を表す値を信号線１６４によって信号生成・処理回路２００に出力するために個別にアドレス指定され得る。信号生成・処理回路２００の付加的部分は読取ヘッド１２６から遠隔に配置され得て、読取ヘッド１２６の機能は遠隔で操作および表示され得る。
【００４３】
図１に示されたように、光ビーム１３４は光源１３０によって放出され、表面３００の一部を照明するように方向づけられる。その結果、表面３００の照明された部分は、光軸１４４に関して作用可能な反射光ビーム１３６を反射し、反射光ビーム１３６の特定の構造は表面３００の照明部分の特定の構造に依存している。
【００４４】
図２Ａおよび２Ｂはそれぞれ、図１に示された２Ｄ光学変位センサ１００の１つの例示的な実施形態である、光学変位センサ１００’の端面図および側面図である。図２Ａおよび２Ｂに示されたように、読取ヘッド１２６’において、光源１３０はレーザダイオードである。光源１３０からの光ビーム１３４は、表面３００によって反射される。作用可能な反射光ビーム１３６は、光軸１４４に沿ってレンズ１４０を通過し、光１４２としてピンホールアパーチュアプレート１５０の開口１５２に投射されて第１のミラー１５８に到達する。光１４２のビームは、第１のミラー１５８によって第２のミラー１５９へ反射される。光１４２のビームはさらに、第２のミラー１５９によって検出器１６０の結像表面上へ反射される。図２Ａおよび２Ｂには光ビーム１３４、反射光ビーム１３６および光１４２のビームの中心軸だけが図示されていることを理解しなければならない。一般に、光ビーム１３４および反射光ビーム１３６は、開口１５２よりも大きいビーム径を有しており、つまり、開口１５２は光学系の限界開口である。
【００４５】
種々の例示的な実施形態において、光ビーム１３４と作用可能な反射光ビーム１３６の光軸とは、表面３００に垂直な平面において互いに対して極めて粗略で４５°の角度にある。特に、読取ヘッド１２６’の光学系の光軸は、種々の例示的な実施形態において表面３００によって規定される平面に垂直である。第１および第２のミラー１５８および１５９は各々、反射光ビーム１３６の方向を９０°変える。種々の例示的な実施形態において、表面３００とレンズ１４０の実質的な平面との間の距離Ｌ２は、約５．５ｍｍである。レンズ１４０と開口１５２との間の距離Ｌ３は約４．５ｍｍである。第１のミラー１５８と開口１５２との間の距離Ｌ１は約４．１ｍｍである。第１および第２のミラー１５８および１５９間の距離Ｌ４は、約２３．７ｍｍである。第２のミラー１５９と検出器１６０との間の距離Ｌ５は約５．３ｍｍである。しかし、一般に、本発明の特定の態様は、照明、光軸、ミラー角度および種々の次元に他の角度を使用する読取ヘッドによっても使用可能である。
【００４６】
図３は、本発明によるスペックル像相関光学変位センサを用いて形成されたスペックルパターン３００Ａを例示している。上述の通り、スペックルパターン３００Ａのような像は、コヒーレント光が表面３００を照明した時に形成される。従って、表面３００に隣接して位置づけられた光検出デバイスによってキャプチャされた像は、スペックルパターン３００Ａのような像を含むであろう。第１の、または参照スペックルパターン像がキャプチャされ保存された後、第２の、または後続スペックルパターン像がキャプチャされ保存される。２つの像は、用途において使用されている相対変位の軸または次元の数に応じて、１つまたは２つの変位方向に沿った異なるオフセットでの相関によって繰り返し比較される。最も高い相関値を有する比較が、２つの像を取得する間に生じた読取ヘッド１２６と表面３００との間の変位を指示する。上述の通り、このプロセスは、前記第’５０６号特許および前記引用文献においてさらに詳細に記載されている。
【００４７】
図４は、変位像および参照像を相関させることによって得られた差の絶対値（ＡＶＤ）相関関数４００のグラフであり、ここで、変位像は参照像に対して２次元で変位している。従って、図４に示されたように、相関関数４００は２次元で拡張する。２次元相関関数４００は、以下に説明される相関関数５００のような１次元相関関数に関する説明との類推によって理解されるはずであり、関連する２次元光学変位センサの測定の安定性および精度は、１次元相関関数に関して後述するシステムおよび方法を使用した時に、同様に増強され得る。
【００４８】
図５は、像が１次元に沿って種々のピクセル変位でオフセットされた時に、相関関数の差の絶対値によって第１および第２のスペックル像を比較した結果を例示しているグラフ５００である。図５に示されたように、真の連続相関関数５０５の極値は、極限相関関数値点５０４と区別できない「ピークオフセット」または「ピーク変位」で生じる。しかし、一般に、極値は、ピクセル間隔の整数倍数であるオフセットでは生じないので、従ってそれは一般に極限相関関数値点と合致しない。従って、ピークオフセットまたは変位は、相関関数値点間で連続相関関数のピークの位置を推定または「補間」することによって一般に求められる。参照によってここに採り入れられる、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第０９／７３１６７１号において開示されたシステムおよび方法、または他のいずれかの適格な方法が、ピーク領域５０２の近傍における相関関数値点５０１の選定された集合から、実際のピークオフセットまたはピーク変位のｘ座標値（および／またはｙ座標値）を推定するために使用され得る。直線５０７によって指示された最極限相関関数値点５０４の相関関数値は、領域５０２における相関関数値点値を正規化するためにノイズレベルの値または平均値５０６とともに使用され得て、それにより、相関関数値点５０１の集合は、例示的ないくつかの実施形態において、正規化された値域に従って選定され得る。