(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸方向ＯＡに沿ってソース拡散光を放射するように構成された拡散光源であって、少なくとも光生成部分を備える、拡散光源と、
前記光生成部分に対して固定され、かつ感知表面が前記拡散光源に対向し、前記光軸方向ＯＡにおおよそ垂直であり、感知軸が測定軸とおおよそ位置合わせされた状態で位置合わせされる、位置感知検出器と、
前記拡散光源と前記位置感知検出器との間に配置され、前記光軸方向ＯＡを横断する測定軸方向に沿って寸法ＭＲに広がる測定範囲にわたって線形に案内される可動部材に取り付けられた移動アパーチャ機構であって、前記ソース拡散光を受け、前記ソース拡散光の一部分を出射して、前記位置感知検出器上に測定スポットを形成するように構成され、前記測定スポットは、前記測定軸方向に沿った前記移動アパーチャ機構の位置に対応する前記測定軸方向に沿って移動する、移動アパーチャ機構と
を備える位置感知装置であって、
前記移動アパーチャ機構が、前記測定軸方向に沿って寸法ＤＰ１を有する第１の制限アパーチャと、前記測定軸方向に沿って寸法ＤＰ２を有する第２の制限アパーチャとを備え、前記第１および第２の制限アパーチャが、前記光軸方向ＯＡに沿って互いから距離ＬＰだけ離間され、前記第２の制限アパーチャが、前記位置感知検出器により近く、ＬＰがＤＰ１およびＤＰ２のうちの小さい方の少なくとも２倍であり、
前記移動アパーチャ機構は、前記測定スポットが、前記ソース拡散光内に含まれる未フィルタリング角度範囲の光線よりも少なく、前記測定軸方向に沿って光寄与寸法ＤＬＳに広がる前記ソース拡散光の一部分から発せられるフィルタリング済み角度範囲以内の光線からなるように、前記ソース拡散光を角度的にフィルタリングし、
前記フィルタリング済み角度範囲内の光線の角度強度分布が、前記測定範囲内の位置に応じた前記未フィルタリング角度範囲内に含まれる光線の強度分布よりも、前記測定範囲内の位置に応じてより均一化しており、
前記位置感知検出器が、前記測定スポットに応答して少なくとも１つの信号を出力し、前記少なくとも１つの信号が、前記測定軸方向に沿った前記可動部材の位置を示す
ように構成される、位置感知装置。
【請求項２】
前記光寄与寸法ＤＬＳが前記寸法ＭＲの０．５倍よりも大きいように構成される、請求項１に記載の位置感知装置。
【請求項３】
前記光寄与寸法ＤＬＳが少なくともＤＰ２の４倍であるように構成される、請求項１に記載の位置感知装置。
【請求項４】
前記拡散光源は、前記光生成部分から生成された光を受け、前記ソース拡散光を放射するように構成された拡散器を備える、請求項１に記載の位置感知装置。
【請求項５】
前記拡散器は、前記光生成部分に対して固定され、前記位置感知装置は、
前記拡散器が、前記測定軸方向に沿って寸法ＬＳＲに広がるソース拡散光の範囲に沿ったあらゆる場所に前記ソース拡散光を放射し、
前記寸法ＬＳＲが（ＭＲ＋ＤＬＳ）より大きい
ように構成される、請求項４に記載の位置感知装置。
【請求項６】
前記拡散器が前記移動アパーチャ機構に取り付けられ、前記移動アパーチャ機構と共に移動するように構成される、請求項４に記載の位置感知装置。
【請求項７】
前記光生成部分から生成される光が、前記拡散器の平面において前記測定軸方向に沿って寸法ＬＳＲに広がり、
前記寸法ＬＳＲが（ＭＲ＋ＤＬＳ）よりも大きい
ように構成される、請求項６に記載の位置感知装置。
【請求項８】
前記光生成部分は、前記測定軸方向に沿って寸法ＬＳＲに広がる光源範囲に沿ったあらゆる場所に、発光表面からの前記ソース拡散光を発する発光材料を備え、前記位置感知装置は、前記寸法ＬＳＲが（ＭＲ＋ＤＬＳ）よりも大きいように構成される、請求項１に記載の位置感知装置。
【請求項９】
前記ソース拡散光の発端平面と前記第１の制限アパーチャとのソースギャップ寸法ＬＩＮが、前記距離ＬＰよりも大きいように構成される、請求項１に記載の位置感知装置。
【請求項１０】
前記第２の制限アパーチャおよび前記感知表面の平面が、検出器ギャップ距離ＬＧだけ隔てられ、
比率ＬＰ／ＬＧが少なくとも１．０である
ように構成される、請求項９に記載の位置感知装置。
【請求項１１】
比率ＬＰ／ＬＧが少なくとも２．０であるように構成される、請求項１０に記載の位置感知装置。
【請求項１２】
前記第２の制限アパーチャと前記位置感知装置との間に配置されたレンズをさらに備え、前記レンズは、前記第２の制限アパーチャから角度フィルタリング済みソース拡散光を受け、その光を前記感知表面上に透過して、前記レンズがない場合に得られるよりも小さな測定スポットを形成するように構成される、請求項１に記載の位置感知装置。
【請求項１３】
前記レンズは、凸形側が前記第１の制限アパーチャに面した状態で配置されかつ前記第１の制限アパーチャの平面に存在する前記ソース拡散光を前記感知表面上にイメージングするように構成される半球レンズを含む、請求項１２に記載の位置感知装置。
【請求項１４】
前記レンズは、（ａ）少なくとも１．６の屈折率を有する材料および（ｂ）サファイア材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の位置感知装置。
【請求項１５】
前記第１および第２の制限アパーチャのうちの少なくとも一方が、前記測定軸方向に垂直な軸に沿って細長く、
前記レンズが、前記測定軸方向に垂直な軸に沿って細長いレンズを含む
ように構成される、請求項１２に記載の位置感知装置。
【請求項１６】
