(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定範囲Ｒを有する１の光源光束を供給するクロマティック共焦点ポイントセンサペン（光学ペン）に取り付け可能で、前記光源光束に基づく２つの測定光束を生成するための２光束アッセンブリであって、
前記２光束アッセンブリは、
光軸方向に色分散された広い波長域の光からなる前記光源光束を前記光学ペンから受けて、該光源光束を第１測定光束および第２測定光束に分割する第１反射要素と、
前記第１反射要素が前記光源光束の光軸上に配置されるように、前記光学ペンに前記第１反射要素を取り付ける取付要素と、
前記光学ペンに対する前記第１反射要素の位置を前記光源光束の光軸に沿って調整するための第１位置調整要素と、を備え、
前記第１測定光束を第１測定軸に沿って、および、前記第２測定光束を第２測定軸に沿って、それぞれワークピースの異なる部分に向けて出射すると共に、前記ワークピースの異なる部分においてそれぞれ最もよく合焦した波長の光束をワークピース測定光として前記光学ペンに同時に戻すように構成されていることを特徴とする２光束アッセンブリ。
【請求項２】
測定範囲Ｒを有する１の光源光束を供給するクロマティック共焦点ポイントセンサペン（光学ペン）に取り付け可能で、前記光源光束に基づく２つの測定光束を生成するための２光束アッセンブリであって、
前記２光束アッセンブリは、
光軸方向に色分散された広い波長域の光からなる前記光源光束を前記光学ペンから受けて、該光源光束を互いにエネルギーの異なる第１測定光束および第２測定光束に分割する第１反射要素と、
前記第１反射要素が前記光源光束の光軸上に配置されるように、前記光学ペンに前記第１反射要素を取り付ける取付要素と、
前記第１測定光束を第１測定軸に沿って、および、前記第２測定光束を第２測定軸に沿って、それぞれワークピースの異なる部分に向けて出射すると共に、前記ワークピースの異なる部分においてそれぞれ最もよく合焦した波長の光束をワークピース測定光として前記光学ペンに同時に戻すように構成されていることを特徴とする２光束アッセンブリ。
【請求項３】
請求項１または２記載の２光束アッセンブリにおいて、
前記第１反射要素の反射平面には、異なる面積の反射領域および透過領域からなるパターンが設けられていることを特徴とする２光束アッセンブリ。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の２光束アッセンブリにおいて、更に、前記第２測定光束の進行方向を、前記第２測定軸に沿って変更するように構成された第２反射要素を含むことを特徴とする２光束アッセンブリ。
【請求項５】
請求項４記載の２光束アッセンブリにおいて、前記第２反射要素の反射平面を前記第２測定光束の光軸に沿って調整して位置決めできるように、前記取付要素に対して前記第２反射要素を相対的な位置に調整して位置決めすることができる第２位置調整要素を含むことを特徴とする２光束アッセンブリ。
【請求項６】
２つの表面領域を同時測定するクロマティックポイントセンサ装置の動作方法であって、前記センサ装置は、共焦点開口部を有する光学ペンを含んでおり、前記動作方法は、
広い波長域の光源光束を用いて、
前記共焦点開口部を通った前記光源光束を第１測定光束および第２測定光束に分割し、
前記第１測定光束を、少なくともワークピース上にある第１表面領域上に位置決めすると共に、前記第２測定光束を第２表面領域上に位置決めする工程と、
前記第１測定光束および前記第２測定光束に起因するワークピース測定光を、前記センサ装置および前記共焦点開口部に逆方向に通して、該ワークピース測定光を受光する受光工程と、
前記ワークピース測定光のスペクトルプロファイルを検出して、スペクトルプロファイルに含まれる前記第１表面領域および前記第２表面領域の各位置を示す区別可能な２つのピークを同時に読み取ることで、前記第１測定光束に起因する第１測定結果、および、前記第２測定光束に起因する第２測定結果をそれぞれ含む少なくとも１の測定セットを決定する工程と、
前記少なくとも１の測定セットに基づいて、ワークピースの性状測定、および、ワークピース性状の位置による変化の少なくとも１つを決定する工程と、
を備えることを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項７】
請求項６記載の動作方法において、
前記測定セットを取得するために、前記第１表面領域と前記クロマティックポイントセンサ装置の少なくとも一方を、互いに相対的に移動させることを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項８】
請求項７記載の動作方法において、前記移動は直線移動であることを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項９】
請求項７記載の動作方法において、前記光学ペンは、マシンビジョン検査装置に搭載され、前記移動は、前記マシンビジョン検査装置の移動装置によって行なわれることを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項１０】
請求項７記載の動作方法において、前記移動は回転移動であることを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項１１】
請求項７記載の動作方法において、前記光学ペンは、真円度試験器に搭載され、前記移動は、前記真円度試験器によって行なわれることを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項１２】
請求項７記載の動作方法において、前記複数の測定セットを取得するために、
前記移動では、前記第１測定光束による前記第１表面領域に沿ったスキャンと、前記第２測定光束による前記第２表面領域に沿ったスキャンとを行なうことを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の動作方法において、前記第１測定光束および第２測定光束は、平行にされて、
前記第１表面領域は、溝の底面または低い方のステップの少なくとも一方の表面領域であり、また、前記第２表面領域は、溝の肩部または高い方のステップの少なくとも一方の表面領域であり、
そして、前記複数の測定セットとは、前記溝／ステップに沿った複数位置での、前記溝／ステップの高さまたは高さの変化の少なくとも一方の測定を指し示すことを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の動作方法において、前記クロマティックポイントセンサ装置は、前記第１測定光束に対応する第１測定範囲と前記第２測定光束に対応する第２測定範囲との間のＺオフセットから、前記溝／ステップの前記高さの呼び寸法相当量を引いた値が、前記クロマティックポイントセンサ装置の測定範囲Ｒ未満であり、かつ、少なくとも前記測定範囲Ｒの５％であるように構成されていることを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項１５】
