(57)【要約】  測定システムは、互いに対して移動可能な測定用スケールパターン（１０）およびセンサー（１２）を有する。その測定用スケールパターンは、既知の絶対位置をそれぞれ、有する群内に整列される点（１４）の配列を有している。センサー（１２）は、十分な視野を有し、同時に１個以上の点を検出する。センサー（１２）と測定用スケールパターン（１０）との間の相対的な移動は、２以上の自由度で拘束される。プロセッサーは、少なくとも一つの直線および１回転自由度で、その測定用パターンに対するセンサーまたはセンサーに接続される物体の位置を決定する。
2008525783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
お互いに対し移動可能な測定用スケールパターンおよびセンサーを有する測定システム
において、
既知の絶対位置をそれぞれ有する群からなる複数の群内に配列された特徴点の配列を有する測定用スケールパターンと、
１個以上の前記特徴点を同時に検出するのに十分な視野を有する少なくとも一つのセンサーであって、該少なくとも一つセンサーおよび前記測定用スケールパターン相互間の相対移動が、２以上の自由度で拘束される少なくとも一つのセンサーと、
少なくとも一つの直線および１回転自由度で前記測定用スケールパターンに対するセンサー、または、前記少なくとも一つのセンサーに接続される物体の位置を決定するプロセッサーと、
を含んでなる測定システム。
【請求項２】
前記少なくとも一つのセンサーおよび前記測定用スケールパターン相互間の相対移動が、前記測定用スケールパターンの平面に対し平行な軸線回りの回転に制限される請求項１記載の測定システム。
【請求項３】
前記少なくとも一つのセンサーおよび前記測定用スケールパターン相互間の相対移動が、該測定用スケールパターンの平面から垂直方向に、直線運動に制限される請求項１または請求項２記載の測定システム。
【請求項４】
前記プロセッサーは、１個以上の特徴点の検出された位置を使用し、前記測定用スケールパターンに対する少なくとも一つのセンサーの位置を決定する請求項１乃至３のうちのいずれかに記載の測定システム。
【請求項５】
前記測定用スケールパターンは、二次元配列を含む請求項１乃至４のうちのいずれかに記載の測定システム。
【請求項６】
前記測定用スケールパターンは、１次元の配列を含む請求項１乃至４のうちのいずれかに記載の測定用スケールパターン。
【請求項７】
少なくとも一つのセンサーは、二次元のセンサーである請求項１乃至６のうちのいずれかに記載の測定システム。
【請求項８】
前記測定用スケールパターンと前記少なくとも一つのセンサーとの相対位置が、単一の特徴点から決定される請求項１乃至７のうちのいずれかに記載の測定システム。
【請求項９】
前記測定用スケールパターンと前記センサーとの相対位置が、二以上の個別の特徴点から決定される請求項１乃至７のうちのいずれかに記載の測定システム。
【請求項１０】
各群の特徴点は、各群において同一である性質を有するマーカー特徴点を含む請求項１乃至９のうちのいずれかに記載の測定システム。
【請求項１１】
前記マーカー特徴点は、各群においてすべての他の特徴点と異なる性質を有する請求項１０記載の測定システム。
【請求項１２】
前記マーカー特徴点は、各群におけるすべての他の特徴点と異なる色を有する請求項１１記載の測定システム。
【請求項１３】
二つのマーカー特徴点が、少なくとも一つのセンサーにより検出され、少なくとも一つのセンサーおよび測定用スケールパターンの相対的方位を決定するように使用される請求項１０乃至１２のうちのいずれかに記載の測定システム。
【請求項１４】
前記各群における前記特徴点の位置が、特徴点の性質だけが各群相互間で変更した状態で同一である請求項１乃至１３のうちのいずれかに記載の測定システム。
【請求項１５】
前記特徴点は、多重レベルコーディングを有する請求項１乃至１４のうちのいずれかに記載の測定システム。
【請求項１６】
前記特徴点は、様々な色から選択される請求項１５記載の測定システム。
【請求項１７】
前記群は、Ｘ位置を識別する１個以上の特徴点およびＹ位置を識別する１個以上の特徴点を有する請求項１乃至１６のうちのいずれかに記載の測定システム。
【請求項１８】
前記少なくとも一つのセンサーは、互いに固定関係をもって二つのセンサーを含む請求項１乃至１７のうちのいずれかに記載の測定システム。
【請求項１９】
推測される位置からの特徴点の画像の変位が、前記測定用スケールパターンおよび少なくとも一つのセンサー相互間における相対速度を決定するように使用される請求項１乃至１８のうちのいずれかに記載の測定システム。
【請求項２０】
互いに対して移動可能である測定用スケールパターンおよび少なくとも一つのセンサーの相対位置を測定する方法であって、該測定用スケールパターンが、既知の絶対位置をそれぞれ有する複数の群に配列される特徴点の配列を備え、該センサーが二以上の自由度で拘束される前記測定する方法において、