前記第１の制限アパーチャと前記第２の制限アパーチャとの間に配置されたレンズをさらに備え、前記レンズは、前記第１の制限アパーチャから前記光軸方向に沿って離間され、前記第１の制限アパーチャからソース拡散光を受け、前記第２の制限アパーチャを通してその光を前記感知表面に透過して、前記レンズがない場合に得られるよりも小さな測定スポットを形成するように構成される、請求項１に記載の位置感知装置。
【請求項１７】
前記レンズは、凸形側が前記第１の制限アパーチャに面した状態で配置されかつ前記第１の制限アパーチャの平面に存在する前記ソース拡散光を前記感知表面上にイメージングするように構成される半球レンズを含む、請求項１６に記載の位置感知装置。
【請求項１８】
前記レンズは、（ａ）少なくとも１．６の屈折率を有する材料および（ｂ）サファイア材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の位置感知装置。
【請求項１９】
前記第１および第２の制限アパーチャのうちの少なくとも一方が、前記測定軸方向に垂直な軸に沿って細長く、
前記レンズが、前記測定軸方向に垂直な軸に沿って細長いレンズを含む
ように構成される、請求項１６に記載の位置感知装置。
【請求項２０】
前記距離ＬＰは、ＤＰ１およびＤＰ２のうちの大きい方の少なくとも２倍である、請求項１に記載の位置感知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線形変位センサに関し、特に、位置感知光検出器を使用して所望の測定信号を生成する線形変位構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）を使用して位置を示す信号を提供する様々な変位センサが知られている。この種のシステムは、２つの二次ソレノイドコイル内に誘導電流を生成する一次ソレノイドコイルを使用し、各二次コイル内の電流の大きさは、コイル内部を軸方向に移動する強磁性コアの位置に依存する。二次コイルが逆直列接続される場合、強磁性コアの位置は、結果として生成される差動信号に基づいて特定し得る。
【０００３】
用途によっては、ＬＶＤＴ型センサと同様に線形変位信号を提供する光学変位センサを提供することが望ましい。この種の１つの従来技術によるシステムが、Delmasに発行された米国特許第４，３３８，７２２号（’７２２号特許）に開示されている。’７２２号特許には、光源と、２つの受光検出器を備えた検出器と、光源からの光を検出器に透過するための開口部を有する移動ステムとを有するセンサが開示されている。移動ステムは、２つのガイド間で摺動する。移動ステムの開口上のカバーは、ステムの機械的遊びに対する測定感度をなくす手段として、２つのガイド間の中心点に対してステムの端部において接触先端と実質的に対称になるように設計される。しかし、’７２２号特許は、光源に関連し得る特定の誤差を認識していない。したがって、’７２２号特許の装置は、望ましくない信号の非線形性および／または精度誤差を受ける恐れがある。
【０００４】
より優れた光源構成が、Kaufmann等に発行された米国特許第４，８１２，６３５号（’６３５号特許）に開示されており、この光源構成は、位置感知装置内の均一照明手段を提供する。’６３５号特許の装置は、光源と、２つのフォトダイオードと、アパーチャを含む移動ダイアフラムとを含む。２つのフォトダイオードは、光源からダイアフラム上のアパーチャを通り、フォトダイオードに入射する光の位置により決定される信号を生成する。均一照明手段は、光路に沿った補正フィルタを備え、好ましい実施形態では、補正フィルタは、同一間隔で光源を使用して露光されたフィルムネガを備える。このようなカスタムフィルタは、公称的には均一強度を有する照明を出力する。しかし、’６３５号特許は、測定軸に沿って強度が均一のソース光を提供するが、光源に関連し得る特定の他の誤差を認識しないままである。したがって、’７２２号特許のように、’６３５号特許の装置も、望ましくない信号の非線形性および／または精度誤差を受ける恐れがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
改良された線形性および／または精度を提供する単純な光学位置感知装置（例えば、’６３５号特許および’７２２号特許の装置と比較して）が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この概要は、詳細な説明においてさらに後述する選択された概念をより単純な形態で紹介するために提供される。この概要は、特許請求される主題の主要特徴の識別を意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を決定する際の支援として使用されることを意図するものでもない。
【０００７】
手短に言えば、上述したような光学位置感知装置の従来技術は、光源からの光の角度強度分布のばらつきを適宜考慮していない。そのような装置では、移動アパーチャが、照明場を横切って線形移動して、スポットを検出器に沿って移動させる。しかし、アパーチャは、光源エミッタに対して異なる角度でも移動する。したがって、測定軸に沿って異なる位置において、異なる角度セットからの光線がアパーチャを通って、’６３５号特許および’７２２号特許に開示されるような装置内の光検出器に至る。検出される光線の角度のばらつきは一般に、検出される光スポットの位置が、測定軸に沿ったアパーチャの位置に関連して単純に線形ではないことを意味し得る。さらに、ソース光が非均一の角度強度分布を有する場合、検出された光スポット内の光の分布は、測定軸に沿ったアパーチャの位置に依存して変化する、対応する非均一性を有することになる。その結果、測定スポットの検出される重心は、位置に応じてスポット境界内で非線形に変化し得る。これらの影響は、従来技術による装置に望ましくない誤差をもたらし、信号線形性および精度を制限する。
