(57)【要約】【課題】交換可能なクロマティックポイントセンサ構成要素の強度補償を提供する。【解決手段】クロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）の光源および波長検出器サブシステムの非均一応答に補償を提供する方法が提供される。光源からの光は、ＣＰＳ光学ペンを通る測定路を迂回し、迂回光を波長検出器に提供して、検出器のピクセルにわたって分布した未処理強度プロファイルを提供する光路に入力される。結果として生成される未処理強度プロファイル信号のセットが解析されて、未処理強度プロファイル信号内に発生する波長依存強度変動の誤差補償係数のセットが決定される。後に、誤差補償係数を適用して、本発明を使用しない場合にはＣＰＳ距離測定プロファイル信号データのピーク領域内の信号の形状に発生する歪みおよび非対称性を低減することができる。開示される方法は、様々な実施形態において、ＣＰＳ構成要素に強化された精度、ロバスト性、現場でのテスト、および交換可能性を提供することができる。【選択図】図１
2010261960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）の少なくとも光源と検出器とからなるサブシステムを動作させる方法であって、
ａ）ＣＰＳ光源およびＣＰＳ波長検出器を備えるＣＰＳ光源と検出器とからなるサブシステムを含むＣＰＳ電子回路を提供するステップと、
ｂ）光を前記ＣＰＳ光源から、通常ワークピース測定動作中に前記ＣＰＳのＣＰＳ光学ペンを通して向けられる通常動作光路の少なくとも一部を迂回する迂回光路に入力し、前記迂回光路から出力された前記迂回光を前記ＣＰＳ波長検出器に入力するステップと、
ｃ）前記ＣＰＳ波長検出器の測定軸に沿った複数のピクセルにわたって分布した前記迂回光の未処理強度プロファイルを形成するステップと、
ｄ）前記ＣＰＳ波長検出器を動作させて、前記波長検出器測定軸に沿った前記複数のピクセルに対応する未処理強度プロファイル信号のセットを提供するステップと、
ｅ）前記未処理強度プロファイル信号のセットに基づいて、前記波長検出器測定軸に沿った前記複数のピクセルに対応する誤差補償係数データを決定するステップであって、前記誤差補償係数データは、前記未処理強度プロファイル信号のセット内に含まれる短期変動および長期変動のうちの少なくとも一方の波長依存変動量を低減するために適用可能なように決定されるステップと、
ｆ）前記決定された誤差補償係数データを前記ＣＰＳ光源と検出器とからなるサブシステムに対応して記憶するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記複数のピクセルは、前記ＣＰＳ波長検出器内に含まれるピクセルの大半および前記ＣＰＳの通常測定動作中に光を受けるピクセル範囲内の各ピクセルのうちの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記誤差補償係数データは、誤差補償多項式データおよび前記複数のピクセルに対応するメンバを含む誤差補償データのセットのうちの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記誤差補償係数データは、前記未処理強度プロファイル信号のセット内に含まれる前記短期変動の波長依存変動量を低減するために適用可能なように決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記誤差補償係数データは、前記波長検出器に関連する薄膜干渉の影響を含む原因による前記短期変動の前記波長依存変動量を低減するために適用可能なように決定される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記誤差補償係数データを決定するステップは、フィルタリング動作を前記未処理強度プロファイル信号のセットに対して実行して、前記短期変動に対応する信号成分を分離するステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記誤差補償係数データを決定するステップは、
フィルタリング動作を前記未処理強度プロファイル信号のセットに対して実行して、強度プロファイル信号の短期フィルタリングセットを提供するステップであって、前記短期変動に対応する信号成分は、前記フィルタリング動作により除去されるステップと、
ピクセルに対応する前記未処理強度プロファイル信号のセットのメンバと、そのピクセルに対応する前記強度プロファイル信号の短期フィルタリングセットのメンバとの差および比率のうちの少なくとも一方を決定するステップと
を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記誤差補償係数データは、前記未処理強度プロファイル信号のセット内に含まれる前記長期変動の波長依存変動量を低減するために適用可能なように決定され、前記誤差補償係数データを決定するステップは、ピクセルに対応する強度プロファイル信号の短期フィルタリングセットのメンバと、そのピクセルに対応する強度プロファイル信号の標準化セットのメンバとの差および比率のうちの少なくとも一方を決定するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記誤差補償係数データを決定するステップは、ピクセルに対応する前記未処理強度プロファイル信号のセットのメンバと、そのピクセルに対応する強度プロファイル信号の標準化セットのメンバとの差および比率のうちの少なくとも一方を決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記誤差補償係数データは、前記未処理強度プロファイル信号のセット内に含まれる前記長期変動の波長依存変動量を低減するために適用可能なように決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記誤差補償係数データは、前記光源に関連する波長依存強度変動を含む原因による前記長期変動の波長依存変動量を低減するために適用可能なように決定される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記迂回光路は、任意のＣＰＳ光学ペンの任意の色分散レンズを含まず、ａ）前記光源から前記波長検出器への直接の光ファイバパス、ｂ）前記通常動作光路の部分および前記通常動作光路の前記部分を通して前記光源から光を受け、前記通常動作光路の前記部分を通して前記波長検出器に光を戻すように構成される光ファイバループを含む光ファイバパス、ならびにｃ）前記通常動作光路の部分および前記通常動作光路の前記部分を通して前記光源から光を受け、前記通常動作光路の前記部分を通して前記波長検出器に光を反射するように構成されたミラー要素を含む光ファイバパスのうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
ｇ）前記通常動作光路を使用して、前記ＣＰＳ電子回路に動作可能に接続されたＣＰＳ光学ペンを提供するステップと、
ｈ）前記光学ペンに対応するＣＰＳ距離校正データを提供するステップと、
ｉ）前記ＣＰＳを動作させて、複数の対応する焦点距離のそれぞれにおいて光の複数の波長のそれぞれを結像するステップと、
ｊ）前記光学ペンに対して測定距離Ｚのところにワークピース表面を配置し、前記ワークピース表面からの光を前記光学ペンに反射させ、結果として生成されるスペクトルを伝達して、前記ＣＰＳ波長検出器測定軸に沿った前記複数のピクセルにわたって分布した測定強度プロファイルを形成するステップと、
ｋ）前記波長検出器を動作させて、前記波長検出器測定軸に沿った前記複数のピクセルに対応する未処理測定プロファイル信号データのセットを提供するステップと、
ｌ）前記未処理測定プロファイル信号データのセットを修正して、誤差補償測定プロファイル信号データのセットを決定するステップであって、前記誤差補償係数データを適用して、前記未処理強度プロファイル信号のセット内の、前記ＣＰＳ光源と検出器とからなるサブシステムに関連する波長依存変動の影響を低減することを含むステップと、
ｍ）前記誤差補償測定プロファイル信号データのセットに基づいて、前記ワークピース表面に対する前記測定距離Ｚに対応するサブピクセル分解能距離指示座標を決定するステップと、
ｎ）前記決定されたサブピクセル分解能距離指示座標および前記ＣＰＳ距離校正データに基づいて、前記ワークピース表面に対する前記測定距離Ｚを決定するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記光学ペンに対応する前記ＣＰＳ距離校正データは、ａ）前記現在の光源と検出器とからなるサブシステムからの誤差補償測定プロファイル信号データおよびｂ）前記現在の光源と検出器とからなるサブシステムからの前記誤差補償測定プロファイル信号データと同等の測定プロファイル信号データの提供に使用された、異なる光源と検出器とからなるサブシステムのうちの一方を使用して決定されるペン校正測定プロファイル信号データに基づく、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
クロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）を動作させる方法であって、
ａ）ＣＰＳ光源およびＣＰＳ波長検出器を備えるＣＰＳ光源と検出器とからなるサブシステムを含むＣＰＳ電子回路を提供するステップと、
ｂ）前記ＣＰＳ光源と検出器とからなるサブシステムに対応して決定される現在の誤差補償係数データを提供するステップであって、前記誤差補償係数データは、前記ＣＰＳ光源と検出器とからなるサブシステムにより提供される未処理プロファイル信号データのセット内に含まれる短期変動および長期変動のうちの少なくとも一方の波長依存変動量を低減するために適用可能なように決定されるステップと、
ｃ）前記通常動作光路を使用して前記ＣＰＳ電子回路に動作可能に接続されるＣＰＳ光学ペンを提供するステップと、
ｄ）前記光学ペンに対応するＣＰＳ距離校正データを提供するステップと、
ｅ）前記ＣＰＳを動作させて、複数の対応する焦点距離のそれぞれに光の複数の波長のそれぞれを結像するステップと、
ｆ）前記光学ペンに対して測定距離Ｚのところにワークピース表面を配置し、前記ワークピース表面から前記光学ペンに反射し、結果として生成されたスペクトルを伝達して、前記ＣＰＳ波長検出器測定軸に沿った複数のピクセルにわたって分布した測定強度プロファイルを形成するステップと、
ｇ）前記波長検出器を動作させて、前記波長検出器測定軸に沿った前記複数のピクセルに対応する未処理測定プロファイル信号データのセットを提供するステップと、
ｈ）前記未処理測定プロファイル信号データのセットを修正して、誤差補償測定プロファイル信号データのセットを決定するステップであって、前記現在の誤差補償係数データを適用して、前記未処理強度プロファイル信号のセット内の、前記ＣＰＳ光源と検出器とからなるサブシステムに関連する波長依存変動の影響を低減することを含むステップと、
ｉ）前記誤差補償測定プロファイル信号データのセットに基づいて、前記ワークピース表面に対する前記測定距離Ｚに対応するサブピクセル分解能距離指示座標を決定するステップと、
ｊ）前記決定されたサブピクセル分解能距離指示座標および前記ＣＰＳ距離校正データに基づいて、前記ワークピース表面に対する前記測定距離Ｚを決定するステップと
を含む、方法。
【請求項１６】
