(57)【要約】【課題】画像相関を用いた表面変位検出トランスデューサにおいて、相関演算の高速化を図る。【解決手段】要求される測定精度、許容可能な変位最高速度との兼ね合いから画像相関に利用する画像領域をオペレータにより最適な大きさと位置に設定することができる入力装置を備えたので、相関演算の高速化が図れる。さらに、照明強度と照明時間のパラメータも調節可能としたので、取得する画像の品質を高めて、変位検出の精度劣化を防ぐ効果も得られる。【選択図】図１０
2006258809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の複数の画像を使いこの対象物の変位を検出する表面変位トランスデューサにおいて、
この対象物の画像を表示するディスプレイと、
このディスプレイ上に表示された画像の中で変位検出に使用する画像領域をオペレータが設定することができるユーザインターフェースを有する入力装置と、
この画像領域の画像情報に基づく画像輝度、画像均一性、画像コントラスト、相関品質、画像照明および画像露出のうちの少なくともいずれか１つからなる評価点数を計算すると共に前記ディスプレイに表示するコントローラと、
を備えたことを特徴とする表面変位トランスデューサ。
【請求項２】
請求項１において、前記表面変位トランスデューサはさらに前記対象物を照明する光源と、
この光源を駆動する光源ドライバと、を備え、
前記コントローラはさらにこの光源ドライバを制御すると共に、オペレータが前記コントローラに対して照明強度、照明時間の少なくともいずれか１つを制御するパラメータを設定することができるユーザインターフェースを前記入力装置はさらに備えることを特徴とする表面変位トランスデューサ。
【請求項３】
請求項１において、前記複数の画像は基準画像および常時最新の画像に更新される現画像から構成され、
この基準画像に対するこの最新の現画像の変位量が所定量を超えた場合は、前記基準画像を最新の現画像に置き換えることを特徴とする表面変位トランスデューサ。
【請求項４】
請求項１において、前記複数の画像は基準画像および常時最新の画像に更新される現画像から構成され、
所定時間を経過する毎に前記基準画像を最新の現画像に置き換えることを特徴とする表面変位トランスデューサ。
【請求項５】
請求項３において、前記所定変位量を制御するパラメータを設定できるユーザインターフェースを前記入力装置はさらに備えることを特徴とする表面変位トランスデューサ。
【請求項６】
請求項４において、前記所定時間を制御するパラメータを設定できるユーザインターフェースを前記入力装置はさらに備えることを特徴とする表面変位トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面変位トランスデューサ、特に、対象物の複数の画像を使いこの対象物の変位を検出する表面変位トランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光学的に粗い面（以降、「光学粗面」と呼ぶ）を光源で照明して、生成されたスペックルパターン画像を検出器アレイで撮像して、得られた複数の画像間の相関を求め、変形や変位を測定する変位トランスデューサが知られている。光源は、コヒーレント光源、例えばレーザ光源が利用され、この光学粗面が照明されて散乱された光は電荷結合素子（CCD）、半導体撮像素子アレイであるCMOS撮像素子アレイ、等により撮像する。
【０００３】
この光学粗面が移動または変形される前に、第1の（初期の）スペックルパターン画像（しばしば「基準画像」と呼ばれる）が撮像され格納される。続いて、この光学粗面を移動させた後に、第２となる次のスペックルパターン画像（しばしば「現在像」と呼ばれる）は、撮像され格納される。そして、従来は、ピクセル単位を基礎としてできるだけ多くの第１および第２のスペックルパターン画像の相関あるいは比較演算が行われていた。一般的に、この比較演算は複数回実行され、各比較演算において、第１および第２のスペックルパターン画像は、相対的に画像を電子的にシフトすることによってオフセットされ、または合成され二次元ベクトルで移動される。各比較におけるオフセットまたは二次元ベクトル移動の量は、既知量、例えば1つのイメージ要素またはピクセル、またはイメージ要素、またはピクセルの整数倍、等であってもよい。
【０００４】
対応する第２の画像ピクセルが、オフセットの量に基づいて測定される場合、各相関または比較において、基準画像の特定ピクセルの画像値は、対応する第２の画像ピクセルの画像値で乗算、減算、または、他の数学的関数処理されてもよい。また、各ピクセル単位演算から生じる値を累積して、第１および第２の画像間の相関値を求めてもよい。この相関値はオフセット量（各軸方向のオフセット量）または合成空間平行移動位置（２次元ベクトル）に対してプロットされ、極値、すなわちピークまたは谷を生成する。このピークまたは谷に対応するオフセット量または空間平行移動の位置は、第１および第２のスペックルパターン画像間における相対移動量または変位量を表している。光源にはインコヒーレント光源、例えば発光ダイオード、ＬＥＤも利用可能であり、相関変位トランスデューサの光学系の物体側焦点面に被撮像スケールまたは面が配置され、光センサにより撮像される。
【特許文献１】特開２００２−１３９４８号公報
【特許文献２】特開２００２−２３０５６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、スペックルパターン画像またはスケール面の画像を用いた変位測定トランスデューサは、画像相関演算のために光学センサ、すなわち検出器アレイの画像エリアの全ピクセルから画像を出力または取得していた。一般的に、この場合、相関演算回路に供給される情報量は最大であり、達成可能な信号対雑音比、変位計測の潜在的サブピクセル補間精度は結果として最高である。
【０００６】
しかし、この方式では、実際の製品上、画像の取得および測定の実行レートが低く、その結果、変位測定センサの許容可能な変位最高速度は低く設定せざるを得ない。従って、実用性やパフォーマンスは実用的ではない。
【０００７】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、画像相関を用いた表面変位検出トランスデューサにおいて、画像相関に利用する画像領域を要求される測定精度、許容可能な変位最高速度との兼ね合いから最適な大きさと位置の画像領域に限定することにより、相関演算の高速化を提供することを目的とする。
さらに、照明強度と照明時間のパラメータを調節可能として取得する画像の品質を高めて、変位検出の精度劣化を防ぐことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の目的を達成するために、対象物の複数の画像を使いこの対象物の変位を検出する表面変位トランスデューサにおいて、この対象物の画像を表示するディスプレイと、このディスプレイ上に表示された画像の中で変位検出に使用する画像領域をオペレータが設定することができるユーザインターフェースを有する入力装置と、この画像領域の画像情報に基づく画像輝度、画像均一性、画像コントラスト、相関品質、画像照明および画像露出のうちの少なくともいずれか１つからなる評価点数を計算すると共に前記ディスプレイに表示するコントローラと、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、上記の目的を達成するために、前記表面変位トランスデューサはさらに前記対象物を照明する光源と、この光源を駆動する光源ドライバと、を備え、前記コントローラはさらにこの光源ドライバを制御すると共に、オペレータが前記コントローラに対して照明強度、照明時間の少なくともいずれか１つを制御するパラメータを設定することができるユーザインターフェースを前記入力装置はさらに備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、上記の目的を達成するために、前記複数の画像は基準画像および常時最新の画像に更新される現画像から構成され、この基準画像に対するこの最新の現画像の変位量が所定量を超えた場合は、前記基準画像を最新の現画像に置き換えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記の目的を達成するために、前記複数の画像は基準画像および常時最新の画像に更新される現画像から構成され、所定時間を経過する毎に前記基準画像を最新の現画像に置き換えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記の目的を達成するために、前記所定変位量を制御するパラメータを設定できるユーザインターフェースを前記入力装置はさらに備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、上記の目的を達成するために、前記所定時間を制御するパラメータを設定できるユーザインターフェースを前記入力装置はさらに備えることを特徴とする。