【０００８】
本発明による位置感知装置は、測定スポットが、測定範囲にわたって均一な角度度強度分布の光により形成されるように配置された光源構成とアパーチャ構成との新規の組み合わせを提供することにより、上記問題を回避する。さらに、本装置は、検出器上の測定スポットのサイズを最小化しながら、測定スポット内で集められる光の量を最適化し、装置の線形性および精度をさらに高めるように構成され得る。
【０００９】
様々な実施形態では、位置感知装置は、拡散光源と、位置感知光検出器（単に検出器とも呼ばれる）と、移動アパーチャ機構とを備える。拡散光源は、ソース拡散光を概して光軸方向ＯＡに沿って放射するように構成される。位置感知光検出器は、拡散光源に対して固定され、かつその感知表面が拡散光源に対向し、光軸方向ＯＡにおおよそ垂直になり、その感知軸が測定軸におおよそ位置合わせされる状態で位置合わせされる。移動アパーチャ機構は、拡散光源と位置感知光検出器との間に配置され、可動部材に取り付けられ、可動部材は、光軸方向ＯＡを横断する測定軸方向に沿って測定範囲にわたって線形に案内される。移動アパーチャ機構は、ソース拡散光を受け、ソース拡散光の一部分を出射して、感知光検出器上に測定スポットを形成するように構成され、感知されるスポットは、測定軸方向に沿った移動アパーチャ機構の位置に対応して、測定軸方向に沿って移動する。移動アパーチャ機構は、測定軸方向に沿って寸法ＤＰ１を有するソース拡散光を入射させる第１の制限アパーチャと、第１の制限アパーチャからソース拡散光を入射させ、ソース拡散光を出射して、測定スポットを形成する第２の制限アパーチャとを備える。第２の制限アパーチャは、測定軸方向に沿って寸法ＤＰ２を有し、第１および第２の制限アパーチャは、光軸方向に沿って互いに距離ＬＰだけ離間され、ＬＰは、ＤＰ１およびＤＰ２のうちの小さい方の少なくとも２倍である。このようにして、アパーチャ機構は、測定スポットが常に、ソース拡散光内に含まれる光線の未フィルタリング角度範囲未満のフィルタリング済み角度範囲内の光線からなるように、ソース拡散光を角度的にフィルタリングする。フィルタリング済み角度範囲内の光線の角度強度分布は、測定範囲内の位置に応じた未フィルタリング角度範囲内に含まれる光線の強度分布よりも、測定範囲内の位置に応じてより均一化している。位置感知光検出器は、測定スポットの位置に依存する少なくとも１つの信号を出力し、その少なくとも１つの信号は、測定軸方向に沿った可動部材の位置を示す。いくつかの実施形態では、位置感知光検出器は、測定スポットの位置に依存する２つの差動信号を出力し、２つの信号の関係は、測定軸方向に沿った可動部材の位置を示す。
【００１０】
様々な実施形態では、測定範囲は、測定軸方向に沿って寸法ＭＲに広がり、測定スポットは、測定軸方向に沿って光寄与寸法ＤＬＳに広がる拡散光源の部分から発せられた光線により形成される。いくつかの実施形態では、寸法ＤＬＳが寸法ＭＲの０．５倍よりも大きいか、寸法ＭＲの１．０倍であるか、またはいくつかの実施形態では１．０倍よりも大きいことが有利であり得る。あるいは、いくつかの実施形態では、光寄与寸法ＤＬＳは、少なくともＤＰ２の２倍またはＤＰ２の４倍の値を有し、いくつかの実施形態では、それよりも大きな値を有する。寸法ＤＬＳが大きいほど、より多くの光が測定スポットに集光され、信号の最大化および測定位置に応じて測定スポット１３０内の強度のばらつきの最小化に役立つ。
【００１１】
いくつかの実施形態では、位置感知装置は、第２の制限アパーチャの近傍に位置決めされたレンズをさらに備え得る。レンズは、第１の制限アパーチャの平面に存在するソース拡散光をイメージングし、レンズのない場合に得られるものよりも小さな測定スポットで検出器上に透過するように構成し得る。いくつかの実施形態では、レンズは、第２の制限アパーチャと検出器との間に配置され、第２の制限アパーチャから光を受け、検出器上に小さな測定スポットを形成するように透過する。いくつかの実施形態では、集束レンズは、第１の制限アパーチャと第２の制限アパーチャとの間に、第１の制限アパーチャから離間して配置されて、第１の制限アパーチャから光を受け、検出器上に小さな測定スポットを形成するように、第２の制限アパーチャを通して透過する。一実施形態では、集束レンズは、平坦な表面が検出器に向けられた状態にされる半球レンズを含み得る。いくつかの実施形態では、レンズは、サファイア材料または他の屈折率の高い材料を含み得る。
【００１２】
いくつかの実施形態では、第１および第２の制限アパーチャは円形アパーチャを含む。他の実施形態では、第１および／または第２の制限アパーチャは、測定軸方向に沿ったそれら自体の寸法よりも長い、測定軸方向に垂直な長さを有するスリットアパーチャを含み得る。そのようないくつかの実施形態では、集束レンズは、測定軸方向に垂直な長軸を有するロッドレンズ（例えば、半円筒レンズ）を含み得る。
【００１３】
様々な実施形態では、拡散光源は、少なくとも光生成部分（例えば、ＬＥＤ、ＯＬＥＤなど）を備える。拡散光源は、拡散光源の平面において測定軸方向に沿って寸法ＬＳＲに広がるソース光範囲に沿ってソース拡散光を放射するように構成し得、寸法ＬＳＲは測定範囲ＭＲよりも大きい。様々な実施形態では、寸法ＬＳＲは、少なくとも光寄与寸法ＤＬＳの量だけ測定範囲ＭＲよりも大きくてよい。
【００１４】
