JP6041855B2 - サブピクセル絶対位置決め方法 - Google Patents

Description

本発明は、位置決め方法に関し、特にスペックルのサブピクセル絶対位置決め方法に関する。

多くのＣＣＤ自動位置決め商品は、カメラで撮影したワーク画像を得てから既存のソフトウェアのマッチングによる位置決め機能により幾何学マッチングを用いた位置決め、グレイスケール・パターンマッチング位置決め、円心視覚位置決め、画像位置決め、自動追跡による位置決めを実行して、所定座標に到達する必要な移動ベクトルを自動的に算出してから多軸平行移動ステージの運動を制御し、精密なスマート位置決めの目的を達成する。しかしながら、ＣＣＤ自動位置決め技術は、基本上ＣＣＤでワーク画像を撮影してから、図形の画像階調を利用してマッチングするため、画像階調分布のコントラスト、シャープネスがマッチングや位置決め精度に影響を与える。空間高周波を有する物体を製作し、その階調画像のコントラスト、シャープネスが非常に高いことで、パターンマッチングや位置決め精度をアップできる。空間高周波を有する識別、位置決めの物体面は、製造しにくくなり、比較的高い製造費が必要となっていた。

不変形スペックルパターンは、レーザ光を物体面に照射し、物体面の３Ｄテクスチャでレーザ光を散乱し、センサー結像面で発生する干渉スペックルパターンは、３Ｄ物体面テクスチャと対応する特徴スペックルを有し、３Ｄ物体面テクスチャを精密に位置決めることができる。レーザスペックルは、干渉斑点であるため、波長の寸法（約１ｕｍ）において、完全に破壊的な光照射野（暗点）から完全に建設的な光照射野（明点）に変換して極めて高いコントラスト及びシャープネスの階調画像を得てスペックルパターンの画像位置決めを非常に精密させる可能性があり、更にスペックル特徴点と物体面３Ｄテクスチャを一つ一つ対応するため、不変形スペックルパターンを識別、位置決めることができることは、物体面３Ｄテクスチャについて精密な識別及び位置決めを行うことに相当する。

しかしながら、不変形スペックルパターンの位置決め精度及び位置決め速度は、現在両立できず、ＮＣＣ、ＳＡＤ、ＳＳＤ等を用いるパターンマッチングによる位置決め手法は、そのパターンマッチングによる位置決め速度が比較的速いが、そのパターンマッチングによる位置決め精度は画像検出器の画素サイズに制限され、ＳＩＦＴ、ＳＵＲＦ等を用いる画像特徴量計算のマルチ位置決め手法は、サブピクセル位置決め精度を得ることができるが、その計算量が膨大であるため、画像位置決め速度が遅くなる。

よって、現在業界では、高い位置決め速度及び精度のスペックルパターンマッチング方法の開発が急務で、同時に高い位置決め精度と高い位置決め速度を両立でき、効果的に不変形スペックルパターンマッチングを利用して精密な位置決めを完成させる。

そこで本発明は、上記従来技術の欠点に鑑み、リアルタイムなスペックルパターン、粗い精度のスペックル座標パターン、細かい精度のスペックル座標パターン及びアルゴリズム等を統合することで、迅速にマッチング、細かい精度のサブピクセル位置決めを完成させるサブピクセル絶対位置決め方法を提供することを主な目的とする。

上記目的を達成するため、本発明で提出する技術的思想により、サブピクセル絶対位置決め方法を提供し、対象物表面のリアルタイムなスペックルパターンを取り込むステップ（Ａ）と、座標値を含む一組の粗い精度のスペックル座標パターン及び座標値を含む複数組の細かい精度のスペックル座標パターンを提供するステップ（Ｂ）と、アルゴリズムを利用してまず該リアルタイムなスペックルパターンと該粗い精度のスペックル座標パターンをマッチングしてから該細かい精度のスペックル座標パターンとマッチングして座標値を得るステップ（Ｃ）とを含む。各該粗い精度のスペックル座標パターンは、一組の細かい精度のスペックル座標パターンに対応し、該細かい精度のスペックル座標パターンが更に該粗い精度のスペックル座標パターンを取り込んだ後、一定の細かい精度移動距離で繰り返して撮像して獲得する。

ステップ（Ｃ）内のアルゴリズムは、ＳＡＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、ＳＳＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ｓｑｕａｒｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、ＮＣＣ（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）、ＳＩＦＴ（Ｓｃａｌｅ Ｉｎｖａｒｉａｎｔ Ｆｅａｔｕｒｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）及びＳＵＲＦ（Ｓｐｅｅｄ−Ｕｐ Ｒｏｂｕｓｔ Ｆｅａｔｕｒｅｓ）群のいずれかから選ぶことができる。

本発明のステップ（Ｂ）内の各粗い精度のスペックル座標パターン或いは細かい精度のスペックル座標パターンは、いずれも座標値を含む。該座標値は、線形座標値又は角度座標値とすることができる。該座標値は、線形座標値の場合、該粗い精度のスペックル座標パターンが粗い精度のスペックル座標パターンデータベース内に設けられ、該細かい精度のスペックル座標パターンが細かい精度のスペックル座標パターンデータベース内に設けられ、或いは該粗い精度のスペックル座標パターン及び細かい精度のスペックル座標パターンを同一のスペックル座標パターンデータベース内に設けさせることができる。

