(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２の物体に対する第１の物体の位置を測定するための方法であって、
センサアレイと、既知の焦点距離を有する結像光学素子とを備えたセンサ装置を、前記第２の物体に固定するステップと、
前記第１の物体の構造的特徴及び印刷特徴の少なくとも１つを表す光のコントラストを生じさせるために、前記第１の物体をインコヒーレント光で照射するステップと、
基準イメージデータを取得するステップと、
前記第１の物体のイメージデータが、前記第１の物体の構造的特徴及び印刷特徴の少なくとも１つを表す前記光のコントラストに応答するように、及び、前記イメージデータが、前記センサ装置に対する前記第１の物体の位置によって決まるコントラストを有するように、前記センサ装置を利用して、前記第１の物体のイメージデータを捕捉するステップと、
前記第１の物体と第２の物体の可能性のある変位を表す相関係数値を決定するステップと、
前記係数値に対して、回帰的に当てはめた滑らかな表面の最小値を計算することによって変位を決定するステップ
を含む、方法。
【請求項２】
基準イメージデータを取得する前記ステップ及びイメージデータを捕捉する前記ステップは、前記第１の物体の一連のイメージデータフレームの各イメージデータフレームが、前記第１の物体の構造的特徴及び印刷特徴の少なくとも１つを表す前記光のコントラストに応答するように、前記センサ装置を利用して、前記第１の物体の一連の前記イメージデータフレームを捕捉するステップを含み、さらに、前記一連のイメージデータフレームからの個別のフレームを比較して、前記一連のイメージデータフレームの捕捉時における前記第１の物体と前記第２の物体との間における相対的側方移動情報を求めるステップを含むことからなる、請求項１の方法。
【請求項３】
前記相対的近接度情報を利用して、前記第２の物体と前記第１の物体との接触のための接近、接触からの離脱、または、実際の接触を制御するステップをさらに含む、請求項１または２の方法。
【請求項４】
センサ装置を固定する前記ステップが、前記センサ装置をロボットのエンドエフェクタに取り付けるステップであり、前記第１の物体を照射する前記ステップが、光をペイロードに向けるステップである、請求項１乃至３のいずれかの方法。
【請求項５】
前記相対的側方移動情報を利用して、前記第２の物体と前記第１の物体との接触領域における滑りを制御または防止するステップをさらに含み、この場合に、前記第１の物体はペイロードであり、前記第２の物体はロボットのエンドエフェクタであることからなる、請求項２乃至４のいずれかの方法。
【請求項６】
前記相対的近接度情報を利用して、スキャナ装置の起動及び停止を行うステップをさらに含む、請求項１乃至５のいずれかの方法。
【請求項７】
基準イメージデータを取得する前記ステップが、第１の光コントラストパターンと第１の焦点を有する基準イメージデータを取得するステップを含み、相関をとる前記ステップが、前記基準イメージデータの前記第１の光コントラストパターンの一部と、前記捕捉されたイメージデータの光コントラストパターンの一部とを数学的に比較するステップを含み、前記コントラストパターンの前記一部の両方が、前記第１の物体上の類似した位置に関連付けられることからなる、請求項１の方法。
【請求項８】
相関をとる前記ステップは、前記基準イメージデータの前記光コントラストパターンの前記一部と前記補足されたイメージデータとの光パワーレンジの差の相関をとるステップを含む、請求項７の方法。
【請求項９】
基準イメージデータを取得する前記ステップは、前記第１の物体が、前記結像光学素子の前記既知の焦点距離だけ前記第２の物体から分離されているときに、前記第１の物体を結像することによって、前記基準イメージデータを確立するステップを含む、請求項１の方法。
【請求項１０】
前記取得するステップ、前記捕捉するステップ、及び前記相関をとるステップ中に、前記結像光学素子の前記既知の焦点距離を一定に維持するステップをさらに含む、請求項１の方法。
【請求項１１】
第１の物体の表面をインコヒーレント光で照射して、前記第１の物体の構造的特徴及び印刷特徴の少なくとも１つを表す光のコントラストパターンを生成することにより、第２の物体に対する前記第１の物体の位置を求めるための位置検出及び制御システムにおいて、
前記光のコントラストパターンに応答する、前記第２の物体に取り付けられたセンサであって、該センサは、センサアレイと、既知の焦点距離を有する結像光学素子を備え、前記第１の物体から、前記光のコントラストパターンに対応するイメージデータのフレームを取得し、該イメージデータのフレームは、それぞれ、前記第１の物体と第２の物体間の距離に依存する焦点を有することからなるセンサと、
光のコントラストパターンを有する基準イメージデータを発生するための手段と、
前記第１の物体と第２の物体の可能性のある変位を表す相関係数値を決定するための手段と、
前記係数値に対して、回帰的に当てはめた滑らかな表面の最小値を計算することによって変位を決定するための手段
を備える、システム。
【請求項１２】
一連の前記フレームを取得するための手段と、
前記一連のフレームを利用して、側方位置情報を求めるための手段
をさらに含む、請求項１１のシステム。
【請求項１３】
前記第２の物体がロボットアームであり、前記センサが、前記ロボットアームに取り付けられており、前記近接度情報及び前記側方移動情報が、前記ロボットアームの接近及び解放速度を制御し、及び前記ロボットアームに対する前記第１の物体の滑りを制御するために利用されることからなる、請求項１２のシステム。
【請求項１４】
前記第２の物体がイメージスキャナであり、前記第１の物体が走査すべき文書であって、さらに、前記近接度情報及び側方移動情報の一方または両方に応答するスイッチを備えており、前記スイッチによって、前記イメージスキャナの起動及び停止が可能であることからなる、請求項１２のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学検知システムに関するものであり、特に、ある物体の、別の物体に対する近接度、表面接触、及び、側方移動を検知することが可能な光学検知システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
既知の物体から目標物体までの距離は、多くの非接触式方法で測定することが可能である。電磁エネルギーはレーダデータに利用され、音響エネルギーはソナーデータに利用され、光はライダーデータに利用される。レーダは無線波を利用し、ソナーは音波を利用し、ライダーは光波を利用する。これら３つの距離測定技法は、経過時間に依存して、距離の測定を行う。他の技法には、構造化光システム、干渉計利用システム（インターフェロメトリー）、及び、各種ビジョンシステムの利用が含まれる。また、従来の力センサ及び圧力センサを利用することも可能である。もう１つの技法では、検知される物体の表面に当たるガスジェットからの背圧の測定が含まれる。
【０００３】
「Ｆｏｃａｌ  Ｐｌａｎｅ  Ａｒｒａｙ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ  Ｓｅｎｓｏｒ」と題する、Ｊｏｈｎｓｔｏｎに対する米国特許第４，４７９，０５３号には、２つの非接触物体間の距離、すなわち、２つの物体間の近接度を測定するための構造化光方法の１つについて記載がある。第１の物体に取り付けられた光学システムが、第２の物体の表面の相対位置を検知する。この光学近接度センサは、光照射領域と光検出視野との交差を利用して、検出ボリュームを規定することによって機能する。検出ボリューム内における物体の表面から反射される光は、フォトダイオードによって検知され、物体が、交差する照射領域と視野によって規定されるボリューム内にあることを表している。Ｊｏｈｎｓｔｏｎの特許における発光体は、発光ダイオードであり、光検出器（フォトセンサ）は、フォトダイオードである。各発光ダイオード毎に、フォトダイオードが設けられ、各フォトダイオードは、その共役物体面が前述の交差ボリュームと交差するレンズの像平面上に配置されている。各発光ダイオード／フォトダイオード対をそれぞれの焦点面に適正に配置し、レンズアセンブリを互いに適正に配置することによって、物体を検出することになる、所望のボリュームを限定することが可能になる。
【０００４】