少なくとも一つのセンサーで前記測定用スケールパターンにおける１個以上の特徴点を検出し、
前記少なくとも一つのセンサーで１個以上の前記スケール用特徴点の位置を決定し、
それにより、少なくとも一つの直線および１回転自由度で前記測定用スケールパターンに対する前記センサーの位置、または、少なくとも一つのセンサーに接続される物体の位置を決定することを含む方法。
【請求項２１】
二個以上の特徴点が、少なくとも一つのセンサーにより検出され、
絶対位置が知られている二個以上の特徴点の画像の位置を決定し、
前記少なくとも一つのセンサーにおける二個以上の特徴点と基準位置との間の距離の比を決定し、
前記基準位置に対する二個以上の特徴点の画像の実際の距離を決定するように前記二個以上の特徴点と前記基準位置との間の距離の比を使用することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
複数の群に配列される特徴点の配列を含み、
各群は、特徴点、該群に対し知られた位置を有し、
各群は、多重レベルコーディングを備え、該群の位置を画定する１個以上の補助的な特徴点を有する測定用スケール。
【請求項２３】
各群は、特徴点と、他の群における同様な特徴点に対し知られた位置とを有する
請求項２２記載の測定用スケール。
【請求項２４】
位置が前記群に対し知られた前記特徴点と、位置が他の群における同様な特徴点に対し知られた前記特徴点とは、同一の特徴点である請求項２３記載の測定用スケール。
【請求項２５】
多重レベルコーディングが、異なる色の使用を含む請求項２２乃至２４のうちのいずれかに記載の測定用スケール。
【請求項２６】
複数の群に配列される特徴点の配列を含み、
各群は、特徴点と、他の群における同様な特徴点に対し知られた位置とを有し、
各群は、多重レベルコーディングを備え、該群の位置を画定する１個以上の補助的な特徴点を有する測定用スケール。
【請求項２７】
お互いに対して移動可能とされる測定用スケール、および、少なくとも一つのセンサーを含み、
前記測定用スケールは、請求項２２乃至２６記載のうちのいずれかの測定用スケールである測定システム。
【請求項２８】
互いに対して移動可能である測定用スケールパターンおよび少なくとも一つのセンサーの相対位置の測定方法であって、該測定用スケールパターンが特徴点の配列を備える該測定方法において、
前記測定用スケールパターンにおける二個以上の特徴点を検出し、
絶対位置が知られた二個以上の特徴点の画像の位置を決定し、
少なくとも一つのセンサーにおける二個以上の特徴点と基準位置との間の距離の比を決定し、
前記基準位置に対する前記二個以上の特徴点の画像の実際の距離を決定するように二個以上の特徴点と基準位置との間の距離の比を使用することを含む測定方法。
【請求項２９】
互いに対して移動可能である測定用スケールパターンおよび少なくとも一つのセンサーの相対位置の測定方法であって、スケールが特徴点の配列を備える該測定方法において、
前記少なくとも一つのセンサーで前記測定用スケールパターンにおける１個以上の特徴点を検出し、
少なくとも１個のセンサーで１個以上の前記スケールの特徴点の位置を決定し、
推測される位置からの特徴点の画像の変位が、測定用スケールパターンおよび少なくとも一つのセンサー相互間の相対速度を決定するように使用される測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次元で物体の位置を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
単軸位置エンコーダーは、単一の軸線に沿った二つの物体の相対位置を測定するための装置である。代表的には、スケールは、物体の一方に取り付けられ、読取りヘッドが物体の他方に取り付けられる。その読取りヘッドは、目盛り線を検出するための単一、または複数のセンサーとスケールとを照明する光源を含む。インクリメンタル測定システムにおいて、その目盛り線は、周期模様を形成し、その読取りヘッドは、その目盛り線が、位置情報を常時監視するように計数される出力をもたらす。アブソリュート測定システムにおいて、その目盛り線は、符号語を形成し、その読取りヘッドは、その符号語を復号し、その絶対位置を決定する。
【０００３】
また、二軸インクリメンタル位置エンコーダーも現存する。最も単純な場合、これらは、互いに垂直に一緒に取り付けられる二つの読取りヘッドと、いつも二つの直交する方向に周期性を有するスケールとを含む。各読取りヘッドは、その二つの方向うちの各一方の方向で増分の移動量を測定する。そのような二軸インクリメンタル位置エンコーダーは、欧州特許出願第ＥＰ１１０６９７２号に開示されている。
【０００４】
欧州特許出願第ＥＰ１０９９９３６号は、１ビットの情報をそれぞれ含むセルの行列に分割された表面を有する二次元絶対式測定用スケールを説明している。そのスケールにおけるビットの値は、そのスケールにおけるすべてのビットうちの一部を読み取ることにより、電子的な読取装置の絶対位置が二つの方向で決定可能とされるように、符号語を形成すべく整列されている。