実際の、または真のピークオフセットまたはピーク変位のｘ座標値（またはｙ座標値）は、Ｒ軸に平行に延びており真の連続相関関数５０５の極値である点に合致する直線５０３によって指示されている。真の連続相関関数５０５がピーク領域５０２において対称であると仮定すれば、直線５０３は対称軸であり、直線５０３上の任意の点は、例えば第’６７１号出願に開示された方法によって、サブピクセル精度で求められ得る真の連続相関関数５０５のピークオフセットまたはピーク変位のｘ座標値（またはｙ座標値）を指示する。このサブピクセル精度は種々の用途において１０ｎｍ以下のオーダの精度および／または分解能に対応し得ることを理解しなければならない。ここに開示された洗練されたシステムおよび方法は、所要の超安定スペックル像および高い相関品質を提供することによって、そのような高いレベルの精度および／または分解能を実現するために有用である。より一般的には、以前に概説した相関技法、またはいずれかの他の現在既知であるか新開発の相関技法、パターンマッチング技法、テンプレートマッチング技法などが、ここに開示された像安定化システムおよび方法によって増強される高精度の１Ｄまたは２Ｄ変位測定を提供するために使用され得る。
【００４９】
用語「相関品質（ＣＱ）」は、ここにおいて、一般的意味および特定の意味の両方において使用される。いずれにせよ、用語「相関品質（ＣＱ）」は、相関形光学変位センサに関する有効信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比に類似である。一般的意味において、ＣＱは一般に、相関ピーク領域が相対的により狭く、そのピーク値が相対的により極端である、すなわち、相関関数のノイズレベルまたは平均値に比べて値がより低い（または、使用される相関関数に応じてより高い）時に、より高くなる。ＣＱが高い場合、相関形変位測定の有意な分解能および精度は一般に、より優れている。図６は、その用語がここでの特定の意味で使用されている場合の相関品質の定義を例示するグラフ６００である。図６に関して、ＣＱは以下の式によってＡＶＤ相関関数について定義される。
【００５０】
【数１】
2006030196.tif 000003
【００５１】
種々の図に示されここに記載された量的ＣＱ値について、ｒａｖｇは、最極限相関点のうちの５つの集合の値、ｒ１〜ｒ５を平均化することによって定義され、ｒｅｘｔｒｅｍｅはその集合における最極限値の値である。これは、ＡＶＤ相関関数のトラフの相対的深さの測度を付与する。ＣＱは０ないし１の範囲である。１に近いＣＱ値が、より良好または低いＡＶＤトラフ（最良または最も鋭いピーク）を表し、ＣＱ＝０は、トラフがない（すなわち相関ピークがない）ことを示す。２Ｄ相関ピークのための類似の測度には、２５の最極限相関点の集合が使用され得る。
【００５２】
ＣＱは一般に、「ノイズ因子」すなわち変位以外の因子が、１対の相関像間での変化を引き起こした時には、低くなる。スペックル像相関変位センサの１つの重要なノイズ因子は、照明源の波長変化または波長「ドリフト」である。そのような波長変化またはドリフトの１つの原因は、照明源の温度変化またはドリフトである。
【００５３】
図７は、典型的な半導体レーザに関するレージング波長対ケース温度のプロットを例示しているグラフ７００である。グラフは、−１０℃のケース温度および約６６７ｎｍの対応するレージング波長に始まり、全体として増加し、５０℃のケース温度および約６７９ｎｍの対応するレージング波長にまで上昇することが示されている。グラフは、１℃当たりほぼ１つの「モードホップ」を含み、約０．２ｎｍの波長シフトが個々のモードホップ中に生起する。そうした温度起因の波長シフトおよびモードホップは、以下でさらに説明する通り、ＣＱの低減および関連する測定誤差の増大を引き起こす。
【００５４】
波長変化またはドリフトにより減少するＣＱの１つの原因は、レーザ波長が変化した時に、（検出器アレイによって像面上で観察される）所与のスペックルの強度が、波長により周期的に変調する傾向があるということである。例えば、単純化した２レベルの粗さプロフィールを用いて表面をモデル化すれば、変調は正弦曲線を描くであろう。以下の一般式は、照明および光軸の両方が表面に垂直である時に、所与のスペックルの強度が波長によりどのように変調するかを例示している。なお、高さの差分Δｚを備える単純な２レベル系に関する。
【００５５】
【数２】
2006030196.tif 000004
【００５６】
一般に、平均の粗さ高さがΔｚである場合、スペックル強度は、波長λがδλ＝λ（λ／Δｚ）だけ変化した時、完全な強度サイクルを受けるであろう。１０μｍの表面粗さおよびλ＝６００ｎｍの場合、完全な強度サイクルに対応するλの部分変化は、６％である。このように、照明源波長の相対的に小さい変化がスペックル強度パターンの著しい変化を生じ得ることを理解しなければならない。
【００５７】
典型的な一般的粗さプロフィールの場合、変調は非常に複雑である。より現実的な粗さプロフィールの場合、スペックル強度はほぼ以下のように変化するはずである。
【００５８】
【数３】
2006030196.tif 000005
【００５９】
式中、和ｉは、その所与のスペックルの強度に寄与する物体の個々の「ｉ番目の」粗さ領域の特徴からの有効なスペックル光の寄与に及ぶ。Ａｉ（０＜Ａｉ＜１）は、高さの差分Δｚｉを有する個々の粗さ領域の特徴の相対的寄与を記述するパラメータである。
【００６０】
特定の波長変化によるスペックル変調の量はまた、表面に対する照明角度にも依存する。以下は、照明軸が表面に垂直でない（しかし光軸は垂直である）時に、所与のスペックルの強度が波長によりどのように変化するかを示す一般的な近似式である。ここで、θは照明ビームと表面法線との間の角度であり、ｒはスペックルセルの半径である。
【００６１】
【数４】
2006030196.tif 000006
【００６２】