「Ｔｈｒｅｅ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｒａｎｇｅ  Ｃａｍｅｒａ」と題するＣｏｒｂｙ，Ｊｒ．に対する米国特許第４，６８７，３２５号には、構造化光を利用して、２つの非接触物体間の距離を測定するもう１つの方法の記載がある。第１の物体におけるパターン発生器及びプロジェクタは、その強度を時間の経過につれて変動させることが可能な１Ｎアレイ（1N array）の時間／空間符号化光線を発生し、該光線の異なる部分集合からなるＰの順次表示(P sequential presentations)を第２の物体に投射するが、ここで、Ｐ＝１＋ｌｏｇｂＮであり、ｂは輝度レベル数であり、Ｎは光線の数である。光線は、結像装置の光軸と同軸をなさない方向に沿って、第２の物体に投射される。線走査カメラのようなリニアセンサは、光線が第２の物体の表面上に入射する位置に光点を結像し、結像された光に対応する位置に、光線に関連したピークを有する１次元走査信号を発生する。高速レンジのプロセッサが、１次元波形を分析して、全ての光線を一意的に識別し、その高度ゼロの基準面ピークからの光線ピークの変位から深度を求め、出力レンジデータを生成する。２次元レンジマップを生成するため、矩形平面に対して、何段階もかけて、直交するように１Ｎ符号化光線（1N coded light rays）による掃引を施す回転ミラーのような手段が設けられている。
【０００５】
これらの構造化光方法は、その意図した目的に有効に役立つが、他の物体との接触を検知することができない。ただし、力センサ及び圧力センサを利用して、２つの物体間の接触を測定することができるが、実際に接触しない限り、近接度を検知することはできない。同様に、センサと目標間の離隔距離がわずかな場合には、近接度センサ及び接触センサは、第１の物体上のセンサと第２の物体上の目標表面との間の側方変位を検知するのに必ずしも好適であるというわけではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ある物体と別の物体の近接度、２つの物体間の接触、及び、互いに接触している、または、ほぼ接触している２つの物体間における側方移動すなわち、「滑り」を検知するための方法及びシステムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第２の物体の表面を照射して、その第２の物体の表面に固有の構造的特徴または印刷特徴に対応する光のコントラストを生じさせることによって、第１の物体に対する第２の物体の近接度及び側方移動を測定することが可能な検知装置及び方法である。そして、第１の物体上または第１の物体内に照射装置と共に取り付けられたセンサは、第２の物体の照射表面の光のコントラストデータと基準データを比較して、相対的近接度及び側方移動情報を求める。
【０００８】
本発明の重要な構成要素は、照明装置、結像光学素子、及び、センサアレイである。照明装置は、対象とする第２の物体上に、第２の物体の表面の構造的特徴または印刷特徴を表す光のコントラストを生じさせるのに必要である。結像光学素子は、光パワーを集めて、収束させ、センサアレイは、サンプリング時間間隔にわたって集光したパワーを積分して、積分されたパワーサンプリング信号を電気信号に変換する。
【０００９】
大部分の物体の表面は、光との相互作用によって、固有のコントラストパターンを生じる、固有の光学的または構造的特徴、または、印刷特徴を備えているので、光のコントラストは、位置測定のためのランドマーク（目印）として利用することが可能である。光のコントラストを生じさせるため、発光ダイオードのような従来の光源を利用することが可能である。コントラスト値を最大にするために、対象とする物体を照射するためのさまざまな技法が利用可能である。表面が、光沢のある特性、すなわち、ミラーのような特性を示す場合によく見られるいくつかの例では、対象とする物体に対して垂直な方向から光を照射すべきである。表面が、光の散乱特性を示す場合によく見られる他の例では、ある角度で対象とする物体に光を当てることが、最良の光のコントラストを生じさせるのに役立つことが多い。
【００１０】
１つの結像レンズまたは１連の結像レンズを利用して、第２の物体の表面部分から反射または散乱する光を集めることによって、第２の物体の表面に示された光のコントラストのイメージがセンサアレイに形成される。結像レンズの倍率は、特徴の大きさを適正にスケーリングして、センサアレイがその固有な特徴を十分に解像できるように選択される。
【００１１】
さらに、接触点の近くにおけるわずかな近接度の変化によって、レンズの有効倍率に変化を生じることがないようにするため、テレセントリックレンズを用いることが可能である。また、開口数を変化させ、それにより、接触面の近くでコントラストが強い状態を保つ被写界深度を変化させることができるようにする、可変絞りを結像レンズに用いることも可能である。同様に、接触面からはるかに遠い距離をあけて、正確な近接度測定を可能にするため、ズームレンズを利用することも可能である。
【００１２】
センサは、個別の光学検出素子のアレイである。素子の間隔は、センサアレイが、一定の結像倍率で生成することができるイメージの解像度に影響を及ぼす。センサアレイは、電荷結合素子、アモルファスシリコンフォトダイオードアレイ、または、能動ピクセルのアレイとすることが可能である。
【００１３】
典型的な検知装置は、照射源、結像光学素子、及び、センサアレイから構成され、それらは、通常は、電子処理回路及び他の構造的特徴を納めることが可能な第１の物体内または第１の物体上の台に取り付けられるか、または、固定される。
【００１４】
結像光学素子は、その物体平面が第１と第２の物体の接触表面に接するときに、像平面がセンサアレイに位置するように取り付けられる。センサアレイは、そのピクセル（画素）検知素子が接触面からイメージ形成された光を受光すると、電子イメージを生成する。照射源は、対象とする物体の表面が、第１の物体にほぼ接触するか、あるいは、実際に接触している場合、前記対象とする物体である、第２の物体の表面に、光が所望の角度で当たるように配置される。照射源は、固定することもできるし、あるいは、必要に応じて入射角を調整できるように、可動とすることも可能である。
【００１５】
接触または近接度情報を求める第１のステップは、センサ装置を第１の物体に固定し、第１の物体と第２の物体を接触させ、第２の物体の接触表面を照射することである。次に、光検出装置によって、接触基準イメージを捕捉し、接触基準データとして利用する。物体の接触中における基準イメージである、接触基準データは、接触較正データとも呼ばれる。
【００１６】
接触基準データは、典型的には、対象とする物体の表面から反射／散乱する光の強度分布である。接触基準データは、比較的高いイメージ解像度、比較的高いイメージコントラスト、及び、比較的高い強度という特性を備えている。すなわち、センサの焦点が対象とする物体の表面に合っている間に、センサに送られてくる光の解像度、コントラスト、強度は、全て、対象とする物体が第１の物体と接触していない場合を上回る。
【００１７】
対象とする物体が、第１の物体と接触位置から離れたさまざまな位置にある間、すなわち、対象とする物体が、第１の物体に対して接触するまでのさまざまな近さの程度に位置する間に限って、近接度基準データと呼ばれる、追加基準データを得ることが可能である。接触基準データと比較すると、近接度基準データの解像度、コントラスト、及び、強度は、全て、２つの物体の接触位置からの離隔距離が長くなるほど低下する。照射が、２つの物体の接触時に、最も明るくなるように、及び、最良のイメージのコントラストが得られるように最適化されているものと仮定すると、距離の延長に伴うこれらの値の低下は、非線形である。
【００１８】
基準データが得られると、センサ装置は、第１の物体に対する対象とする物体の位置を測定することが可能になる。所定のポイントにおける対象とする物体の位置は、イメージデータと基準データを比較することによって測定される。データの比較は、既知の基準データとイメージデータを比較する数値計算から構成される。望ましい実施態様の場合、数値計算には、イメージデータと基準データの比較するためにフーリエ変換を利用することが可能である。
【００１９】
次に、測定イメージデータの解像度、コントラスト、及び、強度と接触基準データ及び近接度基準データを比較することによって、第１の物体に対する対象とする物体表面の近接位置または接触位置が測定される。さらに、接近速度または離脱速度を測定することも可能である。２つの物体が、互いに接触しているか、または、接触に極めて近い状態にある場合には、コントラストデータ及び／または解像度データを比較することによって、最も正確な位置測定を実施することが可能になるが、強度（すなわちエネルギー）データについては、もっと長い離隔距離において最良になる。
【００２０】
第１の物体に対する対象とする物体の側方移動を測定するため、センサ装置によって、一連の少なくとも２つのイメージデータを収集しなければならない。収集される一連のイメージデータは、近接度測定のために収集されるのと同じイメージデータとすることもできるし、あるいは、別個のデータとすることも可能である。
【００２１】