上記粗い精度のスペックル座標パターンデータベースは、次のステップによって構築でき、つまり該対象物表面において測定起点を定め、不変形スペックル撮像装置を利用して１枚目の粗い精度のスペックル座標パターンを取得し、またレーザ干渉計でこの粗い精度のスペックル座標パターンの座標を標定してからサーボモーターで対象物を粗い精度のスペックル座標パターンの移動距離まで移動し、更に該不変形スペックル撮像装置により２枚目の粗い精度のスペックル座標パターンを取得し、同時にレーザ干渉計の移動距離を記録して該２枚目の粗い精度のスペックル座標パターンの座標を標定し、上記動作を繰り返すと、該組の粗い精度のスペックル座標パターンの構築を完成できる。該粗い精度のスペックル座標パターンデータベースは、下式により該位置決め用の粗い精度のスペックル座標パターンを取り込んで構築できる。

［数１］
Ｄ≧２△、ε≧１／２Ｄ、△＋ε＝Ｄ
式においてＤ：粗い精度のスペックル座標パターンの撮像範囲、△：２枚の隣接する粗い精度のスペックル座標パターンの移動距離、ε：隣接する２枚の粗い精度のスペックル座標パターンのオーバーラップされた撮像範囲。

上記細かい精度のスペックル座標パターンデータベースは、次のステップによって構築でき、 つまりステップ（Ａ）：１枚目の粗い精度のスペックル座標パターンの撮像後に、直ちに該サーボモーターで対象物を細かい精度の移動距離まで移動してから該不変形スペックル撮像装置により１枚目の細かい精度のスペックル座標パターンを取得し、同時にレーザ干渉計の移動距離を記録して該１枚目の細かい精度のスペックル座標パターンの座標を標定し、更に上記ステップを繰り返してその他の細かい精度のスペックル座標パターンを連続取得し、また干渉計の位置決め座標に合わせ、１枚目の粗い精度のスペックル座標パターンに対応する第１組の細かい精度のスペックル座標パターンを完成する。ステップ（Ｂ）：ステップ（Ａ）を繰り返して他組の細かい精度のスペックル座標パターン及び位置決め座標を連続取得する。

該座標値は、角度座標値の場合、該粗い精度のスペックル座標パターンが粗い精度のスペックル座標パターンデータベース内に設けられ、該細かい精度のスペックル座標パターンが細かい精度のスペックル座標パターンデータベース内に設けられ、或いは該粗い精度のスペックル座標パターン及び細かい精度のスペックル座標パターンを同一のスペックル座標パターンデータベース内に設けさせることができる。上記粗い精度のスペックル座標パターンデータベースは、次のステップによって構築でき、つまり該対象物表面において測定起点を定め、不変形スペックル撮像装置を利用して１枚目の粗い精度のスペックル座標パターンを取得し、また角度位置決め装置でこのスペックル座標パターンの座標を標定してからサーボモーターで対象物を粗い精度のスペックル座標パターンの移動角度に回転し、更に該不変形スペックル撮像装置により２枚目の粗い精度のスペックル座標パターンを取得し、同時に角度位置決め装置の移動角度を記録して該２枚目の粗い精度のスペックル座標パターンの座標を標定し、上記動作を繰り返すと、該組の粗い精度のスペックル座標パターンの構築を完成できる。該角度位置決め装置は、レーザ干渉計、レーザジャイロスコープ或いはファイバジャイロスコープのいずれかから選ぶことができる。

上記細かい精度のスペックル座標パターンデータベースは、次のステップによって構築でき、 つまりステップ（Ａ）：１枚目の粗い精度のスペックル座標パターンの撮像後に、直ちに該サーボモーターで対象物を細かい精度の移動角度に回転してから該不変形スペックル撮像装置により１枚目の細かい精度のスペックル座標パターンを取得し、同時に角度位置決め装置の移動角度を記録して該１枚目の細かい精度のスペックル座標パターンの座標を標定し、更に上記ステップを繰り返してその他の細かい精度のスペックル座標パターンを連続取得し、また角度位置決め装置の位置決め座標に合わせ、１枚目の粗い精度のスペックル座標パターンに対応する第１組の細かい精度のスペックル座標パターンを完成する。ステップ（Ｂ）：ステップ（Ａ）を繰り返して他組の細かい精度のスペックル座標パターン及び位置決め座標を連続取得する。

以上の概述と次の詳細な説明及び添付図面は、いずれも更に本発明が所定の目的を達成するために採る方式、手段及び効果を説明できるためのである。本発明その他の目的及び利点に関しては、後記の説明及び図面内で記述する。

対象物表面の３Ｄテクスチャ構造で散乱されたレーザ光分布を示す模式図である。 本発明の不変形スペックル読取ヘッドの撮像構造を示す模式図である。 本発明の不変形スペックルパターンの二次元画像検出器における結像を示す模式図である。 本発明のサブピクセル分割のスペックルパターンを示す模式図である。 本発明の粗い精度のスペックル座標パターンの撮像構造を示す模式図である。 本発明の細かい精度のスペックル座標パターンの撮像構造を示す模式図である。 本発明のアジレント社製５５３０レーザ干渉計で細かい精度のスペックル座標パターンを測定したデータと本発明のサブピクセル絶対位置決め方法の実験結果図である。

以下い、特定の具体的な実施例を通じて本発明の実施形態を説明し、当業者は本明細書で開示されている内容から容易に本発明の利点及び効果を理解できる。

本発明の対象物表面を取り込むリアルタイムなスペックルパターンは、不変形スペックルの撮像で、該不変形スペックルの撮像仕組みは、入射角と反射角が等しい鏡面反射の撮像仕組みを採用しない。鏡面反射（入射角と反射角が等しい）の撮像仕組みで取得された入射角と反射角が等しいゼロ次回折像は、極めて容易に近くの物体面の高次回折像と重なることでこの高次小信号を増幅し、本来のゼロ次回折像に変化が発生させ、大々的にスペックルの不変形特性を低下させてしまう。