【００１４】
本願明細書において、開示されるシステム実施形態において、ピクセルのサブセットまたは表面変位トランスデューサの光検出器の画像領域の要素（以降「ピクセルアドレスウインドウ」と呼ぶ）は、操作者インタフェース装置を使用して任意に設定変更が可能である。このピクセルアドレスウインドウは、変位トランスデューサの相関演算に用いる画像領域であり、このサイズは、要求精度、要求される最大許容変位速度、他の測定要求条件、トランスデューサ設計制約、取り付け許容値要求条件、等のパラメータとの兼ね合いにより最適化される。このように相関演算に使用するピクセルを必要最小限に減らすことによって、トランスデューサの測定レートが改善される（速くなる）。
【００１５】
もちろん、従来通り、較正またはセットアップにおいては、光検出器の全ての要素の出力で測定するように設定してもよい。また、充分かつ正確な相関演算測定精度を提供するように最適化して初期設定された、デフォルトのピクセルアドレスウインドウとして選択するようにしてもよい。また、このデフォルトのピクセルアドレスウインドウの位置を最も高い輝度画素値に中心が来るように合わせてもよい。または、強度均一性が最高値となる位置にセットしてもよい。
【００１６】
また、操作者インタフェース装置によって、撮像した画像にピクセルアドレスウインドウとして各代表場所を設定して、この各代表場所において数種類の評価値を同時に算出して、オペレータがこの評価値に基づいて最適な場所を選択することができるようにしてもよい。この評価値としては、輝度、均一性、コントラスト、等がある。また、セットアップ時において設定された、ピクセルアドレスウインドウに対してユーザが満足している場合、そのときのピクセルアドレスウインドウの位置および各種パラメータはデフォルトとして、以降の表面変位トランスデューサの通常運転の間格納されて利用される。また、操作者インタフェース装置は、相関画像の品質に影響を及ぼす他のパラメータ、例えば、光源制御パラメータ、検出器制御パラメータなどを表示、変更する機能を含んでもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、画像相関を用いた表面変位検出トランスデューサにおいて、画像相関に利用する画像領域を要求される測定精度、許容可能な変位最高速度との兼ね合いから最適な大きさと位置の画像領域に限定することにより、相関演算の高速化できるという顕著な効果が得られる。
さらに、照明強度と照明時間のパラメータを調節可能として取得する画像の品質を高めて、変位検出の精度劣化を防ぐという顕著な効果も得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に係るシステムは、表面変位トランスデューサの相関演算を実行するために用いられる光検出器の要素のサブセットであるピクセルアドレスウインドウを選択可能とする。このピクセルアドレスウインドウの代表位置に対するいろいろな評価点数を比較して、最高または充分な評価点数を有する場所を選んで、第1のデフォルト場所を決定することができる。また、取得した画像の範囲内で、算出した評価点数を伴ってデフォルトの場所を示して、オペレータにピクセルアドレスウインドウの位置を調整する機会を提供してもよい。オペレータが新しい代表場所を選択した場合、システムは、新しい代表場所の評価点数を算出して、オペレータにデフォルト場所の評価点と新しい代表場所の評価点とを表示して、オペレータが比較できるようにすることも可能である。ここで、評価点数が受け入れられる場合は、システムが相関演算を実行するピクセルアドレスウインドウとして規定することができる。アルゴリズムは表面変位トランスデューサ演算の準備または較正の際に実行され、その後、選択されたピクセルアドレスウインドウは、表面変位トランスデューサの通常運転の際に使われる。
【００１９】
また、上記と同様に、オペレータが通常運転の際、取得した画像を改善または最適化するために、表面変位トランスデューサの他のパラメータを調整する機会をオペレータへ提供してもよい。この種のパラメータとしては、画像の撮影に影響を及ぼすパラメータ、例えば光量、ゲイン、ストロボ照明の持続時間、電子シャッタの速度、位置合わせ、トランスデューサおよび画像を生じている面など間のギャップ調整、などを含むが、これに限定されるものではない。調整済みの種々のパラメータによって、システムは新たに評価点数を算出する。これによりオペレータは、新規なパラメータに対する評価点数を前のパラメータのそれと比較できる。これにより有用な画像を得るためのパラメータを規定することができる。
【００２０】
パラメータは、表面変位トランスデューサの準備、較正、通常運転の際に使われる。図１は、本願明細書において、開示される典型的な表面変位トランスデューサ1のブロック図である。表面変位トランスデューサ1は、読取ヘッド100、信号生成処理回路200および面110を備える。面110は、スケールパターン300（インクリメンタルまたは絶対位置測定）、または、表面変位トランスデューサ1が光学粗面に起因するスペックルパターンから変位計測可能な場合は、面110は単なる光学粗面を備えて構成することも可能である。読取ヘッド100の構成要素、および面110、スケールパターン300（もしくは光学粗面）に対するそれらの位置関係は、図１のレイアウトに示される。
【００２１】
特に、面110は読取ヘッド100の読取ヘッドアセンブリ138に隣接して配置され、面110が光源130（レーザ光源）によって照明され、面110から読取ヘッド100の撮像素子の方へ選択的に反射される。動作中、一般的に、面110と光源130および読取ヘッド100が収納される光学系とは一定した距離で配置される。図１に示すよう、面110は、読取ヘッド100に対して１または２軸に沿って、例えば、第１の測定軸111と第２の測定軸112に沿って相対的に移動可能である。
【００２２】
通常、第１および第２の測定軸111および112に直交する第３軸方向の相対運動は拘束されている。例えば、案内面またはベアリング（図示せず）がフレームに取り付けられ、読取ヘッド100および面110間の適当な相対距離またはギャップgが維持されるようにしてもよい。実用上、読取ヘッド100および面110の相対位置の予期される変動は、後述するようにある程度の範囲内に収められていればよい。
【００２３】
図1において、読取ヘッド100は、読取ヘッドアセンブリ138にレンズ140を備え、このレンズ140の光軸は、通常、面110の照明されたエリアに対して垂直に位置合わせされている。読取ヘッド100は、レンズ140から光軸144に沿ってレンズ140の焦点距離fに配置されたアパーチャプレート150を備え、さらに、アパーチャ152が含まれ、さらに、この光軸144に沿って光検出器160とアパーチャ152は所定距離離れて配置されている。この種のテレセントリック光学系においては、光検出器160上の面110の像拡大は、レンズ140から面110までのギャップgの変動に対してほぼ独立させることができる。
【００２４】
光検出器160は、二次元アレイ構成ができるいかなる周知または後に開発される受光素子（例えばカメラ、デジタルカメラ、CCDアレイ、CMOSアレイ受光素子、等）または装置であってもよい。光検出器160は、2本の測定軸111および112に沿って、各々所定間隔で配置されたイメージ要素162の検出器アレイ166を備えている。このイメージ要素162の二次元方向の各間隔は、同じか、または、異なっていてもよい。それぞれ、測定軸111および112に対応している各々の既知の間隔は、光検出器160上に投射後に取得される現画像、および、この現画像とマッチする画像部分を含むあらかじめ取得されている参照画像間における、測定軸111または112に沿った、変位またはオフセットの高分解能測定を基礎として提供される。
【００２５】