側方移動測定には、イメージデータの連続するフレームの相関が含まれる。この相関では、一連のイメージフレームにおける固有の構造的特徴または印刷特徴の位置を比較することによって、特定の時点における第１の物体に対する第２の物体の位置に関連した情報が得られる。第１のステップでは、センサ装置を利用して、第２の物体の位置に対応する基準フレームが得られる。実際のところ、基準フレームは開始位置である。次に、それより後のある時点における対象とする物体に対応するサンプルフレームが得られる。前記後の時点までの時間間隔は、通常、イメージが１ピクセル／時間間隔しか移動できないようにするのに十分なほど短い。これによって、相関計算の探索空間が最小限に抑えられ、さらに応答時間が最大限に延ばされる。
【００２２】
基準フレームにおける固有の光のコントラストパターン位置とサンプルフレームにおける同じ光のコントラストパターン位置を比較することによって、対象とする物体と第１の物体との相対的移動が示される。基準フレームとサンプルフレームの比較は、まず、基準フレームを利用して、静止状態を含めて、基準フレームがなし得る移動の、可能性のある全方向を示す一連のテンプレートを構築することによって実施される。次に、サンプルフレームと各テンプレートが比較され、相関値が計算される。この相関値は、各テンプレートとサンプルフレームとの類似度を表している。一連のテンプレートとサンプルフレームの相関度の最高値によって、対象とする物体と第１の物体との間における実際の相対的移動が示される。
【００２３】
本発明の望ましい実施態様には、センサ装置をロボットアームに組み込むこと、及び、センサを利用して、ハンドスキャナの起動及び停止を行うことが含まれている。ロボットアームに適用すると、本発明は、他の既知の近接度検知システムと連係して、人間の接触の感度に似た感度をもたらす働きをすることが可能である。既知の近接度検知システムは、一般に、本発明の動作範囲内に所望の物体を導くために用いられる。少なくとも１つのセンサ装置が、ロボットアームのエンドエフェクタすなわち「フィンガー（指）」に固定される。アームが本発明の動作範囲内にあるペイロードをつかもうとするとき、近接度測定モードにあるセンサ装置によって、ロボットアーム及びエンドエフェクタがペイロードと接触するように誘導される。エンドエフェクタがペイロードに接近すると、センサ装置は、ペイロードの表面に光のコントラストを生じさせる。上述の方法を利用して、センサ装置は、センサ装置、従って、エンドエフェクタとペイロードの相対距離を測定する。相対距離は、マイクロ秒範囲内とすることが可能な時間間隔で、継続して計算される。一定時間当たりに進む相対距離の変化を利用して、接近速度を簡単に求めることが可能である。エンドエフェクタがペイロードに近づいて、最終的に接触する際、接近速度を精密に調整することが可能である。接触すると、エンドエフェクタは、所望の作業を実施するのに十分な力でペイロードをつかむ。
【００２４】
ペイロードがエンドエフェクタに近接しているか、エンドエフェクタと係合している場合に、センサ装置によってペイロードの表面を照射することができるように、エンドエフェクタには、１つまたは複数のセンサ装置が配置される。ペイロード表面からの光のコントラストを検知し、これらを相関させて、相対的側方移動を測定する際、センサは、エンドエフェクタとペイロードとの間における移動をモニタすることが可能である。エンドエフェクタとペイロードとの間に移動があれば、ペイロードが、エンドエフェクタによってしっかりと保持されておらず、実際上、ロボットのフィンガーを「滑っている」ことになる。滑りを制御するため、ロボットアームは、エンドエフェクタとペイロードとの間の相対移動に応答して、その把握力を調整するようにプログラムされている。例えば、ロボットアームがペイロードを保持していて、ペイロードが滑り始めると、センサ装置が、相対的移動を検出して、滑りを制御するため、必要に応じて把握圧を調整する。
【００２５】
側方移動及び近接度の検出を利用して、ペイロードを解放し、ペイロードからエンドエフェクタを離すことも可能である。また、２つ以上のセンサを用いて、エンドエフェクタとペイロードの異なる接触点における滑り量及び速度を測定することによって、並進と回転の両方における相対的移動方向の測定が可能になり、従って、重力を有効に利用して、所望の方向におけるペイロードの移動及び回転を助けることが可能になる。
【００２６】
もう１つの実施態様の場合、本発明を利用して、ハンドスキャナ（以下では、単にスキャナとも記載）の所定の動作を起動または停止させることが可能である。例えば、本発明は、ハンドスキャナにおけるオン／オフコントローラとして利用することが可能である。この実施態様の場合、２つのセンサ装置が、スキャナのイメージ検出側に配置される。「パワーダウン」モードにおけるセンサ装置は、その照射システムを周期的に、律動的に動作させて、表面の存在を探索する。センサは、十分な条件が存在する場合に限って、パワーアップする。近接度測定モードにあるセンサ装置が、近接表面のイメージに十分なコントラストを検出すれば、十分な条件が存在することになる。例えば、ハンドスキャナが、パワーダウン状態で、その側面を下にして置かれている場合、センサは、その照射システムを律動的に動作させても、表面イメージの顕著なコントラストまたはパターン特性を見い出すことができない。センサの経路内にある唯一の物体が、遠くにある机上のコンピュータまたは部屋のもう一方の側の壁である場合、センサは、十分なコントラストを認識せず、オンにならない。一方、ハンドスキャナが文書上の所定位置に配置されている場合、センサ装置は、その照射システムを律動的に動作せると、十分なコントラストを検知して、完全な動作状態になり、ハンドスキャナにパワーアップを命じる。これと逆のプロセスが、ハンドスキャナのパワーダウンに用いられる。センサ装置は、十分なコントラストを検知しなければ、ハンドスキャナをオフにして、周期的照射モードに入る。また、センサ装置は、所定の時間にわたって十分な側方移動を検出しなければ、ハンドスキャナを停止することができる。スキャナは使用されていないが、手動電源スイッチがオンのままになっているか、あるいは、ブリーフケースに保管されている間に、不注意によりオンになっている場合、停止機能によって、バッテリ電源の過剰な消耗を阻止することができる。
【００２７】
側方移動センサ機能は、近接度センサ機能と別個に、または、平行して使用して、オン／オフ制御を実現することができる。平行して使用される場合、センサ及びハンドスキャナは、文書による十分なコントラストの発生及び、側方移動の指摘があるといつでもオンになる。あるいは、この２つの機能は、別の方法で平行して使用することも可能である。近接度センサによって、十分なコントラストがあると判定されると、ハンドスキャナは、パワーダウンモードからアイドルモードに高められる。側方移動が検知されると、スキャナは、アイドルモードから完全な動作モードにスイッチされる。
【００２８】
オン／オフコントローラとして単独で用いられる場合、側方移動センサ機能は、周期的に照射システムを律動的に動作させ、側方移動を検知し、十分な側方移動を検出すると、センサ及びハンドスキャナをオンにする。同様に、十分な側方移動が検出されない場合、センサ及びハンドスキャナは、アイドルモードになるか、または、オフになる。側方移動センサ機能は、表面を横切るハンドスキャナの速度が、ハンドスキャナの仕様限界より低くなるか、または、それを超えると、ハンドスキャナをオフにするようにプログラムすることも可能である。
【００２９】
本発明を利用したハンドスキャナの起動または停止には、さまざまな利点がある。本発明によれば、走査動作の起動または停止時にボタンを押す必要がなくなる。さらに、本発明によれば、スキャナが偶然オンになることによる、不必要なバッテリの消耗が防止される。
【００３０】
本発明のもう１つの実施態様は、精密な部品の自動ハンドリングである。例えば、近接度センサ及び側方移動センサを備えたシステムによって、慎重なハンドリングを必要とする集積回路を取り扱うことが可能である。適正な光学素子を用いれば、１ミクロンまたは数分の１ミクロンのオーダの高精度なセンサシステムを得ることが可能である。近接度センサモードを用いて、複数単位の同じ部品を取り扱う、組み立てラインタイプの工程では、特定ラインの部品に関する平均的な構造的特徴または印刷特徴と、対応する光のコントラストに基づいて、基準データを確立することが可能である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
対象とする物体を照射する目的は、対象とする物体の表面に、対象とする物体の構造的及び／または印刷特徴を表す光のコントラストを生じさせることにある。光のコントラストは、後述するように位置測定のためのランドマークとして用いられる。
【００３２】