いくつかの実施形態では、拡散光源は、固定された光生成部分から生成された光を受けかつソース拡散光を移動アパーチャ機構に放射するように構成された拡散器を備える。いくつかの実施形態では、拡散器は、ランバート拡散器およびより限られた角度範囲に光を拡散させる拡散器（例えば、ホログラフィック拡散器）のうちの一方を含み得る。一実施形態では、拡散器は光生成部分に対して固定することができ、固定拡散器は、ソース拡散光を、測定軸方向に沿って寸法ＬＳＲに広がる拡散光源範囲に沿ったあらゆる場所にソース拡散光を放射することができる。
【００１５】
別の実施形態では、拡散器は移動アパーチャ機構に取り付けられ、移動アパーチャと共に移動し得る。固定された光生成部分は、移動する拡散器の平面において測定軸方向に沿って寸法ＬＳＲに広がる光を生成し得る（例えば、生成される光は寸法ＬＳＲに広がるように発散し得る）。移動する拡散器は、光源範囲ＬＳＲ内の様々な位置において生成光を受け、移動アパーチャ機構と共に移動しながら、ソース拡散光を移動アパーチャ機構に放射する。
【００１６】
別の実施形態では、光生成部分は、ソース拡散光を、測定軸方向に沿って寸法ＬＳＲに広がる光源範囲に沿ったたらゆる場所に分布した発光表面から直接放射する発光材料（例えば、ＯＬＥＤ材料）を含み得る。
【００１７】
本発明の上記態様および付随する利点の多くは、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につれて、より容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による位置感知装置の第１の実施形態の、測定軸方向に垂直な概略的な断面図である。
【図２】図１の位置感知装置と同様の位置感知装置の、測定軸方向に垂直な概略的な断面図であり、所望測定範囲外の移動アパーチャ機構の２つの仮定的な位置に関する設計考慮事項を示す図（以下「図２Ａ」という）、及び、図２Ａに示す実施形態において使用可能な例示的な１つの検出器の表面上で見た、図２Ａに示す２つの測定スポットを含む、５つの仮定的な測定スポットでの強度分布を概略的に示す図（以下「図２Ｂ」という）である。
【図３】本発明による位置感知装置の第２の実施形態の、測定軸方向に垂直な概略的な断面図である。
【図４】本発明による位置感知装置の第３の実施形態の、測定軸方向に垂直な概略的な断面図である。
【図５】図４の位置感知装置と同様の位置感知装置を使用するゲージの一実施態様の等角切り欠き図である。
【図６】本発明による位置感知装置の第４の実施形態の、測定軸方向に垂直な概略的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明による位置感知装置１００の第１の実施形態の測定軸方向ＭＡに垂直な概略的な断面図である。図１は、Ｙ軸方向として示される測定軸方向ＭＡと、感知表面１１６の平面に平行するものと定義されるＹ−Ｚ平面に垂直であると定義されるＸ軸として示される光軸方向ＯＡとを示す。位置感知装置１００は、拡散光源１０５と、１本または複数本の光源電力線１０９と、感知表面１１６を備えた位置感知光検出器１１５と、１本または複数本の信号線１１８と、保護窓１１７（オプション）と、拡散光源１０５と位置感知光検出器１１５との間に配置された移動アパーチャ機構１２０とを備える。
【００２０】
位置感知光検出器（または検出器）１１５は、拡散光源１０５に対して固定され、感知表面１１６が拡散光源１０５に対向し、光軸方向ＯＡにおおよそ垂直になる状態で位置合わせされる。移動アパーチャ機構１２０は、拡散光源１０５と位置感知光検出器１１５との間に配置され、光軸方向ＯＡを横断する測定軸方向ＭＡに沿って線形に案内される可動部材１２５に取り付けられる。移動アパーチャ機構１２０は、測定軸方向ＭＡに沿って寸法ＤＰ１を有する第１の制限アパーチャ１４０と、測定軸方向ＭＡに沿って寸法ＤＰ２を有する第２の制限アパーチャ１５０とを備える。第１および第２の制限アパーチャは、光軸方向ＯＡに沿って位置合わせされ、その方向に沿って寸法ＬＰだけ離間される。第１および第２の制限アパーチャ１４０および１５０は、アパーチャ本体１６０内に、または別個の部品（図示せず）を組み立てることにより、またはこれらと同様の方法により構成し得る。
【００２１】
動作に当たり、拡散光源１０５は、ソース拡散光１１０を概して光軸方向ＯＡに沿って放射するように構成される。移動アパーチャ機構１２０は、ソース拡散光１１０を受け、ソース拡散光の一部分を出射して、位置感知検出器１１５の感知表面１１６上に測定スポット１３０を形成する。測定スポット１３０は、移動アパーチャ機構１２０の位置に対応して、検出器１１５上の測定範囲ＭＲにわたって測定軸方向ＭＡに沿って移動する。検出器１１５は、信号線１１８を通して、測定軸方向ＭＡに沿った測定スポット１３０の位置に依存する少なくとも１つの信号を出力する。様々な実施形態では、２つの差動信号が出力され、２つの信号の関係が、測定軸方向ＭＡに沿った可動部材２５の位置を示すことが有利である。例えば、一実施形態では、位置は、関係（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）により示すことができ、ＡおよびＢは差動信号である。そのような関係は、測定スポット１３０内の平均パワーのばらつきの影響を比較的受けにくい傾向を有する。
【００２２】