ｒ＊ｓｉｎθが実質的に非垂直の入射角についてλより著しく大きいので、強度変化は一般に、より大きい入射角θ時に大きくなる。従って、特定のスペックルセルに依存して、場合によってはスペックル強度変調を最小限にするために法線入射照明（ｓｉｎθ＝０）を有することが有利である。
【００６３】
像内の異なるスペックルに関する変調位相は、像全体が強度に関して変調するのではなく、むしろ、像の種々の部分（すなわち、個々のスペックル）が像の他の部分（スペックル）に対してランダムな位相で変調することから、完全にランダムであることに留意することが重要である。このように、波長変化の影響は、ノイズ（電子的ノイズではなく、ランダムな像変化に起因する相関関数ノイズ）に対して相関関数ピーク値を低下させるランダムなスペックル変調を導入することである。これは転じて、有意なシステム分解能および精度の低減を生じるであろう。
【００６４】
図８は、図２Ａおよび２Ｂに示されたものに類似の光学位置トランスデューサについてのＡＶＤ相関品質ＣＱ対波長を示す実験データを例示しているグラフ８００である。データ点の各々に使用された単一の参照像は、約７７３．７ｎｍの波長で取得された。図８に示されたように、相関品質対波長を表すデータ点８０１の集まりは、約７７３．２ｎｍの波長および対応する約０．２のＣＱから始まる。データ点８０１の集まりのＣＱ値はその後、０．９５を超える対応するＣＱ値を伴う、約７７３．７ｎｍ時の最大値まで増加することが示されている。データ点８０１の集まりのＣＱ値はその後、減少することが示され、最も右のデータ点は約７７４．２ｎｍの波長および対応する約０．２のＣＱ値を有する。このグラフは、比較像の照明波長が参照像の照明波長からほんの小量だけ異なった場合でも、相関品質が著しく減少することを例証している。最大相関品質は、参照像および現在像が同じ波長により取得された時に生じる。減少したＣＱは、より大きな測定不確実性につながり、測定精度を劣化させる。従って、できる限り高い有意な相関値および最高の変位測定精度を達成するには、例えば、図８に示されたデータに対応するシステムの場合、±０．２ｎｍの範囲内で照明波長を安定化させることが有利である。
【００６５】
照明パワーの変化による全体の像強度の低減もまた、ＣＱの低減を生じ得る。図９は、図２Ａおよび２Ｂに示されたものに類似の光学位置トランスデューサについてのＡＶＤ相関関数ＣＱ対強度低下を例示しているシミュレーションデータのグラフ９００である。グラフは、ｘ＝０ｕｍ（無変位）およびｘ＝５５ｕｍ（この場合、像フレームのほぼ半分に対応する変位）の２つの異なる変位または相関位置について図示されている。より詳細には、線９０１が、位置ｘ＝０ｕｍについてのＣＱ対強度低下を示しており、この場合、線は、０％の強度低下および約０．９７５の相関品質から始まり、約５０％の強度低下および約０．８１の相関品質に終わっている。線９０２は、位置ｘ＝５５ｕｍを表しており、０％の強度低下および約０．８６の相関品質で始まり、約５０％の強度低下および約０．８１の相関品質に終わっている。このデータは、一般的に、相対的に理想的な相関ピーク値が、照明強度またはパワー変化のために参照像および比較像の全体にわたり生じるピクセル強度差によって、急速に劣化することを示している。
【００６６】
図１０は、図９に例示された位置ｘ＝０ｕｍおよびｘ＝５５ｕｍについてのデータに対応する位置ドリフトまたは誤差対強度低下を例示しているシミュレーションデータのグラフ１０００である。図１０に示されたように、位置ｘ＝０ｕｍの場合、線１００１は０％の強度低下および０ｕｍの位置誤差から始まり、約０．０５５ｕｍの対応する位置誤差を伴う約５０％の強度低下まで増加する。位置ｘ＝５５ｕｍの場合、線１００２は０％の強度低下および０ｕｍの位置誤差から始まり、約０．０１０ｕｍの対応する位置誤差を伴う約５０％の強度低下まで増加する。ともに解釈すれば、図９および１０のデータは、ＣＱが照明パワー変動のために著しく変化した時に、相対的に大きい誤った位置ドリフトが生じることを示す。逆に言えば、ＣＱが相対的に少ない量だけ変化した時、相対的に小さい誤った位置ドリフトが生じる。従って、良好な相関値および良好な変位測定精度のためには、照明パワーまたは強度を安定化させることが有利である。例えば、図９および１０に示されたデータに対応するシステムの場合、３０％変動誤差の範囲内では約２２ｎｍ未満であり、１０％誤差の範囲内では５ｎｍ未満であり、そして誤差は、照明強度変動が１０％未満まで低減されると比例して減少し続ける。
【００６７】
照明強度またはパワー変化によるＣＱに対する上述の影響に加えて、別の影響もまた、波長変化に対する測定の感度を誘起する。この影響は、スペックルパターンの平行移動に直接つながる。この影響は、図１１に単純化された形で例示されており、図１１は２つのコヒーレント光線の成分光線１１０１および１１０２を示しており、成分光線１１０１および１１０２は、測定軸方向１１０７に平行でかつ拡散散乱表面３００’の有効平面に対し垂直である平面に平行である。成分光線１１０１および１１０２は、拡散散乱表面３００’に入射するコヒーレント波面からのものである。光線は、表面３００’への光路差ΔＤ＝２ａ・ｃｏｓαを有しており、ここで、２ａは測定軸方向１１０７に沿ったスケール表面３００’での光線間の分離であり、αは、公称照明方向と、表面３００’の平面に平行である測定軸１１０７の方向との間の角度である。入射光の波長がλ１からλ２まで変化した時、光路差ΔＤに含まれる波長の数は、次式によって与えられる量Ｎ１だけ変化させられる。
【００６８】
【数５】
2006030196.tif 000007
【００６９】