【０００５】
【特許文献１】欧州特許出願第１１０６９７２号明細書
【特許文献２】欧州特許出願第１０９９９３６号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、お互いに対し移動可能な測定用スケールパターンおよびセンサーを有する測定システムをもたらし、測定システムは、既知の絶対位置をそれぞれ有する群からなる複数の群内に配列された特徴点の配列を有する測定用スケールパターンと、１個以上の前記特徴点を同時に検出するのに十分な視野を有する少なくとも一つのセンサーであって、前記少なくとも一つセンサーおよび測定用スケールパターン相互間の相対移動が、２以上の自由度で拘束される少なくとも一つのセンサーと、少なくとも一つの直線および１回転自由度で前記測定用スケールパターンに対するセンサー、または、前記少なくとも一つのセンサーに接続される物体の位置を決定するプロセッサーと、を含んでなる。
【０００７】
好ましくは、前記少なくとも一つのセンサーおよび前記測定用スケールパターン相互間の相対移動が、前記測定用スケールパターンの平面に対し平行な軸線回りの回転に制限される。前記少なくとも一つのセンサーおよび前記測定用スケールパターン相互間の相対移動が、該測定用スケールパターンの平面から垂直方向に、直線運動に制限される。
【０００８】
好ましくは、前記プロセッサーは、１個以上の特徴点の検出された位置を使用し、前記測定用スケールパターンに対する少なくとも一つのセンサーの位置を決定する。
【０００９】
従って、このシステムにより、測定用スケールパターンの平面に平行な少なくとも一つのセンサーの相対的な並進運動、および、測定用スケールパターンの平面に対し垂直な軸線回りの少なくとも一つのセンサーの相対的な回転運動が、決定可能とされる。加えて、また、測定用スケールパターンに対し垂直な方向に、少なくとも一つのセンサーの相対的な並進運動が、決定され得る。
【００１０】
前記測定用スケールパターンは、二次元、または一次元のスケールパターンである。
【００１１】
少なくとも一つのセンサーは、好ましくは、カメラのような二次元のセンサーからなる。
【００１２】
前記測定用スケールパターンと前記少なくとも一つのセンサーとの相対位置が、単一の特徴点（即ち、細長い特徴点）、または、二以上の個別の特徴点から決定される。
【００１３】
各群の特徴点は、各群において同一である性質を有するマーカー特徴点を含む。
【００１４】
前記マーカー特徴点は、各群においてすべての他の特徴点と異なる性質を有する。
従って、マーカー特徴点は、他の特徴点から区別され得る。
前記マーカー特徴点は、各ユニットにおけるすべての他の特徴点と異なる色を有する。
【００１５】
好ましくは、二つ以上のマーカー特徴点が、少なくとも一つのセンサーにより検出され、少なくとも一つのセンサーおよび測定用スケールパターンの相対的方位を決定するように使用される。
【００１６】
前記各群における前記特徴点の位置が、特徴点の性質だけが各群相互間で変更した状態で同一である。
【００１７】
前記特徴点は、多重レベルコーディングを有する。前記特徴点は、様々な色から選択される。
【００１８】
多重レベルコーディングを有する各特徴点の利点は、より少数の特徴点が、例えば、二進コードとは違った位置情報を符号化するように使用可能とされるということである。従って、本発明により、絶対位置情報が、二進コードを用いる場合に比べて高い分解能で決定可能とされる。
【００１９】
そのユニットは、Ｘ位置を識別する１個以上の特徴点およびＹ位置を識別する１個以上の特徴点を有するものでもよい。
【００２０】
前記少なくとも一つのセンサーは、互いに固定関係をもって二つのセンサーを含むものでもよい。
【００２１】
推測される位置からの特徴点の画像の変位が、前記測定用スケールパターンおよび少なくとも一つのセンサー相互間における相対速度を決定するように使用される。
【００２２】
本発明の第２の側面は、測定する方法をもたらし、その測定する方法は、互いに対して移動可能である測定用スケールパターンおよび少なくとも一つのセンサーの相対位置を測定する方法であって、該測定用スケールパターンが、既知の絶対位置をそれぞれ有する複数の群に配列される特徴点の配列を備え、該センサーが二以上の自由度で拘束される前記測定する方法において、少なくとも一つのセンサーで前記測定用スケールパターンにおける１個以上の特徴点を検出し、前記少なくとも一つのセンサーで１個以上の前記スケール用特徴点の位置を決定し、それにより、少なくとも一つの直線および１回転自由度で前記測定用スケールパターンに対する前記センサーの位置、または、少なくとも一つのセンサーに接続される物体の位置を決定することを含む。
【００２３】