移動アパーチャ機構１２０に関して、第１の制限アパーチャ１４０は、ソース拡散光１１０を受け、第２の制限アパーチャ１５０は、第１の制限アパーチャ１４０からそのソース拡散光１１０の部分を受け、その部分を出射して測定スポット１３０を形成する。第１および第２の制限アパーチャ１４０および１５０は、光軸方向ＯＡに沿って互いに距離ＬＰだけ離間されるため、移動アパーチャ機構１２０は、測定スポット１３０のサイズが制限され、さらに、常に、ソース拡散光内に含まれる光線の未フィルタリング角度範囲βよりも小さいフィルタリング済み角度範囲α内の光線からなるように、ソース拡散光１１０を角度的にフィルタリングする。そうでなければ、光線は単一の制限アパーチャを通して透過されてしまう。最も経済的かつ実用的な光源設計の場合、フィルタリング済み角度範囲角α内の光線の角度強度分布は、測定範囲ＭＲ内の位置に応じた未フィルタリング角度範囲角β内に含まれる光線の強度分布よりも、測定範囲ＭＲ内の位置に応じてより均一化しており、より詳細に後述するように、位置感知装置１００の精度を向上させる。いくつかの例示的な実施形態では、第１および第２の制限アパーチャ１４０および１５０の間隔ＬＰは、測定スポット１３０内に所望のフィルタリング済み角度範囲の光線を提供するために、それぞれの寸法ＤＰ１およびＤＰ２のうちの小さい方の少なくとも２倍である。
【００２３】
所望の角度フィルタリングを提供するために、異なるアパーチャ機構を使用してもよいことが理解される。例えば、図１は、代替のアパーチャ機構１２０’を破線で示し、このアパーチャ機構１２０’は、サイズが異なる、離間された第１および第２の制限アパーチャ１４０’および１５０’のそれぞれを備える。本明細書に示される移動アパーチャ機構が例示にすぎず、限定しないことが理解される。
【００２４】
一般に、測定スポット１３０のスポットサイズＤＰＳＤが、少なくとも測定軸方向に沿って、可能な限り小さいことが望ましい。これにはいくつかの利点があり、例えば、測定に関して、測定スポット内の光の強度分布の影響の受けやすさを低減することができ、一般に、検出器１１５からの信号の信号対雑音比および／または測定分解能を増大させることができる。移動アパーチャ機構１２０により提供される所与のフィルタリング済み角度範囲角αの場合、第２の制限アパーチャと感知表面１１６の平面との検出器ギャップ距離ＬＧを低減させると、測定スポットのサイズが低減する。したがって、様々な実施形態では、検出器ギャップ距離ＬＧは、実際的な最小（例えば、いくつかの実施形態では、最大でも０．５ｍｍ、２５０ミクロン、または保護窓１１７が使用されない場合には１００ミクロン以下）になるように選択し得る。
【００２５】
いくつかの実施形態では、検出器最小ギャップ距離ＬＧは、設計制約としてみなし得る。所与の検出器ギャップ距離ＬＧの場合、スポットサイズＤＰＳＤとアパーチャ寸法ＤＰ２との比率が、第１の制限アパーチャ１４０と第２の制限アパーチャ１５０との距離ＬＰが増大するにつれて、非線形的に増大することを理解されたい。スポットサイズＤＰＳＤのこの非線形増大は、ＬＰ／ＬＧが１．０未満の場合に特に強い。したがって、様々な実施形態では、距離ＬＰおよび／またはＬＧは、ＬＰ／ＬＧが少なくとも１．０であり、またはいくつかの実施形態では、より好ましくは、少なくとも２．０または３．０以上であるように選択し得る。
【００２６】
他の設計考慮事項に関して、光寄与寸法ＤＬＳは、測定スポット１３０への光線またはエネルギーに寄与する、ソース拡散光１１０の発端平面（例えば、グランドグラス表面）における寸法として定義される。一般に、電力節約、信号対雑音比、および／または潜在的な光源非均一性の平均化に関して、光寄与寸法ＤＬＳが可能な限り大きなことが一般に望ましい（コンパクトさと本明細書に説明される他の様々な設計考慮事項とのトレードオフを考慮して）。移動アパーチャ機構１２０により提供される所与のフィルタリング済み角度範囲角αの場合、ソース拡散光１１０の発端平面と第１の制限アパーチャ１４０とのソースギャップ寸法ＬＩＮを増大させると、有利なことに、光寄与寸法ＤＬＳのサイズが増大する。したがって、様々な実施形態では、ソースギャップ寸法ＬＩＮは、実際的な最大であるように選択し得る。
【００２７】
いくつかの実施形態では、ソースから検出器までの総距離（ＬＩＮ＋ＬＰ＋ＬＧ）は設計制約としてみなされ得る。したがって、いくつかの実施形態では、ソース光を小さな測定スポット１３０内に集めて集中させるために、距離ＬＩＮが少なくともＬＰと同じ大きさであり、またはいくつかの実施形態では、ＬＰの１．５倍またはＬＰの２倍以上であることが有利であり得る。いくつかの実施形態では、ソースギャップ寸法ＬＩＮは単純に、実際的な大きさと同じ大きさに作ってもよい（例えば、いくつかの実施形態では、少なくとも５００ミクロン、１ｍｍ、または１．５ｍｍ以上）。いくつかの実施形態では、寸法ＤＬＳが寸法ＭＲの０．５倍よりも大きいか、寸法ＭＲの１．０倍であるか、またはいくつかの実施形態ではそれよりも大きいことが有利であり得る。あるいは、いくつかの実施形態では、光寄与寸法ＤＬＳは、少なくともＤＰ２の２倍、またはＤＰ２の４倍、またはいくつかの実施形態ではそれよりも大きな値を有する。寸法ＤＬＳが大きいほど、より多くの光が測定スポット内に集められ、信号の最大化および測定位置に応じて測定スポット１３０内の強度のばらつきの最小化を助ける。
【００２８】
光寄与寸法ＤＬＳに関するさらなる考慮事項について、図２Ａを参照して後述する。
【００２９】