前記光学ペンに対応する前記ＣＰＳ距離校正データは、ａ）前記現在の光源と検出器とからなるサブシステムからの誤差補償測定プロファイル信号データおよびｂ）前記現在の光源と検出器とからなるサブシステムからの前記誤差補償測定プロファイル信号データと同等の測定プロファイル信号データの提供に使用された、異なる光源と検出器とからなるサブシステムのうちの一方を使用して決定されるペン校正測定プロファイル信号データに基づく、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記現在の光源と検出器とからなるサブシステムからの前記誤差補償測定プロファイル信号データと同等の測定プロファイル信号データを提供するために使用される前記異なる光源と検出器とからなるサブシステムは、
ａ）強度プロファイル信号の標準化セットに対して決定された誤差補償係数に基づいた誤差補償測定プロファイル信号データの提供に使用される光源と検出器とからなるサブシステムであって、前記現在の光源と検出器とからなるサブシステムは、同じ強度プロファイル信号の標準化セットに対して決定された現在の誤差補償係数に基づいて、誤差補償測定プロファイル信号データを提供する、光源と検出器とからなるサブシステム、および
ｂ）前記強度プロファイル信号の標準化セットに関しておおよそ理想的な未処理強度プロファイル信号を提供するように構成される光源と検出器とからなるサブシステム
のうちの１つを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記光学ペンに対応する前記ＣＰＳ距離校正データは、距離指示座標を対応する測定距離に関連づける多項式データとして表現される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
現在のＣＰＳ電子回路を使用して、
ｋ）光を前記ＣＰＳ光源から、通常ワークピース測定動作中に前記ＣＰＳのＣＰＳ光学ペンを通して向けられる通常動作光路の少なくとも一部を迂回する迂回光路に入力し、前記迂回光路から出力された前記迂回光を前記ＣＰＳ波長検出器に入力するステップと、
ｌ）前記ＣＰＳ波長検出器の測定軸に沿った複数のピクセルにわたって分布した前記迂回光の未処理強度プロファイルを形成するステップと、
ｍ）前記ＣＰＳ波長検出器を動作させて、前記波長検出器測定軸に沿った前記複数のピクセルに対応する未処理強度プロファイル信号のセットを提供するステップと、
ｎ）前記未処理強度プロファイル信号のセットに基づいて、前記波長検出器測定軸に沿った前記複数のピクセルに対応する誤差補償係数データを決定するステップであって、前記誤差補償係数データは、前記未処理強度プロファイル信号のセット内に含まれる短期変動および長期変動のうちの少なくとも一方の波長依存変動量を低減するために適用可能なように決定されるステップと、
を実行することにより、前記現在の光源と検出器とからなるサブシステムの新しい誤差補償係数データを決定するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
ｏ）前記新しい誤差補償係数データが前記現在の誤差補償係数データと所定の値以上異なるか否かを判断し、所定の値以上異なる場合、前記ＣＰＳ電子回路から対応する指示信号を提供するステップ、およびｐ）ステップｂ）において、前記現在の誤差補償係数データを前記新しい誤差補償係数データで置換して、ステップｃ）〜ｊ）を繰り返すステップのうちの少なくとも一方をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、一般には精密測定器に関し、より詳細には、クロマティックポイントセンサ（chromatic point sensor）および同様の光学距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
光学高さセンサまたは光学距離センサに色共焦点技法を使用することが知られている。全体が参照により本明細書に援用される米国特許出願公開第２００６／０１０９４８３  Ａ１号に記載のように、軸上または縦の色分散とも称される軸上色収差を有する光学要素が、焦点までの軸方向距離が波長に伴って変化するように波長域の広い光源を結像させるために使用され得る。したがって、１つの波長のみが表面上で正確に結像され、結像要素に対する表面の高さまたは距離により、最もよく結像する波長が決まる。光は、表面から反射すると、ピンホールまたは光ファイバ端部等の小さな検出器開口部上に再び結像される。表面から反射され、光学系を通って入出力ファイバに戻る際に、表面上でよく結像された波長のみが、ファイバ開口部でよく結像される。他の波長はすべて、ファイバ開口部であまりよく結像せず、ひいては大きな出力をファイバに結合しない。したがって、ファイバを通って戻る光の場合、表面の高さまたは表面までの距離に対応する波長の信号レベルは最大になる。分光計式の検出器が、表面高さを決定するために、各波長の信号レベルを測定する。
【０００３】
特定の製造業者は、上述したように動作し、産業の状況においてクロマティック共焦点測距に適した実用的で小型のシステムをクロマティックポイントセンサと呼んでいる。そのようなシステムと併用される小型の色分散光アセンブリは、「光学ペン」または「ペン」と呼ばれる。光学ペンは、光ファイバを通してクロマティックポイントセンサの電子回路部に接続され、クロマティックポイントセンサは、光を光学ペンから出力するようにファイバを通して伝達し、戻された光を検出して解析する分光計を提供する。戻された光は、分光計の検出器アレイにより受信される波長分散強度プロファイルを形成する。波長分散強度プロファイルに対応するピクセルデータが解析されて、強度プロファイルの「主波長位置座標」が決定され、結果として生成されるピクセル座標がルックアップテーブルと併せて使用されて、表面までの距離が決定される。
【０００４】
クロマティックポイントセンサに伴う重要な問題は、校正に対する構成要素の安定性である。クロマティックポイントセンサは、既知の測定距離を、結果として生成されるアレイに沿った主波長位置座標に相関付ける距離校正データに基づいて、非常に高い分解能および精度（例えば、サブミクロンの分解能および精度）を提供する。クロマティックポイントセンサにより提供される分解能および精度のレベルにおいて、構成要素の挙動は、校正時に提供される挙動と比較して必然的にドリフトし、測定誤差に繋がる。既知の再校正方法では一般に、エンドユーザが提供するには非現実的である機器および／またはレベルについての専門知識が必要である。したがって、測定精度が低下した場合、またはユーザがクロマティックポイントセンサの特定の構成要素（光学ペン等）を交換したい場合、ユニット全体を再校正のために工場に戻す必要があり得る。
【０００５】
全体が参照により本明細書に援用される、Micheltに付与された欧州特許ＥＰ１６４７７９９号（‘７９９号特許）には、組み合わせて使用されるクロマティックポイントセンサのペンおよびクロマティックポイントセンサの分光器を別個に校正する方法が開示されている。‘７９９号特許によれば、第１の校正係数は、校正された分光器を使用して、特定の波長を確立し、測定ヘッドからその特定の波長で最大強度が生じた参照表面までの特定の距離を決定することにより、ペンに対して決定される。第２の校正係数は、分光器に特定の波長の光を供給した場合に、分光器により生成される出力信号を決定することにより、クロマティックポイントセンサの分光器に対して決定される。しかし、様々な理由により、‘７９９号特許の方法は、商慣行では満足のいくものではないことが証明されている。クロマティックポイントセンサに改良され簡易化され、かつ／または信頼性のより高い再校正を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の概要
この概要は、詳細な説明において以下にさらに説明する選択された概念の簡易形態での紹介を提供する。この概要は、特許請求される主題の主要特徴を識別することも意図しなければ、特許請求される主題の範囲の決定を助けるために使用されることも意図しない。
【０００７】
‘７９９号特許の方法は、実際には達成されていないクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）動作の理想化に基づくため、不備が生じる。例えば、特に、‘７９９号特許において開示された方法は、通常動作中、随時、ＣＰＳ光学ペンが通常、‘７９９号特許に開示されたように「特定の波長」ではなく、広域光を受けることに適宜対処しない。したがって、通常動作において、ＣＰＳペンは通常、‘７９９号特許において開示されたように「特定の波長」ではなく、「特定の距離」で特定の範囲の波長またはピーク領域の波長を返す。対応する「特定の距離」に関連するこのピーク領域の代表的な波長は、ピーク領域の全体形状に依存する（例えば、曲線のあてはめ、重心の決定等により決まる）。所与のワークピース表面の場合、ピーク領域の全体形状は、ＣＰＳペンに供給される広域光の強度スペクトルの形状ならびにＣＰＳペンの波長に依存する特性に依存する。校正中に「特定の波長」をＣＰＳペンに供給することにより、これら「波長分散」の影響がＣＰＳ光学ペン校正データ内に含まれることが回避される。
【０００８】
同様に、通常動作において、ＣＰＳ分光計は通常、‘７９９号特許に開示されるように「特定の波長」ではなく、上述したように、「特定の距離」で特定の範囲の波長またはピーク領域の波長を受ける。ＣＰＳ分光計が波長のピーク領域の形状を歪ませ、ひいては対応する代表的な波長に影響し得ることを理解されたい。‘７９９号特許において開示されるように、校正中、「特定の波長」をＣＰＳ分光計に供給することにより、これら波長分散の影響がＣＰＳ分光計校正データ内に含まれることが回避される。
【０００９】
本発明のシステムおよび方法は、ＣＰＳ、分光計、および／またはＣＰＳ広域光源内の波長に依存する変動（例えば、非均一応答）の影響を包含した補償データとも呼ばれる構成要素校正データを提供する。実用的かつ経済的なＣＰＳの現場での校正および／または誤差チェックを強化することもできる。
【００１０】
本方法は、ＣＰＳ光源（広域光源）およびＣＰＳ波長検出器を備えるＣＰＳ光源＋検出器サブシステムを含むＣＰＳ電子回路と併せて利用することができる。ＣＰＳ光源からの光は、ＣＰＳ光学ペンを通る典型的な光学測定路を迂回し、迂回光をＣＰＳ波長検出器に提供する光路に入力され、迂回光は伝達されて、ＣＰＳ波長検出器測定軸に沿った複数のピクセルにわたって分布した未処理強度プロファイルを形成する。次に、ＣＰＳ波長検出器が動作して、波長検出器測定軸に沿った複数のピクセルに対応する初期または未処理強度プロファイル信号のセットを提供する。
【００１１】
一実施態様では、未処理強度プロファイル信号が解析されて、波長検出器の範囲にわたり、またはＣＰＳの距離測定に対応するピーク領域の典型的な波長範囲内で周期的に発生する顕著な「短期」未処理強度プロファイル信号変動の短期誤差補償係数のセットが決定される。いくつかの実施形態では、このような短期未処理強度プロファイル信号変動の主な原因は、ＣＰＳ波長検出器誤差成分（例えば、検出器アレイ上の薄膜塗膜内の干渉の影響に起因する波長依存振幅変動）であり得る。各検出器ピクセルでの短期誤差成分は、短期誤差補償係数のセットの対応するメンバの適用により、補償することができ、結果として、ＣＰＳ測定ピーク領域での信号の形状の検出器歪みは、かなり低減される。一実施形態では、短期誤差補償係数のセットは、すべての検出器ピクセルに比較的均一な検出器応答または利得を提供するように決定することができる。別の実施形態では、短期誤差補償係数のセットは、所定の検出器応答または利得を様々な検出器ピクセルに提供するように、例えば、標準化された検出器応答曲線または利得を様々な検出器ピクセルに提供するように決定することができる。このような実施態様では、ＣＰＳ波長検出器および／またはそのホスト電子回路は、より予測可能なように挙動することができ、いくつかの実施形態では、交換可能なように使用することができる。