本発明の不変形スペックルの撮像仕組みは、入射角（±１０度方向に利用してスペックルパターンを測定でき、また２個のアパーチャー２１、２３（ｏｐｔｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）により徹底的に入射角と反射角が等しいスペックルエネルギーがセンサーに入ることを遮断し、この種の撮像仕組みは鏡面反射のスペックルノイズを除去し、また入射角（つまりできる限り高い入射エネルギーを得る撮像角度）に一番近い方向（約±１０度方向）でスペックルパターンを取得すると、信号対雑音比が最高となる不変形スペックルパターンを獲得できる。

図１を参照すると、対象物表面の３Ｄテクスチャ構造で散乱するレーザ光分布を示す模式図である。図２を参照すると、本発明の不変形スペックル読取ヘッドの撮像構造を示す模式図である。図に示すように、対象物表面の３Ｄテクスチャ構造内の大範囲の平坦な物体面は、多くの異なる小角度の小さな物体面が接続されてからなることと見なすことができる。この小角度は、小さな物体面の法線と大範囲の平坦な物体面の法線との交角と定義され、各小さな物体面の法線が異なり、その平面が光学平面として見なすことができ、小面積の鏡面反射が生じることができる。異なる方向の小さな物体面境界領域で高次回折光が生じ、これはスペックルノイズ発生源である。図１に示すように、一般スペックルパターンの撮像面は平坦な物体面で、この平坦な物体面の３Ｄテクスチャ構造内の水平面との交角が０度の小さな物体面の割合が最高で、密度が最大であるため、入射角と反射角が等しい鏡面反射のスペックルパターンエネルギーが最大であるが、ノイズが最大の撮像角度である。高密度の０度小さな物体面の鏡面反射スペックルは極めて容易にその他の高次スペックルと互いにオーバーラップ、干渉してスペックルノイズを形成する。

光学反射原理から分かるように、水平面の法線に対する入射光角度をδ角に変えた場合、反射光角度が２δ角変わる。スペックル読取ヘッド（図示略）の撮像角度と入射光角度が２φ度を偏差させ、本来の物体面の３Ｄテクスチャ構造内の水平面と交角がφ度の小さな物体面がこの２φを偏差した撮像構造に対し、鏡面反射の撮像物体面となる。図２に示すように、本来の入射光と水平面との交角はθの場合、物体面の３Ｄテクスチャ構造内の水平面との交角が０度の小さな物体面に対する鏡面反射光の角度もθとなる。この０度の小さな物体面の鏡面反射光はアパーチャー２１、２３の遮断により、二次元画像検出器に入ることができない。逆に見ると、物体面の３Ｄテクスチャ構造内の水平面との交角はφ度の小さな物体面の鏡面反射光と水平面との交角がθ＋２φになり、この角度がちょうど不変形スペックル撮像構造の撮像角度で、φ度の小さな物体面の鏡面反射光は直接二次元画像検出器に結像して不変形特徴のスペックルパターンを形成できる。例えば、物体面の３Ｄテクスチャ構造内の水平面との交角が５度の小さな物体面の鏡面反射光と水平面との交角は、θ＋１０度になり、また本発明の不変形スペックル撮像装置は２個のアパーチャー２１、２３で０度の小さな物体面の鏡面反射スペックルエネルギーを完全に遮断して５度の小さな物体面の鏡面反射スペックルが二次元画像検出器に入させるだけ、５度の小さな物体面の鏡面反射スペックル密度が０度の小さな物体面より遥かに低いため、高次回折スペックルが５度の小さな物体面の鏡面反射スペックルとオーバーラップしにくく、スペックルノイズを形成してしまう。よって、この種の１０度に偏向するスペックル撮像仕組みは、信号対雑音比が最高なスペックルパターンを獲得できる。５度の小さな物体面は、この１０度に偏向する撮像仕組みのスペックルパターン結像物体面で、つまり不変形スペックル特徴の小さな物体面である。この特徴の小さな物体面は、光学結像原理により、二次元画像検出器の結像面にスペックルパターンを形成し、またこれは鏡面反射の結像点であるため、結像点内の光照射野の位相が一致し、明点スペックルを形成し、これが不変形スペックルパターンの特徴点である。

本発明は、１０度に偏向するスペックル撮像仕組みを採用し、その不変形な特徴物体面が３Ｄ物体面テクスチャの５度の小さな物体面で、５度の小さな物体面の鏡面反射スペックルパターンは、結像原理によると、像平面のスペックルパターンと物体平面の５度の小さな物体面が光学拡大倍率Ｍにより等比例で拡大するため、物体平面においてサブピクセル移動距離で連続移動、連続分割した物体平面撮像は、像平面において獲得できるサブピクセル分割のスペックルパターン組に相当する。二次元画像検出器のフィルファクタ（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）が１００％近く、サブピクセル移動が画像検出画素において引き起こすエネルギー変化量は、画像検出器の背景ノイズより大きい場合、ＳＡＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、ＳＳＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ｓｑｕａｒｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、或いはＮＣＣ（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）等のパターンマッチング、位置決め方法により、各サブピクセル移動のスペックルパターンを精密にマッチング、位置決めすことができ、これは物体面に対してサブピクセルの精密な位置決めを行うことができることに相当する。