他の設計考慮事項に関して、一般に、本発明による拡散光源は、ソース拡散光を、ソース拡散光の発端平面において測定軸方向に沿って定義される光源範囲または寸法ＬＳＲにわたって発する。光源範囲ＬＳＲは測定範囲ＭＲよりも大きい。様々な実施形態では、光源範囲ＬＳＲは、図１に示し、図２Ａおよび図２Ｂを参照してさらに詳細に後述するように、少なくとも光寄与寸法ＤＬＳの量だけ測定範囲ＭＲよりも大きい。図１に示す実施形態では、拡散光源１０５は、電力線１０９を通して給電されて、発散光１０７を生成する固定ＬＥＤ１０６（レンズを含み得る）を備えた光生成部分と、拡散器１０８とを含む。拡散器１０８は、発散光１０７が所望の光源範囲ＬＳＲに延びるようにＬＥＤ１０６から十分に離れて位置決めされる。動作に当たり、ＬＥＤ１０６はＬＥＤ光１０７の発散光を拡散器１０８（例えば、ＬＥＤ１０６に最も近いグランドグラス表面）に発する。拡散器１０８は、ＬＥＤ光１０７の光線を散乱させ、ソース拡散光１１０を放射する。いくつかの実施形態では、拡散器１０８としては、おおよそ図１に示す拡散強度分布インジケータ１１０’により概略的に示されるような出射方向による輝度変化の少ないランバート（Lambert）な拡散器、例えば、オパールガラスを使用することができる。他の実施形態は、光軸方向に対してより制限された、角度範囲にわたってより均一な強度で光を拡散させるより効率的な拡散器（例えば、ホログラフィック拡散器）を使用してもよい。例えば、ニュージャージー州Barringtonに所在のEdmund Optics Inc製のTechspec UV Fused Silica Ground Glass Diffuserからの、効率的な非ランバート拡散器も利用可能である。図１に示す拡散光源１０５の構成は例示にすぎず、制限ではないことを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態では、拡散光源は、ＯＬＥＤ、またはソース拡散光１１０を、光源範囲ＬＳＲにわたって延びる発光表面から直接放射する他の発光材料を備えた光生成部分を含み得る。
【００３０】
図２Ａおよび図２Ｂは、位置合わせされたＸ−Ｚ平面を有する関連図であり、位置感知装置２００を示すと共に、測定範囲ＭＲ内のすべての測定位置の測定スポット内で均一強度分布を維持することに関連する様々な設計考慮事項を示す。図１中の連番１ＸＸと同じ「ＸＸ」接尾部を有する図２Ａおよび図２Ｂ中の連番２ＸＸは、別段に示されない限り、同様または同一の要素を示し得る。したがって、位置感知装置２００の動作は一般に、図１と同様であると理解することができ、特定の動作態様のみについてここに説明する。
【００３１】
測定スポット２３０に関して、移動アパーチャ機構２２０は、上述した角度フィルタリング原理を使用するため、測定スポット２３０の境界を形成する光線の角度が、測定位置に応じて変化しない（従来技術による装置とは対照的に）。その結果、視差の影響がなくなり、測定スポット２３０の境界は、移動アパーチャ機構２２０の並進移動に厳密に対応して並進移動する。しかし、上述したように、位置感知光検出器２１５の出力信号も、測定スポット２３０の強度重心に依存する。したがって、測定スポット２３０内の光の感知軸ＳＡに沿った強度分布の均一性も、測定範囲にわたる良好な線形性および精度を有する測定信号を提供するために重要である。測定スポット内の例示的な強度分布を図２Ｂに示し、さらに後述する。一般的には、そのような強度分布は、特定の測定位置でのフィルタリング済み角度範囲α内の光のソース光強度分布に対応する（感知軸ＳＡの方向に沿って）。様々な測定位置でのソース光強度分布を決定し得るいくつかの考慮事項を図２Ａに示す。
【００３２】
図２Ａは、図１の位置感知装置と同様の位置感知装置２００の測定軸方向に垂直な概略的な断面図である。特に、図２Ａは、望ましくない測定スポット例（または測定スポット）２３０Ａおよび２３０Ｅの位置に対応する移動アパーチャ機構２２０の２つの仮定的な位置（それぞれ、参照符号接尾要素ＡおよびＥで表される）に関する様々な設計考慮事項を示す。本発明が、従来技術による装置に存在する潜在的な問題をどのように回避し、比較的コンパクトで単純な光源および検出器の使用を可能にするかを説明するために、２つの位置ＡおよびＥは、所望の測定範囲ＭＲ外の位置に対応し、測定範囲ＭＲの両極端で発生し得る測定スポット内の潜在的な問題を示す。
【００３３】
手短に言えば、測定スポット２３０Ａおよび２３０Ｅは、強度分布が均一ではなく、以下のようにソース拡散光２１０内に非均一な強度特性を生じさせる恐れがあるため、望ましくない。図２Ａに示すように、測定スポット２３０Ｅは、極端ＬＥＤ光線２０７Ｅｘｒから発せられた光線２１０Ｅｘｒを受け得る。例えば、極端ＬＥＤ光線２０７Ｅｘｒは、拡散器２０８の拡散表面に達し得、拡散表面において、極端光線強度分布インジケータ２１０’Ｅｘに概して示すように、拡散器２０８への入射角度に対応する量だけ光軸方向ＯＡから離れたバイアスされた、おおよそランバートな分布で散乱する。極端光線２１０Ｅｘｒは、動作の結果として生成される光線であり、この光線は、極端光線強度分布インジケータ２１０’Ｅｘの位置と測定スポット２３０Ｅとの間のフィルタリング済み角度範囲α内にある。極端光線２１０Ｅｘｒは、強度分布インジケータ２１０’Ｅｘ内の角度成分の大きさおよびソース光強度分布２１０Ｅ−ＩＤ内の対応する成分の強度大きさＩｒｘで示されるように、低強度を有する。
【００３４】
ソース光強度分布２１０Ｅ−ＩＤは、フィルタリング済み角度範囲α内に分布する他のソース光線の相対強度も反映するため、測定スポット２３０Ｅに達する。ソース光強度分布２１０Ｅ−ＩＤ内の他の位置でのソース光線に示される強度は、上記説明と同様なことを理解し得る。図２Ａに示す構成の対称性により、測定スポット２３０Ａの位置に対応するソース光強度分布２１０Ａ−ＩＤは、ソース光強度分布２１０Ｅ−ＩＤの鏡像である。対応する測定スポット強度分布２３０Ａ−ＩＤおよび２３０Ｅ−ＩＤのそれぞれを図２Ｂに示す。
【００３５】
図２Ｂは、感知表面２１６上の２つの望ましくない測定スポット２３０Ａおよび２３０Ｅ、ならびに３つの望ましい測定スポット２３０Ｂ、２３０Ｃ、および２３０Ｄを概略的に示す図である。測定スポット２３０Ａ〜２３０Ｅ内の破線２９０の位置に沿って観察される、対応する強度分布２３０Ａ−ＩＤ〜２３０Ｅ−ＩＤが、ＸＺ平面に平行する投射として概略的に示される。