【００１２】
一実施態様では、未処理強度プロファイル信号が解析されて、波長検出器の範囲にわたって発生する「長期」未処理強度プロファイル信号変動の長期補償係数のセットが決定される。一実施形態では、長期未処理強度プロファイル信号変動は、上述した短期未処理強度プロファイル信号変動が除去された後に残る変動であり得る。いくつかの実施形態では、このような長期未処理強度プロファイル信号変動の主な原因は、異なる波長でのＣＰＳ光源強度の変動であり得る。各検出器ピクセルでの長期誤差成分は、長期誤差補償係数の対応するメンバの適用により補償することができ、結果として、波長に伴う光源強度変動によるＣＰＳ測定ピーク領域内の信号の形状の歪みが、かなり低減する。一実施形態では、長期誤差補償係数のセットは、比較的均一な補償された光源強度をすべての検出器ピクセルに提供するように決定することができる。別の実施形態では、長期誤差補償係数のセットは、所定または標準化された光源強度曲線をすべての検出器ピクセルに提供するように決定することができる。このような実施態様では、ＣＰＳ光源および／またはそのホスト電子回路は、より予測可能なように挙動することができ、いくつかの実施形態では、交換可能なように使用することができる。
【００１３】
一実施態様では、未処理強度プロファイル信号が解析されて、波長検出器の範囲にわたって発生する結合未処理強度プロファイル信号変動のＣＰＳ光源＋検出器サブシステム誤差補償係数のセットが決定される。いくつかの実施形態では、このような結合未処理強度プロファイル信号変動は、上述した短期および長期の未処理強度プロファイル信号変動の組み合わせとして理解することができる。各検出器ピクセルでの結合誤差成分は、ＣＰＳ光源＋検出器サブシステム誤差補償係数のセットの対応するメンバの適用により補償することができ、結果として、結合光源強度変動および波長依存の検出器誤差によるＣＰＳ測定ピーク領域内の信号の形状の歪みは、かなり低減する。一実施形態では、光源＋検出器サブシステム誤差補償係数のセットは、比較的均一な補償された光源＋検出器サブシステム信号をすべての検出器ピクセルに提供するように決定することができる。別の実施形態では、光源＋検出器サブシステム誤差補償係数のセットは、標準化された光源＋検出器信号曲線をすべての検出器ピクセルに提供するように決定することができる。このような実施態様では、ＣＰＳ光源＋検出器サブシステムおよび／またはそのホスト電子回路は、より予測可能なように挙動することができ、いくつかの実施形態では、交換可能なように使用することができる。
【００１４】
一実施態様では、ＣＰＳ光学ペンは、補償された光源＋検出器サブシステムが、既知または標準化された光源＋検出器信号曲線をすべての検出器ピクセルに提供するように、光源＋検出器サブシステムを備えるＣＰＳ電子回路および対応する誤差補償係数を使用して校正される。ＣＰＳ光学ペン校正は、ワークピース表面を、ＣＰＳペンから一続きの既知の距離に設定すること、および既知または標準化された光源＋検出器サブシステムの波長検出器上の結果として生成される補償ピーク領域信号のピークに対応する、対応する距離指示座標（例えば、サブピクセル分解能で決定されるピクセル座標）を決定することを含む。このような実施態様では、ＣＰＳ光学ペンおよびこのような既知または標準化された光源＋検出器サブシステムの組み合わせは、従来技術のシステムよりもより予測可能なように挙動し、いくつかの実施形態では、このようにして校正されたＣＰＳ光学ペンは、このような既知または標準化された光源＋検出器サブシステムと交換可能に使用することができる。
【００１５】
ＣＰＳ測定プロファイルピーク領域信号が、波長検出器上のピクセル数個分、ピクセル数十個分、またはそれよりも多いピクセル個数分の範囲にわたって広がり得ることを理解されたい。上述した補償方法がなければ、ＣＰＳ測定プロファイルピーク領域信号の形状は一般に、光源、波長検出器、または両方に固有の何等かの種類の歪みを含む。この固有の形状歪みが補償されない場合、測定プロファイルピーク領域のピーク位置の決定は、異なるＣＰＳシステムで一貫しない、または誤差を含むことになり、潜在的に、特定のＣＰＳシステム内の様々な測定距離で一貫しない、または誤差を含むことになる。したがって、様々な実施態様において、測定プロファイルピーク領域信号のピーク位置を示すサブピクセル分解能距離指示座標の決定前に、上述した誤差補償係数を測定プロファイルピーク領域信号に適用することが重要である。
【００１６】
ＣＰＳ光源＋検出器サブシステムが、上述したように誤差補償係数を決定することを特徴とする場合、同様の特徴を後に繰り返すことができ、見掛け誤差補償係数のいかなる顕著な変更も、環境または劣化による構成要素のドリフトを示し得ることを理解されたい。このような顕著な変更は、ＣＰＳ電子回路またはＣＰＳ電子回路に接続されたホストシステムの動作により検出することができる。結合光源＋検出器サブシステム誤差補償係数が決定される場合、光源＋検出器サブシステムの全体としての変更を検出することができる。短期および／または長期誤差補償係数が決定される場合、ＣＰＳ波長検出器および／またはＣＰＳ光源の変更について別個に診断することができる。このような顕著な変更が検出された場合、適切なシステム誤差指示または警告をＣＰＳ電子回路、またはホストシステムからユーザに出力することができる。あるいは、またはさらに、誤差補償係数は、このような変更に関して調整され、ＣＰＳシステムの精度を再確立するように更新することができる。当然ながら、誤差補償係数が安定または正確であることが分かっている場合、測定結果の既知の測定距離または校正目標の他のいかなる変更の原因もＣＰＳ光学ペンであり得、適切な修正対策をＣＰＳペンに対してとることができる。
【００１７】
より詳細に後述するように、概説した様々な誤差補償係数の適用は、ＣＰＳの波長検出器応答ならびに測定距離校正曲線全体を有効に「平滑化」し得る。上述した他の恩益に加えて、これにより、小さなドリフトおよび不安定性が、それに比例して小さく「平滑な」測定結果変化になる可能性がより高いという点で、ＣＰＳ測定をよりロバストかつ安定にし得る。
【００１８】
上述したように、様々な実施態様では、ＣＰＳ光源からの光は、ＣＰＳ光学ペンを通る通常光路を迂回し、ＣＰＳ光源の迂回光をＣＰＳ波長検出器に向ける光路に入力される。いくつかの実施形態では、迂回光路は、ＣＰＳペンを外し、通常の光ファイバパスのコネクタを、ＣＰＳ波長検出器に繋がる光ファイバパスに接続することにより提供される。別の実施形態では、迂回光路は、ＣＰＳペンを外し、光がＣＰＳ波長検出器に向けられるように、通常の光ファイバパスからの光を受けて光ファイバパスに対して反射するミラーを提供することにより提供される。別の実施形態では、ＣＰＳ光学ペンは可動ミラーを含むことができ、迂回光路は、ＣＰＳ光学ペンのレンズに光を到達させずに、通常光ファイバパスからの光を受けて光ファイバパスに対して反射する位置にミラーを移動させることにより提供される。
【００１９】
いくつかの実施態様では、最高レベルのＣＰＳシステム精度を維持しながら、様々な構成要素を交換可能にするために、波長検出器上の特定のピクセルを光の特定の波長に相関付けることにより（例えば、既知の分光計校正方法に従って）、追加の恩益が得られることが理解される。上記誤差補償方法を「現場での」校正もしくは誤差チェック、工場での校正もしくは誤差チェック、または両方に適用可能なことがさらに理解される。
【００２０】
本発明の上記態様および本発明に付随する利点の多くが、添付図面と併せて以下の詳細な説明を参照することにより、よりよく理解されるため、より容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
図面の簡単な説明
【図１】本発明により形成された例示的なクロマティックポイントセンサの一実施形態のブロック図である。
【図２】検出器アレイ内のピクセルの電圧オフセット信号レベルを示す、クロマティックポイントセンサからのプロファイルデータの図である。
【図３】測定距離指示座標に対応するピーク領域信号を示す、クロマティックポイントセンサからのプロファイルデータの図である。
【図４】既知の測定距離をクロマティックポイントセンサの距離指示座標に相関付けるクロマティックポイントセンサ距離校正データの図である。
【図５】本発明による誤差補償係数決定プロセスの一環として、ＣＰＳ光学ペンを迂回しながら、光源を波長検出器に結合するための異なる構成を示す図である。
【図６】ＣＰＳ光源＋検出器サブシステムの未処理強度プロファイル信号ならびにＣＰＳ光源に起因する信号成分および測定距離指示座標に対応する代表的な理想的なピーク領域信号を示すグラフの図である。
【図７】クロマティックポイントセンサ検出器により検出された光強度に短期波長依存変動をもたらす干渉の影響のシミュレーションを示すグラフの図である。
【図８Ａ】測定距離指示座標に対応するピーク領域信号に決定された距離指示座標に対する、短期および長期の未処理強度プロファイル信号成分の影響を示す、図６のグラフの選択された部分の図である。
【図８Ｂ】測定距離指示座標に対応するピーク領域信号に決定された距離指示座標に対する、短期および長期の未処理強度プロファイル信号成分の影響を示す、図６のグラフの選択された部分の図である。
【図８Ｃ】測定距離指示座標に対応するピーク領域信号に決定された距離指示座標に対する、短期および長期の未処理強度プロファイル信号成分の影響を示す、図６のグラフの選択された部分の図である。
【図９】未処理強度プロファイル信号を示すと共に、短期誤差補償に関連するフィルタリングされた信号成分および本発明の一実施形態による誤差補償方法により導出された短期誤差補償係数をさらに示すグラフの図である。
【図１０Ａ】従来技術によるＣＰＳシステムの距離校正曲線の平滑さを示すグラフの図である。
【図１０Ｂ】本発明の一実施形態による短期誤差補償係数を使用したＣＰＳシステムの距離校正曲線の平滑さを示すグラフの図である。
【図１１】本発明の誤差補償係数決定方法の第１の実施形態の例示的なルーチンを示す流れ図である。
【図１２】図１１において生成された誤差補償係数データを使用するクロマティックポイントセンサを動作させる例示的なルーチンを示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
好適な実施形態の詳細な説明
図１は、本発明により形成されたクロマティックポイントセンサ１００の例示的な一実施形態のブロック図である。図１に示すように、クロマティックポイントセンサ１００は、光学ペン１２０と、電子回路部１６０とを含む。光学ペン１２０は、入出力光ファイバサブアセンブリ１０５と、筐体１３０と、光学系部１５０とを含む。入出力光ファイバサブアセンブリ１０５は、光ファイバケーブル１１２内に収容された入出力光ファイバ１１３と、光ファイバコネクタ１０８とを備える。入出力光ファイバ１１３は、開口部１９５を通して出力ビームを出力すると共に、開口部１９５を通して、反射された測定信号光を受ける。
【００２３】
動作に際して、開口部１９５を通してファイバ端部から出射した光は、クロマティック共焦点センサシステムで既知のように、光軸ＯＡに沿った焦点が光の波長に応じて異なる距離となるように軸上の色分散を提供するレンズを含む光学系部１５０により結像する。より詳細に後述するように、測定動作中、光はワークピース１７０の表面位置１９０上に結像する。光は、表面位置１９０から反射されると、光学系部１５０により開口部１９５上に再結像する。光学系部１５０により提供される軸上の色分散により、１つの波長のみが、光学ペン１２０に対して固定された参照位置ＲＰから表面位置１９０までの距離である測定距離「Ｚ」に一致する焦点距離を有する。クロマティックポイントセンサは、表面位置１９０に最もよく結像する波長が、開口部１９５において最もよく結像する波長でもあるように構成される。開口部１９５は、主として最もよく結像した波長が開口部１９５を通り、光ファイバケーブル１１２の光ファイバ１１３のコア内に入るように、反射された光を空間的にフィルタリングする。より詳細に後述するように、光ファイバケーブル１１２は、表面位置１９０までの測定距離Ｚに対応する主強度（dominant intensity）を有する波長を決定するために利用される波長検出器１６２に信号光を伝搬する。