図３を参照すると、本発明の不変形スペックルパターンの２Ｄ画像表示器における結像を示す模式図である。図４を参照すると、本発明のサブピクセル分割のスペックルパターンを示す模式図である。上記ＮＣＣ、ＳＡＤ、ＳＳＤ等のパターンマッチング、位置決め方法は、マッチング、位置決めの速度が速いが、位置決め精度がスペックルパターンを取り込む撮像装置の検出器（ｄｅｔｅｃｔｏｒ）の画素（ｐｉｘｅｌ）サイズに制限される。ただし、スペックルパターン分割の撮像技術を利用する場合、サブピクセル位置決め精度の複数の細かい精度のスペックル座標パターン組を獲得でき、更にＮＣＣ、ＳＡＤ、ＳＳＤ等のパターンマッチング、位置決め方法で細かい精度のスペックル座標パターン組をマッチング、位置決めすると、サブピクセルの位置決め精度を得ることができ、本来の１個の画素の位置決め精度の制限を打破した。図（図３、図４）に示すように、不変形スペックルパターン撮像装置の結像レンズ２２拡大率がＭ＝１の場合において、１／４画素位置決め精度のスペックルパターンを獲得しようとする場合、スペックル撮像装置を１／４画素サイズ（細かい精度移動距離）で分割物体平面を移動し、毎回１／４画素で移動し、３回移動すると、対応する４（１＋３＝４）枚の細かい精度のスペックルパターンを取得できる。不変形スペックルパターンは、５度の小さな物体面の鏡面反射パターンであるため、１／４画素の移動距離で３回移動し、４回連続撮像することは５度の小さな物体面画像に対して二次元画像検出器において１／４画素の細分化を行うことに相当し、撮像装置の二次元画像検出器の画像フィルファクタ（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）が１００％に近く、システムの撮像ノイズが１／４画素移動量の画像検出器において生じる信号差より低い場合、ＮＣＣ、ＳＡＤ、ＳＳＤ等の迅速なパターンマッチングによる位置決め方法を使用すると、１／４画素移動量の大きさの細かい精度のスペックル座標パターン４枚をマッチング、位置決めすることができ、対象物表面（物体面）に対して１／４画素移動のサブピクセル位置決め精度を行うことができる。

ただし、物体平面（対象物表面）でサブピクセル移動のスペックル撮像を行う時、サブピクセル分割が益々精細することに伴い、スペックル座標のデータベース画像枚数が益々多くなり、マッチングによる位置決めの速度が遅くなる。例えば、１個のスペックル撮像直径が２０ｃｍのスペックルレゾルバのスペックル撮像の円周長が約６２．８ｃｍ、スペックルの位置決め精度要求が１個の画素（１０ｕｍサイズ）の場合、隣接する２枚の座標スペックルパターンの移動距離は１０ｕｍであるため、スペックル座標パターンデータベース全体が６２．８ｋ（６２．８ｃｍ／１０ｕｍ＝６２８００）枚のスペックル座標パターンを構築しなければならない。要求される位置決め精度は１／１０画素（１ｕｍ）の場合、隣接する２枚の座標スペックルパターンの移動距離が１ｕｍであるため、スペックル座標パターンデータベース全体は６２８Ｋ（６２．８ｃｍ／１ｕｍ＝６２８０００）枚のスペックルパターンを構築しなければならない。この１０倍のデータ量はリアルタイムなスペックルパターンのマッチングによる位置決め回数を１０倍増え、マッチングによる位置決め時間が１０倍増えることになり、位置決め速度も１０倍遅くなる。

図５を参照すると、本発明の粗い精度のスペックル座標パターンの撮像構造を示す模式図である。上記問題点を解決するため、本発明ではスペックルパターンの倍精度データベースのマッチング、位置決め方法を開示し、同時に位置決め精度及び位置決め速度の両立できない問題を解決するためのである。粗い精度のスペックルデータベース作成原則は次の通りとし、つまり１．先に不変形スペックル撮像装置の不変形スペックルパターンの移動可能距離Ｌ、隣接する２枚の粗い精度のスペックルパターン移動距離△を確定し、△がこのスペックル不変形の移動可能距離Ｌより小さい、つまり△＜Ｌの場合、ＳＡＤ、ＳＳＤ、ＮＣＣ、ＳＩＦＴ或いはＳＵＲＦ等の方法でスペックルパターン移動のマッチングを行う時、この２枚のスペックルパターンの移動距離を正確にマッチングでき、マッチングによる位置決め精度は１個の画素サイズに達することができることを保証できる。２．設計する粗い精度のスペックル座標パターンの撮像範囲Ｄは、スペックルパターン撮像装置のスペックル不変形の移動可能距離（Ｄ≦Ｌ）より小さいか又は等しくするが、隣接する２枚の粗い精度のスペックル座標パターンの撮像移動距離（△）の２倍長さ（Ｄ≧２△）より大きく、且つ隣接する２枚の粗い精度のスペックル座標パターンのオーバーラップされた撮像範囲εが、１／２粗い精度のスペックル座標パターンの撮像範囲（ε≧１／２Ｄ）より大きく。図５に示すように、粗い精度のスペックル座標パターンの撮像移動距離（△）に隣接する２枚の粗い精度のスペックル座標パターンのオーバーラップされた撮像範囲εを足すと、粗い精度のスペックル座標パターンの撮像範囲Ｄに等しい（△＋ε＝Ｄ）。オーバーラップされた撮像範囲内の２枚の粗い精度のスペックル座標パターンは、スペックルパターンの移動距離がスペックル不変形の移動距離より小さいため、ほぼ全く同じスペックルパターンがあり、ＳＡＤ、ＳＳＤ或いはＮＣＣ等の迅速なマッチング、位置決め方法でスペックルパターン移動のマッチングを行って隣接する２枚の座標スペックルパターンの移動ベクトルを精密に算出できる。