二個以上の特徴点が、少なくとも一つのセンサーにより検出され、その方法は、さらに、絶対位置が知られている二個以上の特徴点の画像の位置を決定し、前記少なくとも一つのセンサーにおける二個以上の特徴点と基準位置との間の距離の比を決定し、前記基準位置に対する二個以上の特徴点の画像の実際の距離を決定するように前記二個以上の特徴点と前記基準位置との間の距離の比を使用することを含む。
【００２４】
本発明の第３の側面は、測定用スケールをもたらし、その測定用スケールは、複数の群に配列される特徴点の配列を含み、各群は、特徴点、該群に対し知られた位置を有し、各群は、多重レベルコーディングを備え該群の位置を画定する１個以上の補助的な特徴点を有する。
【００２５】
さらに、各群は、特徴点と、他の群における同様な特徴点に対し知られた位置とを有するものでもよい。位置が前記群に対し知られた前記特徴点と、位置が他の群における同様な特徴点に対し知られた前記特徴点とは、同一の特徴点でもよい。
【００２６】
多重レベルコーディングが、異なる色の使用を含むものでもよい。
【００２７】
本発明の第４の側面は、測定用スケールをもたらし、その測定用スケールは、複数の群に配列される特徴点の配列を含み、各群は、特徴点と、他の群における同様な特徴点に対し知られた位置とを有し、各群は、多重レベルコーディングを備え該群の位置を画定する１個以上の補助的な特徴点を有する。
【００２８】
本発明の第５の側面は、測定システムをもたらし、その測定システムは、お互いに対して移動可能とされる測定用スケール、および、少なくとも一つのセンサーを含み、上述の測定用スケールを有する。
【００２９】
本発明の第６の側面は、測定する方法をもたらし、その測定する方法は、互いに対して移動可能である測定用スケールパターンおよび少なくとも一つのセンサーの相対位置の測定方法であって、該測定用スケールパターンが特徴点の配列を備える該測定方法において、前記測定用スケールパターンにおける二個以上の特徴点を検出し、絶対位置が知られた二個以上の特徴点の画像の位置を決定し、少なくとも一つのセンサーにおける二個以上の特徴点と基準位置との間の距離の比を決定し、前記基準位置に対する前記二個以上の特徴点の画像の実際の距離を決定するように二個以上の特徴点と基準位置との間の距離の比を使用することを含む。
【００３０】
本発明の第７の側面は、測定方法をもたらし、その測定方法は、互いに対して移動可能である測定用スケールパターンおよび少なくとも一つのセンサーの相対位置の測定方法であって、該スケールが特徴点の配列を備える該測定方法において、前記少なくとも一つのセンサーで前記測定用スケールパターンにおける１個以上の特徴点を検出し、少なくとも１個のセンサーで１個以上の前記スケールの特徴点の位置を決定し、推測される位置からの特徴点の画像の変位が、測定用スケールパターンおよび少なくとも一つのセンサー相互間の相対速度を決定するように使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明は、添付図面を参照し一例として説明されるだろう。
【００３２】
図１は、本発明における二次元（２Ｄ）スケールおよび読取りヘッドを示す。スケール１０および読取りヘッド１２は、スケールの平面に対し平行な平面内に互いに対して移動可能な複数の部材（不図示）に取り付けられ得る。
【００３３】
そのグリッドは、点１４の配列からなる。その配列は、それぞれ、９個の点を含む一連の基本単位で作られる。図２は、その配列における基本単位１６の平面図を示す。これは、８個の着色された点１９により取り囲まれる中央の暗黒点１８を含むマーカー特徴点（ｍａｒｋｅｒ  ｆｅａｔｕｒｅｓ）からなる。その基本単位は、着色された点１９の色を変更することにより、互いに異なる。その配列は、これらの基本単位から作られており、各基本単位は、着色された点の色における異なる配置を有している。
【００３４】
各黒点の位置は、その群における着色された特徴点に対して既知とされる。また、各黒点の位置は、他の群における黒点に対して既知とされる。異なる群における黒点の位置は、例えば、そのグリッドを写像することにより、決定され得る。
【００３５】
各基本単位において、４個の着色された点２０は、そのＸ軸線に沿った位置を符号化するために使用され、４個の着色された点２２は、Ｙ軸線に沿った位置を符号化するために使用される。
【００３６】
図３は、そのグリッドの一部を構成する基本単位を示す。同様なＸ軸線に沿った位置を有するすべての基本単位は、Ｘ軸線に沿った位置を意味する４個の点について着色された点における同様な模様を有している。さらに、同様なＹ軸線に沿った位置を有するすべての基本単位は、そのＹ軸線に沿った位置を意味する４個の点について着色された点における同様な模様を有している。しかしながら、Ｘ軸線に沿った異なる位置を有する基本単位は、Ｘ軸線に沿った位置を意味する４個の点について着色された点の異なる模様を有するだろう。
【００３７】