図１１に示されたように、成分光線１１０１および１１０２の平面における散乱光線１１０１’および１１０２’は、表面３００’から高さｈの点１１０４で干渉する。角度βは、散乱光線１１０１’および１１０２’の各々と、点１１０４を通り測定軸方向１１０７に垂直である散乱光線１１０１’および１１０２’の平面における直線との間の角度である。波長がλ１からλ２まで変化すると、散乱光線１１０１’および１１０２’と、点１１０４において本来見られる結果として生じるスペックル強度との間の位相関係は、点１１０６まで、表面３００’から高さｈで測定軸に平行な方向に沿って距離ｄだけ移動するであろう。従って、光線１１０２’は、おおよそｄ・ｓｉｎβである距離だけ短縮するはずであり、光線１１０１’はほぼその量だけ延長されるはずである。それゆえ、点１１０６に到着する散乱光線間の光路長差に含まれる波長の数Ｎ２は、ほぼ以下の通りである。
【００７０】
【数６】
2006030196.tif 000008
【００７１】
小さい開口数（すなわち、ａ／ｈが小さい）については、以下の通り設定できる。
【００７２】
【数７】
2006030196.tif 000009
【００７３】
そして、Ｎ１およびＮ２を等しいと設定することによって、表面３００’から高さｈで測定軸に平行なスペックルドリフトまたは変位の量ｄは、以下の通りに得られる。
【００７４】
【数８】
2006030196.tif 000010
【００７５】
数８によれば、照明方向が測定軸方向に垂直ではなく、そしてスペックル結像平面、すなわち読取ヘッドの焦点面が、表面３００’の上方に非ゼロの高さｈに位置づけられた場合、波長変化が、相関像内でのスペックル位置の変化またはドリフトにつながり、測定軸方向に沿って変位測定誤差を生じることを理解しなければならない。
【００７６】
図１２は、１℃当たり約０．１６ｎｍの波長の温度に対する感度を有するレーザダイオード照明源および、図２Ａおよび２Ｂに示されたものに類似の光学位置トランスデューサ機器構成についての、位置ドリフトまたは誤差対照明源温度を例示しているグラフ１２００である。温度値は、約１８℃から約２５℃まで、約７℃にわたっている。対応する照明波長は約１．１ｎｍにわたり、１８℃時の約６５２．８ｎｍから２５℃時の約６５３．９ｎｍまで増加している。この場合、読取ヘッドは光学的拡散表面または光学的に粗い表面に対し固定して保持されており、それゆえ、レーザ温度および温度に依存する波長だけが変化させられる。２２℃の基準温度を仮定すれば、グラフ１２００は、スケール表面に垂直かつ測定軸に平行な平面において、照明方向と測定軸方向との間の角度αの２つの異なる値についての誤差結果を示している。グラフ１２００に示されたデータについてのｈの実効値は、約０．５ｍｍである。ｙ軸は、２２℃でのスペックル位置からナノメートル単位での横方向スペックル変位の量を示している。
【００７７】
線１２０１は、α＝９０°に対応するデータ点の集合を結んでいる。このデータは式８に合致しており、α＝９０°、すなわちｃｏｓα＝０の場合、温度および波長変動の全範囲に関係する位置誤差の変動が約１００ｎｍ未満であることを示している。さらに、位置誤差は、変化する温度または波長に対しいかなる一貫した関係も示しておらず、それがそれらの因子に著しく鈍感であることを示している。対照的に、α＝４５°、すなわちｃｏｓα＝．７０７に対応するデータ点の集合を結んでいる線１２０２は、変化する温度または波長に対し一貫した関係を示しており、それが、式８に合致して、それらの因子に敏感であることを示している。温度および波長変動の全範囲に関係する位置誤差の変動は約４４０ｎｍであり、それは、式８に具体化された単純なモデルによって予測される変動の２５％以内に概ね合致している。
【００７８】
このように、温度誘起による波長変化に関連した位置誤差は、α＝９０°の照明角度を付与する読取ヘッド機器構成によって、すなわち、スケール表面が測定軸に垂直な平面に沿って照明された場合、最小限にされるか、または排除される。さらに、照明がスケール表面に垂直な方向にも沿っていれば、特に有利である。これは、２Ｄ測定値システムの両方の軸について状態α＝９０°を満たす、または１Ｄシステムにおける読取ヘッドのヨーミスアラインメントにかかわらず所望の状態を維持する。しかし、設計の制約がα＝９０°の照明角度を許さない場合、照明角度αは、設計の制約が許す限り大きくすることがやはり有益であることを理解しなければならない。例えば、α＝４５°と比較して、照明角度αが少なくともα＝７０°まで増大された場合、式８に従って、波長変化に関連したスペックルドリフト誤差はほぼ半減されるはずである。従って、α＝９０°の照明角度が実現できなければ、例えば、波長関連誤差低減の強力な方策を提供するためにα＝７０°の照明角度が使用され得る。
【００７９】
図１３は、１℃当たり約０．１３ｎｍの波長の温度に対する感度を有するレーザダイオード照明源および、図２Ａおよび２Ｂに示されたものに類似の光学位置トランスデューサ機器構成についての、位置ドリフトまたは誤差対照明源温度を例示しているグラフ１３００である。温度値は、約１９℃から約２６℃まで、約７℃にわたっている。対応する照明波長は約１．１ｎｍにわたり、１９℃時の約６５３．４ｎｍから２６℃時の約６５４．３ｎｍまで増加している。この場合、照明角度は、スケール表面に垂直かつ測定軸に平行な平面において、照明方向と測定軸方向との間でほぼα＝３７．５°に固定されている。読取ヘッドは光学的拡散表面または光学的に粗い表面に対し固定して保持されており、それゆえ、レーザ温度および温度に依存する波長だけが変化させられる。２２℃の基準温度を仮定すれば、グラフ１３００は、結像されたスペックルと、スペックルを生じる光学的に粗いまたは拡散する表面との間の高さｈの４つの異なる値についての誤差結果を示している。
【００８０】
高さｈは、結像されたスペックルの公称平面である読取ヘッド光学系焦点面と、光学的拡散表面との間の距離であることを理解しなければならない。言い換えれば、高さｈは、焦点面からの光学的拡散表面の距離と同じである。従って、例えば、その光学系が光学的に粗いまたは拡散する表面でほぼ合焦されるように読取ヘッドが動作上位置決めされた時、有効高さｈはほぼ０である。