各測定軸111および112に沿った方向の既知の間隔は、各測定軸111および112に沿って測定するための基礎として提供され、面110またはスケールパターン300の画像の変位が読取ヘッド100における測定軸111および112に沿った既知の間隔と同等もしくはそれ以上の分解能で測定される。加えて、表面変位トランスデューサ1は、少なくとも一部の信号生成処理回路200を含んでもよい。図１に示すように、信号生成処理回路200から信号線132は光源130に接続して、光源130を制御駆動する。信号線164は、光検出器160と信号生成処理回路200を接続する。特に、検出器アレイ166の各々のイメージ要素162は、個々に制御可能であり、イメージ要素162上のアドレスを指定して、光強度値を信号生成処理回路200へ出力可能である。
【００２６】
信号生成処理回路200は読取ヘッド100から離れて配置されてもよい。そして、図3および14に示す通り、読取ヘッド100の機能は操作者インタフェース装置400によって離れて操作、表示されることができる。図１に示すように、光源130から放出された光線134は、面110の一部を照明するために面110上へ向けられる。その結果、面110の照明された部分は、光軸144に光136を反射する。
【００２７】
光線134が面110に当たる角度は、約45度である。表面変位トランスデューサ1は、光源130にコヒーレント光（例えば、レーザダイオード（ＬＤ））を使ってスペックルパターンを生成して、相対的な変位測定するタイプの変位トランスデューサであってもよい。または、インコヒーレント光（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ））を使って、ギャップgをレンズ140の焦点距離として、この焦点距離にある焦点面に設計上位置させたスケールパターン300を使用するタイプの絶対位置変換器であってもよい。
【００２８】
読取ヘッド100内部に光源130、レンズ140、アパーチャプレート150および検出器アレイ160の搭載は、構成要素が比較的正確で安定的に搭載可能であれば、通常の小型光学システムや産業カメラ構成の手法で構成してもよい。読取ヘッド100が面110に隣接して最適に配置される場合、光検出器160によって、捕らえられる各画像は面110の対応する部分により決定される特徴を有している部分を含む。
【００２９】
表面変位トランスデューサ1に有用な付加的な設計はあらかじめ組み入れられたPCT国際出願No.PCT/US2004/014705、米国特許No.6,642,506、そして、2004年7月13日に出願された米国特許出願番号10/890,919において開示される。そして、その全ては本願明細書に引用される。
【００３０】
面110に対する照射ビーム134の入射角は垂直ではないため、もしもギャップgが変動すると、面110上の照明点が光軸144に対してずれることになる。例えば、レンズ140および測定面110間のギャップgにおいて、取付け搭載する際に許された変動が約+/-100umあると仮定して、ターゲット表面110上の照射ビーム134のほぼ45度の入射角のため、面110により反射される照明点の位置は、約+/-100um横に移動する。光学変位センサが検出器アレイ166によって、ターゲット表面に起因している画像の5x拡大を提供する場合、照明中心放射線経路は検出器アレイ166の面全体の約+/-500umを移動することになる。従って、この変動に対応するために、イメージ要素162間の約6umピクセルピッチであるので、照射ビーム134の中心照明光線の見かけの変位は、検出器アレイ166の方向に沿って最高ほぼ500/6 = 83ピクセル移動する。
【００３１】
従って、予想されるピクセルアドレスウインドウが設計上所望の高輝度および検出器アレイ166上の全体の画像輝度パターンの比較的同一の中心部を包含して、例えば、エリアが256×256ピクセルで設計される場合、中心照明光線の見かけの変位の方向に対応するための最小検出器サイズは256+ 2*83 = 422ピクセルである。そして、検出器アレイ166のその方向に沿ってウインドウのアドレス指定可能とするため、検出器アレイ166のピクセル数は少なくともそれより60%大きいことが好ましい。許容可能な搭載している変動はまた、より制限され少なくてもよい、そして、予想されるピクセル数がその方向に沿ってウインドウのアドレス指定を行うより、その方向に沿った検出器アレイ166のピクセル数は少なくとも50%だけ大きいか、少なくとも40%だけ大きい。換言すれば、ピクセルアドレスウインドウは、最大でも、検出器アレイのピクセルの約70%であることが好ましい。
【００３２】
場合によっては、ほぼ640×480ピクセルを有している検出器アレイの有効性および経済性は、優位な設計要素となる。従って、256×256のピクセルアドレスウインドウがこの種の検出器アレイによって、使われる場合、検出器アレイのエリアは、ピクセルアドレスウインドウエリアの4倍以上となる。従って、下記に詳述されているように、選ばれた検出器エリアは、たとえば範囲および分解能などの変位計測の要求条件だけでなく、光路構成要素の許容値積重ねおよび現場の据え付けおよび演算の際に相当に予想されるギャップ変動にもまた依存する。
【００３３】
検出器アレイ166のピクセルの全てが、あとに続く相関演算に使われる画像情報を提供するものではないので、それらの画像情報を全て出力したり「取得」されたりしない。従って、相関測定のレートは大幅に改善される。相関測定において、関与するピクセルの256x256ピクセルアドレスウインドウの位置の選択は、後述するシステム及び方法によって、より大きい（例えば640×480の検出器エリア）範囲内である。
【００３４】
上記のように図1に関して、読取ヘッド100のレンズ140または他の光学素子（図示せず）、またはギャップgの変動により、検出器アレイ166上の最大の画像輝度点の位置を変位させる。この種の位置ずれがない場合、全体の画像輝度パターンの中心は検出器アレイ166の中央に位置する。
【００３５】
しかしながら、この種の位置ずれが存在する場合、ビームスポットは検出器アレイ166上でシフトされる。その状況は、図2で例示される。図2に示される楕円ビーム形は、照射ビーム134が面110にほぼ45度の入射角で当たることで生じる。図示された事例において、ビームスポットセンタ510Bは、検出器アレイ166の中心に対して、左上にシフトされている。理想的には、ピクセルアドレスウインドウはビームスポットセンタ510Bに中心合わせされる。照明光学系とピクセルアドレスウインドウの大きさは、例えば図２に示す光強度分布の80%内をカバーする大きさになるように設計される。これは、画像強度分布が比較的均一でかつ高い輝度があり、最も良い測定分解能および精度が得られる。ピクセルアドレスウインドウは、図２に示されるように、ビームスポットセンタ510Bに中心揃えされるように自動的に設定され、ピクセルアドレスウインドウの第１のデフォルト場所としてインタフェース装置に表示される。
【００３６】
相関画像の比較的より高い画像コントラストの特定の一部を使うことで、相関演算の精度を上げることができる。従って、精度トレードオフは、組合せ平均輝度、公称輝度均一性および公称コントラスト、などの間に存在して、画像の種々の領域で異なる。従って、ピクセルアドレスウインドウの場所の選択に対する評価点数としては、平均輝度のレベル、均一性のレベルおよびコントラストのレベル、等がある。ピクセルアドレスウインドウのデフォルト場所は、この種の評価点数の所望の組合せに基づいて決定され表示される。
【００３７】
図３に示されるように、オペレータにより選択されたピクセルアドレスウインドウはその評価点数とともに、操作者インタフェース装置400に表示される。オペレータがピクセルアドレスウインドウの他の代表場所を選択すると、システムはその新しく選択された代表位置の評価点数を計算して表示する。その結果、オペレータはこれらの値を比較できる。操作者インタフェース装置400は、ディスプレイ410、入力装置（例えば、マウス440、キーボード450）を備える。ディスプレイ410は、取得した画像を表示すると共に、ピクセルアドレスウインドウのデフォルト位置を表示することができる。
【００３８】
図４に示されるアルゴリズムは、操作者インタフェース装置400上で実行され、ピクセルアドレスウインドウのデフォルト場所を自動で選択して、このデフォルト場所とこのデフォルト場所に関する評価点数を計算表示して、オペレータが更にピクセルアドレスウインドウの位置を調整可能とする。また、自動的に、半自動的に、または、手動で、較正やセットアップ手順を実行可能であり、これによりその後の測定動作を確実なものとし、または、表面変位トランスデューサからの測定精度や分解能を向上させる。