多くの物体が固有の光のコントラストパターンを生じる固有の構造的及び／または印刷特徴を備えているので、光のコントラストは、位置情報を求めるために利用される。例えば、宇宙船におけるペイロードは、ペイロードの外側に固有の特徴を備えている。構造的特徴は、支持フレームまたはユーティリティボックスとすることが可能である。これらの特徴を光が照射することによって、固有のコントラストパターンが生じる。より小さいレベルでは、その表面に精細な構造（texturing）を備える金属または別の材料から同じペイロードを造ることが可能である。表面を光が照射することによって、精細な構造に対応するコントラストパターンが生じる。あるいは、物体は、例えば、殻の外側に固有の構造を備える卵とすることも可能である。同様に、物体は、木で造られたポスタ掲示板または紙で造られた文書とすることも可能である。木と紙は、両方とも、適正に照射されると、固有のパターンを生じる繊維である。紙製品の場合、光のコントラストを生じるために利用可能な微細特徴のサイズは、一般的に、１０μｍ〜４０μｍの範囲である。利用可能な他のコントラスト発生源には、印刷またはカラーといった表面マーキングがある。表面マーキングは、特に、近接度（ここでは、第１の物体と第２の物体間の相対的近接度）及び側方移動測定の性能を向上させるため、強いイメージコントラストが得られるように設計することが可能である。
【００３３】
表面に生じ、表面からイメージ形成されるコントラストは、表面を照射する光の入射角と、イメージを集めてセンサの光検出器に送る表面結像光学素子の視角（angle of viewing）の両方の関数である。この視角は、表面の垂線とビューイングレンズ（viewing lens）の光軸との角度として定義することが可能である。ほとんどの環境において、視角がほぼ０度になるように配置するするのが最良である。
【００３４】
光のコントラストを生じさせるには、従来の光源が適している。例えば、琥珀色の強度の高い発光ダイオードの線形アレイを用いることが可能である。望ましい照射源及び対象とする表面に対するその入射角の選択は、対象とする物体の構造的特徴または印刷特徴によって決まる。光の波長または色は、対象とする物体に投射された場合、コントラストが最大になるように選択される。照射用の光学素子は、ドームレンズ(dome lens)と共に１つ以上のＬＥＤから構成することもできるし、あるいは、光の損失量が最小限になるように、対象とする物体に光を導くように設計された成形光学素子から構成されるライトパイプを含むことも可能である。こうした設計では、広範囲な入射角で、対象とする物体の目標領域に対する比較的均一な照射を可能にするが、鏡面反射を回避するため、垂直な入射光線はブロックされる。
【００３５】
対象とする表面が多重散乱を生じさせるのに十分な半透明性を備えていない場合は、レーザからのコヒーレントな光を用いることが可能である。表面の相対位置が時間の経過につれて変化すると、対象とする表面の複数の深度に位置する散乱中心からの多重散乱によって、表面イメージにスペックルパターンの「ボイリング（boiling）」が見られるようになる。しかし、アルミニウム表面のような対称とする非半透明表面においてさえ、パターン移動から物体移動を推測するのは、関連する照射、ビューイング（視野、viewing）、相対移動の幾何学特性によって面倒なものになる可能性がある。従って、インコヒーレントな照射が望ましい照射である。対象とする表面が、表面プロファイルすなわち、材料屈折率の変動を有する場合には、平行化光が望ましい。平行光は、同じ、すなわち平行な方向に進行する光から構成され、従って、鮮明度に優れた表面プロファイルの陰影を生じる、すなわち、良好なコントラストを生じる光である。マーキングが印刷されているが、表面プロファイルがほとんどない表面の場合、コントラストは、むしろ、入射範囲内における発散または収束にあまり左右されない光の散乱及び吸収効果の結果であるため、非平行光が望ましい。
【００３６】
所望の光のコントラストを生じさせるために利用することが可能な、対象とする物体を照射するさまざまな方法が存在する。いくつかの場合は、対象とする物体に対して垂直な方向から光を照射することが可能な場合もある。図１ａに示すように、多の場合には、ある角度で対象とする物体にぶつかる光１２が、対象とする物体の構造的特徴１４を与える最良の光のコントラストを生じるのに役立つ場合もある。
【００３７】
例えば、後述するハンドスキャナの実施態様の場合、入射角の選択は、対象とする物体、典型的には、あるタイプの文書の材料特性によって決まる。対象とする物体の表面にあまり光沢がない場合、かすめ角で照射すると、より暗くより長い陰影、及び、より明瞭なコントラスト、すなわち、ＡＣ／ＤＣ信号が発生する。しかし、照射角が、対象とする物体に対する垂線から９０度に近づくにつれて、すなわち、かすめ角が０度に近づくにつれて、ＤＣ信号レベルは低下する。
【００３８】
対象とする物体の所望の領域に対してかすめ角をなす照射は、対象とする物体の表面が顕微鏡レベルで極めて平坦性に乏しい用途には、うまく作用する。例えば、対象とする物体が紙、厚紙、織物、または、人間の皮膚の場合、かすめ角で光源から光を照射すると、固有の構造的特徴に関連したＳ／Ｎ比の高い（コントラストの強い）イメージパターンが得られる。一方、表面プロファイルが最小の、写真、雑誌カバー、及び、オーバヘッドプロジェクタ用の透明フィルムのような、光沢のある対象物体に沿ったスキャナの移動を追跡するため、位置データが必要になる用途の場合、垂直またはそれに近い入射角のインコヒーレントな光を利用するのが望ましい。垂直またはそれに近い照射を行って、鏡面反射される領域内の対象とする物体を見ると、イメージ及び相関に基づく位置測定を可能にするのに十分に豊富な構造の内容をもつイメージが得られる。こうした場合、対象とする物体の表面は、あたかも表面がモザイク状のタイルか、または、ファセット（facet）でもあるかのように、光を反射する。対象とするこうした表面「タイル」の多くは、垂線からはずれた方向に光を反射するので、該表面のイメージは、明るいファセットと暗いファセットから構成されることになる。Ｐｒｏｃ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｃ．，Ｖｏｌ．５１，２７４−２９２頁（１９３９）の「Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｓｕｒｆａｃｅ  ｏｆ  Ｌｏｗ  Ｇｌｏｓｓ  ｉｎｔｏ  Ｉｔｓ  Ｓｐｅｃｕｌａｒ  ａｎｄ  Ｄｉｆｆｕｓｅ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ」と題する論文には、Ｗ．Ｗ．Ｂａｒｋａｓによって、ファセットから構成される表面のモデル化が論じられている。
【００３９】
外部照射源を利用して、対象とする物体の所望の領域を照射する代わりとして、対象とする物体が、自己照射する、すなわち、内部照射源を備えることも可能である。例えば、第２の物体としても知られる、対象とする物体は、外部照射源を必要とせずに、光のコントラストを生じることが可能な内部光源を組み込むことが可能である。
【００４０】
生じる光エネルギーを集め、集束させるため、光学素子が用いられる。１つの結像レンズまたは一連の結像レンズは、照射を受けた対象とする物体から放射される光を集めて、センサアレイに集束させる。レンズから対象とする物体までの距離、及び、レンズからフォトセンサ（光検出器）アレイまでの距離は、特定の用途のために選択されたレンズ、及び、所望の倍率によって決まる。ハンドスキャンのような用途では、レンズから対象とする物体までの距離は、ミリメートルの範囲内になる可能性がある。ハンドスキャン用途における接触結像では、一般に、連邦政府によって登録された日本の商標である、ＳＥＬＦＯＣの商標で販売されているレンズが用いられる。ペイロードを取り扱うロボットアームのような他の用途では、レンズから対象とする物体までの焦点距離が、やはり、ミリメートルの範囲の場合もあるが、それを超える場合もある。
【００４１】
さらに、接触点の近くにおけるわずかな近接度の変化によって、レンズの有効倍率に変化を生じることがないようにするため、テレセントリックレンズを用いることが可能である。また、開口数を変化させ、それにより、接触面の近くでコントラストが強い状態を保つ被写界深度を変化させることができるようにするために、結像レンズに可変絞りを用いることも可能である。同様に、接触面からはるかに遠い距離をあけて、正確な近接度測定を可能にするため、ズームレンズを利用することも可能である。
【００４２】
センサは、個別の光学検出素子のアレイである。これらの光学検出素子の間隔は、センサアレイによって得ることが可能なイメージの解像度に影響を及ぼす。センサアレイは、電荷結合素子、アモルファスシリコンフォトダイオードアレイ、または、別のタイプの能動ピクセルのアレイとすることが可能である。ハンドスキャン用途の場合、センサアレイは、ＨＰ社のＭａｇｅｌｌａｎチップとすることが可能である。
【００４３】
電子処理回路及び／またはソフトウェアは、関連データを解釈し、転送することが必要とされる可能性もある。電子処理回路には、電子または磁気メモリ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＤＳＰ、及び、ケーブルを含めることが可能である。ソフトウェアには、オペレーティングシステム、アプリケーション、及び、データベースシステムを含めることが可能である。