【００８１】
線１３０１は、ｈ＝０．０ｍｍに対応するデータ点の集合を結んでおり、すなわち、読取ヘッドと光学的拡散表面との間の間隙は、光学的拡散表面が読取ヘッドの焦点面と合致するように設定されている。このデータは式８に合致しており、ｈ＝０．０ｍｍの場合、温度および波長変動の全範囲に関係する位置誤差の変動が、ｈについての試験値の最も小さい変動である約７５ｎｍ未満であることを示しており、さらに、位置誤差は、変化する温度または波長に対し相対的に鈍感であるように見える。
【００８２】
対照的に、ｈ＝＋０．５ｍｍに対応するデータ点の集合を結んでいる線１３０２は、変化する温度または波長に対し一貫した関係を示しており、それが式８に合致してこれらの因子に敏感であることを示している。温度および波長変動の全範囲に関係する位置誤差の変動は、約３００ｎｍである。
【００８３】
同様に、ｈ＝＋１．０ｍｍに対応するデータ点の集合を結んでいる線１３０３は、線１３０２よりも変化する温度または波長に対するいっそう大きな感度を示しており、式８に示されたｈとの比例にほぼ合致して、線１３０２との感度の比較において概ね倍である。約４℃の温度範囲および関係する波長変動についての位置誤差の変動は、ほぼ約５２０ｎｍである。
【００８４】
さらに、ｈ＝−０．５ｍｍに対応するデータ点の集合を結んでいる線１３０４は、式８によって示される通り、ｈの正の値に関係する感度と比較して符号が逆である変化する温度または波長に対し一貫した関係を示している。温度および波長変動の全範囲に関係する位置誤差の変動は、約６００ｎｍである。この感度は、同じ大きさｈであるが逆符号に対応する線１３０２によって示された感度とは逆符号であり、かつそれよりも強い。逆符号を有する感度は、式８に合致しているが、式８の導出に使用された単純なモデルは、ｈの負の値を明確には考慮しておらず、観察されたより大きい感度を明らかにしない。しかし、観察された挙動に依拠すれば、読取ヘッドの焦点面の上方に所与の距離で光学的拡散表面を配置するマウンティングまたはアラインメントは、読取ヘッドの焦点面の内側にその同じ距離で光学的拡散表面を配置するマウンティングまたはアラインメントよりも少ない波長の感度を生じることが暗示される。従って、高さｈの著しく静的または動的な変動が予想される一部の用途では、潜在的な全システム誤差を最小限にするために、読取ヘッドの焦点面の若干上方に光学的拡散表面を位置づける公称マウンティング位置を指定するか、または実現するように試みて、公称マウンティング位置からの正および負の偏りによるそれぞれの誤差を均衡させることが有利となり得る。しかし、一般に、式８および図１３に示された結果は、読取ヘッドの焦点面に光学的拡散表面を位置づけるマウンティング位置が、波長変動による測定誤差を公称上排除することを示している。従って、そのような公称マウンティング位置が大部分の用途において好ましい。当然ながら、前述の通り測定軸に直交する、かつ／または光学的拡散表面に垂直である照明角度を、読取ヘッドの焦点面に光学的拡散表面を公称上位置づけるマウンティング位置と組み合わせることは、波長変化による誤差をよりいっそう確固として最小限にする光学変位センサを生み出すはずである。
【００８５】
これまで開示された原理および設計ならびに動作データの利益を、種々の市販の構成要素とともに有し、また以下でさらに開示される方法の利益を有することにより、スペックルを生じる光学的拡散スケール表面に対して読取ヘッドが固定の変位位置に保持された時に、ミクロン以下の分解能測定が期待される典型的に与えられる環境において、読取ヘッドの初期ターンオン後たかだか１時間または３０分、さらにまたは１０分以下に始まり、少なくとも１２時間の動作期間にわたりずっと、それらの平均値に対して±５０ナノメートルを超えて変化しない変位値を付与するように動作可能であるスペックル像相関変位センサまたは読取ヘッドを提供することが可能であることを理解しなければならない。さらに、合理的努力により、上に概説した種々の動作期間および環境条件下で、それらの平均値に対して±２５ナノメートル、または±１０ナノメートル以下さえをも超えて変化しない変位値を付与するように動作可能であるスペックル像相関変位センサまたは読取ヘッドを提供することが可能である。
【００８６】
図１４は、スペックル像を安定化させるためのルーチン１４００を例証する流れ図である。ブロック１４１０で、システムはオンにされて、それは像検出器上にスペックルパターンを生成する。ブロック１４２０で、スペックル像は、ここで開示された機器構成および／または原理の１つ以上に従って、波長変動、照明強度変動またはその類に対して安定化される。ブロック１４３０で、安定化されたスペックル像が、キャプチャされて、変位計算を実行するために利用される。
【００８７】
照明波長の変化に関係する誤差を最小限にするかまたは「除去する」ための上述の技法に加えて、光学変位センサの精度および／または頑強性は、測定像を取得する際の照明波長および／または強度の変動を低減することによって増強され得る。それゆえ、図１５は、レーザダイオードの波長および／または強度を安定化させるためのルーチン１５００を例証する流れ図である。ブロック１５１０で、レーザダイオードがオンにされて、測定システムのスケールに向けて光を出力する。ブロック１５２０で、レーザダイオードの波長および／または照明強度は、以下でさらに説明する通り、能動的に安定化されるかまたは、レーザダイオードの動作状態が定常状態に効果的に達するように保証することによって受動的に安定化される。ブロック１５３０で、スケールによって反射または伝送されたレーザダイオードからの光は、位置計算のためにキャプチャされ利用されるスペックル像の形態で像検出器によって受光される。