本発明の粗い精度のスペックル座標パターンの構築方法は以下の通りとし、つまりａ．線形座標領域において、レーザ干渉計をスペックル撮像装置上に架設し、動作範囲内の起点において、不変形スペックル撮像装置により１枚目のスペックル座標パターンを取得し、またレーザ干渉計でこのスペックルパターン座標をｘ１＝０座標として標定（レーザ干渉計の位置読取値をリセットして位置読取値を０、ｘ１＝０させる）してからサーボモーターでスペックルパターンの読取ヘッドを△距離まで移動し、更に不変形スペックル撮像装置で２枚目のスペックル座標パターンを取得し、同時にレーザ干渉計移動距離の読取値ｘ２を記録し、２枚目のスペックル座標パターンの座標値をｘ２とさせる。上記動作を繰り返し、更にスペックルパターンの読取ヘッドを△距離まで移動すると共に３枚目のスペックル座標パターン及びその干渉計座標の読取値ｘ３を取得し、……、更にスペックルパターンの読取ヘッドを△距離まで移動すると共にｎ枚目のスペックル座標パターン及びその干渉計座標の読取値ｘｎを取得する。ｘｎ読取値が動作範囲より大きい場合、ｎ枚の粗い精度のスペックル座標パターンの入力及びｎ個の干渉計の粗い精度スペックル座標の位置読取値の入力を終え、線形移動の粗い精度のスペックルデータベース構築プロセスを終了する。ｂ．座標領域の回転において、レーザ干渉計、レーザジャイロスコープ或いはファイバジャイロスコープ等の角度精密測定機器をスペックルレゾルバの撮像装置上に架設し、レゾルバで０度と標定した位置において、不変形スペックル撮像装置で１枚目のスペックル座標パターンを取得し、またレーザ干渉計、レーザジャイロスコープ或いはファイバジャイロスコープ等の角度精密測定機器で、このスペックル角度座標パターンの角度座標読取値をθ１＝０°と標定してからサーボモーターでレゾルバを回転してレゾルバのスペックル撮像の円周接線方向の移動距離を△にさせ、更に不変形スペックル撮像装置で２枚目のスペックル角度座標パターンを取得し、同時にレーザ干渉計、レーザジャイロスコープ或いはファイバジャイロスコープ等の角度精密測定機器の角度読取値θ２を記録し、２枚目のスペックル角度座標パターンの角度座標値をθ２にさせる。上記動作を繰り返し、更にレゾルバを回転してレゾルバのスペックル撮像の円周接線方向の移動距離を△にさせると共に３枚目のスペックル角度座標パターン及びその角度座標読取値θ３を取得し、……、更にレゾルバを回転すると共にｎ枚目のスペックル角度座標パターン及びその角度座標読取値θｎを取得する。θｎ読取値が３６０°より大きく、又はｎ枚のスペックル角度座標パターンと１枚目のスペックル角度座標パターンをマッチングし、ｎ枚目のスペックル角度座標パターンがすでに１枚目のスペックル角度座標パターンを超えることを確認した場合、ｎ枚のスペックル角度座標パターン及びｎ個の角度座標読取値の入力を終え、スペックルレゾルバの粗い精度のスペックルデータベース構築プロセスを終了する。

図６を参照すると、本発明の細かい精度のスペックル座標パターンの撮像構造を示す模式図である。図に示すように、本発明の細かい精度のスペックル座標パターンの構築原則は以下の通りとし、つまり単一の不変形スペックル撮像装置で、同時に粗い精度のスペックル座標パターン及び細かい精度のスペックル座標パターンを構築し、まず不変形スペックル撮像装置の結像レンズ２２拡大倍率をＭ、二次元画像検出器の１個の画素サイズをηに設定し、隣接する２枚の粗い精度のスペックル座標パターンの物体平面における移動距離を△に設定する。像平面に対する移動距離はＮ画素の場合、Ｎ画素距離が結像レンズ２２拡大倍率を△に掛けたものに等しい（Ｎη＝Ｍ×△）。物体平面上においてサーボモーターでスペックル読取ヘッドを駆動して△距離まで移動して連続撮像し、これは２Ｄ検出器の像平面上においてＮ個の画素を移動するたびに１枚の粗い精度のスペックル座標パターンを取得することに相当し、同じ理屈で物体平面における細かい精度の移動距離はΔ’で、像平面に対する移動距離がδで、且つδ＝Ｍ×Δ’とする。よって、物体平面において細かい精度の移動距離Δ’を満たさなければならず、像平面上において１個の検出器の画素ηをＰ領域に分割し、つまり１／Ｐサブピクセルの細かい精度のスペックル座標パターンを構築しなければならず、且つＰ＝η／δとする。各粗い精度の座標スペックルパターンは、この粗い精度の座標スペックルパターンが対応するＰ枚のサブピクセル細かい精度のスペックル座標パターンの１枚目の細かい精度のスペックル座標パターンであるため、Ｐ枚のサブピクセル細かい精度の座標スペックルパターン構築方法は、各粗い精度のスペックル座標パターンを撮像した後、直ちにサーボモーターにより、Δ’移動距離（細かい精度の移動距離）でスペックル読取ヘッドを駆動して連続撮像してから、Ｐ−１枚の細かい精度のスペックル座標パターンを取得し、また干渉計を組み合わせて各細かい精度のスペックル座標パターンの位置読取値を決め、１枚目の細かい精度のスペックル座標パターン及びその後のＰ−１枚の細かい精度のスペックル座標パターンを統合すると、１個のスペックル読取ヘッド撮像の粗い精度の座標スペックルパターン及びその対応するＰ枚の細かい精度のスペックル座標パターンの入力を終える。