そのＸ軸線に沿った位置およびそのＹ軸線に沿った位置それぞれについての４個の点を使うと、符号化されるべき大量の位置を可能とする。例えば、６色が４個の点について使用される場合（例えば、緑、赤、青、シアン、マゼンタ、黄色）、６4通りの組み合わせが可能となり、即ち、１２９４通りの組み合わせとなる。
【００３８】
読取りヘッドは、カメラ、または、電荷結合素子（ＣＣＤ）のような他の２Ｄ光学式検出器のようなセンサーを含む。また、光源は、そのグリッドを照明するために設けられ得る。そのカメラは、その複数の点を検出し、カメラにより、各点の位置を決定することができる。
【００３９】
レンズは、既知の方法で複数の点の画像をそのセンサーに投影させるために設けられてもよい。
【００４０】
本実施例において、そのグリッドにおける特徴点の大きさとセンサーにおける画像の大きさとの間の関係は、１：１である。これは、そのセンサーで画像のひずみが、理論上、除去されるという利点を有する。しかしながら、もう一つの選択肢として、それらが、誤って写像されたものとすることができる。
【００４１】
センサーが、ＸＹ平面内で移動するように拘束されるならば、そのセンサーは、固定焦点を有することができる。また、そのグリッドを照明するために使用される光源は、固定可能とされ、フラットイルミネーションを作る。
【００４２】
基本単位が、カメラにより投影される場合、そのスケールに対する読取りヘッドの位置は、決定され得る。中央の黒点の回りの着色された点の配列を検出することにより、着色された点の配列を有する基本単位が、識別される。コントローラは、基本単位における検出された配列とルックアップテーブルからの既知の配列とを比較し得る。カメラにおける基本単位の中央の黒点の画像の位置を決定することにより、そのグリッドに対するカメラの正確な位置が決定可能とされる。
【００４３】
そのカメラにおける黒点の画像の位置は、その中央を決定することにより見つけられる。これは、例えば、その点の周縁を検出し、それからその中央を推定することにより、簡単になされ得る。点の位置を位置決めするためにその点の中央を用いることは、センサーにより必要とされる画像処理を減らし、低解像度のセンサーを使用できる。
【００４４】
それらの色およびおおよその位置だけが、基本単位に属している黒点を識別するために必要とされるので着色された点の中央を見つける必要はない。従って、本発明は、簡単な画像処理という利点がある。さらに、本発明は、黒点だけが正確に位置決めされることを必要とされるのでグリッドは、作ることが容易であるという利点がある。着色された点の位置における誤差は、位置の読み取りに影響を及ぼさない。
【００４５】
本発明は、決定されたグリッドに対するカメラの並進運動ばかりでなく、ＸＹ平面におけるカメラの回転運動も上述したように決定可能とされるという利点がある。
【００４６】
カメラのビューイングウインドー（ｖｉｅｗｉｎｇ  ｗｉｎｄｏｗ）は、二つの基本単位が、常に見られるくらいに大きい。図４は、カメラにおいて映し出されるようなグリッドを示す。基本単位３４、３６における二つの黒点３０、３２のＸＹ位置を決定することにより、一方の黒点３０から他方の黒点３２までのベクトル３８が、決定可能とされる。二つの黒点相互間における方向関係を決定することにより、ＸＹ平面においてそのグリッドに対するそのカメラの方位が、決定可能とされる。この演算は、そのセンサーに関連付けられるプロセッサーにおいて実行可能とされる。
【００４７】
図１乃至図４に示される実施例において、その基本単位は、正方形であり、従って、スケールに対するセンサーの方位が比較的小さな角度で決定可能とされる。しかしながら、９０°の回転は、異なる基本単位と識別できない。異なる形状の基本単位を使って、例えば、点配列（４×２）で作られる長方形を使うと、９０°の方位が決定可能とされるが、同様な問題が、１８０°の方位について遭遇されるだろう。非対称のマーキングは、基本単位の絶対位置が３６０°にわたって決定可能とされるように基本単位において含まれ得る。
【００４８】
黒点は、他の形状、例えば、ハイフン形状（ｈｙｐｈｅｎ  ｓｈａｐｅ）の特徴点に置き換え可能とされる。この場合、一つのハイフンだけが、そのグリッドに対するカメラの方位を決定するために検出されることが必要とされるだろう。
【００４９】
相対的な方位は、黒点（または、他の特徴点）のいくつかの組や、より正確な結果を得るために平均化された結果を使って決定されてもよい。
【００５０】
着色された点の配列は、異なる形状の配列、または、異なる間隔をもった配列即ち複数の点に置き換え可能とされる。代替的に、異なる反射率の複数の点は、使用可能とされる。
【００５１】