【００８８】
図１６は、レーザダイオードの温度および対応する波長を安定化させるためのルーチン１６００を例証する流れ図である。ブロック１６１０で、レーザダイオードはオンにされる。ブロック１６２０で、熱電冷却器（ＴＥＣ）がレーザダイオードの温度を安定化させるために利用される。多数の形式および機器構成の熱電冷却器および関係する制御回路がレーザダイオードの温度および対応する波長を安定化させる目的に利用され得ることが理解されるはずである。適格な小型ＴＥＣおよび回路設計が多数の供給源から入手可能であり、例えば、ＴＥＣはスーパクール・ユー・エス社（Ｓｕｐｅｒｃｏｏｌ  ＵＳ  Ｉｎｃ，  ８１９  Ａ Ｓｔｒｅｅｔ， Ｓａｎ  Ｒａｆａｅｌ，  ＣＡ  ９４９０１）から入手可能である。例示的な温度安定化制御回路が、ここに参照によって採り入れられる、米国特許第４６３１７２８号に開示されている。
【００８９】
図１７は、レーザダイオードの波長を安定化させるために波長のフィードバックを利用するためのルーチン１７００を例証する流れ図である。ブロック１７１０で、レーザダイオードがオンにされる。ブロック１７２０で、レーザダイオードの波長が監視され、関連する制御信号がシステムにフィードバックされる。ブロック１７３０で、レーザダイオードの波長は、レーザダイオードの温度または電流のどちらかを変化させることによって制御される。一部の実施形態では、温度を制御することのほうが電流を制御することよりも、好ましいかもしれないと理解されるはずであり、それは、電流がやはりレーザダイオードのパワーに望ましくない変化を生じ得るからである。１つの適格なシステムが、ジェー・シー・ブラスナス（Ｊ  Ｃ  Ｂｒａｓｕｎａｓ）著「ア・シンプル・エタロン・スタビライズド・ビジブル・レーザ・ダイオード」（「Ａ Ｓｉｍｐｌｅ  Ｅｔａｌｏｎ−Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｖｉｓｉｂｌｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ」，  Ｍｅａｓ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．１３  Ｎｏ８  （Ａｕｇｕｓｔ  ２００２） Ｎ６７−Ｎ７１）に記載されている。
【００９０】
図１８Ａは、光学変位センサにおいて使用されるレーザダイオードの波長を制御するために外部格子を利用するためのルーチン１８００を例証する流れ図である。ブロック１８１０で、レーザダイオードがオンにされる。ブロック１８２０で、外部格子がレーザダイオードへの光学的フィードバックをかけるために利用され、この場合、格子は、公称動作波長である特定の波長の光だけがレーザダイオードへの光路に沿って回析され戻されるように放出ビームに対してある角度で配置されている。格子は、格子ピッチおよび入射角によって決定される好適に規定された波長だけをフィードバックする。
【００９１】
図１８Ｂは、図１８Ａの方法を具体化するための１つの光学的機器構成を示している。図１８Ｂは、図２Ａに示された光ビーム１３４の光路に沿って配置されたミニチュア光学アセンブリ１８５０を示している。光学アセンブリ１８５０は、ビームスプリッタ１８５１および、角度１８５４が光の所望の波長のリトロー角に対応するように傾斜した表面１８５３に配置された反射格子１８５２を含む。従って、ビームスプリッタは光ビーム１３４の一部を光路１８５５に沿って格子１８５２に向けて偏向させ、光の所望の波長は、光路１８５５’に沿ってリトロー角で回析し戻され、ビームスプリッタ１８５１によって反射されてレーザダイオード源（図示せず）に入りその出力を所望の波長に安定化させる。
【００９２】
図１９は、スペックル像が安定化された時に関するフィードバックをかけるためのルーチン１９００を例証する流れ図である。ブロック１９１０で、システムはオンにされる。決定ブロック１９２０で、スペックル像が所望の程度まで安定化されたかどうかに関して決定がなされる。スペックル像が安定化されていなければ、ルーチンはブロック１９３０に続き、そこでスペックル像の安定化を監視し続け、その後ブロック１９２０に戻る。ブロック１９２０でスペックル像が安定化されていれば、ルーチンはブロック１９４０に続き、そこで、フィードバックがオペレータまたはホストシステムにかけられて、光学変位システムが所望の程度まで安定化され、使用の準備ができていることを指示する。オペレータフィードバックは、例えば、読取ヘッドにインジケータＬＥＤを設け、システムが使用の準備ができた時にＬＥＤを点灯させるか、または読取ヘッドと通信するコンピュータ表示装置または他の装置に適切な表示要素を作動させることを含み得る。ホストシステムへのフィードバックは、いずれかのホスト互換出力信号によってかけられ得る。スペックル像が安定化されたか否かは種々の因子のいずれかを監視することによって推論され得ることを理解しなければならない。種々の因子は、安定したスペックル像を指示することが既知であるしきい値と比較され得る。１つの単純な例として、読取ヘッドの動作は、システムのターンオン後のある特定の経過ウォームアップ時間の後に公称動作条件下で安定することが、実験によって決定され得る。そうした場合、そのウォームアップ時間がしきい値として使用され得て、システムターンオン後の経過時間がシステムクロックなどによって監視され得る。
【００９３】