本発明の細かい精度のスペックル座標パターン構築方法は次の通りとし、つまり１枚目の粗い精度のスペックル座標パターンの撮像後、直ちに細かい精度の移動距離Δ’で細かい精度のスペックル座標パターンを取得する。不変形スペックル読取ヘッドをＰ−１回移動し、１回につきΔ’距離を移動し、Ｐ−１枚の細かい精度のスペックル座標パターンを取得し、干渉計を組み合わせて読取値を決めて１枚目の粗い精度のスペックル座標パターンが対応するＰ枚の細かい精度のスペックル座標パターンを完成する。この細かい精度のスペックル座標パターンの番号は１−１、１−２、・・・・・・、１−Ｐとし、番号の前の位置読取値が粗い精度の座標パターン番号を表わし、後ろの位置読取値がこの粗い精度の座標パターンに対応する細かい精度座標パターン番号を表わす。番号１−１の細かい精度のスペックル座標パターンは、１枚目の粗い精度座標パターンである。こうすると、１枚目の粗い、細かい精度のスペックル座標パターン及びその位置座標読取値のデータ入力を終える。１枚目の粗い、細かい精度座標のデータ入力を終えた後、不変形スペックル読取ヘッドを［△−（Ｐ−１）Δ’］距離まで更に移動し、２枚目の粗い精度のスペックル座標パターン位置に到達し、この位置のスペックルパターンを取得すると共にこの位置の干渉計位置読取値を記録し、２枚目の粗い精度のスペックル座標パターン及びその対応の２−１枚目の細かい精度のスペックル座標パターン入力を終え、更にスペックル読取ヘッドをΔ’距離まで移動し、２−２枚目の細かい精度のスペックル座標パターンを取得すると共にこの位置の干渉計位置読取値を記録し、２−２枚目の細かい精度のスペックル座標パターン入力を終えてからこのステップによって２−Ｐ枚目の細かい精度のスペックル座標パターン入力を終え、二組目の粗い、細かい精度のスペックル座標パターン及びその位置座標読取値のデータ入力を終える。上述ステップにより、更にスペックルの読取ヘッドを３枚目の粗い精度のスペックル座標パターン位置に移動させて連続して撮像し、３組目の粗い、細かい精度のスペックル座標パターン及びその位置座標読取値のデータ入力を終える。上記ステップを繰り返してｎ組目の粗い、細かい精度のスペックル座標パターン及びその位置座標読取値のデータ入力を終える。ｎ枚目の粗い精度のスペックル座標位置はスペックルスケールの設定長さより大きいか又は等しい場合、全ての粗い、細かい精度のスペックル座標パターン組の構築を終え、計ｎ枚の粗い精度のスペックル座標パターン、ｎ×Ｐ枚の細かい精度のスペックル座標パターン及びその位置座標読取値のデータベース構築を終え、ｎ枚の座標パターンが粗い、細かい精度のスペックルパターンを共有する。

（実施例）
図７を参照すると、本発明のアジレント社製５５３０レーザ干渉計で細かい精度のスペックル座標パターンを測定したデータと本発明のサブピクセル絶対位置決め方法の実験結果図である。本発明は焦点距離ｆ＝１３．５ｍの不変形スペックル読取ヘッドを使用し、ＳＯＮＹ ＸＣＬ−５００５ ＣＣＤ（画素サイズ３．４５ｕｍ）、結像レンズの光学拡大倍率Ｍ＝１を組み合せて、１ｕｍの細かい位置決め精度のスペックルパターンのサブピクセルマッチングによる位置決めの実験を行う。まず細かい精度のスペックル座標パターンを構築し、１ｕｍ移動させるたびに１枚のスペックルパターンを取得し、１２８×１２８アレイの画像を採用し、計５００枚のスペックルパターンを取得し、アジレント社製５５３０レーザ干渉計により各細かい精度のスペックル座標パターンの位置読取値を同期記録し、細かい精度のスペックル座標パターンデータベース位置座標を構築する。そして毎回１ｕｍ距離を移動し、連続して５０個の位置のリアルタイムなスペックルパターンを取得し、計５０枚のリアルタイムなスペックルパターンを取得し、この５０枚のスペックルパターンの５５３０レーザ干渉計のリアルタイム位置読取値を同期記録し、ＮＣＣマッチング方法によりテンプレートが３２×３２アレイの画像とマッチングし、５０枚のリアルタイムなスペックルパターンとデータベース５００枚の細かい精度のスペックル座標パターンをマッチングし、５０枚のリアルタイムなスペックルパターンの座標位置を決める。図７に示すように１０点の連続マッチングで、座標の横軸はスペックルデータベースパターンの位置読取値で、座標の縦軸がリアルタイムなスペックルパターンとデータベースパターンのＮＣＣによるマッチング値である。また、この１０点のリアルタイムなスペックルパターンの５５３０レーザ干渉計の位置読取値を添付し、図７に示すように７０〜７９ｕｍの１０個の位置のリアルタイムなスペックルパターンは、データベース座標のスペックルパターンマッチング結果と５５３０レーザ干渉計の位置読取値と全く一致し、全過程の５０個のリアルタイムなスペックルパターンの位置決め点の位置決め結果は５５３０レーザ干渉計の位置決め結果と全く一致するため、本発明で開示するスペックルサブピクセル位置決め方法が実際に実現できることを示している。

（実施例及び比較例）
１個の長さ１ｍのスペックルスケールは、絶対位置決め精度を１ｕｍまで獲得しようとする場合、異なる位置決め方法の位置決め精度及び位置決め速度で比較を行うことができる。二次元画像検出器の画素サイズは５ｕｍ（η＝５ｕｍ）で、不変形スペックルパターン読取ヘッドの結像レンズ２２の光学拡大倍率が１（Ｍ＝１）及びスペックルパターンのマッチングによる位置決めの繰り返し率が１０ｋＨｚとする。

方法１：本発明で開示した不変形スペックルのサブピクセル分割の撮像技術により、スペックルパターンを１ｕｍの距離で連続して移動し、サブピクセルに分割して撮像し、同時に干渉計で各座標スペックルパターンの位置読取値を構築する場合、この１ｕｍ位置決め精度のスペックル座標パターンデータベースのスペックルパターン数量は百万枚（１ｍ／１ｕｍ＝１（１０＾６）とする。システムの起動時、リアルタイムなスペックルパターン初期位置決めの所要時間は約１００秒（１×１０＾６／１０＾４＝１００）とする。