【００３９】
操作可能な状態で配置された変位トランスデューサおよびターゲット表面を仮定すると、有用な画像（例えば図11に関して後述する操作パラメータのタイプ）を得るのに十分である一組の初期の操作パラメータが設定されている状態で、仮定的に以下を含む検出器アレイは640×480ピクセルアレイであるとして、以下説明する。
まず、ステップS100において開始され、ステップS200へ進み、検出器アレイの全視野の画像（画像値）は、出力もしくは取得される。
次に、ステップS300において、画像は分析され、最高にまたは充分に相関画像特徴を現すデフォルト領域の画像が決定される。
次に、ステップS400において、デフォルト領域（すなわちデフォルトのピクセルアドレスウインドウの位置）、および、このデフォルト領域における評価点数が、オペレータに表示される。
次に、ステップS500において、オペレータは、表示されたデフォルト領域および評価点数が受け入れられるかどうか、判定することができる。もしも結果が受け入れられない場合、ステップS600へ進み、オペレータは、例えば、ドラッグアンドドロップの矩形境界で、新たに代表ピクセルアドレスウインドウ設定することができる。さらに、ステップS700において、ピクセルアドレスウインドウの新しく選択された代表位置の評価点数が計算され表示される。
【００４０】
ピクセルアドレスウインドウ、または、オプションを選択し直すと、評価点数は一度自動的に更新される。オペレータは、評価点数を確認して表面変位測定精度を改良するためにピクセルアドレスウインドウの中心を再配置することも可能である。
それからステップS500に戻る。ここで、代表場所およびその関連した評価点数が受け入れられるかどうか判定される。もしもよければ、ピクセルアドレスウインドウは、ステップS800において、現在の代表場所にセットされる。そして、ステップS900で終了する。
【００４１】
図４のステップS300は、一つ以上の評価点数を決定する。そして、ピクセルアドレスウインドウ（最高の評価点数を有しているローカルセットで中央に置かれるウインドウ）として選ばれる。比較的均一でかつ飽和したピクセルのない画像の場合、図４のステップS300は、単に最大輝度を有するピクセルを中心とするピクセルアドレスウインドウをデフォルトに設定する。しかしながら、他の実施形態で、よりロバストで信頼性が高い結果を達成するために、複数のピクセルに基づく一つ以上の評価点数により、ピクセルアドレスウインドウの選択を決定することもできる。
【００４２】
例えば、図５は、図４のステップS300のために有用な動作S300Aの1つの典型的なセットを示す。ステップS310から始まり、ステップS320へ進む。ステップS320において、代表的なローカル輝度（例えば平均輝度）は、検出器アレイの中で異なる場所にあるウインドウのそれぞれに一セットについて得ることができる。ウインドウのセットは、ほぼ、または完全に全ての検出器アレイをカバーすることができる。それからステップS330へ進む。そこにおいて、ウインドウまたは最高であるか十分な代表を有するウインドウを含む領域、平均、輝度および／または輝度の均一性が求められる。それからステップS400に戻る。そこにおいて、対応するピクセルアドレスウインドウは、その場所の評価点数とともに、輝度で最高であるか充分な平均輝度および／または均一性を有する領域に基づいて、表示される。
【００４３】
図６は、図５のステップS320の有用な動作S320Aの1つの典型的なセットを示す。ステップS321から始まり、そして、ほぼ、あるいは、完全に、検出器アレイの全視野をカバーする取得した画像のデータを入力するステップS322に続く。これは、図4のステップS200において、取得した画像である。次に、ステップS323において、ピクセルの第1または次の輝度サンプリングウインドウが選ばれ、このウインドウ中の平均輝度が計算格納される。輝度サンプリングウインドウは、ピクセルアドレスウインドウと同一サイズであるように選ばれる。この例では256×256ピクセルである。従って、各それぞれの輝度サンプリングウインドウはまた、検出器アレイ上のそれぞれの代表場所におけるそれぞれのピクセルアドレスウインドウ代表として関係される。代表場所は、ピクセルアドレス座標（x、y）のそれぞれのセットにより表されることができる。
【００４４】
次に、動作は、次のそれぞれのピクセルアドレスウインドウ代表場所が規定されるステップS324に続く。図６に示される動作において、第1のそれぞれのピクセルアドレス代表の位置は、最小値化されたピクセルアドレス座標を有する検出器アレイの角である。それからステップS324で、次のそれぞれのピクセルアドレスウインドウ代表場所は、16ピクセル毎にピクセルアドレスの「列値」を＋１増加する（または減少すること）ことにより規定される。もちろん、これは、16だけ現在の代表場所を表すピクセルアドレス座標（x、y）のそれぞれのセットのy値を＋１増加する（または減少する）。一般に、yアドレスが検出器アレイの最大のyアドレスを超えるまで、y値を最初に増加させる。それから、yアドレスが検出器アレイの最小限のyアドレスより少なくなるまで、y値を減少させる。
【００４５】
次に、ステップS325で、現在規定されたピクセルアドレスウインドウの部分が画像の範囲の外になるかどうか決定される。全ての現在規定されたピクセルアドレスウインドウが画像の中で下回る場合、動作は、現在規定されたピクセルアドレスウインドウ代表場所のためのそれぞれの平均ローカル輝度を決定するステップS323に続く。一方、現在規定されたピクセルアドレスウインドウの部分が画像の範囲外になる場合、現在規定されたピクセルアドレスウインドウ場所は放棄されて、動作はステップS326に続く。
【００４６】
ステップS326で、次のそれぞれのピクセルアドレスウインドウ代表場所は、16ピクセル毎にピクセルアドレス「列値」を＋１増加することにより規定される。それから、ステップS327で、現在規定されたピクセルアドレスウインドウの部分が画像の範囲の外になるかどうか、再び決定される。全ての現在規定されたピクセルアドレスウインドウが画像の中で下回る場合、動作が「次」、すなわち、現在規定するピクセルアドレスウインドウ代表場所のためのそれぞれの平均ローカル輝度を決定するステップS323に続く。一方、現在規定されたピクセルアドレスウインドウの部分が画像の範囲外になる場合、全ての画像は分析された上で現在規定されているピクセルアドレスウインドウの場所は放棄される。プロセスは、それからステップS330に戻る、そこにおいて、各それぞれのピクセルアドレスウインドウ代表の前もって決定された平均輝度値は、平均ローカル輝度の最高であるか充分な平均ローカル輝度や均一性を有する領域を決定するために分析される。
【００４７】
もちろん、輝度サンプリングウインドウやピクセルアドレスウインドウは、256×256ピクセル以外のサイズとすることができる。しかしながら、輝度サンプリングウインドウのサイズが所望のピクセルアドレスウインドウのサイズに対応する場合、各種実施形態で、このサイズは最も便利である。図７は、図５のステップS330のために有用な動作S330Aの1つの典型的なセットを示す。一般に、動作のこのセットは、特定の代表ピクセルアドレスウインドウが相関画像特徴の最高であるか充分な組合せを有するかどうか指し示すために、画像輝度および画像輝度均一性情報を組み合わせる評価点数を使用する。動作のこのセットは、図６の動作S320Aと連動して使用するのに特によく適している。動作S330Aのセットは、ステップS331に始まって、ステップS332へ進む、そこにおいて、ローカル輝度不統一値は、各それぞれの代表ピクセルアドレスウインドウ場所について求められ、例えば、図６に示される動作のセットにより提供される平均ローカル輝度値のセットに基づく。前述したように、図６に示される動作のセットによると、平均ローカル輝度値は、検出器アレイの列および列方向に沿って16ピクセル離れて各々の代表ピクセルアドレスウインドウ場所に対して有効でありえる。それぞれの代表ピクセルアドレスウインドウ位置のこのセットは、グリッド上の代表位置として参照できる。
【００４８】
評価点数を求める際の第一ステップが、位置グリッド上の各それぞれの代表位置について、ステップS332の動作は、その代表位置に対応する平均輝度値および各々のxおよびy方向位置グリッド上の最隣接に対応する平均輝度値間の差分の絶対値である。この種の各平均は、不統一値と呼ばれる。低い不統一値が、その代表位置で輝度均一性に一致することは明らかであり、例えば、前述したように、強度分布（ガウス分布）の中心部の近くで起こる輝度均一性で比較的よく一致する。逆にいえば、高い不統一値は、それぞれの代表位置（例えばガウス分布のhalf-width-half-max周辺で起こる輝度均一性の比較的低い度）で、輝度均一性の比較的低い度に一致する。