【００３６】
図２Ｂに示すように、非均一ソース光強度分布２１０Ａ−ＩＤおよび２１０Ｅ−ＩＤは、非均一の測定スポット強度分布２３０Ａ−ＩＤ〜２３０Ｅ−ＩＤをもたらし、結果として検出される強度重心は、測定スポット境界に対してかなり逆方向に傾斜変化する（スキューする）。仮に測定範囲が位置ＡおよびＥを含むように拡大された場合、スキューした強度重心により、かなりの信号非線形性および精度誤差が生じる。これとは対照的に、測定スポット２３０Ｂ、２３０Ｃ、および２３０Ｄは、上述したように、生成されたＬＥＤ光２０７および／またはソース拡散光２１０の極端な発散角に関連する低強度光線を受けないため、比較的均一な測定スポット強度分布２３０Ｂ−ＩＤ、２３０Ｃ−ＩＤ、および２３０Ｄ−ＩＤを有する。したがって、測定範囲ＭＲに対応する測定スポット２３０の検出強度重心は、スポット境界に対してそれほど大きくはスキューせず、線形信号および良好な精度をもたらす。
【００３７】
コンパクトな装置を必要とする実際の用途の場合、拡散光源２０５のサイズ（例えば、光軸方向ＯＡおよび光源範囲ＬＳＲの方向に沿った寸法）は、測定範囲と比べて小さくなるように制約され得る。そのような用途で満たさなければならない制約および設計トレードオフからして、移動アパーチャ機構２２０により提供される角度フィルタリング済み角αが、生成されたＬＥＤ光２０７および／またはソース拡散光２１０の極端な発散角に関連する低強度強度ならびに光源範囲ＬＳＲの両端近傍で生じ得る他の強度不連続性を除外することにより、測定範囲全体を通して測定スポット２３０内に均一な強度分布を提供することにおいて主要な役割を果たすことが理解される。
【００３８】
図３、図４、および図５に関して、図３は、本発明による位置感知装置３００の第２の実施形態の測定軸方向に垂直な概略的な断面図である。図４は、本発明による位置感知装置４００の第３の実施形態の測定軸方向に垂直な概略的な断面図である。図５は、図４の位置感知装置４００と同様の位置感知装置の一実施態様である位置感知ゲージ５００の等角切り欠き図である。同じ「ＸＸ」接尾部を有する図３、図４、および図５の連番３ＸＸ、４ＸＸ、５ＸＸは、別段のことが示されない場合、機能的に同様または同一の要素を示し得る。さらに、図１の連番１ＸＸと同じ「ＸＸ」接尾部を有する連番３ＸＸ、４ＸＸ、および５ＸＸは、別段のことが示されない場合、機能的に同様または同一の要素を示し得る。したがって、位置感知装置３００、位置感知装置４００、および位置感知ゲージ５００の動作は一般に、前の説明と同様であると理解することができ、それらの動作の特定の態様のみをここで説明する。
【００３９】
図３に関して、位置感知装置３００と図１および図２の位置感知装置１００および２００との主な違いは、位置感知装置３００が、第２の制限アパーチャ３５０と位置感知検出器３１５との間に配置されたレンズ３６５をさらに備えることである。一般に、レンズ３６５は、第２の制限アパーチャ３５０から角度的にフィルタリングされた光を受け、レンズ３６５がない場合に得られるよりも小さな測定スポット３３０で、その光を感知表面３１６上に透過する。いくつかの実施形態では、レンズ３６５は、第１の制限アパーチャ３４０の平面に存在するソース拡散光を感知表面３１６上にイメージングするように構成される。レンズ３６５により、小さな測定スポット３３０をなお提供しながら、比較的大きなギャップ距離ＬＧ（第２の制限アパーチャと感知表面３１６との間）を使用することが可能になることが理解される。保護窓３１７がある場合、比較的大きなギャップ寸法ＬＧを使用する必要があるため、これは、保護窓３１７が使用される場合に特に有用である。図３に示す実施形態では、レンズ３６５は、半径Ｒおよび屈折率ｎを有し、焦点距離ｆ＝Ｒ／（ｎ−１）を提供する半球レンズを備える。最も小さな測定スポット３３０を達成するために最適なレンズの設計および位置決めは、解析または実験により確立し得るような理想的なイメージングの場合に予想されるものからいくらかずれ得る。スポットサイズＤＰＳＤを最小化するために、小さなギャップ寸法ＬＧ（コンパクト設計のために）を使用すると、短い焦点距離が必要とされることを理解することができる。したがって、レンズ３６５が比較的高い値の屈折率ｎ（例えば、屈折率ｎは少なくとも１．６）、より小さな値の半径Ｒ、またはそれら両方を有することが有利である。小さな値の半径Ｒを有するレンズ３６５の実施形態は、より大きな値の半径Ｒを有するレンズ３６５の実施形態よりも大きな光学収差を受ける。したがって、焦点距離が同じ場合、屈折率ｎの大きなレンズ３６５の実施形態ほど、より小さな屈折率ｎを有するレンズ３６５の実施形態よりも高い光学品質を有し得る。したがって、いくつかの実施形態では、レンズ３６５は、サファイア材料または他の高屈折率材料を含む。サファイアレンズは、一般の光学ガラスＮ−ＢＫ７（ｎ＝１．５１）よりも高い屈折率（ｎ＝１．７６）を有するため、有利であり得る。
【００４０】
図４は、図３を参照して上述した利点と同様の利点を提供する、レンズ４６５を備える位置感知装置４００を示す。位置感知装置４００と位置感知装置３００との主な違いは、レンズ４６５が、第１の制限アパーチャ４４０と第２の制限アパーチャ４５０との間に位置決めされ、第１の制限アパーチャから光軸方向ＯＡに沿って離間されることである。レンズ４６５は、第１の制限アパーチャから光を受け、第２の制限アパーチャを通して透過して、感知表面４１６上に小さな測定スポット４３０を形成する。その他の点では、様々な実施形態では、図３のレンズ３６５に関して上述したように、レンズ４６５を構成することが有利であり得る。図４の構成では、第１および第２の制限アパーチャ４４０および４５０がやはり、上述した原理に従って、レンズ４６５により提供される光線偏向を考慮することにより、測定スポット４３０内に角度的にフィルタリングされた光を提供するように構成され得ることが理解される。いくつかの実施形態では、レンズ４６５と検出器４１５との間に配置された別個のアパーチャを省いてもよく、レンズ４６５の寸法は、フィルタリング済み角度範囲角αを定義する第２の制限アパーチャを提供するものと考えることができる。