そのカメラは、好ましくは、スケール（即ち、ＸＹ平面内、およびＺ軸線回りの回転）の平面内だけ移動するように拘束される。カメラをそのように拘束することにより、問題にしている一部の位置が、移動が６自由度全部において可能であるならば可能とされるよりもより正確に推定可能とされる。これは、Ｘ軸線またはＹ軸線回りの回転、Ｚ軸線における移動が、そのスケールを見ることにより、推定可能とされるけれど、これらの事項は、代表的には、Ｘ軸線、またはＹ軸線方向の移動、またはＺ軸線回りの回転と同じ正確さで決定可能とされないためである。Ｘ軸線またはＹ軸線回りの回転の演算における如何なる誤差も、スケールの平面と問題にしている位置との間の距離により、増大するだろう。また、Ｘ軸線およびＹ軸線の回りの回転は、Ｘ−Ｙ軸線平面およびＺ軸線回りにおける読み取り位置の正確さに影響を及ぼすだろう。従って、そのスケールとカメラとの相対的な移動を拘束することにより、そのシステムは、例えば、１ミクロン程度以下の高精度で位置を検出できる。
【００５２】
また、このシステムは、Ｚ軸線におけるグリッドおよびカメラ相互間の相対変位を決定するように使用可能とされる。図５は、カメラ４２がＸ軸線、Ｙ軸線、および、Ｚ軸線におけるグリッド４０に対し移動可能とされるシステムを示す。光源４４、例えば、カメラ４２に対し固定された位置で位置決めされるレーザーが、グリッド４０上の光点４６を投射するように使用される。光源４４は、カメラ４２に対しある角度、例えば、４５°で設定される。カメラ４２がグリッド４０に対しＺ軸線において移動するとき、光点４６の位置がカメラ４２により検出され、Ｘ軸線内で移動するだろう。従って、カメラ４２における光点４６の位置を測定することにより、グリッド４０およびカメラ４２相互間の相対変位が、決定可能とされる。
【００５３】
図６は、Ｚ１およびＺ２でグリッド４０における二つの相対位置を示す。光源４４から投射された光ビーム４８は、グリッドの位置Ｚ１およびＺ２、異なる位置でグリッド４０に交差し、それにより、カメラ４２に投影される光点４６の位置が二つのグリッドの位置についてＸずれる。
【００５４】
そのカメラは、上述と同様に、Ｘ軸−Ｙ軸線平面における相対位置を決定するために使用される。そのカメラは、自動焦点手段を備え、カメラがグリッドから異なる距離で複数の点を適切に検出できてもよい。
【００５５】
図９は、たとえ、センサーがＸ軸線−Ｙ軸線平面においてだけ移動するように拘束されても、そのセンサーがＺ軸線において並進運動を測定できる実施例を示す。この実施例において、センサー１２は、そのセンサーがＸ軸線−Ｙ軸線平面において２自由度の並進運動、および、Ｚ軸線回りの回転運動を有するように拘束される。測定用スケール１０は、スケールパターン（ｓｃａｌｅ  ｐａｔｔｅｒｎ）が印刷された半透明構造からなる。センサー１２は、測定用スケールの下方に位置付けられ、レーザー７４が取り付けられた取付構造に対しブラケット７０を介して固定されている。レーザー７４は、ある角度でセンサー１２に向けられている。取付構造７２により、レーザー７４がＺ軸線において移動可能とされるが、一方、他の５自由度において拘束される。測定用スケール１０が半透明なのでセンサーは、レーザー点を検出でき、レーザーがＺ軸線で移動したとき、その移動を検出できる。カメラまたはプローブのような装置は、取付構造７２に取り付けられ、従って、その移動が、４自由度、即ち、Ｘ軸線、Ｙ軸線、および、Ｚ軸線において並進運動的、およびＺ軸線回りの回転的に測定され得る。
【００５６】
図７に示される代替的な実施例において、そのカメラは、互いに角度的にずれた二つのカメラ５２、５４と置き換えられてもよい。カメラ５２、５４双方は、グリッド５０における同一の位置に焦点が合わされる。グリッド５０およびカメラ５２、５４相互間の相対変位が変化するとき、カメラ５２、および、カメラ５４のそれぞれにより検出される配列は、変化するだろう。この変化は、Ｚ軸線における相対的変位を測定するために使用可能とされる。
【００５７】
グリッドＺ１の第１の相対位置で、二つの点５６および点５８は、カメラ５２およびカメラ５４双方により検出される。グリッドＺ２の第２の相対位置で、カメラ５２だけが、点５６を検出し、カメラ５４は、点を検出しない。カメラからの出力は、コントローラーに送出される。カメラ５２およびカメラ５４の出力は、Ｘ軸線−Ｙ軸線平面におけるグリッドに対するカメラの変位を決定するように加算される。カメラ５２および５４からの出力差は、グリッド５０に対するカメラ５２および５４におけるＺ軸線の変位を決定するように使用される。
【００５８】
そのグリッドおよびカメラにおける相対高さを決定する他の方法は、図１０および図１１に示される。図１０は、カメラがそのグリッドの上方であって第１の高さｈ１にある場合、そのグリッドの図を示し、図１１は、そのカメラがそのグリッドの上方であって第２の高さｈ２にある場合、そのグリッドの図を示す。
【００５９】
カメラにおける各画素の出力は、特定の高さおよび方位で予想される画像にその画像を最適にするように使用される。従って、グリッドおよびカメラの相対的な高さは、この最適な処理により、決定される。この方法は、それが単一のアルゴリズムを使用するだけにすぎないという利点を有する。
【００６０】
さらに、その方法は、大小の距離でグリッドおよびカメラの相対的な高さを正確に決定できるという利点を有する。