【００４９】
ステップS333において、位置グリッド上の全代表位置の全平均値から最高の平均値（最悪の不統一に対応する）が、次工程のために求められる。ステップS334において、相対的な（または「正規化された」）、不統一値は、ステップS335において、最高の不統一値（ステップS333において、決定された）によって、各事前に決定された不統一値を分けることによって、位置グリッド上の全代表位置に対して決定される。そして、最高の平均ローカル輝度は位置グリッド上の全代表位置の全平均輝度値から決定される。上記の理由により、比較的より高い平均輝度値が、相関画像演算のためには通常より好ましい。
【００５０】
ステップS336において、ステップS334で求められた相対的な（または「単位化された」）不統一値は、ステップS335で求められた最高の平均ローカル輝度によって、スケーリングされる。スケーリングは、単にステップS335で求められた最高の平均ローカル輝度によって、ステップS334で求められた相対的な不統一値の乗算である。1の値に近づく比較的高い不統一値のために、スケーリングが接近する値を生じることができることがステップS335で求められる最高の平均ローカル輝度である。逆にいえば、ゼロの値に近づく比較的低い不統一値（すなわち高い均一性の領域を反映している値）のために、スケーリングは、ゼロに近づく値を生じる。本質的には、このステップの目的は、位置グリッド上の種々の位置でそれぞれの平均ローカル輝度値とざっと同等である。しかし、また、位置グリッド上のそれらの種々の位置に伴うそれぞれの不統一によって、強く影響される値を提供することになる。
【００５１】
次に、ステップS337で、位置グリッド上の各それぞれの位置のために、すなわち、各それぞれの代表ピクセルアドレスウインドウ位置のために、評価点数は、決定される。評価点数は、その位置に対してすでに求められたそれぞれの平均ローカル輝度からステップS336において、その位置に対して決定されるスケーリングされた相対的な不統一値を減算することによって求められる。一般に、評価点数の高い値は、それぞれの高いローカル輝度およびほぼ0（高い均一性の領域に起こる）の相対的な不統一値を反映する。それぞれのローカル輝度値が減少するにつれ、そして、相対的な不統一値が１に近づくにつれ、（低い均一性の領域に起こる）、評価点数のますますより低い値は、ますますより小さくなる。従って、ガウス形照射ビームの場合、評価点数（すなわち評価点数の値で「最もプラスである」もの）の最高値が、図２に関して記載されているように、ほぼガウス像強度分布の中心部に対応する比較的均一で高い画像強度領域と、一致する位置グリッド上のそれぞれの位置で起こる傾向がある。しかしながら、この評価点数は、また、種々の他の照射ビーム強度プロファイルおよび結果として生じる画像強度分布によく作用する。
【００５２】
ステップS338において、評価点数（すなわち評価点数の値で「最もプラスである」もの）の最高値を有するそれぞれのピクセルアドレスウインドウに一致する位置グリッド上の位置が求められる。また、評価点数の十分にプラスの値により示されるように、十分に良好な相関画像特徴を有する、それぞれのピクセルアドレスウインドウに一致する位置グリッド上の第1のそれぞれの位置が決定される。十分に良好な相関画像特徴に一致する評価点数の値は、変化することができて、種々の出願の測定分解能要求条件に依存して、画像強度分布によく作用する。
【００５３】
ステップS339において、ステップS338において、決定される最高であるか充分な評価点数に対応する位置に従って求められるように、最高であるか充分なピクセルアドレスウインドウ特徴を有している位置グリッドのデフォルト位置は格納され出力される。このように、有効なピクセルアドレスウインドウのデフォルト位置を規定できる。ステップS340において、図４のステップS400に戻る。そこにおいて、デフォルトピクセルアドレスウインドウおよび評価点数は、オペレータに対して表示される。
【００５４】
従って、デフォルト位置は、図４−７において、例示されるアルゴリズムを用いて、操作者インタフェース装置400によって、自動的に選択される。現場の装置を搭載して、ギャップを設定して、初期設定アルゴリズムを実行することによる製造組立工程終了後、実際の動作ギャップを決めた後に、検出器上のピクセルアドレスウインドウのデフォルト位置は、自動的に選ばれる。デフォルトのピクセルアドレスウインドウおよびその評価点数は、オペレータに対して表示される。
【００５５】
例えば、操作者インタフェース装置400は、取得した画像、デフォルト位置、評価点数を表示する。これらをディスプレイ410に表示したスクリーンショット401は、図８に示される。スクリーンショット401は、取得した画像412と操作者インタフェース装置400を示す。ここで、デフォルトまたは代表となるピクセルアドレスウインドウインジケータ414が表示される。また、ピクセルアドレスウインドウに対応して、平均輝度416は、最大255グレースケールの値または正規化係数（例えば取得した画像の最大ピクセル輝度、および／または図６および７に関して記載された算出に従った係数）でピクセルアドレスウインドウの平均輝度を割ることで求められるパーセントとして表現される。また、操作者インタフェース装置400は、さらに、輝度均一性評価点数420、コントラスト値418を含むことができる。
（１）：
2006258809.tif 000003
ここで、nは、ピクセルアドレスウインドウのピクセル番号、Ai、Bi、CiおよびDiは、位置iにより表されることができる4つの最近傍ピクセルのi番目グループの輝度である。
【００５６】
図９に示すように、ABCDの中央に位置する1つの位置iに対する上記の方程式のAi、Bi、CiおよびDi輝度に対応するピクセルアレイの位置A、B、CおよびDの位置を示している図である。合計を割ることによるパーセンテージが正規化係数によって、式(1)において、表したように、コントラストは計算され表示される。実施例において、適切な正規化係数は、[(n-1)*(255/2)2]である。しかし、さらに一般的にいえば、正規化係数は、コントラスト・パーセンテージ値の妥当な範囲を特定のトランスデューサまたはアプリケーションの種類に応じて、期待される画像のタイプに提供するために選ぶことができる。他の実施形態では、コントラスト値は、ピクセルアドレスウインドウに含まれるピクセルのグレースケール輝度値の標準偏差とすることができる。また、この他の画像処理、統計処理に基づく評価点数も利用することが可能である。
【００５７】
図８はまた、他のセットアップまたは較正機能を含むことができる。たとえば「ギャップ較正」で示された図８の制御オプション430などがある。「ギャップ較正」制御オプション430を選択または起動させると、表面変位トランスデューサ1に白色光源を起動させる。そして、ディスプレイ410上に現画像412を表示して、ピンぼけに敏感に反応するコントラスト値418が最大になるまで、読取ヘッド100および測定面110間のギャップgを調整することができる。この較正でレンズ140の焦点面に面110を正確にセットすることができる。
【００５８】
他に読取ヘッド100の光源130の位置合わせも調整可能である。輝度および／または均一性評価点数が所定値以上であるかまたは最大なるまで、調整できる。
【００５９】
オペレータは、ポインティング装置、例えばマウス430を使用してピクセルアドレスウインドウのための代表領域を入力してスクリーン410上に表示できる。例えば、マウス430は、代表領域の左上角の位置または代表領域の中心点を表すことができる。オペレータは、経験に基づいて、変位計測に最も適している種類の画像に合わせて、現画像から新たな位置を選ぶことができる。すでにデフォルト位置に対して計算されたように、操作者インタフェース装置400は、次に、新たな代表位置に対して同じ評価点数を計算する。操作者インタフェース装置400は、次に、第２出力またはオペレータ評価または確認のために表示410に対する要素セットを更新する。画質および／またはピクセルアドレスロケーションが満足されるまで、このプロセスは繰り返すことができる。
【００６０】