図２０は、光学変位測定システムが安定化され使用の準備ができた時に関してユーザまたはホストシステムにフィードバックをかけるためのルーチン２０００を例証する流れ図である。ブロック２０１０で、読取ヘッドは光学的拡散表面に対して固定位置にマウントされる。ブロック２０２０で、システムはオンにされる。ブロック２０３０で、システムは第１の像をキャプチャし、それをメモリに保存する。ブロック２０３５で、第２の像が、第１の像の後、時間ΔＴに取得される。ブロック２０４０で、ルーチンは、第１の像と第２の像との間のピーク相関値Ｒｐｅａｋまたは、ＣＱなどといった相関品質指標を計算する。決定ブロック２０５０で、ピーク相関値Ｒｐｅａｋまたは相関品質指標が、スペックル像またはシステム安定性の十分なレベルを指示しているかどうかの決定がなされる。例えば、これは、Ｒｐｅａｋ＞Ｒ０またはＣＱ＞ＣＱ０であるかどうかを決定することによって実現され得て、ここでＲ０およびＣＱ０はそれぞれ、十分な変位測定精度を一般に与えられるスペックル像またはシステム安定性のレベルに対応すると知られている、しきい値相関値およびしきい値相関品質である。代替として、これは、Ｒｐｅａｋについての２つの連続する値の間の差、またはＣＱについての２つの連続する値の間の差が、初期システムウォームアップの間に生じる温度変動の減少に起因して起こり得るような、十分な「定常状態」動作を示すレベルまで減少したかどうかを決定することによって実現され得る。決定ブロック２０５０で、値Ｒｐｅａｋまたは相関品質指標が不十分なスペックル像またはシステム安定性を指示した場合、ルーチンはブロック２０３０に戻るか、または代替として、最新の像を「第１の像」としてメモリに保存し、ブロック２０３５に戻る。決定ブロック２０５０で、値Ｒｐｅａｋが十分なシステム安定性を指示した場合、ルーチンはブロック２０６０に続き、そこで、システムが使用の準備ができていることを示すために指標が与えられる（例えば、読取ヘッドの光が点灯する、またはホスト互換出力信号が開始される）。
【００９４】
図２１は、マウンティング位置高さが使用のために適正または適切に調整された時に関してユーザまたはコントロールシステムにフィードバックをかけるための１つの例示的なルーチン２１００を例証する流れ図である。式８ならびに図１１および１３に関して前に概説したように、スケールの光学的拡散表面を読取ヘッドの焦点面に位置づけるマウンティング位置が、波長変動による測定誤差を公称上排除するはずである。そのようなマウンティング位置は、図２１に示されたルーチンによって公称上得ることができる。ブロック２１１０で、読取ヘッドは光学的拡散表面に対して第１の／次の高さにマウントされる。ブロック２１２０で、システムが安定した、またはほぼ定常状態の動作の時点までウォームアップされており、読取ヘッドが光学的拡散表面に対して固定位置に保持されていることが保証される。ブロック２１３０で、システムは参照像をキャプチャし、それをメモリに保存する。ブロック２１３５で、コヒーレント光源からの照明の波長は、所望の量、例えば、マウンティング位置が適切に調整されていない時に許容できない変位誤差を生じる量だけ変更される。これは、一部の用途については概ね０．５ｎｍまたは１．０ｎｍのオーダの波長変化とし得るが、この範囲は例示的であるにすぎず、限定的ではない。その後、現在像がキャプチャされる。ブロック２１４０で、ルーチンは参照像および現在像に基づき変位値を計算する。この変位値は実際上、読取ヘッドがスケールに対して固定位置に保持されているので、変更された波長に起因する変位誤差である。読取ヘッドがスケール表面に対して適正な高さに位置決めされている時、すなわち、読取ヘッドの焦点面がスケール表面の平面の十分に近くにある時、この変位値は十分に小さくされるか、または排除されることを理解しなければならない。
【００９５】
次に、決定ブロック２１５０で、ブロック２１４０で決定された変位値が、読取ヘッドの焦点面がスケール表面の平面の十分に近くにあることを指示しているかどうかが決定される。例えば、変位値は、十分に小さいしきい値、例えば波長が参照像と現在像間で変更されている量を熟慮して選択され、マウンティング位置が適切に調整されている時に許容できる変位誤差に対応するしきい値と比較され得る。例えば、このしきい値は、一部の用途については、ブロック２１３５で適用された波長変化の概ね１００倍のオーダであり得る。しかし、このしきい値は、例示的であるにすぎず、限定的ではない。読取ヘッドの焦点面がスケール表面の平面の十分に近くないことを変位値が指示していると決定された場合、ルーチンはブロック２１１０に戻る。これは、例えば、変位値がしきい値と比較され、しきい値を超えている場合に起こるであろう。代替的な実施形態では、これは例えば、変位値が異なるマウンティング高さで得られた以前の変位値と比較されて、以前の変位値より大きいとわかった場合に起こるであろう。そのような実施形態では、現在変位値が以前の変位値未満であれば、マウンティング調整ステップが同じ方向で続くはずであることを理解しなければならない。逆に言えば、現在変位値が以前の変位値より大きければ、マウンティング調整方向は逆にされなければならない。このようにして、マウンティング高さは最適位置に収束するであろう。
【００９６】
決定ブロック２１５０で、読取ヘッドの焦点面がスケール表面の平面の十分に近くにあることを変位値が指示していると決定された場合、ルーチンはブロック２１６０に続き、そこで指標が表示され（例えば、読取ヘッドの光が点灯する、またはホスト互換出力信号が開始される）、マウンティング位置高さが使用のために適正または適切に調整されていることを指示する。
【００９７】
ルーチン２１１０の代わりに、マウンティング位置高さは、コヒーレント光源をオフにし、スケール表面を適切な強度のインコヒーレント光で照明し、読取ヘッドを用いてスペックル像ではなく従来の像を取得することによって、使用のために適正または適切に調整され得る。焦点関連の特性が従来の像に基づいて決定され得る。読取ヘッドは反復的に調整され、焦点関連の特性が反復的に決定され得る。表面が最善または適切に合焦されていることを焦点関連の特性が指示した場合、マウンティング位置高さは適正である。好適に合焦された像を、例えばコントラスト測度によって識別する方法は、像相関の技術の当業者には一般に周知であり、従ってここでは詳細に検討しない。当然ながら、いずれかの他の適格な現在既知であるかまたは新開発の方法もまた、適正なマウンティング位置高さを確立するために使用され得る。