【００６１】
従って、これは、より大きな距離に関し正確にすぎないような、異なる高さについて視野内で複数の点を計数するよりもより良い結果を与える。また、それは、より小さい距離について正確にすぎないような点の直径を測定するよりもより良い結果を与える。
【００６２】
また、この方法は、カメラのすべての画素が使用されるとき、もし、いずれかの画素が誤った信号を作る場合、その誤差は、全体的な結果にほとんど影響を及ぼさないという利点を有している。これは、単一の画素からの誤差がより大きな影響を及ぼす点の直径を比較する方法とは異なる。
【００６３】
また、本発明は、リニアスケールにおける回転を測定するために使用され得る。図８は、リニアスケール６０およびそのスケールに対し移動可能とされる読取りヘッド６２を示す。リニアスケール６０は、それぞれ、データドット６６および着色された点６８を有する直線配列のユニット６４からなる。２Ｄグリッドのように、着色された点６８は、そのユニットを識別し、読取りヘッドのセンサーにおける黒点６６の画像により、読取りヘッドの正確な位置が決定可能とされる。
【００６４】
もし、２Ｄセンサーが使用される場合、二つの黒点のＸ軸線−Ｙ軸線における位置、それらの相対位置を決定することにより、従って、スケールおよび読取りヘッドにおける方位が決定可能とされる。これにより、リニアスケールに対する読取りヘッドの非線形の移動が測定可能とされる。
【００６５】
本発明のさらなる実施例が、図１２に示される。この実施例において、二つのセンサー８０、８２（例えば、カメラ）が、グリッド８４における点配列を検出するように使用される。二つのセンサー８０、８２は、距離ｄの間隔、例えば、５０ｍｍまたは１００ｍｍの間隔で設けられ、バー８６によりお互いに対して固定されている。双方のセンサーは、互いに平行に、そのグリッドに向けられている。グリッドおよびセンサーの相対的な方位を決定するように単一のセンサーの視野内の二つの点を検出するのではなく、各センサーにより検出される一つの点が、この演算ために使用される。この構成は、演算に使用される複数の点が、かなりの量により分別され、従って、例えば、１．５ｍｍ離れて設けられる単一のセンサーの視野内の二つの隣接する点を使用するよりもより正確となる。
【００６６】
本発明の装置が、好適な隙間公差を有することが望ましい。図１３は、センサーによりとられるグリッド８４におけるマーカー特徴点（例えば、黒点）８８の画像を示す。そのグリッドに対しセンサーの位置を決定するためにマーカー特徴点における画像の位置が、決定されなければならない。そのグリッドにおけるマーカー特徴点の現実の位置は、知られているので（例えば、色分けされた点から）センサーの相対位置は、決定され得る。センサーにおけるマーカー特徴点８８の位置を決定するために画素の数が、Ｘ軸線およびＹ軸線双方の方向にマーカー特徴点の画像から基準位置９０（例えば、画像の中心）まで計数される。その基準位置からのマーカー特徴点の画像の距離を決定するために画素の数には、画素の目盛り係数が乗算される。しかしながら、マーカー特徴点の位置を決定するこの方法は、画素の目盛り係数が、そのグリッドに対するセンサーの隙間によって異なるという短所を有する。
【００６７】
そのグリッドに対するセンサーの位置は、各方向（Ｘ，Ｙ）においてセンサーの相対位置を決定するように二つのマーカー特徴点を使用することにより、画素の目盛り係数が必要とされることなく、決定され得る。図１４は、センサーによって作られる画像を示す。グリッドにおける二つのマーカー特徴点９０、９２の画像が、Ｘ方向においてグリッドに対するセンサーの位置を決定するように使用される。Ｘ方向において、グリッドにおけるマーカー特徴点の位置は、知られている。基準位置（即ち、その画像の中心）からのこれらのマーカー特徴点の画像までの距離は、中央の画素と二つのマーカー特徴点との間の距離の比から推測可能とされる。この比は、カメラの中心およびマーカー特徴点の知られた座標に対する距離と実際の距離との比と同じだからである。
【００６８】
従って、図１４において、例えば、センサーの中心は、Ｘの位置（１００＋２／３（１０２−１００））およびＹの位置（１９８＋１／２（２００−１９８））を有している。
【００６９】
その画素の目盛り係数は、必要とされず、従って、この実施例は、隙間に対し強い。
【００７０】
グリッドにおける複数の点の位置データは、カメラの視野９４を走査することにより、決定される。これは、代表的には、ラスター走査し、上端の行９６に沿って各画素からの情報を順に読み取り、それから、図１５に示される矢印９８、１００により示されるように、各次の行についてこの方法を繰り返すようになされる。
【００７１】