図１０は、他の付加的な便利な手段や関数を含む構成を表示する操作者インタフェース装置400のスクリーンショット402を示す。例えば、アルゴリズムタブ433を選択して起動する場合、連続的に現画像412を取得して基準画像408連続的に相関演算を実行して変位を測定できる。求められた変位は、連続的に位置表示領域431に表示される。ゼロリセットボタン429は位置表示領域431に示される変位値をゼロにして、設定によっては、基準画像は更新される。この種の機能は、実際の変位していない時に不必要で予想外の変位「ドリフト」の存在を分析する等の問題解決に役立つ。
【００６１】
図１０に示すように、スクリーンショット402は、また、取得したライブの画像412、平均輝度416'、最新のピクセルアドレスウインドウ414'、コントラスト値418'（ピクセルのグレースケール輝度値の標準偏差）を含む。
【００６２】
また、スクリーンショット402に示されるように、操作者インタフェース装置400は、また、相関品質インジケータ432を演算表示できる。この用語『相関品質』（CQ）は、相関-タイプ変位トランスデューサにおける実効信号対ノイズ（S/N）比率に類似している。CQは、は2つの画像間のピクセル位置間の相関の量を示しているカーブである。相関曲線の相関ピーク領域が比較的より狭い場合、CQは高い。そして、ノイズ・レベルまたは相関関数の平均値と比較して、そのピーク値r extreme は比較的極端で、相関関数の差分の絶対値（AVD）に対する値より低い。CQが高い場合、相関タイプ変位計測の分解能および精度は良好である。以下の方程式によれば、相関品質CQは、多くのピクセル増加オフセットで取得したライブの画像を現在参照画像に関連させることによって、得られた相関曲線のピークの近くで相関値位置を分析して求めることができる。
（２）：
2006258809.tif 000004
ここで、ravgはrextremeを含む5つの最大の相関位置のセットの値を平均することにより規定される。この場合、CQ値が１に近いほどより良好であるかより低いAVD谷（最高であるか最も鋭いピーク）を表すことができる。そして、CQ=0は反谷（すなわち相関ピークでない）を表すことになる。二次元相関ピークの近似計測に、25の最大の相関位置のセットが、使われる。一般に、ほぼ0.9（90%）のCQは、種々の相関変位トランスデューサのための変位精度および信頼性の最高のレベルを得るのに十分である。しかしながら、問題を解決することおよび実施パラメータ調整のために、多くのアプリケーションで、それは、相関品質値が最小限の目標値（例えば0.25）を上回っていれば、変位の予想される範囲では比較的安定している。この種の相関品質インジケータの種々の態様は、米国特許出願番号10/890,919の付加的な詳細に記載されている。
【００６３】
操作者インタフェース400によって、また、オペレータが基準画像を更新またはリセットを強制できる。"Force Reference Update"のコマンドボタン426を選ぶことによって、使用中の基準画像を現在のライブ画像に置き換えることができる。このボタンがアクティブでない場合、通常変位測定動作では、図１１に記載されているように、特定の変位間隔を上回った後でのみ基準画像を更新する。"Force Reference Update"のコマンドボタン426はこの通常動作を無効にすることができる。そして、素早くトランスデューサ動作の状況を再初期化する、および／または、特定のタイプのエラーおよび動作問題を解決するのに役立つ。
【００６４】
また、"Set Restore Point"コマンドボタン428を選ぶことによって、現基準画像は、操作者インタフェース装置400のメモリ、および／または、変位トランスデューサーシステムがパワーオフために、変位トランスデューサーシステム（例えば図１３に関して後述するメモリ230）のメモリにおいて、格納され、そして、格納された基準画像に対応する前の状態または位置に回復できる。
【００６５】
図１１は、図３に示されるディスプレイ410に表示される操作者インタフェース装置400の付加的で他の機能および要素を含む構成のスクリーンショット403を示す。オペレータがトランスデューサ操作パラメータのセットを変えるかまたは問題を解決することを望む場合、図１１に示される機能は特に役立つことができる。この場合、"Image"タブ434がアクティブにされる場合、操作者インタフェース装置400は連続的に取得した現画像412およびいかなる所望の評価点数も表示するために動作することができて、そして、オペレータが画像に影響を及ぼすシステム操作パラメータを調整できる照明コントロールパネル424を表示できる。照明コントロールパネル424の中で、調整可能なパラメータは、例えば、ストロボ光源パルス幅（パルス長）、フレームディレイ、光源励起装置電流、最大のレーザダイオードパワーおよび最大のレーザダイオード電流である。
【００６６】
また、図１１に示される、操作者インタフェース装置400は、オペレータが画像獲得に関連したパラメータを調整できる"sensor"コントロールパネル422を表示できる。それらのオプションの中で、例えば、ピクセルアドレスウインドウのサイズ（"Image Size"）、その公称位置（"Image Offset"）、基準画像の更新インターバル、すなわち、システムの基準画像自動更新に事前に許されている画像変位の量、画像変位におけるピクセルとマイクロメートル間の変換に使われるレンズ拡大係数、等である。
【００６７】
動作パラメータ値は、例えば、パネル422および424に示される隣接した"up"または"down"ボタンを選ぶこと、または値をタイピングすること、スクリーン上の位置に対するポインティングによって、またはドラッグアンドドロップ動作によって、変えることができる。
【００６８】
オペレータは、画面ショット401-403に示される種々の要素を繰り返し使い、動作または評価点数の種々の状況を観察、比較、することによって、所望のコントロールタブ（コントロールタブ433-434、等により例証される）を切り換えることができる。従って、操作者インタフェース装置400の機能を使用して、オペレータまたは技術者は最高であるか充分な相関特徴を有している画像の領域を直観的に、または、計算された各種の評価点数に基づき各種パラメータを設定することができる。
【００６９】
画像相関変位トランスデューサのオペレーティングの1つの例示的な方法は下で概説される。そして、動作が上で記載した種々の操作パラメータおよびセットアップおよび較正のより良好な理解を提供する。ピクセルアドレスウインドウの位置を測定して、相関算出は、ピクセル相関エリアからピクセルのサブセットを使用することができる。ピクセル相関エリアは、通常は、基準画像を更新せずに測定ができる範囲を最大にするために、ピクセルアドレスウインドウの半分である。PCT国際出願No.PCT/US2004/014705において記載されているように、種々のアプリケーションで、ほぼ16,384ピクセルを使用する、または、128×128ピクセルのピクセル相関エリアは約0.002ピクセルのピッチの相関測定標準偏差を一貫して得ることができる。
【００７０】
従って、ターゲット表面の約1umの変位に対応するピクセルピッチのために、128×128ピクセルの相関エリアは、約2nmの標準偏差を有する測定ができる。さらにまた、5つの標準偏差の間隔が所定の位置で繰返測定によって、実質的に得られた実際の相関測定値の全てを含むものと、合理的に低めに仮定する。従って、128×128ピクセルのピクセル相関エリアが、使われ、そして、正確で信頼性が高い測定分解能の約5*0.002ピクセルピッチまたは0.01ピクセルのピッチは、達成される。ターゲット表面の約1umの変位に対応するピクセルピッチは、約10nmの測定分解能を確実に提供できる。あるいは、相関エリアは、約10000および約22500の間でピクセルを含むことができる。さらに一般的にいえば、ピクセル相関エリアは、所望の測定分解能をいかなる特定の設計またはアプリケーションにも提供するために必要なピクセル数を提供するために大きさを設定される。そして、256を有しているピクセル相関エリアまたは64ピクセルさえ、使うことができる。
【００７１】
図１２は、例示的な128×128ピクセルの相関エリアおよび例示的な256×256のピクセルアドレスウインドウの種々の関係を明らかにする。同様に、比較的小さい粗い検索テンプレートで最高の相関位置に基づいて素早く近似の相関ピーク位置を推定する1つの方法を図示する。ここで記載されている実施例において、示すように、粗い検索テンプレート640は、基準画像620の中央に既知のピクセルアドレスのセットから抽出される画像ピクセルの16×16ブロックである。図１２に示すように、基準画像620は有効な256×256のピクセルアドレスウインドウにおいて、すでに取得した256×256ピクセルの画像であり、前述したように測定される検出器上の位置を有する。