【００４４】
典型的な検知装置は、照射源、結像光学素子、及び、センサアレイから構成される。典型的な構成要素の配置が、図２及び３に示されている。センサ装置は、通常、第１の物体３２と称されるものに固定される。第１の物体は、例えば、ロボットアームまたはハンドスキャナの一部とすることが可能である。同様に、第１の物体は、電子処理回路及び他の構造的特徴を含むことが可能である。結像光学素子３４は、結像光学素子の焦点面の一方４６が、接触時に対象とする物体４２の一部と一致し、もう一方の焦点面３６がセンサアレイ３８に位置するように取り付けられる。照射源４０は、第２の物体としても知られる、対象とする物体４２に、所望の角度で光を当てることができるように配置される。照射源は、固定することもできるし、あるいは、必要に応じて照射角４４を調整できるように、可動とすることも可能である。対象とする物体、すなわち、第２の物体は、特定の用途に応じて、センサ装置に対しさらに遠ざけることも、近づけることも可能であるが、接触用途の場合は、対象とする物体４２、すなわち、第２の物体は、接触平面４８に沿って第１の物体の諸部分と接触することになり、そのとき、それは、焦点面４６と一致することになる。
【００４５】
近接度は、２つの物体間の距離の測定値である。この状況では、第２の物体、すなわち、対象とする物体は、検知される物体である。第１の物体は、センサ装置が固定されている物体である。従って、第１の物体によって、第２の物体、すなわち、対象とする物体に対する近接度が測定される。
【００４６】
図４に示すように、近接度情報の測定における第１のステップは、センサ装置を第１の物体に固定し（５０）、対象とする物体を照射すること（５２）である。近接度情報の測定における次のステップは、基準データを取得すること（５４）である。基準データは、較正データと呼ぶことも可能である。基準データは、一般に、対象とする物体から放出され、反射され、または、散乱される光の強度分布である。基準データは、結像光学素子の焦点位置に関連した位置に対応する結像解像度を有する。一般に、基準データは、結像光学素子の焦点位置におけるイメージデータを取得することによって設定されるが、より正確な焦点位置からの距離測定が所望の場合には、基準データは、焦点位置から離れたある範囲内の位置にわたって得ることが可能である。
【００４７】
図１ａには、対象とする物体１６の構造的特徴１４にぶつかる光１２が示されている。図１ｂには、対象とする物体に結像光学素子の焦点が合っている場合の光エネルギー分布が示されており、１８は、光が対象とする物体の構造的特徴にぶつかる場合の光エネルギーを表し、２０は、対象とする物体にぶつかる光がない、陰影領域の光エネルギーを表している。これらの明暗の表現は、光の屈折または分散のない状態に類似している。ライン２２は、屈折または分散によって、光エネルギーの遷移がどのようになるかをより実際的に表している。図１ｃには、同じ光条件下における対象とする同じ物体が示されているが、対象とする物体は、結像光学素子の焦点からずれている。やはり、２４は、光が対象とする物体の構造的特徴にぶつかる場合の光エネルギーを表している。同様に、２６は、陰影領域の光エネルギーを表し、２８は、明と暗の間における光エネルギーの遷移をより実際的に表している。対象とする物体の表面に、屈折率、吸光、色、印刷、または、他の光学的特徴の空間的変動がある場合には、構造的特徴がなくても、図１ｂと同様の光分布が得られる。
【００４８】
図１ｂ及び１ｃを参照すると、焦点位置において、結像光学素子を介してセンサアレイに加えられる光パワーの強度１８及び２０の範囲が、最大になり、光パワーの遷移２２は、焦点位置外の場合の２８より顕著になる。すなわち、対象とする物体に焦点が合っている間に、センサアレイに加えられる光パワーの強度１８及び２０の範囲は、対象とする物体が焦点からずれているときに、センサアレイに加えられる同じポイントからの光パワーの強度２４及び２６の範囲を上回る。同様に、センサの焦点からずれている間、物体表面における陰影領域２６は、センサアレイに対して光が存在するかのごとき様相を呈してみせる。
【００４９】
基準データは、一般に、焦点位置において得られるが、異なる位置で基準データを得ることも可能である。さらに、基準データは、各ペイロードのような、対象とする各個別物体毎に作成することも可能である。あるいは、２つ以上の物体に基づく基準データ規格を創り出すため、異なる物体からの一連の測定値によって、基準データを作成することも可能である。例えば、所定のタイプの複数枚の紙を用いて、ハンドスキャン装置に関する基準データを確立することが可能である。
【００５０】
対象とする物体からイメージデータを収集するのが、第１の物体に対する対象とする物体の近接度を測定する（５６）ための次のステップである。イメージデータは、対象とする物体における光のコントラストと、光のコントラストからフォトセンサアレイ信号への変換における結像解像度との関数である。光のコントラストのイメージ収集の解像度は、結像光学素子の焦点位置に対する対象とする物体の位置によって決まる。例えば、図３を参照すると、対象とする物体４２が、結像光学素子３４の焦点位置Ｐ１にある場合、センサアレイ３８は、高解像度で光のコントラスト１８及び２０を検出し、光パワー分布２２は、より弁別しやすい。対象とする物体４２が、結像光学素子３４の焦点位置４６からさらに遠くに離れたＰ３に位置する場合、センサアレイは、より低い解像度で光のコントラスト２４及び２６を検出することになり、結果として、光のコントラスト２８を弁別するのがより困難になる。同様に、対象とする物体が、焦点位置より結像レンズに近いＰ２に位置する場合、センサアレイは、より低い解像度で光のコントラストを検出する。
【００５１】
基準データの場合とちょうど同様に、強度の高い信号１８は、物体の露光領域を表す収集イメージデータを形成するが、対象とする物体に焦点が合っていない場合（図１ｃ）、センサアレイにとって、これらは比較的強度の低い信号２４のように見える。同様に、焦点の合った位置における値に関連した、物体の陰影領域２０及び２６を表すセンサの強度の低い信号は、もっと強度の高い信号のように見える。全体としての影響は、センサアレイによって測定される明領域から暗領域への信号遷移が、より弁別しにくくなるということである。
【００５２】
基準データ及びイメージデータが作成されると、センサは、第１の物体に対する対象とする物体の相対位置を求めることが可能になる。対象とする物体の位置は、収集されたイメージデータのコントラストと基準データを比較する（５７）ことによって求められる。データの比較は、既知の基準データとイメージデータを比較する数値計算から構成される。望ましい実施態様の場合、イメージデータと基準データの比較をおこなうために、数値計算にフーリエ変換を使用することを含めることが可能である。
【００５３】
基準データが、結像光学素子の焦点位置に基づくものである場合、基準距離は、焦点距離から求められ、その焦点距離における光パワーコントラストが明らかになる。次に、対象とする物体の収集されたイメージデータが、前記焦点位置における既知の光パワーコントラストと比較される。次に、光パワーコントラストの差と既知の焦点距離を相関させることによって、前記焦点位置に対する対象とする物体の相対位置が求められ、それによって、第１の物体に対する対象とする物体の相対位置が求められる。図４におけるステップ５７からステップ５６に戻るラインによって示されるように、連続した位置計算によって、第１の物体と第２の物体の互いに対する接近または離脱速度を求めることが可能である。
【００５４】
第１の物体に対する対象とする物体の側方移動を測定するため、センサ装置によって、一連の少なくとも２つのイメージデータフレームを収集しなければならない。収集される一連のイメージデータは、近接度測定のために収集されるのと同じイメージデータとすることもできるし、あるいは、別個のデータとすることも可能である。近接度測定の場合、センサが受けるイメージの解像度は、近接度の測定にとって重要なメカニズムである。しかし、側方移動検知にとっては、対象とする物体の光のコントラストが、重要なメカニズムになり、焦点度は一定であることが望ましい。
【００５５】
図５には、側方移動を測定するための一般的なステップが示されている。側方移動測定の第１のステップは、センサ装置を第１の物体に固定し（５８）、対象とする物体を照射する（６０）ことである。側方移動測定の第２のステップは、一連のイメージデータフレームを取得する（６２）ことである。次に、一連のイメージデータの個別フレームを互いに比較して、相対的側方移動を求める（６４）。
【００５６】