【００２４】
図１に示す実施形態では、電子回路部１６０は、信号プロセッサ１６６と、メモリ部１６８と、波長検出器１６２および広域光源１６４（白色光源とも呼ばれる）を備える光源＋検出器サブシステム１６１とを含む。様々な実施形態では、波長検出器１６２は分光計の検出器アレイ１６３を含む。波長検出器１６２は、メモリ部１６８に記憶し得る補償データ１６９を使用することにより、検出器アレイ１６３により提供されるプロファイルデータから特定の誤差成分を除去または補償する関連の信号プロセッサ（例えば、いくつかの実施形態では、信号プロセッサ１６６により提供される）を含むこともできる。したがって、いくつかの実施形態では、波長検出器１６２および信号プロセッサ１６６の特定の態様を統合してもよく、かつ／または区別がなくてもよい。
【００２５】
電子回路部１６０は、光ファイバケーブル１１２を含む光路を通して光学ペン１２０に結合される。図１に示す実施形態には、光ファイバセグメント１１２Ｂ内のコネクタＣＯＮＮＥＣＴ−Ｏ、コネクタＣＯＮＮＥＣＴ−ＤおよびコネクタＣＯＮＮＥＣＴ−Ｓを通して任意選択による代替光源１６４’をＣＰＳの光路に接続可能にし得る２×１カプラＣＯＵＰＬＥＲ−Ｏで結合される第１および第２のセグメント１１２Ａおよび１１２Ｂを有する光ファイバ１１２を含む、光路の任意選択によるまたは代替の態様を示す。本発明による様々な方法では、光源＋検出器サブシステム１６１に関連する特定の誤差を修正するための誤差補償係数を決定する場合、光は、ＣＰＳ光学ペン１２０が迂回されるように、ＣＰＳ光源からＣＰＳ波長検出器１６２に直接入力される。上で概説した光路の任意選択によるまたは代替の態様は、ＣＰＳ光学ペン１２０を迂回するために、ならびにさらに詳細に後述するように、他の校正動作に対して有用であり得る。
【００２６】
通常測定動作中、広域光源１６４は、信号プロセッサ１６６により制御され、照明ファイバセグメント１６５Ｉ、２×１カプラＣＯＵＰＬＥＲ−Ｅ、ＣＯＮＮＥＣＴＯＲ−Ｅ、および光ファイバケーブル１１２を含む光ファイバパスを通してＣＰＳ光学ペン１２０に結合される。上述したように、光は、縦の色収差を生じさせる光学ペン１２０を通して伝搬する。再び開口部１９５を通り光ファイバケーブル１１２内に最も効率よく逆伝搬される光の波長は、表面位置１９０上に結像された波長である。次に、反射された波長依存光強度は、光の約５０％が信号ファイバセグメント１６５Ｓを通って波長検出器１６２に向けられるように、再び光ファイバパスを通って電子回路部１６０およびカプラＣＯＵＰＬＥＲ−Ｅに渡される。波長検出器１６２は、波長依存光強度を受け取り、検出器アレイ１６３の測定軸に沿ってピクセルアレイにわたって分布するスペクトル強度プロファイルに変換し、検出器アレイ１６３から出力されるピクセルデータに基づいて、対応するプロファイルデータを提供するように動作する。図４に関連してより詳細に後述するように、プロファイルデータのサブピクセル分解能距離指示座標（ＤＩＣ：subpixel-resolution distance indicating coordinate）が、信号プロセッサ１６６により計算され、ＤＩＣにより、距離校正ルックアップテーブル等を介して表面位置１９０までの測定距離Ｚが決まり、この測定距離Ｚはメモリ部１６８に記憶される。距離指示座標は、さらに後述する様々な方法により（例えば、プロファイルデータのピーク領域に含まれるプロファイルデータの重心の決定により）決定することができる。距離指示座標は、校正動作中に決定される場合、校正距離指示座標と呼称され得、ワークピース表面測定動作中に決定される場合、測定距離指示座標と呼称され得る。サブピクセル距離指示座標の決定に使用されるプロファイルデータについて、さらに詳細に後述する。
【００２７】
上述したように、本発明による様々な方法では、光は、ＣＰＳ光学ペン１２０が迂回されるように、ＣＰＳ光源からＣＰＳ波長検出器１６２に直接入力される。図１は、光ファイバケーブル１１２に沿った任意選択による要素に代えて、またはそれに加えて使用し得る、光学ペン１２０内の任意選択によるまたは代替の迂回機構１３５を示す。図１に示す特定の実施形態では、迂回機構１３５は、迂回反射器１３６（例えば、ミラー）と、迂回反射器アクチュエータ１３７（例えば、回転する取付けシャフト）とを備える。通常動作中、迂回反射器１３６は、光路外、例えば、位置「Ｎ」に位置決めされる。さらに後述する特定の誤差補償係数決定動作、または他の校正動作では、迂回反射器１３６は光路内、例えば、位置「Ｂ」に位置決めされて、名目上、広域光内に含まれる様々な波長の相対強度を変更せずに、開口部１９５から出力された広域光を再び開口部１９５を通して反射させる。
【００２８】
図１は、座標系として、直交するＸＹＺ座標軸を含む。Ｚ方向は、光学ペン１２０の光軸または距離測定軸に平行するものとして定義される。図１に示すように、動作中、ワークピース１７０は、光学ペン１２０の光軸ＯＡに沿って配置される。一実施形態では、ワークピース１７０は、有利なことには、表面１７５Ａが名目上、ＸＹ平面に平行な状態で、ガイドベアリング１７５Ｂにより拘束されるＸ軸方向に沿って並進移動するように位置合わせし得る並進移動ステージ１７５上に位置合わせされ載せられる。クロマティックポイントセンサ１００の他の例示的な特徴および動作について、より詳細に後述する。
【００２９】
以下の図２の説明において、本発明の様々な実施形態と併用し得る既知の特定の背景信号処理および／または校正動作を概説する。この説明の目的は、以下にさらに開示される本発明による方法が、これらの動作とは別個ではあるが両立できることを強調することである。図２は、意図的に反射される光がなく、かつ結果として生成される強度プロファイル内に顕著な主波長ピークがないように、測定表面が存在しない（例えば、図１の表面１９０が存在しない）場合の検出器アレイ１６３内のピクセルの電圧オフセット信号レベルＶｏｆｆｓｅｔ（ｐ）を示す、クロマティックポイントセンサからのプロファイルデータの図２００である。図２に示すように、電圧オフセット信号Ｖｏｆｆｓｅｔ（ｐ）は、１，０２４個のピクセルのそれぞれの正規化電圧（normalized volts）でプロットされる。「正規化電圧」は、値１．０を検出器アレイ１６３の飽和電圧に割り当てる。電圧オフセット信号Ｖｏｆｆｓｅｔ（ｐ）は、アレイにわたって変化なしで示されるバイアス信号レベルＶｂｉａｓと、アレイにわたってピクセル座標ｐに依存して示される背景信号成分Ｖｂａｃｋ（ｐ）とを含む。変化する背景信号Ｖｂａｃｋ（ｐ）は、クロマティックポイントセンサ内の波長依存の疑似反射等からの背景光等の信号ならびに様々なピクセルｐの暗電流による信号を表す。様々な実施形態では、信号成分Ｖｂａｃｋ（ｐ）（または電圧オフセット信号Ｖｏｆｆｓｅｔ（ｐ）等の、同じ変動を示す信号）が、検出器アレイ１６３のピクセルアレイを校正または補償するために記憶され、継続的に、各ピクセルｐからの後続するすべてのプロファイルデータ信号を補償するために使用される（例えば、減算により）ことが有利である。したがって、背景信号成分Ｖｂａｃｋ（ｐ）が、本発明による様々な実施形態において既知の様式で補償されると想定され、後述する様々な強度プロファイルまたは本発明による信号処理動作等に関連してこれ以上明示的に考慮または説明する必要がないことが理解される。
【００３０】
時間と共に比較的安定し得る背景信号成分Ｖｂａｃｋ（ｐ）とは対照的に、座標独立バイアス信号レベルＶｂｉａｓは、周囲温度の変化および動作中に電子回路部１６０により生成される熱に関連する電圧ドリフトの結果、変化し得る。以下の図３および図４の説明において、同時バイアス信号レベルＶｂｉａｓの変化を補償して、より再現性の高い距離測定になるように動的に構成されるプロファイルデータの距離指示サブセットに基づいて距離指示座標を決定する特定の信号処理動作を概説する。ここで概説する動作は、全体が参照により本明細書に援用される、本願と同じ譲受人に譲渡された米国特許第１１／９４０，２１４号（‘２１４号出願）および同第１２／３３０，４３１号（‘４３１号出願）により詳細に説明されている。この説明の目的は、クロマティックポイントセンサの距離測定動作を全体的に理解するために有用な背景情報を提供すること、および以下にさらに後述する本発明による方法がこれら動作と別個ではあるが、両立できることを強調することである。
【００３１】
図３は、ＣＰＳ測定動作中、特定の光学ペンもしくは全体システムの校正動作、または通常の測定動作中に取得される、ＣＰＳ検出器（例えば、検出器１６２）からのプロファイルデータ３１０（測定プロファイル信号データ）の図３００である。プロファイルデータ３１０はプロファイル信号ＭＳ（ｐ）とも称され得る。但し、ＭＳ（ｐ）は、検出器アレイ（例えば、検出器アレイ１６３）の各ピクセルｐに関連する信号レベル（正規化電圧で示される）である。図３のグラフ３００は、目標表面を光学ペン１２０の光軸ＯＡに沿ってある距離に位置決めされた状態にし、図３に示す主波長ピーク領域を有する対応する測定プロファイルデータ３１０を生成することで作成された。
【００３２】
図３は、バイアス信号レベルＭＶｂｉａｓ（正規化電圧で）、ピークピクセル座標ｐｐｃ、ピーク位置インデックス座標ｐｐｉｃ、およびピーク領域内のデータの距離指示サブセットの下限を定義するデータ閾値ＭＶｔｈｒｅｓｈｏｌｄを示す。すべての「ＭＶ」値は正規化電圧である。図３は、校正スペクトルピーク領域内のデータの距離指示サブセットに基づいて決定される距離指示座標（ＤＩＣ）も示す。‘２１４号出願に説明されるように、いくつかの実施形態では、ＭＶｔｈｒｅｓｈｏｌｄは、インデックス固有閾値ＭＶｔｈｒｅｓｈｏｌｄ（ｐｐｉｃ）であり得る。
【００３３】
簡潔に言えば、一実施形態では、距離指示座標（例えば、プロファイルデータ３１０に関連して説明するように、距離指示座標ＤＩＣ）を決定する測定動作は、以下を含み得る。
・目標表面を光軸ＯＡに沿って位置決めし、結果として生成されるプロファイルデータ３１０を取り込む。
・ピークピクセル座標（すなわち、最も高い信号を有するピクセル）を決定する。
・特定の校正データ（例えば、インデックス固有閾値校正データ）を記憶し検索するためのインデックスである、ピーク位置インデックス座標ｐｐｉｃを決定する。いくつかの実施形態では、これはピークピクセル座標と同じであり得る。
・測定バイアス信号レベルＭＶｂｉａｓを決定する。
・データ閾値ＭＶｔｈｒｅｓｈｏｌｄを決定する（例えば、ピーク高さのある割合として、または現在のピーク位置インデックス座標ｐｐｉｃに対応するインデックス固有閾値校正に基づいて）。
・測定ピーク領域においてＭＶｔｈｒｅｓｈｏｌｄよりも大きな値を有するデータの距離指示サブセットに基づいて、サブピクセル分解能で距離指示座標ＤＩＣを決定する。
・距離校正測定の場合、所望の精度で目標表面までの対応する距離を独立して決定し（例えば、干渉計により）、距離校正テーブル内または曲線上（例えば、図４に示す距離校正データ４１０により表されるような距離校正テーブルまたは曲線）の距離校正データポイントを決定する。