【００７２】
また、基準画像620と相対的に移動する面の画像を表している現在像630は示される。現在像630は、また、有効な256の×256のピクセルアドレスウインドウにおいて、取得した256×256ピクセルの画像でありえる。
【００７３】
相関演算のレートを上げるために、128×128ピクセルの相関エリア610が、最初に使われる必要はない。むしろ、システムは現在像630において、16×16の粗い検索テンプレート640を1ピクセルずつ移動させて、各位置で相関値を測定できる。この動作は、粗い検索テンプレート640の小型のために、素早く実行することができる。
【００７４】
図１２に関して、図１２で指示したように、基準画像620と現画像630は128×128ピクセルの相関エリア610でほぼ重なる。基準画像620の中央から抽出された粗い検索テンプレートが、もしも、現在像630の中央に示される位置660に相関値のピーク位置があれば、基準画像および現画像間の表面変位はない。しかしながら、図12において、示される実施例では、相関値のピーク位置は、位置650であるので、これは現画像のエッジに近い。したがって、位置660から位置650へ向かう面変位ベクトルだけ移動したことになる。
【００７５】
相関エリア610のサイズは、基準画像620のサイズの半分である。従って、この最小寸法（16×16の半分の粗い検索テンプレート=8ピクセル）は、第1の格納された基準画像620および第2の格納された現在像630の間で許容される表面変位の最大量を測定できる。従って、図１２に示すように、基準画像620および現画像630は、粗い検索テンプレートに対して8ピクセル引いて120ピクセルの基準画像620の半分に対応する距離だけ切り離されることができる。この要求条件は、基準画像を更新せずに測定されることができる変位範囲上の上界、または、読取ヘッドの下の面110の最大許された速度、サンプル時間間隔をセットすることができる。例えば、ピクセルピッチが1umで、拡大率が1である場合、第1の格納された基準画像620および第2の現画像630の間で許される表面変位の範囲または最大量は120umである。しかしながら、さらに一般的にいえば、表面変位に関する範囲は、ターゲット表面が検出器アレイ166の面上へ撮像される拡大に比例して減少する。
【００７６】
一旦初期のピクセルアドレスオフセット値が公知であると、完全な相関演算は全128×128ピクセルを使用して実行されることができる。相関ピークの輪郭は、次に内挿されサブピクセルの精度でピーク位置が求められ、操作者インタフェース装置400の位置表示領域431に表示されたり、通常運転の際に上位システムに対する出力されたりする。
【００７７】
図１３は、信号生成処理回路200および読取ヘッド100の詳細なブロック図である。信号生成処理回路200は、コントローラ210、クロック220、メモリ230、電源調節装置240、ＤＳＰ250、シンクロナイザ260、並直列交換回路270を備える。ＤＳＰ250は、例えば、TMS320C6414 ＤＳＰ（テキサス・インスツルメンツ製）が利用可能である。コントローラ210は、例えば、CY7C68013 EZ-USB FX2マイクロコントローラ（サイブレス・セミコンダクタ製）が利用できる。読取ヘッド100は、電源調節装置110、クロック120、光検出器160、光源130、光源ドライバ135、D/Aコンバータ180、そして、シリアライザ170を備える。
【００７８】
信号生成処理回路200は、光学粗面等を用いたスペックルパターン-画像変位相関センサ、および、光学格子等を用いた相対または絶対変位トランスデューサのどちらにも適用できる。以下の説明は、コヒーレントなレーザ光源を用いてスペックルパターン-画像変位相関トランスデューサに関する。
【００７９】
光源130は、シンクロナイザ260から生るパルス信号で起動される。パルス信号を受信すると、即座に、光源は、面110を照明するためにアクティブにされる。面110から反射される光は、光検出器160により検出される。検出光強度は、光検出器160（24MHzのデータ出力）で出力8-ビットパラレル形式で測定される。コントローラ210は、通常運転の際にピクセルアドレスウインドウにおいて、定義されたその画像ピクセルアドレスのみからデータを得るために、または、光検出器160の全ピクセルからデータを得るために、上記の較正およびセットアップルーチンの際にＤＳＰ250へ信号を出力する。
【００８０】
D/Aコンバータ180を経て、コントローラ210は、信号線290によって、光源ドライバ135に接続される。コントローラ210は、適当なデジタル信号をD/Aコンバータ180に送信することによって、光源ドライバ135に光源130へ供給される電流を増減する。光源ドライバ135は、信号線285上のシンクロナイザ260から生じているパルス信号により起動される。シンクロナイザ260が、光検出器160から受け取った画素データの全フレームを検出する場合、パルス信号を生成する。
【００８１】
8-ビットパラレルデータはシリアライザ170に送信される。そして、300Mbpsのシリアルデータに変換されて、信号生成処理回路200の並直列交換回路270に3mのケーブルを介して送信される。並直列交換回路270は、ＤＳＰ250に送信するために24MHzの信号にデータを次に並直列交換できる。シンクロナイザ270は、また、デジタル信号プロセッサ250を検出器アレイ160によって、同期させるように保つフレーム同期信号を出すことができる。画像は、デジタル信号プロセッサ250による検出器アレイ160から取得され、デジタル信号プロセッサ250の内部記憶装置に格納される。デジタル信号プロセッサ250によって、取得した画像情報は、参照画像情報または現在画像情報である。いずれにせよ、少なくとも信号生成処理回路200へ電力が供給されている間、操作者インタフェース装置400に対する送信のために、コントローラ210へ転送されるように、画像情報はデジタル信号プロセッサの内部記憶装置に格納される。ここで、画像情報は、操作者インタフェース装置400の動作のいずれかのために必要な限り格納されて保持される。
【００８２】
上記したアルゴリズムによるピクセルアドレスウインドウの定義は、表面変位トランスデューサの検出器の全視野をカバーしている画素データの全集合の上の画像を得ることに基づく。画素データのこの全集合は、所望のピクセルアドレスウインドウを測定するために分析される。
【００８３】
前述の処理手順に従って取得され、デジタル信号プロセッサの内部記憶装置の現在画像部分に格納された後に、取得された現在画像はコントローラ210へ出力される。現在画像は、次に操作者インタフェース装置400に送信され、操作者インタフェース装置400の表示410に表示される。現在画像はまた、新たな基準画像として格納され、続いてライブ画像が基準画像と相関される。デジタル信号プロセッサ250は、基準画像を有する現在画像を相関させて、内挿する。そして、処理した画像および測定された位置をコントローラ210出力する。
【００８４】
ＤＳＰ250は、上で概説される適切な相関および補間技術を実行する。特に、ＤＳＰ250は、基準画像部分に格納された対応する画像値への現在画像部分からの各々のイメージ要素162の画像値を抽出して、比較して、相関テクニックを適用して、比較結果を出力する。出力された値は、現在の二次元、X、Y、オフセットに対応して、相関値を規定できる。デジタル信号プロセッサ250は、次に現在の二次元、X、Y、オフセットに対応して、比較結果を保存できる。
【００８５】
一旦現在画像部において、格納された現在画像および基準画像部において、格納された基準画像間の所望のオフセットの全てのための比較の全てがＤＳＰ250により実行されると、ＤＳＰ250はXおよびY方向のサブピクセル解像度を有するピークオフセット値または画像変位値を測定するために相関関数を内挿する補間アルゴリズムを開始する。次にＤＳＰ250は、コントローラ210に測定されたサブピクセル分解能測定値を出力して、操作者インタフェース装置400に送信する。
【００８６】
補間を実行するために、ＤＳＰ250がいかなる周知であるか後の開発された技術（例えば完全に本願明細書に引用したものとする米国特許出願09/731671において、開示される技術のいかなる一つも）も使用して、選択されたものの実際の相関結果のピーク位置をサブピクセル分解能で見つける。