一例として、図６には、ハンドスキャンにおける側方移動測定に必要なステップが示されている。この実施態様における側方移動測定には、イメージデータの連続するフレームの相関が含まれている。相関によって、一連のイメージフレームにおける固有の構造的特徴の位置が比較され、特定の時点における第１の物体に対する第２の物体の位置に関連した情報が得られる。ステップ６７及び７０において、開始位置は、ｘ＝ｙ＝０に初期設定され、基準フレームは、対象とする物体の位置に対応するセンサ装置を利用して、取得される。実際に、基準フレームは、ｘ及びｙ座標が０に設定された、開始位置のものである。次に、それより後のある時点における対象とする物体に対応するサンプルフレームが取得される（７２）。前記後の時点までの時間間隔は、通常、必要な探索空間を縮小し、応答時間を最長にするために、イメージが１ピクセル／時間間隔しか移動できないようにするのに十分なほど短い。
【００５７】
基準フレームにおける固有の光のコントラストパターン位置とサンプルフレームにおける同じ光のコントラストパターン位置を比較することによって、対象とする物体と第１の物体との相対的移動が示される。基準フレームとサンプルフレームの比較は、まず、基準フレームを利用して、静止を含めて、基準フレームがなし得る移動の、可能性のある９つの方向を示す一連のテンプレートを構築することによって実施される。９つの位置数は、１つのフレームにおけるイメージの特徴が、その最も近い近傍位置の任意の１つに移動することができるように、あるいは、どれにも移動できないように、矩形アレイの幾何学形状を利用する結果である。ステップ７４において、サンプルフレームのサブフレームとこれらのテンプレートのそれぞれが比較され、相関値が計算される。この相関値は、各テンプレートとサンプルフレームのサブフレームとの類似度を表している。一連のテンプレートとサンプルフレームとの最高の相関度によって、対象とする物体と第１の物体との間における相対的移動が示される。代替案として、サンプルフレームのテンプレートと基準フレームの表面を比較することも可能である。
【００５８】
相関プロセスについては、さらに詳細に後述するが、両方とも、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，５７８，８１３号及び米国特許出願第０８／５９１，８４７号に記載がある。
【００５９】
ハンドスキャンの実施態様の場合、初期基準フレームは、検知動作の開始時に取得することが可能である。基準データの取得は、走査装置を対象とする物体に接触させるだけでトリガすることが可能である。代わりに、走査装置に、基準データ及びイメージデータの取得を開始させる起動ボタンを含むことも可能である。
【００６０】
側方移動処理は、計算によって実施されるが、計算例については、後述する。センサ装置は、センサ装置に対して側方に移動するイメージを効果的に観測し、連続する観測の間に、側方平面の２次元における変位を表示する。図６及び７を参照すると、基準フレーム８２は、固有のＴ字形の構造的特徴（以下では単にＴ字型の特徴とも記載）８４のイメージを有するものとして示されている。基準フレームのサイズは、走査装置の最大走査速度、文書の構造的特徴または印刷特徴の結像における空間周波数、及び、センサのイメージ解像度といった要素によって決まる。３２ピクセル（Ｎ）×６４ピクセル（Ｍ）であるセンサ（ここでは、移動センサ）に関する基準フレームの実際のサイズは、２４ピクセル×５６ピクセルである。後の時点（ｄｔ）において、センサは、基準フレーム８２に対して変位するが、おそらく、フレームのエッジ近くを除けば、ほぼ同じ固有の構造的特徴を示す、サンプルフレーム８６を取得する。この所要時間ｄｔは、Ｔ字形の特徴８４の相対変位が、走査装置の並進速度で、ナビゲーションセンサ（navigation sensor）の１ピクセル未満になるように設定することが望ましい。許容可能な時間期間は、１２ライン対／ミリメートルの解像度で、０．４５メートル／秒の速度の場合、５０マイクロ秒である。
【００６１】
走査装置が、基準フレーム８２の取得（７０）とサンプルフレーム８６の取得（７２）との間の時間期間に移動する場合、Ｔ字形の特徴の第１と第２のイメージは、特徴がシフトしたイメージになる。望ましい実施態様は、ｄｔが完全な１ピクセル分の移動を可能にする時間より短い実施態様であるが、図７の概略表現は、ピクセル１つ分だけ、Ｔ字型の特徴８４を上方右側にシフト可能にするものである。１ピクセル分のシフトは、ただ単に表現を単純化するために仮定しただけである。
【００６２】
図７の素子（構成要素）９０は、８つの最近傍のピクセル位置のそれぞれにおけるサブフレーム８８のピクセル値の順次シフトを表している。第９の位置は、ゼロのシフトによって表される。すなわち、ステップ「０」には、シフトが含まれず、ステップ「１」は、上方左側への斜めシフトであり、ステップ「２」は、上方シフトであり、以下同様。こうして、９つのシフトされたピクセルのフレームまたはテンプレートとサンプルフレーム８６を組み合わせて、位置フレームのアレイ９２を形成することが可能である。「位置０」と表示された位置フレームには、シフトが含まれていないので、その結果は、単なるフレーム８６と８８の組み合わせにすぎない。「位置３」は、陰影ピクセル数が最少すなわち、重なるピクセル間の差が最小であり、従って、相関関係が最も強いフレームである。相関結果に基づき、サンプルフレーム８６におけるＴ字形の特徴８４の位置が、前に取得した基準フレーム８２における同じ特徴の位置に対して、右側上方に斜めにシフトしていると判定されるが、これは、走査装置が、時間ｄｔの間に左下方に移動したことを意味している。
【００６３】
さまざまな相関アプローチを用いることが可能である。許容可能なアプローチの１つは、「差の二乗和」相関である。図７の実施態様の場合、要素９における９つのオフセットから形成される９つの相関係数（Ｃｋ＝Ｃ０、Ｃ１．．．Ｃ８）が存在し、前記相関係数は下記の方程式によって求められる。
【００６４】
【数１】
0003795676.tif 000002
【００６５】
ここで、Ｓijは、サンプルフレーム８６の位置ｉｊにおけるセンサ測定値を表しており、Ｒijは、構成要素９０においてｋ方向にシフトした場合の、フレーム８８におけるセンサ測定値を表しているが、ここで、ｋは構成要素９０におけるシフトの識別子である。図７において、ｋ＝３であれば、相関係数は最低値になる。
【００６６】
より一般的なケースでは、２つの順次フレームの変位は、十分にわずかであるため、８つの外側テンプレート位置の１つに最小の相関係数が生じることはない。この場合、サブピクセルの変位値を補間することが必要になる可能性がある。これは、上で計算された９つの差の二乗和に当てはまる「二次項＋交差項」を計算することによって実施可能である。９つの相関値は、周囲に向かう８つの方向において可能性のある変位と、ゼロの変位を表している。真の変位は、回帰的に当てはめた、滑らかな数学的表面の最小値の位置を計算することによって求められる。
【００６７】
図６のステップ７６では、フレーム間から特徴の変位（ｄｘ、ｄｙ）を求めるため、ステップ７４で計算された相関値を用いて、順次フレームにおける同じ特徴の位置を見つけ出す。これらの変位の和を求めて、すなわち、積分し、関連光学素子の設計を通して導入されたスケールファクタに補正を加えることによって、走査手順の進行中に、イメージセンサの変位が求められる。
【００６８】
このプロセスによって、高度の相関整合が得られるが、相関値を計算するステップ７４に、現在のサンプルフレーム８６を基準フレームの指定にシフトするステップが、自動的に、かつ、連続して後続する場合、発生するエラーが累積されることになる。「ランダムウォーク（random walk）」エラーの増加率に制限を加えるため、後続する一連の相関計算のための新たな基準フレームとなる、サンプルフレームのシフトを実施する回数を少なくすることが可能である。シフト頻度を少なくされた新たな基準フレーム間における物体の変位は、「マクロステップ」と呼ばれる。
【００６９】
図６のステップ７７において、記憶されたサンプルフレームを後続する一連の相関計算のための新しい基準フレームとするべきか否かを判定する。ステップ７０またはステップ７８における基準フレームの取得以後の累積変位が、所定の数（ｎ）のピクセル長を超えると、そのサンプルフレームは、ステップ７８において新しい基準フレームとして置換される。新しい基準フレーム、及び、ステップ７２において取得された次のサンプルフレームが、次にステップ７４及び７６の実施において利用される。一方、変位が、ステップ７７においてｎピクセル長より短いと判定されると、ステップ７９において第２のピクセル長の判定を行う。最後の基準フレーム取得（ステップ７０または７８における）または基準フレームのシフト（ステップ８１）以降の１ピクセル長未満の変位によって、プロセスは、基準フレームに影響を及ぼすことなく、次のサンプルフレームを取得するステップ７２に戻ることが可能になる。しかし、変位が、１ピクセルを超えると（ただし、ｎピクセル未満）、ステップ８１において、現在の基準フレームは、計算された変位方向にシフトされる。例えば、図７の場合、計算された変位は、現在の基準フレーム８２とサンプルフレーム８６を比較すると明らかなように、上方右側に１ピクセル長である。従って、ステップ８１におけるシフトは、上方右側になる。