・通常のワークピース距離測定の場合、測定ＤＩＣを記憶された距離校正データ（例えば、図４に示す距離校正データ４１０により表されるような距離校正テーブルまたは曲線）内の対応する距離に相関付けることにより、測定距離を決定する。
【００３４】
上記動作では、距離指示座標ＤＩＣは、ＭＶｔｈｒｅｓｈｏｌｄよりも上のデータの距離指示サブセットに基づいて、サブピクセル分解能で決定することができる。測定ＤＩＣは、いくつかの異なる方法のうちの１つにより決定することができる。一実施形態では、測定ＤＩＣは、データの距離指示サブセットの重心ＸCのサブピクセル分解能座標として決定することができる。例えば、１０２４個のピクセルを有する検出器の場合、重心ＸCは、
【数１】
2010261960.tif 000003
に従って決定することができる。式中、
【数２】
2010261960.tif 000004
である。特定の一例では、式１中、ｎ＝２である。式２が、重心の計算に使用されるデータをデータの距離指示サブセットに制限することが理解される。距離指示座標ＤＩＣが、校正動作中に決定される場合、距離指示座標ＤＩＣは、校正距離指示座標ならびに測定距離指示座標とも呼ばれ得る。
【００３５】
図４は、クロマティックポイントセンサ１００等の、縦軸に沿う既知の、または校正された測定距離ＺＯＵＴ（ミクロン単位）を横軸に沿う距離指示座標（ピクセル単位）に相関付けるＣＰＳ測定距離校正データ４１０の図４００である。図４に示す例は、３００ミクロンの指定測定範囲ＭＲを有する光学ペンの場合であり、これは、約１５０〜４９０個のピクセル範囲内の校正距離指示座標に対応する。しかし、クロマティックポイントセンサ１００は、所望であれば、検出器アレイ１６３のより大きなピクセル範囲にわたって校正してもよい。参照または「ゼロ」ＺＯＵＴ距離はいくらか任意であり、光学ペン１２０までの所望の参照距離に設定することができる。距離校正データ４１０は、平滑な曲線を形成するように見えるが、代表的な従来技術によるＣＰＳシステム、特に経済的なＣＰＳシステムの場合の距離校正４１０が、図１０Ａを参照して以下により詳細に説明するような短期誤差または不規則性を示し得ることを理解されたい。このような短期誤差または不規則性は、図４の分解能が低いことによりマスクされるが、より詳細に後述するように、実際には顕著である。
【００３６】
いくつかの実施形態では、ＣＰＳ測定距離校正データ４１０は、図３を参照して上述したように決定し、かつ／または使用することができる。ＣＰＳ距離校正データ４１０の性質をさらに明確にし、以下にさらに開示される本発明による誤差補償方法により提供される利点をよりよく理解するための文脈を提供するために、例示的な研究室校正方法をここで簡潔に概説する。簡潔に言えば、ミラーが（例えば、図１の表面１９０の代替として）ＣＰＳ光学ペンの光軸ＯＡに沿った校正表面を提供することができる。ミラーの変位は、約０．１ミクロンまたは０．２ミクロンの刻みで制御することができる。刻み毎に、実際のミラーの位置または変位が、干渉計等の参照基準を使用して取得される。実際のミラー位置毎に、クロマティックポイントセンサの対応する校正距離指示座標（ＤＩＣ）が、ＣＰＳ検出器により（例えば、上述したように）提供される対応する強度プロファイルデータに基づいて決定される。校正距離指示座標および対応する実際の位置は、次に、校正データ４１０を提供するために記録される。
【００３７】
後に、測定動作中、ワークピース表面（例えば、図１の表面１９０）の距離測定を提供するために、ワークピース表面はＣＰＳ光学ペンの光軸ＯＡに沿って位置決めされる。クロマティックポイントセンサの測定距離指示座標は、ＣＰＳ検出器により提供される強度プロファイルデータから決定される測定距離指示座標に基づいて決定される。次に、距離校正データ４１０を使用して、その特定の測定距離指示座標に対応するＣＰＳ測定距離ＺＯＵＴが決定される。
【００３８】
以下の図５〜図１２Ｂの説明において、ＣＰＳ構成要素の誤差補償および／または校正を行う本発明によるシステムおよび方法の様々な実施形態を概説する。都合がよく明確な説明のために、説明または文脈により別段のことが示されない限り、本明細書において概説し明確化する特定の定義および規則が使用される。「Ｚ」は、ワークピース表面までの実際の測定距離を指す。「ＺＯＵＴ」は、決定された距離指示座標ＤＩＣに基づいてＣＰＳにより出力される距離測定を指し、距離指示座標ＤＩＣは、図３および図４に関連して上述したように、対応するプロファイル信号ＭＳpに依存する。測定距離Ｚ毎に、ＣＰＳが実際に、Ｚに依存するこれら信号の固有のセットを生成することが理解される。したがって、このような各プロファイル信号セットをＭＳp（Ｚ）と称し、プロファイル信号セットは対応する距離指示座標ＤＩＣ（Ｚ）（例えば、式１および式２に従って決定される）を生成し、距離指示座標ＤＩＣ（Ｚ）は対応するＣＰＳ測定出力ＺＯＵＴ（Ｚ）を生成する。これら規則を使用すると、前の説明は、距離Ｚに関連するＤＩＣ（Ｚ）が、対応する測定プロファイルデータＭＳp（Ｚ）のピーク領域の全体形状に依存することを示す。
【００３９】
本明細書において、さらに以下に使用されるＭＳp上付き文字：上付き文字ＲＡＷ（未補償を意味する）、ＳＲＣＯＭＰ（短期補償を意味する）、ＤＧＣＯＭＰ（検出器利得補償を意味する）、ＬＲＣＯＭＰ（長期補償を意味する）、ＳＩＣＯＭＰ（光源強度補償を意味する）、ＣＯＭＢＣＯＭＰ（短期補償および長期補償の組み合わせを意味する）、ＳＤＳＣＯＭＰ（光源＋検出器サブシステム補償の組み合わせを意味する）、およびＰＥＮ（指定または標準化光源強度スペクトルに基づいて光学ペン１２０により生成されるものを意味する）も導入される。
【００４０】
これら規則を使用して、以下の式を導入する。
【数３】
2010261960.tif 000005
式中、
【数４】
2010261960.tif 000006
は、波長が指定または標準化された波長検出器の各ピクセルＰに分布する際の、ＣＰＳ光源の広域光内に含まれる波長の相対または正規化された強度を記述する。ＫＰＥＮp（Ｚ）は、波長が指定または標準化された波長検出器の各ピクセルＰに分布する際の、測定距離ＺでＣＰＳペンからＣＰＳ波長検出器に入力される測定プロファイルデータのセット内に含まれる波長の相対的な、または正規化された伝達（または減衰）を表す。ＫＰＥＮp（Ｚ）は、各波長（または対応する検出器ピクセル）でのＣＰＳペンの距離依存伝達関数として考えることができる。
【数５】
2010261960.tif 000007
は、波長検出器の各ピクセルに関連する相対的な、または正規化された信号利得を表す。したがって、式３は、所与の測定距離Ｚについて、各ピクセルＰでの未処理波長検出器信号
【数６】
2010261960.tif 000008
が、ピクセルＰに到達した波長でＣＰＳペンに入力された未処理強度
【数７】
2010261960.tif 000009
と、距離Ｚで各ピクセルＰに到達した波長でのＣＰＳペンの距離依存伝達関数
ＫＰＥＮp（Ｚ）と、ピクセルＰの信号利得
【数８】
2010261960.tif 000010
とを乗算したものに等しいことをおおよそ示す。
【００４１】
実際には、従来技術によるＣＰＳシステムでは、距離指示座標ＤＩＣ（Ｚ）を値
【数９】
2010261960.tif 000011
のセットから決定し（例えば、図３および図４を参照して前に概説したように）、このようなＤＩＣ（Ｚ）を、対応する既知のＺ値と併せてＣＰＳシステムの校正のベースとして使用することが典型的であった。個々のＣＰＳ構成要素の個々の特徴を決定することは典型的ではなかった（例えば、式３の右側の３つの係数により例示されるような）。理想的なタイプのＣＰＳ光学ペンおよびＣＰＳ波長検出器（分光計）の別個の校正を示唆する、上述した‘７９９号特許でさえも、特定の重要な実際問題を認識し解消することに達していない。その結果、従来技術によるシステムは、実際のシステムでの特定の有害な個々の成分特徴および／またはドリフト、特に、現実的な測定プロファイルピーク領域の全体形状に関連する特定の有害な影響の決定および／または修正を行うことができなかった。これとは対照的に、様々な実施形態において、本発明は、ＣＰＳにより使用される測定プロファイル信号データ内の「波長依存」信号影響の相対強度を含むように、ＣＰＳ光源およびＣＰＳ波長検出器のうちの少なくとも一方の個々の特徴を決定することを含み、それにより、特定の個々の有害な成分特徴および／またはドリフトの決定および／または修正を可能にして、経済的な構成要素および校正方法を使用してより正確でロバストなＣＰＳシステムを提供する。
【００４２】
図５は、本発明による誤差補償係数決定プロセスの一環として、ＣＰＳ光学ペンを迂回しながら、光源を波長検出器に結合する、異なる構成を示す図５００である。特に、図５に示す実施形態は、電子回路部１６０と、図１を参照して上述した光路構成要素とを含む。これら構成要素の動作は、前の説明に基づいて理解することができる。これとは対照的に、図１のコネクタ部Ｄｉｎ、光ファイバセグメント１１２Ａ、および光学ペン１２０は、コネクタ部ＤＢｙｐａｓｓおよび迂回光路１１２Ａ’で置換されている。迂回光路１１２Ａ’は、さらに後述するように、代替の迂回光路１１２Ａ’〜Ｍまたは１１２Ａ’〜Ｆのうちの１つとして実施することができる。第１の実施態様では、迂回光路１１２Ａ’〜Ｍは存在し、１１２Ａ’〜Ｆは存在しない。迂回光路１１２Ａ’〜Ｍは、光源１６４からミラー１１２Ａ’〜Ｍまで光路に沿って伝達された光が、反射されて再び光路に入り、波長検出器１６２に戻り、波長検出器１６２において、より詳細に後述するように、未処理強度プロファイルを形成するように、コネクタ部ＤＢｙｐａｓｓに取り付けられたミラー要素を備える。第２の実施態様では、迂回光路１１２Ａ’〜Ｆは存在し、１１２Ａ’〜Ｍは存在しない。迂回光路１１２Ａ’〜Ｆは、光源１６４から光路に沿って伝達される迂回光が光ファイバループ１１２Ａ’〜Ｆを巡って再び光路内に入り、波長検出器１６２に戻り、波長検出器１６２において、図６を参照して後述するように、未処理強度プロファイルを形成するように、コネクタ部ＤＢｙｐａｓｓに取り付けられた光ファイバループを備える。図１に示す光学ペン１２０内の迂回機構１３５が、光源光の波長の相対強度を実質的に変更せずに、光を光源１６４から波長検出器１６２に反射させる別の代替手段を提供することが理解される。したがって、迂回機構１３５は、波長検出器上に迂回光に望ましい未処理強度プロファイルを形成し得る別の種類の迂回光路を提供する。他の実施態様では、コネクタ部ＤＢｙｐａｓｓをコネクタ部Ｅｏｕｔに接続して、光学ペンのみならず、所望であれば、光路の大部分を迂回しながら、未処理強度プロファイルを提供してもよいことが理解される。あるいは、接続点１６５Ｉ’および１６５Ｓ’はアクセス可能に構成することができ、光源１６４は、接続点１６５Ｉ’および１６５Ｓ’において接続された光ファイバにより波長検出器１６２に直接接続することができる。しかし、これは、上述したように、光ファイバセグメント１１２Ｂ（および固有の内部散乱および減衰）を含む光路の少なくとも部分を使用する動作と比較して、あまり代表的ではない通常動作であり得ることが理解される。
【００４３】
図５には、図示のように、コネクタＣＯＮＮＥＣＴ−Ｓを通してＣＰＳシステムに接続することができる代替の光源１６４’も示される。いくつかの実施形態では、代替の光源１６４’は単純に、（図示しないが、適切な制御線を使用して）ＣＰＳと併用される「外部」光源と見なすことができ、「内部」光源１６４はなくしてもよい。他の実施形態では、代替の光源１６４’は、光源１６４および／または波長検出器１６２を校正する手段として、光源１６４および１６４’からの未処理強度プロファイルを取得し比較し得るように提供された、標準化された、または参照光源であり得る。標準化された、または参照光源である代替の光源１６４’を、光学ペン１２０および／または波長検出器１６２の校正に使用してもよい。