【００８７】
図１４は操作者インタフェース装置400のブロック図である。そして、上記した図１３に示される、表面変位トランスデューサ1によって、利用可能である。操作者インタフェース装置400は、ディスプレイ410、ディスプレイドライバ460、マウス440、評価点数計算機470、入出力インタフェース480、コントローラ490、メモリ500、そして、キーボード450を備える。装置460-500はバス520に連結され、または、それらは特定用途向け集積回路（ASIC）の部分を形成できる。操作者インタフェース装置400がまた、パソコンに実施される。さらに一般的にいえば、装置の種々の機能を実装することが次々にできる有限状態機械を実装できるいかなる装置であってもよい。
【００８８】
そして、操作者インタフェース装置400のスタートアップの際に、必要に応じてその後で、信号線212と214を通じて、図１４に示される操作者インタフェース装置400の入出力インタフェース480に、表面変位トランスデューサ1のコントローラ210は、メモリ230から有効な種々のシステム操作パラメータを出力する。入力操作パラメータは、動作の種々のパラメータを提供することができて、操作者インタフェース装置400の値を表示するか、または、最初に操作者インタフェース装置400のメモリ500から提供される省略時パラメータを更新するか、または交換するために用いることができる。表面変位トランスデューサ1のコントローラ210は、また、図１４に示される操作者インタフェース装置400の入出力インタフェース480に、信号線212と214の上の測定された位置測定を出力できる。コントローラ210は、また、現在の画像情報をメモリ500のストレージ用のＤＳＰ250（ＤＳＰ250の内部記憶装置の基準画像部分からの参照画像情報と同様）の内部記憶装置の現在画像部分から出力や、種々の算出、その他必要に応じて、操作者インタフェース装置400により実行される動作を表示410に表示できる。
【００８９】
それらが表面変位トランスデューサ1において、画像は操作者インタフェース装置400において、いつでも最新である。必要に応じて、現在の（最後の）基準画像はメモリ500において、保存されることができる。そうすると、基準画像はリコールされることができて、電源中断の後、例えば表面変位トランスデューサ1にダウンロードされることができる。そして、表面変位トランスデューサ1がその基準画像に対応する正確な位置で別の場所に移されることができる基準画像を提供する。コントローラ210は、図１３に示されるRS-232の信号線212および図１３に示されるUSB 2.0の信号線214の上の画像情報の上の位置測定を出力できる。すでに記載されている例示的な市販構成要素を用いて、例えば、コントローラ210は、50Hzのフレームレートの画像情報および100Hzのレートの位置測定を出力できる。しかしながら、さらに一般的にいえば、レートは、いかなる具体例において、使用する構成要素能力だけに制限される。ディスプレイドライバ460は、ディスプレイ410を駆動して画像情報および位置測定を表示するようにさせることができる。
【００９０】
二個以上の信号線212および214は、従って、操作者インタフェース装置400を表面変位トランスデューサ1に連結できる。操作者インタフェース装置400は、マウス440またはキーボード450を経て代表ピクセルアドレスウインドウの位置に関して、オペレータ入力を受け入れることができる。操作者インタフェース装置400は、RS-232の信号線212またはUSB 2.0の信号線214を経て入力された値を表面変位トランスデューサ1に送信できる。新たな代表ピクセルアドレスウインドウの選択の結果として、表面変位トランスデューサ１は光検出器160からピクセルのそのサブセットだけを得るように構成することもできる。そうすることで、非常に装置の測定速度を上げることができる。
【００９１】
操作者インタフェース装置400は、また、他の方法の表面変位トランスデューサ1を構成するために用いることができる。例えば、図１１に記載の、画像に影響を及ぼすパラメータを選択するためのオペレータに提供される種々のオプションは、インタフェースを使用している操作者インタフェース装置400へ入力することができる。操作者インタフェース装置400は信号生成処理回路200のコントローラ210選択された各種パラメータの値を送信する。そして、以降の画像取得の際に使われる。例えば、操作者インタフェース400は、また、コントローラ210、光源ドライバ135およびD/Aコンバータ180と結合して、光源130の動作条件を制御するために用いることができる。例えば、オペレータがスクリーンショット403に示される照明コントロールパネル424上の光源励起装置電流を増加させるほうを選択する場合、コントローラ210はD/Aコンバータ180に命令を送信する。そして、それは、図13に関して上記の通りで、次に適当なアナログ信号を生成して、光源ドライバ135に送信する。
【００９２】
操作者インタフェース装置400は、マウス440またはキーボード450を経てオペレータから入力を受け入れることができる。マウス440が、ディスプレイ410上の位置に対するピクセルアドレスウインドウの位置を決める、または、スクリーンショット401-404に示される多くのボタンを操作することに使われる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明に係る表面変位トランスデューサ構成のブロック図である。
【図２】本発明に係るピクセルアドレスウインドウの配置に関して、検出器アレイ上の画像照明輝度の典型的な分布図である。
【図３】本発明に係る図１の表面変位トランスデューサと接続される操作者インタフェース装置の構成図である。
【図４】本発明に係るピクセルアドレスウインドウの場所を選ぶために操作者インタフェース装置を使用する方法を示しているフローチャートである。
【図５】図４の方法の付加的な詳細を例示しているフローチャートである。
【図６】図４の方法の付加的な詳細を例示しているフローチャートである。
【図７】図４の方法の付加的な詳細を例示しているフローチャートである。
【図８】図３の操作者インタフェース装置のスクリーンショットである。
【図９】図３のオペレータ・インタフェース装置のコントラスト算出に関与しているピクセルの位置を示している。
【図１０】図３の操作者インタフェース装置の付加的な特徴を例示している付加的なスクリーンショットである。
【図１１】図３の操作者インタフェース装置の付加的な特徴を例示している付加的なスクリーンショットである。
【図１２】ピクセル内部のピクセル相関エリアがウインドウに対処することを示す。そして、相関演算において、実際に関与するピクセルを含むことを示している。
【図１３】信号生成処理回路の付加的な詳細を例示するブロック図および図１および２に示される読取ヘッドである。
【図１４】図１３のハードウェアと連絡する操作者インタフェース装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００９４】
１・・・表面変位トランスデューサ、１００・・・読取ヘッド、１１０・・・面、１３０・・・光源、１３４・・・照射ビーム、１３５・・・光源ドライバ、１４０・・・レンズ、１４４・・・光軸、１５０・・・アパーチャプレート、１５２・・・アパーチャ、１６０・・・光検出器、１６２・・・イメージ要素、１６６・・・検出器アレイ、１８０・・・D/Aコンバータ、２００・・・信号生成処理回路、２１０・・・コントローラ、４００・・・操作者インタフェース装置、４０８・・・基準画像、４１０・・・ディスプレイ、４１２・・・現画像、４１４，４１４’・・・ピクセルアドレスウインドウ、４１６，４１６’・・・平均輝度、４２４・・・照明コントロールパネル、４２６，４２８・・・コマンドボタン、５１０Ｂ・・・ビームスポットセンタ、５２０Ｂ・・・ピクセルアドレスウインドウ
【図１】
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【図２】
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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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