方法２：本発明で開示したスペックルパターンの倍精度データベース構築及びマッチングによる位置決め方法を利用し、まず隣接する２枚の粗い精度のスペックル座標パターンの距離を確認し、不変形スペックル読取ヘッドの特性を参考にして隣接する２枚の粗い精度のスペックル座標パターンの正確なマッチング、位置決めの移動可能距離を確認できる。この距離を１００ｕｍ（△＝１００ｕｍ）に仮定した場合、１万枚の粗い精度のスペックル座標パターン（１ｍ／１００ｕｍ＝１００００）を構築する必要がある。更に、本発明で開示したサブピクセル分割の撮像技術により、各粗い精度のスペックル座標パターンを撮像してから１ｕｍ距離（Δ’＝１ｕｍ）で４回連続移動（５ｕｍ／１ｕｍ−１＝４）し、更に他の４枚の細かい精度のスペックル座標パターンを取得し、干渉計で各細かい精度のスペックル座標パターンの座標読取値を記録する。よって、各粗い精度のスペックル座標パターンに対応する細かい精度のスペックル座標パターンは５枚及び５個の細かい精度位置決め座標がある。１枚目の細かい精度のスペックル座標パターンは、本来の粗い精度座標パターンである。これにより、この方法で構築した細かい精度座標パターン数が５枚［（１ｍ／１００ｕｍ）×５＝５００００］とする。システムを起動し、全ての細かい精度のスペックル座標パターンをマッチングする必要がなく、起動時に取得したリアルタイムなスペックルパターンを先に粗い精度のスペックル座標パターンデータベース内の１万枚の粗い精度の座標パターンとマッチングするだけで、リアルタイムな座標パターンに一番近い粗い精度の座標パターンを獲得してからこの粗い精度の座標パターンで構築した５枚の細かい精度座標パターンを呼び出し、リアルタイムなスペックルパターンとこの５枚の細かい精度の座標パターンをマッチング、位置決めさせると、１枚のリアルタイムなスペックルパターンに一番近い細かい精度の座標スペックルパターンを獲得できる。その細かい精度の座標読取値はこのリアルタイムなスペックルパターンの位置決め座標であるため、位置決めやマッチング全体に要する回数は１万５枚（１ｍ／１００ｕｍ＋５＝１０００５）で、マッチングによる位置決めの所要の時間（細かい精度のスペックル座標パターンの読み出し時間を無視）が約０．１秒（１０００５／１０＾４≒１）とする。本発明で開示した方法により、長さ１ｍのスペックルスケールは、１ｕｍの絶対位置決め精度の要求において位置決めやマッチング時間が本来の１００秒から１秒に効果的に短縮させることができ、本発明の方法の有効性が顕在化する。

角度位置決め領域において、不変形スペックルパターンのダブルデータベースの位置決め、マッチング方法は、線形移動と類似し、円周接線方向の移動長さを線形移動長さに照らし、スペックルレゾルバの円周長がスペックルスケール長さに相当する。スペックルスケールは干渉計で初期座標の位置決めを行い、スペックルレゾルバが干渉計、レーザジャイロスコープ或いはファイバジャイロスコープ等の角度精密測定機器でスペックルレゾルバ初期座標の角度位置決めを行う。不変形スペックルパターンのダブルデータベースの位置決め、マッチング方法を利用することは、スペックルレゾルバに高い角度位置決め精度を持たせることができ、大幅にスペックルレゾルバのマッチング、位置決め時間を短縮できる。

２１ プリアパーチャー
２２ 結像レンズ
２３ リアアパーチャー
Ｄ 粗い精度のスペックル座標パターンの撮像範囲
Δ 隣接する２枚の粗い精度のスペックル座標パターンの移動距離
Δ’ 細かい精度の移動距離
ε 隣接する２枚の粗い精度のスペックル座標パターンのオーバーラップされた撮像範囲

Claims (14)