【００４４】
図６は、ＣＰＳ光源＋検出器サブシステムの未処理強度プロファイル信号６２０ならびにＣＰＳ光源に起因する長期信号変動成分６３０および測定距離指示座標６１０−ＤＩＣに対応する代表的な理想測定プロファイル信号データ６１０を示すグラフ６００の図である。未処理強度プロファイル信号６２０は、例えば、図５を参照して上述した構成のうちの１つを使用して、または迂回機構１３５を使用して、光学ペンを迂回することにより取得される。説明のために、未処理強度プロファイル信号６２０を、おおよそ以下：
【数１０】
2010261960.tif 000012
のように、光源＋検出器サブシステム１６１を特徴付ける信号
【数１１】
2010261960.tif 000013
のセットとして定義することができる。
【００４５】
将来の参照のため、式４を式３に代入して、
【数１２】
2010261960.tif 000014
と書くことができる。
【００４６】
長期信号変動成分６３０が波長検出器１６２により実際には個々に検出されないことが理解される。むしろ、長期信号変動成分６３０は、様々な実施形態において、ＣＰＳ光源に起因し、式４中の項
【数１３】
2010261960.tif 000015
に対応し得る不明瞭な信号成分であり、ここでは、説明のために示されている。上に概説したように、
【数１４】
2010261960.tif 000016
は、ＣＰＳ光源の広域光に含まれる波長の相対的な、または正規化された強度を表す。さらに後述するように、補償されない場合、
【数１５】
2010261960.tif 000017
の波長依存の強度変動は、図８Ａ〜図８Ｃを参照して下に概説するように、距離指示座標を決定する際の誤差に繋がる恐れがある。光源強度変動を含む長期信号変動成分６３０は、長期にわたって比較的平滑に変化するため（例えば、図６に示すように）、これは「長期」未処理強度プロファイル信号変動またはＣＰＳシステムもしくはプロファイルの長期特徴と呼ぶこともでき、「長期」誤差成分または係数等に関連付けることができる。
【００４７】
未処理強度プロファイル信号６２０は、波長に依存し、長期信号変動成分６３０の付近で比較的急激に大きく変動し、式４中の項
【数１６】
2010261960.tif 000018
に対応するか、またはこの項内に含むことができる「短期」未処理強度プロファイル信号変動も含む。上述したように、
【数１７】
2010261960.tif 000019
は、波長検出器の各ピクセルに関連する相対的または正規化された信号利得を表すことができる。このような短期変動は、図８Ａ〜図８Ｃを参照して後述する距離指示座標を決定する際に誤差をもたらす恐れがある。このような変動は、「短期」未処理強度プロファイル信号変動またはＣＰＳシステムもしくはプロファイルの短期特徴と呼ぶことができ、「短期」誤差成分または係数等に関連づけることができる。短期波長依存信号変動の潜在的な原因およびＣＰＳシステムに対するその影響について、図７および図８を参照してより詳細に後述する。
【００４８】
上記により、いくつかの実施形態では、長期信号変動成分６３０をＣＰＳ光源の波長依存の強度変動をおおよそ反映したものと解釈し得るが、短期信号変動が未処理強度プロファイル信号６２０から除去された後に残った信号ともおおよそ同等であり得ることを理解されたい。したがって、状況によっては、長期信号変動成分６３０を短期補償信号６３０と呼ぶこともあり得る。
【００４９】
理想測定プロファイル信号データ６１０は、式５および式３中に示される項ＫＰＥＮp（Ｚ）に対応し、上述したように、各波長（または対応する検出器ピクセル）でのＣＰＳペンの距離依存伝達関数として考えることができる。理想測定プロファイル信号データ６１０および対応する測定距離指示座標６１０−ＤＩＣが、信号６２０内に含まれないことが強調されるべきである。むしろ、これら信号データおよび座標は、グラフ６００のセグメント６５０に基づいて、本発明のいくつかの特徴の説明を助けるためだけのために、図６に提供される。セグメント６５０に基づく説明は、図８を参照して以下に続く。
【００５０】
図７は、図６の未処理強度プロファイル信号６２０内に見られる波長依存の短期未処理強度プロファイル信号変動に対応する、ＣＰＳ波長検出器の見掛けのピクセル信号利得の短期波長依存変動の原因であり得る干渉影響データ７０５の既知の種類のシミュレーションを示すグラフ７００の図である。特定の一実施態様例では、グラフ７００は、例えば、ＣＰＳ波長検出器内の市販の低コストＣＭＯＳ検出器アレイを使用する場合に遭遇し得る、構成であるシリコン基板上の４．５μｍ厚窒化ケイ素膜を通る薄膜干渉の影響による典型的な波長依存の透光変動である。分散要素および他の光学系による伝達中の波長および／または空間に依存する変動、ピクセル応答非均一性（ＰＲＮＵ）等のピクセル毎の応答変動、光源スペクトルプロファイルの短期非均一性等を含め、波長検出器アレイ（例えば、検出器アレイ１６３）の見掛けのピクセル利得に短期変動を生じさせる恐れがある他の係数もある。このような短期変動は、その原因に関係なく、図８を参照して後述する距離指示座標を決定する際に誤差をもたらす恐れがある。
【００５１】
図８Ａ〜図８Ｃは、上述したように、ＣＰＳ光源＋検出器サブシステムの未処理強度プロファイル信号６２０と、短期補償信号６３０と、典型的な理想測定プロファイル信号データ６１０と、対応する理想距離指示座標６１０−ＤＩＣとを含む、図６のグラフのセグメント６５０を含む図８００Ａ〜８００Ｃである。図８Ａ〜図８Ｃは、測定プロファイル信号データのピーク領域に基づいて決定される距離指示座標に対する、図６を参照して概説した短期および長期の誤差成分の影響を示す。
【００５２】
上述したように、未処理強度プロファイル信号６２０は、光源＋検出器サブシステム１６１を特徴付ける信号
【数１８】
2010261960.tif 000020
のセットに対応し、理想測定プロファイル信号データ６１０は、各波長（または対応する検出器ピクセル）のＣＰＳペンの距離依存伝達関数として考えることができる項ＫＰＥＮp（Ｚ）に対応する。これら項が式５に従って適宜正規化されると、それらの積は、図８Ａにおいて未処理測定プロファイル信号データ６１０Ａとして示される、ＣＰＳペン１２０から距離Ｚにあるワークピース表面に関して、ＣＰＳ光源＋検出器サブシステム１６１により生成される未処理測定プロファイル信号データ
【数１９】
2010261960.tif 000021
のセットを表す。図８Ａに示すように、特定の光源＋検出器サブシステム１６１内の波長依存変動（信号６２０に反映される）は、未処理測定プロファイル信号データ６１０Ａのピーク領域の形状の対応する固有の不規則性および非対称性を生じさせ、距離依存ＣＰＳペン伝達関数項ＫＰＥＮp（Ｚ）に対応する理想測定プロファイル信号データ６１０のピーク領域に対して固有の様式で未処理測定プロファイル信号データ６１０Ａのピーク領域を歪ませる。当然ながら、固有に歪んだ未処理測定プロファイル信号データ６１０Ａに対して決定される距離指示座標６１０−ＤＩＣは、光源＋検出器サブシステムに固有のものになり、歪みのない理想測定プロファイル信号データ６１０に対応する距離指示座標６１０−ＤＩＣと一致しない。相当な歪みおよび非対称性を受ける、比較的広いピーク領域にわたるこの不一致の大きさは、従来技術によるシステムでは、システムのロバスト性および／または校正の観点から十分に考慮されていなかった。例えば、Ｚの比較的小さな変更に対応する、測定プロファイル信号データ６１０の位置の比較的小さなシフト（例えば、図６および図８でのピクセル２０個分の左側へのシフト）が、未処理測定プロファイル信号データ６１０Ａの形状を劇的に変化させることに留意する。したがって、結果として生成される距離指示座標の相対位置は、Ｚの小さな変更と比較して比較的大幅に変更される。ピーク領域が比較的狭いと仮定した場合、このような形状の歪みおよび非対称性の大きさは考慮されない（例えば、ピクセル数個分の幅のピークは顕著な歪みを示さず、ピクセル１個分の幅のピーク領域は歪みまたは非対称性を示すことができず、以下同様である）。
【００５３】
図８Ｂは、図８Ａの従来技術による未処理測定プロファイル信号データ６１０Ａに関連する結果と比較して、改良された信号処理方法の結果を示す。図８Ｂでは、光源＋検出器サブシステム１６１を特徴付ける信号
【数２０】
2010261960.tif 000022
の短期変動（例えば、信号６２０に反映される短期変動６２３）が、さらに後述するように、長期変動（例えば、信号６３０に反映される）のみが結果として生成される図８Ｂの短期補償測定プロファイル信号データ６１０Ｂを歪ませるように、除去または補償される。前に定義した命名規則を使用すると、短期補償信号６３０は信号
【数２１】
2010261960.tif 000023
のセットに対応し、短期補償測定プロファイル信号データ６１０Ｂは、信号
【数２２】
2010261960.tif 000024
のセットに対応する。
【数２３】
2010261960.tif 000025
【００５４】
図８Ｂに示すように、短期補償測定プロファイル信号データ６１０Ｂのピーク領域は、信号
【数２４】
2010261960.tif 000026
のセットに対応し、図８Ａの未処理測定プロファイル信号データ６１０Ａと比較して、形状のはるかに小さな歪みおよび非対称性を示す。したがって、短期補償測定プロファイル信号データ６１０Ｂに対応する距離指示座標６１０Ｂ−ＤＩＣは、歪みのない理想測定プロファイル信号データ６１０に対応する距離指示座標６１０−ＤＩＣにより密接に一致する。さらに、Ｚの比較的小さな変更に対応する、測定プロファイル信号データ６１０の位置の比較的小さなシフトが、短期補償測定プロファイル信号データ６１０Ｂの形状を劇的に変更させないことを予期することができる。したがって、結果として生成される距離指示座標の相対位置は、Ｚの変更が小さい場合、より平滑で予測可能なように変更する。
【００５５】
一実施形態では、信号データ６２０をフィルタリングして（例えば、図９を参照して後述するように、または他の既知のフィルタリング方法により）、顕著な短期変動６２３を除外した短期補償（または短期フィルタリング済み）信号６３０を識別することができる。このような実施形態では、例えば、図５および図６を参照して概説したようなペン迂回動作により取得できる未処理強度プロファイル信号
【数２５】
2010261960.tif 000027
（例えば、信号６２０）に基づいて、数学的演算により、短期補償信号
【数２６】
2010261960.tif 000028
（例えば、信号６３０）を定義することができる。将来の参照のために、これら信号に基づき得る短期誤差補償係数ＫＳＲＣＯＭＰPのセットを定義する。
【数２７】
2010261960.tif 000029
【００５６】
式７の関係を使用して、式６を
【数２８】
2010261960.tif 000030
として書き換えることができる。
【００５７】
式８および式５を組み合わせると、
【数２９】
2010261960.tif 000031
になる。
【００５８】
したがって、式９によれば、いくつかの実施形態では、光源＋検出器サブシステム１６１の短期誤差補償係数ＫＳＲＣＯＭＰPのセットを確立し、その後、その光源＋検出器サブシステム１６１からの未処理測定プロファイル信号を補償して、短期補償測定プロファイル信号
【数３０】
2010261960.tif 000032