【００９８】
図７に示されたものよりも動作温度に対する低い波長の感度を有するいずれかの現在既知であるかまたは新開発の半導体レーザ源が、精度の改善の付加的方策を提供するはずであることを理解しなければならない。あらゆるそうしたレーザ源が、ここに開示されたシステムおよび方法のいずれかとともに使用され得る。ＶＣＳＥＬ型レーザダイオードが、そのような線源を提供するために種々の実施形態において使用され得る。
【００９９】
ここに開示された精度増強システムおよび方法の一部または全部を個別に説明したが、ここに開示された２つ以上の互換可能なシステムおよび方法の組合せが、より信頼できる、頑強かつ／または正確な光学変位センサを提供するために一般に使用され得ることもまた、理解しなければならない。最高レベルの信頼できる分解能および／または精度が、例えば、数十ナノメートル、および／または１ナノメートル以下までものレベルで、有意な測定分解能のために提供されなければならない場合、そのような組合せは特に有利である。
【０１００】
本発明の好ましい実施形態を例示説明したが、本発明の精神および範囲を逸脱することなくその中で種々の変更が行い得ることが理解されるはずである。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明に従ったスペックル像相関２Ｄ光学位置トランスデューサのブロック図である。
【図２Ａ】図１に示された２Ｄ光学位置トランスデューサの１実施形態の端面図である。
【図２Ｂ】図１に示された２Ｄ光学位置トランスデューサの１実施形態の側面図である。
【図３】本発明に従ったスペックル像相関光学位置トランスデューサを用いて形成されるスペックルパターンを例示した図である。
【図４】像が連続するピクセル変位において２次元でオフセットされた時に、従来の比較技法および従来の差分相関関数を用いて第１および第２のスペックル像を比較した結果を例示しているグラフである。
【図５】像が測定軸に沿って種々のピクセル変位でオフセットされた時に、差分相関関数の絶対値によって第１および第２のスペックル像を比較した結果を例示しているグラフである。
【図６】相関品質の定義を例示しているグラフである。
【図７】レージング波長対ケース温度を例示しているグラフである。
【図８】相関品質対波長を例示しているグラフである。
【図９】相関品質対照明強度低下を例示しているグラフである。
【図１０】位置出力変化または誤差対照明強度低下を例示しているグラフである。
【図１１】波長変化の結果として起こるスペックル変位の例である。
【図１２】２つの異なる照明角度についての位置出力ドリフトまたは誤差対光源温度を例示しているグラフである。
【図１３】読取ヘッドの焦点面からスペックル生成表面の種々の偏りについての位置出力変化または誤差対温度を例示しているグラフである。
【図１４】スペックルパターンを安定化させるためのルーチンを例証する流れ図である。
【図１５】レーザダイオードの波長を安定化させるためのルーチンを例証する流れ図である。
【図１６】レーザダイオードの温度および対応する波長を安定化させるために熱電冷却器を利用するためのルーチンを例証する流れ図である。
【図１７】波長を制御するためにレーザダイオードシステムの波長のフィードバックを利用するためのルーチンを例証する流れ図である。
【図１８Ａ】レーザダイオードの波長を安定化させるために外部格子からのフィードバックを利用するためのルーチンを例証する流れ図である。
【図１８Ｂ】図１８Ａに例示されたルーチンを具体化するために使用可能な光学アセンブリの図である。
【図１９】スペックル像が安定した時に関するフィードバックをかけるためのルーチンを例証する流れ図である。
【図２０】システムが使用の準備ができている時に関してユーザまたはコントロールシステムにフィードバックを付与するためのルーチンを例証する流れ図である。
【図２１】マウンティング位置が使用のために正しく調整されている時に関してユーザまたはコントロールシステムにフィードバックを付与するためのルーチンを例証する流れ図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１００  ２Ｄ光学変位センサ
１０６  読取ヘッドアセンブリ
１１０  ２Ｄスケール
１１１、１１２  測定軸方向
１２６  スペックル読取ヘッド
１３０  光源
１３２  信号線
１３４  光ビーム
１３６  反射光ビーム
１４０  レンズ
１４２  光
１４４  光軸
１５０  ピンホールアパーチュアプレート
１５２  開口
１５８  ミラー
１５９  ミラー
１６０  光検出器
１６２  受像光学素子
１６４  信号線
１６６  アレイ
２００  信号生成・処理回路
３００  光学的拡散表面または光学的に粗い表面
３００Ａ  スペックルパターン
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2006030196.tif 000026
【図１６】
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【図１７】
2006030196.tif 000028
【図１８Ａ】
2006030196.tif 000029
【図１８Ｂ】
2006030196.tif 000030
【図１９】
2006030196.tif 000031
【図２０】
2006030196.tif 000032
【図２１】
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