図１６は、カメラの視野における４個の点Ａ，Ｂ，Ｃ，および、Ｄを示す。上述したように、ラスター走査を使って各画素からデータを読み取り、点Ａの測定データが、最初に読み出され、そして、点Ｂ．点Ｃ、続いて最後に、点Ｄが読み出される。もし、そのセンサーとグリッドとの間に相対移動がある場合、点Ｄの位置は、その付近で画素からの出力が読み取られるまでに変更され得る。それらがそうであると推測されているところからの二つの下の点ＣおよびＤの位置の移動は、グリッドおよびセンサーの相対速度を決定するために使用可能とされる。遅い相対速度ならば、点Ｃおよび点Ｄの良好な画像が、もたらされ、点ＣおよびＤの位置が、正確な位置データを与えるように識別可能とされる。速い相対速度ならば、点ＣおよびＤの不明瞭な画像がもたらされ、その点における変化が、相対速度の測定のために使用可能とされる。
【００７２】
二次元の測定用グリッドおよび関連付けられたセンサーは、多くの利用可能性を有している。その使用の一つは、プリント回路基板（ＰＣＢ）を試験するために使用されるもの（例えば、フライングプローブテストシステム）のようなＸ−Ｙプレーナーモータとともに使用する。Ｘ−Ｙプレーナーモータの部品における相対位置は、従来から磁気グリッドからの計算値により数ミリメートルの精度で決定される。
【００７３】
本発明の測定用グリッドおよびセンサーにより、移動する部品の相対位置が、数マイクロメートルの精度で決定可能とされる。さらに、本発明の測定用グリッドは、大なる大きさで容易に製造可能とされ、それゆえ、大型機械、例えば、上述のフライングプローブテストシステムの用途に好適となり、１ｍ2以上の大きさを有し得るという利点を有している。
【００７４】
フライングプローブテストシステムのような機械は、代表的には、既に、測定用グリッドのためのセンサーとしても使用され得るカメラを備えている。
【００７５】
また、測定用グリッドおよびセンサーは、分析のような処置を行なうための二次元ステージを有する実験器具における使用に適している。代表的には、これらの二次元ステージは、移動する部品の相対位置を制御するようにステッピングモーターまたはリニアモーターを使用する。二次元測定用グリッドは、キャリブレーショングリッドとして装置の角に位置決めされ得る。代替的に、キャリブレーションアーテファクト（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ａｒｔｅｆａｃｔ）は、ウェルプレート（ｗｅｌｌ  ｐｌａｔｅ）に対し同様に二次元のグリッドを有する測定用グリッドを備えることを可能とする。これらの器具は、代表的には、例えば、分析において反応を監視するためのカメラを備え、これらのカメラは、測定用グリッドのためのセンサーとして使用可能とされる。
【００７６】
その測定用グリッドおよびセンサーは、既に、カメラまたは測定用グリッド用センサーとして使用可能とされる他のセンサーを備える器具に適している。例えば、測定用グリッドおよびセンサーは、顕微鏡における使用に適している。これは、顕微鏡が代表的には、バックライトであり、それ故、付加的な光源を必要としないという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】２Ｄグリッドおよび読取りヘッドの平面図を示す。
【図２】図１における２Ｄグリッドの基本単位の平面図である。
【図３】図１におけるグリッドの一部分である。
【図４】隣接する中央の点相互間の方向ベクトルを示す図１におけるグリッドの一部分である。
【図５】グリッド、カメラ、付加的な光源を示す第２実施例の側面図である。
【図６】異なる高さでグリッドを示す図５における実施例の略図である。
【図７】グリッドおよび二つのカメラを示す第３実施例の側面図である。
【図８】リニアスケールおよび読取りヘッドの平面図である。
【図９】計測されるＺ平行移動を可能にするシステムの代替的な実施例の略図である。
【図１０】グリッド上方の第１の高さでカメラにより検出される画像図である。
【図１１】グリッド上方の第２の高さでカメラにより検出される画像図である。
【図１２】二つのセンサーを用いた本発明における実施例を示す。
【図１３】単一のセンサーを用いた測定用グリッドにおける点の検出された画像を示す。
【図１４】図１２におけるセンサーの配置を用いた測定用グリッドにおける二つの点の検出された画像を示す。
【図１５】センサーの画素におけるラスター走査を示す。
【図１６】センサーにおける複数の点の画像を示す。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年11月6日(2007.11.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
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【国際調査報告】
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2008525783.tif 000022
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