を提供することができる。様々な実施形態では、上述したこのような短期補償測定プロファイル信号に基づく距離指示座標は、未処理測定プロファイル信号に基づく距離指示座標と比較して、より正確であり得、Ｚに応じてより平滑に変化し得るという点で有利である。利点の中でも特に、より平滑に変化する図４に示す距離校正データ４１０に対応する、距離指示座標がＺに応じてより平滑に変化する場合、正確な距離校正曲線を確立するために、より少数の距離校正データで十分であり（より経済的な研究室または現場での校正方法を可能にし得る）、かつ／または測定距離指示座標を確立するためのサブピクセル補間を簡易化またはより正確にすることができることを暗示することが理解される。さらに、短期誤差補償係数ＫＳＲＣＯＭＰPを最初に決定した後、２回目には、ＣＰＳ光源＋検出器サブシステム１６１のドリフトまたは欠陥を解析するため、かつ／または短期誤差補償係数の関連する誤差修正もしくは再校正のためのベースとして、現場で容易に決定することができる。
【００５９】
図８Ｃは、図８Ｂを参照して概説した方法で補償される短期変動を補償すると共に、それに加えて、ＣＰＳ光源＋検出器サブシステム１６１に関連する長期変動を補償する、改良された信号処理方法の結果を示す。図８Ｃでは、光源＋検出器サブシステム１６１を特徴付ける信号
【数３１】
2010261960.tif 000033
の短期変動および長期変動の組み合わせ（例えば、信号６２０に反映される短期変動および長期変動の組み合わせ６２４）が、指定または参照レベル（例えば、図８Ｃに示す短期および長期の組み合わせの補償信号６４０の）に相対して除去または補償される。このような短期および長期の組み合わせの補償は、本明細書では全体補償とも呼ばれる。前に定義した命名規則を使用すると、全体補償信号６４０は、全体補償信号
【数３２】
2010261960.tif 000034
のセットに対応し、全体補償測定プロファイル信号データ６１０Ｃは、
【数３３】
2010261960.tif 000035
のセットに対応する。
【数３４】
2010261960.tif 000036
【００６０】
図８Ｃに示すように、信号
【数３５】
2010261960.tif 000037
のセットに対応する、全体補償測定プロファイル信号データ６１０Ｃのピーク領域は、理想測定プロファイル信号データ６１０と比較して形状の歪みまたは非対称性を示さず、距離指示座標６１０−ＤＩＣおよび６１０Ｃ−ＤＩＣは一致する。したがって、結果として生成される距離指示座標の位置が、図８Ｂの距離指示座標６１０Ｂ−ＤＩＣに関して上述した場合よりも、Ｚ変化に対してさらに平滑で予測可能なように変化することを予期することができる。
【００６１】
一実施形態では、上述した関数または定数値を使用して、顕著な短期および長期変動６２４を除外する全体補償信号
【数３６】
2010261960.tif 000038
（例えば、全体補償信号６４０）を定義することができる。これら値を、上述したように決定される値
【数３７】
2010261960.tif 000039
と併せて使用することにより、全体誤差補償係数ＫＣＯＭＢＣＯＭＰP：
【数３８】
2010261960.tif 000040
のセットを定義することができる。
【００６２】
式１１の関係を使用して、式１０を
【数３９】
2010261960.tif 000041
として書き換えることができる。
【００６３】
式１２と式５とを組み合わせると、
【数４０】
2010261960.tif 000042
になる。
【００６４】
したがって、式１３によれば、光源＋検出器サブシステム１６１の全体誤差補償係数ＫＣＯＭＢＣＯＭＰPのセットを確立し、その後、その光源＋検出器サブシステム１６１からの未処理測定プロファイル信号を補償して、全体補償測定プロファイル信号
【数４１】
2010261960.tif 000043
を提供することができる。いくつかの実施形態では、ＣＰＳシステムが、波長依存の短期変動または長期変動が顕著ではないように構築された場合、理解されたい。したがって、上述するように決定される全体誤差補償係数のセットは、どんなものであれ、顕著な誤差を主に補償するものとして解釈することができ、例えば、様々な実施形態において、主に短期誤差補償係数として機能することもでき、または長期誤差補償係数として機能することもできる。
【００６５】
上述したように、このような全体補償測定プロファイル信号に基づく距離指示座標は、上述した利点を提供する、未処理測定プロファイル信号に基づく距離指示座標と比較して、いくつかの実施形態では、Ｚに応じてより正確に、かつはるかにより平滑であり得るという点で有利である。さらに、全体誤差補償係数ＫＣＯＭＢＣＯＭＰPを最初に決定した後、２回目には、ＣＰＳ光源＋検出器サブシステム１６１内のドリフトもしくは欠陥を解析するため、かつ／または全体誤差補償係数の関連する誤差修正もしくは再校正のためのベースとして、現場で容易に決定することができる。さらに、上述した同じ関数または定数値を使用して、２つ以上の光源＋検出器サブシステム１６１の全体補償信号
【数４２】
2010261960.tif 000044
を定義する場合、全体誤差補償係数ＫＣＯＭＢＣＯＭＰPは、このような光源＋検出器サブシステムを名目上、交換可能にするように動作することを理解されたい（例えば、式１２および式１３に示す値
【数４３】
2010261960.tif 000045
のセットは、このようないずれかの光源＋検出器サブシステムがＣＰＳに使用される場合、名目上、同じになる）。
【００６６】
交換可能性に関する上記記述に関して、交換されたサブシステムでＣＰＳの精度を最良にするためには、交換された各サブシステムの波長検出器が、同じ波長応答を有する（すなわち、各サブシステムの波長検出器内の対応するピクセルが、名目上、同じ波長の光を受信すべきである）ことを保証することが最良である。同じ波長検出器が使用され、光源＋検出器サブシステム内で光源のみが変更された場合、この条件は本質的に満たされる。したがって、本明細書に開示される方法を使用して、光源をＣＰＳ内で交換することができ、そのＣＰＳは、外部校正参照を必要とせずに、すべて現場で、新しい全体誤差補償係数ＫＣＯＭＢＣＯＭＰPを決定することにより、正確に「再校正」することができる。そうではなく、交換が、波長検出器の変更を含む場合、可能な限り最良のＣＰＳ精度を維持したければ、様々な既知の設計、調整、および／または校正方法により、同じ検出器波長応答を保証することができる。一実施形態では、実際に、既知の波長の光を使用して各検出器の未処理波長応答を決定し、未処理波長応答を所望または標準化された波長応答（例えば、ピクセル位置と波長との定義された対応性）に変換またはマッピングすることにより、同じ波長応答を提供することができる。
【００６７】
図９は、図８Ｂを参照して上述した様式と同様にして、短期補償測定プロファイル信号
【数４４】
2010261960.tif 000046
のセットを提供し、かつ／または式６〜９を実施するために、短期誤差補償を実行する方法の第２の実施形態を示す。特に、図９は、図５を参照して上述したように取得し得る、図６に示す未処理強度プロファイル信号データ６２０を示すグラフ９００の図を含む。図９は、後述するように決定される短期補償信号６３０’、短期変動データ９２５、および短期誤差補償係数９５０も示す。
【００６８】
図９に示す特定の実施形態では、短期補償信号６３０’は、おおよそ以下のようにして、未処理強度プロファイル信号データ６２０に対して数学的演算を適用することにより決定される。市販のコンピュータプログラムLabView（登録商標）内で利用可能な等リップル高域通過ＶＩ（Equi-Ripple High PassVI）フィルタが、未処理強度プロファイル信号データ６２０に適用される。これは、パークス−マクレラン（Parks - McClellan）アルゴリズムを使用する、等リップル特徴を有する高域通過有限インパルス応答（ＦＩＲ）デジタルフィルタを生成する（タップ数＝１０１、停止周波数０．００２５、高周波数＝０．０２５、およびサンプリング周波数＝１）。等リップル高域通過ＶＩフィルタの動作は、LabView（登録商標）の畳み込み高域通過ＶＩ（Convolution High Pass VI）フィルタを使用して線形位相高域通過フィルタを強度入力シーケンスに適用して、高域通過フィルタリングデータを取得する。タップが高域通過フィルタリングデータから除去された後、入力データおよび出力データは補間され、各ピクセル値ｐにインデックス付けられ、図８Ｂに示す短期変動６２３と同様の短期変動データ９２５になる。次に、ピクセルｐでの短期変動データ９２５の値をそのピクセルの未処理強度プロファイル信号データ６２０（信号
【数４５】
2010261960.tif 000047
に対応する）の値から減算することにより、各ピクセルの、図８Ｂに示す短期補償信号６３０と同様である短期補償信号６３０’（および対応する信号
【数４６】
2010261960.tif 000048
）を決定することができる。短期誤差補償係数９５０の値（短期誤差補償係数ＫＳＲＣＯＭＰPの現在の実施態様）は、を次に、式７に従って決定することができ、便宜上、式７をここに再掲する。
【数４７】
2010261960.tif 000049
【００６９】
次に、対応する距離指示座標を決定する前に、図８および式６〜９を参照して上述した様々な利益を生み出すために、これら短期誤差補償係数を適用して、短期補償測定プロファイル信号
【数４８】
2010261960.tif 000050
を提供し得る。
【００７０】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、従来技術によるＣＰＳシステムおよび本発明の一実施形態による短期誤差補償係数を使用したＣＰＳシステムのそれぞれの距離校正データ（例えば、図４の距離校正データ４１０と同様）の平滑さを比較するグラフ１０００Ａおよび１０００Ｂの図である。特に、図１０Ａに示す残留誤差１０１０Ａは、距離校正データが、未処理測定プロファイル信号データ
【数４９】
2010261960.tif 000051
に適用されるように、式１により決定された距離指示座標を含む場合の、データ４１０と同様の距離校正データのセットと、そのデータへの８次多項式フィッティングとのずれを示す。図１０Ａに示すように、残留誤差１０１０Ａはミクロンのオーダであり（３００ミクロン測定範囲の場合）、図８Ａを参照して上述した理由により、比較的不規則に変化する。比較のため、図１０Ｂに示す残留誤差１０１０Ｂは、距離校正データが、図９を参照しておおよそ上述したように補償された、短期補償測定プロファイル信号データ
【数５０】
2010261960.tif 000052
に適用されるように、式１により決定された距離指示座標を含む場合の、データ４１０と同様の距離校正データのセットとそのデータへの８次多項式フィッティングとのずれを示す。図８Ｂを参照して上述した理由により、図１０Ｂに示すように、残留誤差１０１０Ｂは図１０Ａに示すものの約１／５〜１／１０である。当然ながら、同じ挙動が、本明細書では距離校正データとして示されるワークピース距離測定データに反映される。上述したように、利点の中でも特に、距離指示座標がＺに応じてより平滑に変化する場合、正確な距離校正曲線を確立するために、より少数の距離校正データで十分であり（より経済的な研究室または現場での校正方法を可能にし得る）、かつ／または高い分解能の測定距離指示座標を確立するためのサブピクセル補間（例えば、ピクセルの１／１００のオーダ）を簡易化またはより正確にすることができる。
【００７１】