【００７０】
図６のステップ７７、７８、７９、及び、８１の実施例として、新しい基準フレームがステップ７８で設定されるより前に生じる可能性のある変位に対する所定の限界が、４ピクセル長であると仮定する。すなわち、ステップ７７において、ｎ＝４である。ステップ７６における変位の増分の各計算後に、累積した変位の増分が４ピクセル長を超えるか否かの判定が行われる。累積変位が４ピクセル長未満の場合、ステップ７９において、ステップ８１における現在の基準フレームの最後のシフト、または、ステップ７０または７８における基準フレームの最後の取得以降の変位が１ピクセル長を超えるか否かの判定が行われる。ステップ７９において「いいえ」と判定されると、プロセスは、基準フレームに影響を及ぼすことなく、ステップ７２に戻る。「はい」と判定されると、基準フレームは計算された変位方向にステップ８１でシフトされる。ステップ８１におけるシフトの後、ステップ７２において、次のサンプルフレームが取得され、ステップ７４において、シフトされた基準フレームとサンプルフレームが、最も近い近傍比較に利用される。現在の基準フレームの数回にわたるシフトが済むと、ステップ７７における判定は、最終的に「はい」の判定になる。結果として、現在のサンプルフレームが、ステップ７８において新たな基準フレームになり、プロセスが続行される。
【００７１】
サンプリング期間ｄｔは、一定である必要はない。サンプリング期間は、先行測定値の関数として求めることが可能である。可変のｄｔを用いる方法の１つは、連続する基準フレーム間における相対変位を一定の範囲内に保つことによって、変位計算の正確度を向上させることである。例えば、上限は、１ピクセルの変位とすることができるが、下限は、ナビゲーションデータの処理における数値の丸めを考慮して決定される。
【００７２】
１枚の紙のような表面または文書に対する走査装置の側方移動を測定するためのこの同じ方法は、他の実施態様に適用することも可能である。例としては、ロボットアーム、自動化ハンドリング装置、コンピュータマウス、及び、スキャナのオン／オフコントローラがある。
【００７３】
ロボットアームに適用した場合は、本発明は、別の方法で動作させることができる。図８に示すように、少なくとも１つのセンサ装置１０２は、ロボットアーム１００のエンドエフェクタ１０４すなわち、「フィンガー」に固定される。フィンガー及びアームがペイロード１０６をつかもうとすると、近接度測定モードとなっているセンサ装置が、ロボットアーム及びエンドエフェクタをペイロードに接触するように誘導する。他の既知の手段を用いて、本発明の動作範囲内にアームを誘導することも可能である。エンドエフェクタがペイロードに近づくと、センサ装置によって、ペイロード表面に光のコントラストが生じる。センサ装置は、上述の方法を利用して、ペイロードに対するセンサ装置、従って、エンドエフェクタとの相対距離を測定する。相対距離は、ミリ秒またはマイクロ秒範囲内とすることが可能な時間間隔で、継続して計算される。一定時間当たりに進行する相対距離の変化を利用して、簡単に接近速度を求めることが可能である。エンドエフェクタがペイロードに接近し、最終的に接触する際、接近速度を精密に調整することが可能である。接触すると、エンドエフェクタは、所望の作業を実施するのに十分な力でペイロードをつかむ。
【００７４】
センサまたはセンサ装置（ここでは、側方移動センサとも記載）は、ペイロードがエンドエフェクタに係合する時、センサ装置がペイロード表面を照射することができるように、エンドエフェクタ上に配置される。結果として、側方移動センサは、ペイロード表面における光のコントラストを検知して、エンドエフェクタとペイロード間における移動をモニタすることが可能になる。エンドエフェクタとペイロード間の移動は、ペイロードがエンドエフェクタによってしっかり保持されておらず、実際上、ロボットのフィンガーを「滑っている」ことを示すものである可能性がある。滑りを制御するため、ロボットアームは、接触後、エンドエフェクタとペイロード間の相対移動に応答して、その把握力を調整するようにプログラムされている。例えば、ロボットアームがペイロードを保持していて、ペイロードが滑り始めると、センサ装置は、相対移動を検出し、滑りを制御するため、必要に応じて把握圧を調整する。
【００７５】
側方移動及び近接度検出を利用して、ペイロードを解放し、ペイロードからエンドエフェクタを離すことも可能である。また、２つ以上のセンサを利用して、エンドエフェクタとペイロードとの異なる接触点における滑り量及び速度を測定することによって、重力を有効に用いて、ペイロードを異なる方向に移動及び回転させるのに役立てることも可能である。
【００７６】
他の実施態様において、本発明を利用して、ハンドスキャナにおける所定の動作の起動または停止を行うことが可能である。例えば、本発明は、ハンドスキャナにおけるオン／オフコントローラとして利用することが可能である。図９及び１０には、ハンドスキャン装置及び動作が示されている。動作時、ハンドスキャナ１２０は、文書１２８上を動き（１２６）、特定のイメージを走査する。ハンドスキャン装置の走査端１３０には、近接度及び側方移動を検出するための２つのセンサ装置１２２と、所望のイメージを走査するための１つの長い走査装置１２４が含まれている。
【００７７】
オン／オフコントローラとして、「パワーダウン」モードの２つのセンサ装置が、周期的に、表面の存在を探索する照射システムを律動的に動作させる。十分な条件が存在する場合にのみ、センサはパワーアップする。近接度検出機能を備えたセンサ装置によって、近接表面のイメージに十分なコントラストが検出されると、十分な条件が存在することになる。例えば、ハンドスキャナが、パワーダウン状態で、その側面を下にして机上に置かれている場合、センサは、その照射システムを律動的に動作させても、イメージの顕著なコントラストまたはパターン特性を見い出すことができない。センサの経路内にある唯一の物体が、遠くにある机上のコンピュータまたは部屋のもう一方の側の壁である場合、センサは、十分なコントラストを認識せず、オンにならない。一方、ハンドスキャナが文書の所定位置に配置されている場合、センサは、その照射システムを律動的に動作せると、十分なコントラストを検知して、完全な動作状態になり、ハンドスキャナにパワーアップを命じる。逆のプロセスが、ハンドスキャナのパワーダウンに用いられる。センサ装置は、十分なコントラストを検知しなければ、ハンドスキャナをオフにして、周期的な照射モードに入る。また、センサ装置は、所定の時間にわたって十分な側方移動を検出しなければ、ハンドスキャナを停止させることができる。これらの停止機能によって、スキャナが、使用されていないが、手動電源スイッチがオンのままになっているか、あるいは、ブリーフケースに保管されている間に、誤ってオンになっている場合、バッテリ電源の過剰な消耗を阻止することができる。
【００７８】
側方移動センサ機能は、近接度センサ機能と別個に、または、平行して使用して、オン／オフ制御を実現することが可能である。平行して使用される場合、センサ及びハンドスキャナは、文書によって十分なコントラストが生成され、側方移動が指摘されると、いつでもオンになる。あるいは、この２つの機能は、別の方法で平行して使用することも可能である。近接度センサによって、十分なコントラストがあると判定されると、ハンドスキャナは、パワーダウンモードからアイドルモードに高められる。側方移動が検知されると、ハンドスキャナは、アイドルモードから完全な動作モードにスイッチされる。
【００７９】
オン／オフコントローラとして単独で用いられる場合、側方移動センサ機能は、周期的に照射システムを律動的に動作させ、側方移動を検知し、十分な側方移動を検出すると、センサ及びハンドスキャナをオンにする。同様に、十分な側方移動が検出されない場合、センサ及びハンドスキャナは、アイドルモードになるか、または、オフになる。側方移動センサ機能は、表面を横切るスキャナの速度が、スキャナの仕様限界より低くなるか、または、それを超えると、スキャナをオフにするようにプログラムすることも可能である。
【００８０】
本発明のもう１つの実施態様は、精密な部品の自動ハンドリングである。例えば、近接度センサ及び側方移動センサを備えたシステムによって、慎重なハンドリングを必要とする集積回路を取り扱うことが可能である。適正な光学素子を用いれば、１ミクロンまたは数分の１ミクロンのオーダの高精度なセンサシステムを得ることが可能である。近接度センサモードを用いて、複数単位の同じ部品を取り扱う、組み立てラインタイプの工程では、特定ラインの部品に関する平均的な構造的特徴または印刷特徴と、対応する光のコントラストに基づいて、基準データを構築することが可能である。