1. 対象物表面のリアルタイムなスペックルパターンを取り込むステップ（Ａ）と、
   座標値を含む一組の粗い精度のスペックル座標パターン及び座標値を含む複数組の細かい精度のスペックル座標パターンを提供するステップ（Ｂ）と、
   アルゴリズムを利用してまず前記リアルタイムなスペックルパターンと前記粗い精度のスペックル座標パターンをマッチングしてから前記細かい精度のスペックル座標パターンとマッチングして座標値を得るステップ（Ｃ）とを含むサブピクセル絶対位置決め方法において、
   各前記粗い精度のスペックル座標パターンは、一組の細かい精度のスペックル座標パターンに対応し、前記細かい精度のスペックル座標パターンが更に前記粗い精度のスペックル座標パターンを取り込んだ後、一定の細かい精度の移動距離で繰り返して撮像して獲得し、
   前記細かい精度の移動距離と前記サブピクセルとの関係は、下式により表されることを特徴とするサブピクセル絶対位置決め方法。
   ［数１］
   δ＝Ｍ×Δ’、Ｐ＝η／δ、Δ’＝η／ＭＰ
   上記式において、δは像平面に対する移動距離であり、Ｍは不変形スペックル撮像装置の結像レンズの拡大倍率であり、Δ’は物体平面において細かい精度の移動距離であり、ηは検出器の画素サイズであり、Ｐは分割の数である。
2. 前記アルゴリズムは、ＳＡＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、ＳＳＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ｓｑｕａｒｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）及びＮＣＣ（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）群のいずれかから選ばれることを特徴とする請求項１に記載のサブピクセル絶対位置決め方法。
3. 前記座標値は、線形座標値とすることを特徴とする請求項１に記載のサブピクセル絶対位置決め方法。
4. 前記粗い精度のスペックル座標パターンが、粗い精度のスペックル座標パターンデータベース内に設けられることを特徴とする請求項３に記載のサブピクセル絶対位置決め方法。
5. 前記粗い精度のスペックル座標パターンデータベースは、次のステップによって構築でき、つまり（Ｄ）前記対象物表面において測定起点を定め、不変形スペックル撮像装置を利用して１枚目の粗い精度のスペックル座標パターンを取得し、またレーザ干渉計で前記粗い精度のスペックル座標パターンの座標を標定してから（Ｅ）サーボモーターで前記対象物を粗い精度のスペックル座標パターンの移動距離まで移動し、更に前記不変形スペックル撮像装置により２枚目の粗い精度のスペックル座標パターンを取得し、同時に前記レーザ干渉計の移動距離を記録して前記２枚目の粗い精度のスペックル座標パターンの座標を標定し、（Ｆ）上記ステップ（Ｅ）を繰り返すと、他の粗い精度のスペックル座標パターンを連続して取得でき、レーザ干渉計で座標を標定できることを特徴とする請求項４に記載のサブピクセル絶対位置決め方法。
6. 前記粗い精度のスペックル座標パターンデータベースは、下式により位置決め用の前記粗い精度のスペックル座標パターンを取り込んで構築することを特徴とする請求項５に記載のサブピクセル絶対位置決め方法。
   ［数２］
   Ｄ≧２△、ε≧１／２Ｄ、△＋ε＝Ｄ
   式においてＤ：粗い精度のスペックル座標パターンの撮像範囲、△：２枚の隣接する粗い精度のスペックル座標パターンの移動距離、ε：隣接する２枚の粗い精度のスペックル座標パターンのオーバーラップされた撮像範囲。
7. 前記細かい精度のスペックル座標パターンが、細かい精度のスペックル座標パターンデータベース内に設けられることを特徴とする請求項６に記載のサブピクセル絶対位置決め方法。
8. 前記細かい精度のスペックル座標パターンデータベースは、次のステップによって構築でき、
   つまりステップ（Ｇ）：１枚目の粗い精度のスペックル座標パターンの撮像後に、直ちに前記サーボモーターで対象物を細かい精度の移動距離まで移動してから前記不変形スペックル撮像装置により１枚目の細かい精度のスペックル座標パターンを取得し、同時にレーザ干渉計の移動距離を記録して前記１枚目の細かい精度のスペックル座標パターンの座標を標定し、更に上記ステップを繰り返してその他の細かい精度のスペックル座標パターンを連続取得し、合わせてＰ−１枚の細かい精度のスペックル座標パターンを取得し、また干渉計の位置決め座標に合わせ、１枚目の粗い精度のスペックル座標パターンに対応する第１組の細かい精度のスペックル座標パターンを完成し、
   ステップ（Ｈ）：ステップ（Ｇ）を繰り返して他組の細かい精度のスペックル座標パターンを連続取得することを特徴とする請求項７に記載のサブピクセル絶対位置決め方法。
9. 前記座標値は、角度座標値とすることを特徴とする請求項１に記載のサブピクセル絶対位置決め方法。
10. 前記粗い精度のスペックル座標パターンが、粗い精度のスペックル座標パターンデータベース内に設けられることを特徴とする請求項９に記載のサブピクセル絶対位置決め方法。
11. 前記粗い精度のスペックル座標パターンデータベースは、次のステップによって構築でき、つまり（Ｉ）前記対象物表面において測定起点を定め、不変形スペックル撮像装置を利用して１枚目の粗い精度のスペックル座標パターンを取得し、また角度位置決め装置で前記スペックル座標パターンの座標を標定してから（Ｊ）サーボモーターで対象物を粗い精度のスペックル座標パターンの移動角度に回転し、更に前記不変形スペックル撮像装置により２枚目の粗い精度のスペックル座標パターンを取得し、同時に角度位置決め装置の移動角度を記録して前記２枚目の粗い精度のスペックル座標パターンの座標を標定し、（Ｋ）上記（Ｊ）を繰り返すと、他の粗い精度のスペックル座標パターンを連続して取得でき、角度位置決め装置で座標を標定できることを特徴とする請求項１０に記載のサブピクセル絶対位置決め方法。
12. 前記角度位置決め装置は、レーザ干渉計、レーザジャイロスコープ或いはファイバジャイロスコープのいずれかから選ばれることを特徴とする請求項１１に記載のサブピクセル絶対位置決め方法。
13. 前記細かい精度のスペックル座標パターンが、細かい精度のスペックル座標パターンデータベース内に設けられることを特徴とする請求項１２に記載のサブピクセル絶対位置決め方法。
14. 前記細かい精度のスペックル座標パターンデータベースは、次のステップによって構築でき、
    つまりステップ（Ｌ）：１枚目の粗い精度のスペックル座標パターンの撮像後に、直ちに前記サーボモーターで対象物を細かい精度の移動角度に回転してから前記不変形スペックル撮像装置により１枚目の細かい精度のスペックル座標パターンを取得し、同時に角度位置決め装置の移動角度を記録して前記１枚目の細かい精度のスペックル座標パターンの座標を標定し、更に上記ステップを繰り返してその他の細かい精度のスペックル座標パターンを連続取得し、合わせてＰ−１枚の細かい精度のスペックル座標パターンを取得し、また角度位置決め装置の位置決め座標に合わせ、１枚目の粗い精度のスペックル座標パターンに対応する第１組の細かい精度のスペックル座標パターンを完成し、
    ステップ（Ｍ）：ステップ（Ｌ）を繰り返して他組の細かい精度のスペックル座標パターンを連続取得することを特徴とする請求項１３に記載のサブピクセル絶対位置決め方法。

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