図１１は、本発明の誤差補償係数決定方法の第１の実施形態の例示的なルーチン１１００を示す流れ図である。いくつかの実施形態では、本発明による誤差補償係数を決定する方法は、ＣＰＳ電子回路の動作により（例えば、信号プロセッサ１６６の制御下で実施される、メモリ部１６８内に存在するルーチンの実行により）実施することができる。ＣＰＳ電子回路は、所望であれば、ＣＰＳの通常測定動作モードとは対照的に、誤差補償係数決定モードをアクティブ化する手段を含み得る。他の実施形態では、本発明による誤差補償係数を決定する方法は、ＣＰＳ電子回路に接続されて対話するホストシステム（例えば、汎用パーソナルコンピュータ）により実施することができる。図１１に示すように、ブロック１１０１において、ＣＰＳ光源およびＣＰＳ波長検出器を備えるＣＰＳ光源＋検出器サブシステムを含むＣＰＳ電子回路が提供される。ブロック１１０５において、ＣＰＳ光源からの光が、ＣＰＳペン光学路を迂回し、迂回光をＣＰＳ波長検出器に提供する光路に入力される（例えば、図５を参照して上述したように）。ブロック１１１０において、波長検出器に提供された迂回光は、ＣＰＳ波長検出器測定軸に沿って（例えば、波長検出器の検出器アレイに沿って）複数のピクセルにわたって分布した未処理強度プロファイルを形成する。様々な実施形態では、複数のピクセルは、ＣＰＳ波長検出器のピクセルの少なくとも大半および／またはＣＰＳの通常測定動作中に光を受けるピクセル範囲内の各ピクセルを含む。
【００７２】
ブロック１１１５において、ＣＰＳ波長検出器が動作して、迂回光から発生し、波長検出器測定軸に沿った複数のピクセルに対応する未処理強度プロファイル信号のセットを提供する（例えば、一実施形態では、図６の未処理強度プロファイル信号６２０を参照して上述した様式と同様にして）。上述したように、未処理強度プロファイル信号は、複数のピクセルに分布した迂回光の強度に関連する信号成分を含む。ブロック１１２５において、誤差補償係数データが、ブロック１１１５において提供された未処理強度プロファイル信号のセットに基づいて決定される。誤差補償係数データは、波長検出器測定軸に沿った複数のピクセルに対応し、未処理強度プロファイル信号のセット内に含まれる短期変動および長期変動のうちの少なくとも一方の波長依存変動量を低減するように決定される。ブロック１１４５において、決定された誤差補償係数データは、後に適用するために、ＣＰＳ光源＋検出器サブシステムに対応して記憶される。様々な実施形態では、記憶された誤差補償係数データは後に適用されて、ＣＰＳ電子回路の通常ワークピース測定動作中に生じた強度プロファイル信号内に含まれるａ）短期変動およびｂ）長期変動のうちの少なくとも一方の波長依存変動量を低減する。一実施形態では、誤差補償係数データは、ルックアップテーブルの形態で記憶し得る。しかし、他の実施形態では、誤差補償係数データは、任意の都合がよく機能的に同様の形態（例えば、多項式関数等の形態）で提供し得る。一実施形態では、誤差補償係数データを決定し適用して、図８Ｂおよび／または図９および／または式７〜９を参照して上述したように、短期誤差補償を提供し得る。他の実施形態では、誤差補償係数データを決定し適用して、図８Ｃおよび／または式１１〜１３を参照して上述したように、長期および／または全体誤差補償を提供し得る。
【００７３】
図１２は、図１１のルーチン１１００において生成される誤差補償係数データを使用して、クロマティックポイントセンサを動作させる例示的なルーチン１２００を示す流れ図である。図１２に示すように、ブロック１２０１において、ＣＰＳ光学ペンと、光源＋検出器サブシステム（ＣＰＳ光源および波長検出器を備える）と、光源＋検出器サブシステムに対応し、ＣＰＳペン光路を迂回するＣＰＳ光源光から生じ得る未処理強度プロファイル信号に基づく誤差補償係数データと、ＣＰＳ距離校正データとを備えるＣＰＳシステムが提供される。様々な実施形態では、誤差補償係数データは、本明細書において上述した教示に従って決定される短期誤差補償係数、長期誤差補償係数、または全体誤差補償係数を含み得る。いくつかの実施形態では、補償係数データは、所定の離散誤差補償係数のセットとしてではなく、必要に応じて所望の誤差補償係数を生成する１つまたは複数の式で表現し、かつ／または記憶し得る。様々な実施形態では、ＣＰＳ距離校正データは、光源＋検出器サブシステムを使用して決定され、ＣＰＳ距離校正データに使用される距離指示座標は、ＣＰＳシステムの誤差補償係数データを使用して誤差補償された誤差補償測定プロファイル信号データに基づく。一実施形態では、ＣＰＳ距離校正データは、ルックアップテーブルの形態で記憶し得る。しかし、他の実施形態では、ＣＰＳ距離校正データは、任意の都合がよく機能的に同様の形態（例えば、多項式関数等の形態）で提供し得る。いくつかの実施形態では、可能な限り最良の精度を達成するために、ＣＰＳ距離校正データは、同じ光源＋検出器サブシステムを使用して決定し得、ＣＰＳ距離校正データに使用される距離指示座標は、同じ誤差補償係数を使用して誤差補償された測定プロファイル信号データに基づく。他の実施形態では、ＣＰＳ距離校正データは、異なるが、同様に校正または誤差補償された同等の光源＋検出器サブシステムを使用して決定し得る。ＣＰＳ距離校正データに使用される距離指示座標は、同等の光源＋検出器サブシステムからの測定プロファイル信号データに基づき得る。この意味では、同等の光源＋検出器サブシステムは、測定距離指示座標を決定するために現在のＣＰＳ電子回路により提供される誤差補償測定プロファイル信号データと同等の、校正距離指示座標を決定するための測定プロファイル信号データを提供するように校正（例えば、調整）または誤差補償される。一実施形態では、これは、校正に使用される同等の光源＋検出器サブシステムが、プロファイル信号データの標準化された、または参照セットに関して決定された誤差補償係数に基づいた誤差補償測定プロファイル信号データを提供し、現在の光源＋検出器サブシステムが、プロファイル信号データの同じ標準化された、または参照セットに関して決定された誤差補償係数に基づいた誤差補償測定プロファイル信号データを提供する場合に達成し得る。あるいは、プロファイル信号データの標準化されたまたは参照セットに関しておおよそ理想的な信号データを提供する、同等の光源＋検出器サブシステムを構築し、かつ／またはそのように物理的に調整し得、この場合、その光源＋検出器サブシステムに対する誤差補償は必要ない。
【００７４】
ブロック１２０５において、クロマティックポイントセンサが動作して、複数の波長の各光を複数の対応する焦点距離のそれぞれにおいて結像させる。一実施形態では、これは、焦点距離が光の波長に依存するように、縦の色収差を生じさせるクロマティックポイントセンサの光学ペンを通して広域光を出力することに対応する。
【００７５】
ブロック１２１０において、ワークピース表面が、光学ペンに対して測定距離Ｚに配置され、光がワークピース表面から光学ペンに反射され、結果として生成されるスペクトルが伝達されて、ＣＰＳ波長検出器測定軸に沿った（例えば、検出器アレイに沿った）複数のピクセルにわたって分布した測定強度プロファイルを形成する。ブロック１２１５において、波長検出器が動作して、波長検出器アレイ測定軸に沿った複数のピクセルに対応する未処理測定プロファイル信号データのセットを提供する。一実施形態では、未処理測定プロファイル信号データのセットを提供することは、測定強度プロファイルに対応する信号を出力し、これら信号を補償して、図２を参照して上述したように電圧オフセット誤差を除去し、結果として生成された信号を未処理測定プロファイル信号データのセットとして提供する波長検出器アレイのピクセルに対応する。
【００７６】
ブロック１２２５において、未処理測定プロファイル信号データのセットが修正されて、誤差補償測定プロファイル信号のセットが決定され、未処理測定プロファイル信号データのセットを修正することは、誤差補償係数データを適用して、本明細書において上述した方法により、光源＋検出器サブシステム内の波長依存変動の影響を低減することを含む。様々な実施形態では、光源＋検出器サブシステムの短期、および／または長期、および／または全体の波長依存変動の影響を補償し、低減することができる。
【００７７】
ブロック１２３５において、ＣＰＳ電子回路が動作して、ブロック１２２５において決定された誤差補償測定プロファイル信号データのセットに基づいて、ワークピース表面に対する測定距離Ｚに対応するサブピクセル分解能距離指示座標が決定される。一実施形態では、サブピクセル分解能距離指示座標は、誤差補償測定プロファイル信号データのセットの距離指示サブセットの重心座標として、サブピクセル分解能および精度で決定し得る（例えば、図３ならびに式１および式２を参照して上述した距離指示座標決定動作を含む）。ブロック１２４０において、ＣＰＳ電子回路が動作して、ブロック１２３５において決定されたサブピクセル分解能距離指示座標およびＣＰＳ距離校正データに基づいて、ワークピース表面に対する測定距離Ｚが決定される。
【００７８】
上記誤差補償方法は「現場での」用途に適し得るが、この方法は、工場での校正プロセスに利用することも可能なことが理解される。換言すれば、工場内で、誤差補償方法を利用して、所望であれば、「標準化された」または「マスタ」光源および／または検出器等の様々な参照と比較して誤差補償係数データを生成し得る。
【００７９】
本発明の好適な実施形態を示し説明したが、この開示に基づいて、動作の特徴および順序の図示し説明した構成に対する多くの変形が当業者には明白である。したがって、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、本明細書に様々な変更を行い得ることが明らかである。
【符号の説明】
【００８０】
１００・・・クロマティックポイントセンサ、１０５・・・入出力光ファイバサブアセンブリ、１０８・・・光ファイバコネクタ、１１２・・・光ファイバケーブル、１１２Ａ、１１２Ｂ・・・光ファイバセグメント、１１２Ａ’〜Ｍ・・・迂回光路、１１３・・・入出力光ファイバ、１２０・・・光学ペン、１３０・・・筐体、１３５・・・迂回機構、１３６・・・迂回反射器、１３７・・・迂回反射器アクチュエータ、１５０・・・光学系部、１６０・・・電子回路部、１６１・・・光源＋検出器サブシステム、１６２・・・波長検出器、１６３・・・検出器アレイ、１６４・・・広域光源、１６４’・・・光源、１６５Ｉ・・・照明ファイバセグメント、１６５Ｓ・・・信号ファイバセグメント、１６５Ｉ’、１６５Ｓ’・・・接続点、１６６・・・信号プロセッサ、１６８・・・メモリ部、１６９・・・補償データ、１７０・・・ワークピース、１７５・・・並進移動ステージ、１７５Ａ・・・表面、１７５Ｂ・・・ガイドベアリング、１９０・・・表面位置、１９５・・・開口部、２００、４００、５００、８００Ａ〜８００Ｃ・・・図、３００、６００、７００、９００、１０００Ａ、１０００Ｂ、・・・グラフ、３１０・・・プロファイルデータ、４１０・・・距離校正データ、６１０・・・理想測定プロファイル信号データ、６１０Ａ・・・未処理測定プロファイル信号データ、６１０Ｂ・・・短期補償測定プロファイル信号データ、６１０Ｂ−ＤＩＣ・・・距離指示座標、６１０Ｃ−ＤＩＣ・・・距離指示座標、６１０−ＤＩＣ・・・距離指示座標、６２０・・・未処理強度プロファイル信号・・・、６２３・・・短期変動、６２４・・・短期変動および長期変動の組み合わせ、６３０・・・長期信号変動成分、６３０’・・・短期補償信号、６４０・・・全体補償信号、６５０・・・セグメント、９２５・・・短期変動データ、９５０・・・短期誤差補償係数、１０１０Ａ、１０１０Ｂ・・・残留誤差、１１００、１２００・・・ルーチン、１１０１、１１０５、１１１０、１１１５、１１２５、１１４５・・・ブロック、１２０１、１２０５、１２１０、１２１５、１２２５、１２３５、１２４０・・・ブロック
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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