【００４１】
図５は、図４に概略的に表される位置感知装置４００と同様の位置感知装置の一実施態様である位置感知ゲージ５００の等角切り欠き図である。図５に示すように、位置感知ゲージ５００は、取り付け要素５７０をさらに備える。ＬＥＤソース５０６、拡散器５０８、および位置感知光検出器５１５はすべて、取り付け要素５７０に取り付けられることにより互いに固定される。取り付け要素５７０は、測定軸方向ＭＡに沿った可動部材５２５の線形移動を案内する軸受けまたは屈曲部（図示せず）も受け得る。図５に示す実施形態では、第２の制限アパーチャ５５０は可動部材５２５の構造に統合される。
【００４２】
図６は、本発明による位置感知装置６００の第４の実施形態の測定軸方向に垂直な概略的な断面図である。図１および図２の連番１ＸＸおよび２ＸＸと同じ「ＸＸ」接尾部を有する図６中の連番６ＸＸは、別段に示されない場合、機能的に同様または同一の要素を示し得る。したがって、位置感知装置６００の動作は一般に、前の説明と同様であると理解することができ、その動作の特定の態様のみをここで説明する。
【００４３】
図６に関して、位置感知装置６００と図１および図２の位置感知装置１００および２００との主な違いは、拡散光源６０５が、拡散器ホルダ６２７により移動アパーチャ機構６２０に取り付けられた移動拡散器６０８を備えることである。固定光生成部分（例えば、ＬＥＤ６０６）は、移動拡散器６０８の平面６０８−Ｐにおいて測定軸方向ＭＡに沿って寸法ＬＳＲに広がる光６０７を生成し得る。移動拡散器６０８は、光源範囲ＬＳＲ内の様々な位置において、生成された光６０７を受け、ソース拡散光６１０を、移動アパーチャ機構６２０と共に移動しながら、移動アパーチャ機構６２０に放射する。移動アパーチャ機構６２０は、上述したように、角度的にフィルタリングされた光を測定スポット６３０に提供する。位置感知装置６００の移動拡散器機構を、図１〜図５を参照して説明した他の様々な機構（例えば、様々な寸法関係、レンズ構成等）と組み合わせて使用してもよいことが理解される。さらに、いくつかの実施形態では、拡散光源６０５の少なくとも移動拡散器６０８を、少なくとも移動拡散器６０８のサイズを低減し得るように、図６に示されるよりも光軸方向ＯＡに沿って移動アパーチャ機構６２０のより近くに位置決めしてもよい。したがって、図６に示す構成が例示にすぎず、限定ではないことが理解される。
【００４４】
円形の第１および第２の制限アパーチャが、上述した実施形態において図示または暗示されているが、様々な他の実施形態では、第１および第２の制限アパーチャのうちの一方または両方が、検出器に追加の光を通過させ、装置の信号強度を増大させるために、測定軸方向に垂直な軸に沿っていくらか細長くてもよいことを理解されたい。レンズを使用するそのような実施形態では（例えば、レンズ３６５および４６５の使用と同様に）、レンズは、細長いアパーチャ（例えば、ロッドレンズまたは半円筒レンズ）と同じ方向に沿って細長いレンズを含み得る。
【００４５】
本発明の好ましい実施形態を図示し説明したが、図示し説明された機構の構成および動作順序における多くの変形が、本開示に基づいて当業者には明らかである。したがって、様々な変更を本発明の主旨および範囲から逸脱せずに行い得ることが理解される。
【符号の説明】
【００４６】
１００、２００、３００、４００、６００・・・位置感知装置、１０５、２０５、６０５・・・拡散光源、１０６、５０６、６０６・・・ＬＥＤ、１０７、２０７・・・ＬＥＤ光、１０８、２０８、５０８・・・拡散器、１０９・・・光源電力線、１１０、２１０、６１０・・・ソース拡散光、１１０’・・・拡散強度分布インジケータ、１１５、２１５、３１５、４１５、５１５・・・位置感知光検出器、１１６、２１６、３１６・・・感知表面、１１７、３１７・・・保護窓、１１８・・・信号線、１２０、２２０、６２０・・・移動アパーチャ機構、１２０’・・・代替のアパーチャ機構、１２５、５２５・・・可動部材、１３０、２３０、３３０、４３０、６３０・・・測定スポット、１４０、１４０’、３４０、４４０・・・第１の制限アパーチャ、１５０、１５０’、３５０、４５０、５５０・・・第２の制限アパーチャ、１６０・・・アパーチャ本体、２０７Ｅｘｒ・・・極端ＬＥＤ光線、２１０Ｅｘｒ・・・極端光線、２１０’Ｅｘ・・・極端光線の強度分布インジケータ、２１０Ａ−ＩＤ〜２１０Ｅ−ＩＤ・・・強度分布、２３０Ａ、２３０Ｅ・・・望ましくない測定スポット、２３０Ｂ、２３０Ｃ、２３０Ｄ・・・望ましい測定スポット、３６５、４６５・・・レンズ、５００・・・位置感知ゲージ、５７０・・・取り付け要素、６０７・・・光、６０８・・・移動拡散器、６０８−Ｐ・・・移動拡散器の平面、６２７・・・拡散器ホルダ
【図１】
0005581178.tif 000002
【図２】
0005581178.tif 000003
【図３】
0005581178.tif 000004
【図４】
0005581178.tif 000005
【図５】
0005581178.tif 000006
【図６】
0005581178.tif 000007