【００８１】
本発明の他の実施態様においては、センサアレイにおける解像度及び／またはコントラストの勾配の検知を利用して、センサアレイによって検知される、対象とする物体の表面と最良の焦点面との傾斜を表示することが可能である。同じ物体の検知平面内でずらして配置した２つのセンサアレイを利用して、センサの接触平面と対象とする物体の接触表面との平行度を検知することが可能である。さらに、同じ物体の検知平面内でずらして配置した２つのセンサアレイによる側方移動検知を利用して、物体の検知平面に対する垂線のまわりにおける対象とする物体の接触表面の相対的回転を検知することも可能である。
【００８２】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
【００８３】
１．第１の物体（３２）に対する第２の物体（４２）の位置を測定するための方法であって、
センサアレイ（３８）及び、既知の焦点距離を有する結像光学素子（３４）を備えたセンサ装置を、前記第１の物体に固定するステップ（５０）と、
前記第２の物体の構造的特徴及び印刷特徴（１４）の少なくとも１つを表す光のコントラストを生じさせるために、前記第２の物体を照射するステップ（５２）と、
基準イメージデータを取得するステップ（５４）と、
前記第２の物体のイメージデータが、前記第２の物体の構造的特徴及び印刷特徴の少なくとも１つを表す前記光のコントラストに応答するように、また、前記イメージデータが、前記センサ装置に対する前記第２の物体の位置によって決まる、コントラストと解像度の少なくとも一方を備えるように、前記センサ装置を利用して、前記第２の物体のイメージデータを収集するステップ（５６）と、
前記イメージデータの収集時における前記第２の物体と前記第１の物体との間の相対的近接度情報を求めるために、前記基準イメージデータと前記収集されたイメージデータを比較するステップ（５７）
とを備える方法。
【００８４】
２．前記基準イメージデータの取得ステップ及びイメージデータの収集ステップが、前記第２の物体の各イメージデータフレームが、前記第２の物体の構造的特徴及び印刷特徴の少なくとも１つを表す前記光のコントラストに応答するように、前記センサ装置を利用して、前記第２の物体の一連の前記イメージデータフレームを収集するステップ（６２）を含むことと、さらに、前記一連のデータフレームからの個別のフレームを比較して、前記一連のイメージデータフレームの収集時における前記第１の物体と前記第２の物体との間における相対的側方移動情報を求めるステップ（６４）とを含むことからなる上項１の方法。
【００８５】
３．前記相対的近接度情報を利用して、前記第２の物体と前記第１の物体との接触のための接近、接触からの離脱、または、実際の接触を制御するステップをさらに含むことからなる上項１の方法。
【００８６】
４．前記センサ装置を固定する前記ステップが、前記センサ装置をロボットのエンドエフェクタ（１０４）に取り付けるステップであることと、前記第２の物体を照射する前記ステップが、光をペイロード（１０６）に向けるステップであることからなる上項３の方法。
【００８７】
５．前記相対的側方移動情報を利用して、前記第２の物体と前記第１の物体との接触領域における滑りを制御または阻止するステップをさらに含み、この場合に、前記第２の物体はペイロード（１０６）であり、前記第１の物体はロボットのエンドエフェクタ（１０４）であることからなる上項２の方法。
【００８８】
６．前記相対的近接度情報を利用して、スキャナ装置（１２０）の起動及び停止を行うステップをさらに含むことからなる上項１の方法。
【００８９】
７．第１の物体（３２）に対する第２の物体（４２）の位置を測定するための位置検出及び制御システムであって、
前記第２の物体の構造的特徴及び印刷特徴の少なくとも１つを表す、前記第２の物体における光のコントラストパターンに応答する前記第１の物体に取り付けられたセンサ（３８）であって、該センサは、センサアレイと、既知の焦点距離を有する結像光学素子（３４）を備え、前記第２の物体から、前記光のコントラストパターンに対応するイメージデータのフレームを取得し、該イメージデータのフレームは、それぞれ、前記第１の物体と第２の物体間の距離によって決まるコントラストと解像度の少なくとも一方を有することからなるセンサと、
基準イメージデータを発生するためのイメージデータ発生器（８２）と、
イメージデータの前記フレーム及び前記基準イメージデータを利用して、前記第１の物体と前記第２の物体間の相対的近接度情報を計算するための相対的近接度計算器（９２）
とを備えたことからなるシステム。
【００９０】
８．一連の前記フレームを取得するためのフレームアキュムレータ（７２）と、前記一連のフレームを利用して、側方位置情報を求めるための位置計算器（７６）
をさらに含むことからなる上項７に記載のシステム。
【００９１】
９．前記第１の物体がロボットアーム（１００）であることと、前記センサ（１０２）が、前記ロボットアームに取り付けられていることと、前記近接度情報及び前記側方移動情報が、前記ロボットアームの接近及び解放速度を制御し、前記ロボットアームに対する前記第２の物体の滑りを制御するために利用されることからなる上項８のシステム。
【００９２】
１０．前記第一の物体が、イメージスキャナ（１２０）であることと、前記第２の物体が、走査すべき文書（１２８）であることと、さらに、前記近接度情報及び側方移動情報の一方または両方に応答するスイッチが含まれており、前記スイッチによって、前記イメージスキャナの起動及び停止が可能であることからなる上項８のシステム。
【００９３】
【発明の効果】
本発明によれば、ある物体と別の物体の近接度、２つの物体間の接触、及び、互いに接触している、または、ほぼ接触している２つの物体間における側方移動すなわち、「滑り」を検知するための方法及びシステムを提供することが可能となる。
【００９４】
さらに、本発明をロボットアームに適用した場合には、側方移動及び近接度の検出を利用して、ペイロードを解放し、ペイロードからエンドエフェクタを離脱させることも可能である。また、２つ以上のセンサを用いて、エンドエフェクタとペイロードの異なる接触点における滑り量及び速度を測定することによって、並進と回転の両方における相対的移動方向の測定が可能になり、従って、重力を有効に利用して、所望の方向におけるペイロードの移動及び回転を助けることが可能になる。
【００９５】
また、本発明をハンドスキャナに適用して、ハンドスキャナのオン／オフコントローラとして利用することが可能である。すなわち、センサ装置が、所定の時間期間にわたって十分な側方移動を検出しなければ、ハンドスキャナを停止することができる。スキャナは使用されていないが、手動電源スイッチがオンのままになっているか、あるいは、ブリーフケースに保管されている間に、不注意によりオンになっている場合などに、停止機能によって、バッテリ電源の過剰な消耗を阻止することができる。
【００９６】
さらに、本発明は精密な部品の自動ハンドリングに適用できる。例えば、近接度センサ及び側方移動センサを備えたシステムによって、慎重なハンドリングを必要とする集積回路を取り扱うことが可能である。適正な光学素子を用いれば、１ミクロンまたは数分の１ミクロンのオーダの高精度なセンサシステムを得ることが可能である。近接度センサモードを用いて、複数単位の同じ部品を取り扱う、組み立てラインタイプの工程では、特定ラインの部品に関する平均的な構造的特徴または印刷特徴と、対応する光のコントラストに基づいて、基準データを確立することが可能とある
【図面の簡単な説明】
【図１】物体表面にある角度で入射する光と、物体に結像光学素子の焦点があっている時と焦点があっていない時の物体から放出される光エネルギーの関係をそれぞれ示す図である。
【図２】典型的なセンサ装置構成の正面図である。
【図３】対象とする物体の３つの位置を示す典型的なセンサ装置構成の斜視図である。
【図４】近接度測定法のステップの動作を示す図である。
【図５】側方移動法のステップの動作を示す図である。
【図６】側方移動処理の１つの実施態様の動作を示す図である。
【図７】相関処理の概略図である。
【図８】ペイロードに係合するロボットアームの斜視図である。
【図９】文書上の蛇行経路を辿るハンドヘルド走査装置の斜視図である。
【図１０】走査装置のイメージセンサ及び位置センサの背面図である。
【符号の説明】
１２    入射光
３２    第１の物体
３４    結像光学素子
３６    焦点
３８    センサアレイ
４０    照射源
４２    対象とする（第２の）物体
４４    入射角
４６    焦点
４８    （第１の物体との）接触平面
【図１】
0003795676.tif 000003
【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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