請求項７記載の動作方法において、前記第１測定光束および前記第２測定光束は、互いに逆方向に向けられ、
前記第１表面領域は、溝／隙間の第１側面上であり、また、前記第２表面領域は、溝／隙間の反対側の第２側面上であり、
そして、前記複数の測定セットとは、前記溝／隙間に沿った複数位置での、前記溝／隙間の幅または幅の変化の少なくとも一方の測定を指し示すことを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項１６】
請求項７記載の動作方法において、前記第１測定光束および前記第２測定光束は、平行にされて、
前記第１表面領域は、振れを有する表面領域であり、また、前記第２表面領域は、前記クロマティックポイントセンサ装置に相対する位置に固定された基準面領域であり、
そして、前記複数の測定セットとは、前記振れを有する表面に沿った複数位置での、前記基準面から前記振れを有する表面までの高さまたは高さの変化の少なくとも一方の測定を指し示すことを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の動作方法において、前記クロマティックポイントセンサ装置は、前記第１測定光束に対応する第１測定範囲と前記第２測定光束に対応する第２測定範囲との間のＺオフセットから、前記振れを有する表面と前記基準面との間の呼び高さの差の相当量を引いた値が、前記クロマティックポイントセンサ装置の測定範囲Ｒ未満であり、かつ、少なくとも前記測定範囲Ｒの５％であるように構成されていることを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項１８】
請求項７記載の動作方法において、
前記第１測定光束および前記第２測定光束は、平行にされて、
前記第１表面領域および前記第２表面領域は、前記ワークピース上であり、
前記複数の測定セットに基づいて前記第１表面領域および前記第２表面領域の動作によって生じる縦揺れを取得する際に、前記第１測定光束および前記第２測定光束の測定軸の間隔距離が前記第１表面領域の動作方向に平行な軸に沿った間隔距離ＳＥＰＰＰＩＴＣＨになるように、前記第１測定光束および前記第２の測定光束の向きを設定し、
前記複数の測定セットに基づいて前記第１表面領域および前記第２表面領域の動作によって生じる横揺れを取得する際に、前記第１測定光束および前記第２測定光束の測定軸の間隔距離が前記第１表面領域の動作方向に垂直な軸に沿った間隔距離ＳＥＰＰＲＯＬＬになるように、前記第１測定光束および前記第２の測定光束の向きを設定することを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の動作方法において、前記間隔は、前記クロマティックポイントセンサ装置の測定範囲Ｒ未満であることを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項２０】
請求項１８記載の動作方法において、前記動作方向に平行な軸に対する前記ワークピースの横揺れ角度を決定するために、前記複数の測定セットは、前記間隔距離ＳＥＰＰＲＯＬＬの値と組み合わせて、使用されることを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の動作方法において、前記動作方向に平行な軸に対する前記ワークピースの縦揺れ角度を決定するために、前記複数の測定セットは、前記間隔距離ＳＥＰＰＰＩＴＣＨの値と組み合わせて、使用されることを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項２２】
請求項６記載の動作方法において、前記クロマティックポイントセンサ装置は、前記第１測定光束に対応する第１測定範囲と前記第２測定光束に対応する第２測定範囲との間のＺオフセットが、前記クロマティックポイントセンサ装置の測定範囲Ｒの５％より大きくなるように構成されていることを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【請求項２３】
請求項６記載の動作方法において、前記クロマティックポイントセンサ装置は、前記第１測定光束に対応する第１測定範囲と前記第２測定光束に対応する第２測定範囲との間のＺオフセットが、前記クロマティックポイントセンサ装置の測定範囲Ｒ未満になるように構成されていることを特徴とするクロマティックポイントセンサ装置の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的な精密測定機器に関し、特に、２つの表面領域を同期測定する２光束を生成するための２光束アッセンブリ及びクロマティックポイントセンサ装置の動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
色収差の制御技術は、距離検知の測定工学分野に利用され得る。非特許文献１に記載されているように、制御された長手方向の色収差（ここでは、別名、軸方向の色分散とも呼ぶ。）を光学イメージング装置に導入し、イメージング装置の焦点長さが波長と共に変化するようにし、この波長が光学測定用の手段になる。特に、レンズを、その背面焦点距離（ＢＦＬ）が波長の単調関数であるように設計することができる。白色光での動作で、そのようなレンズは軸方向に分散した焦点の虹を呈し、距離検知分野の分光プローブとして用いることができる。
【０００３】
さらなる例として、その内容がここにすべて参照として取り込まれている特許文献１に記載されているように、軸方向色収差（軸方向又は長手方向色分散とも称する）を有する光学要素を、広帯域光源を集束するのに用いて、焦点までの軸方向距離が波長により変化するようにすることができる。このように、唯一つの波長の光のみが表面上に正確に合焦し、軸方向の距離または表面の高さが、どの波長が最も良く合焦するかを決定する。表面から反射された光は、ピンホールおよび／または光ファイバ端部のような、小さな検出器アパーチャ上で再び合焦する。表面から反射され、表面上によく合焦された波長のみがピンホールおよび／またはファイバ上によく集束される。他の波長は全て、ファイバ上に不完全に集束し、その光のほとんどのパワーはファイバ中でカップリングしない。従って、信号レベルは、物体の高さに対応する波長で最大となる。検出器の位置で分光計が、各波長の信号レベルを測定し、これが物体の高さを効率良く示す。
【０００４】
あるメーカーは、工業的に据え付けることができるクロマティック共焦点式の照準器に適した実用的で小型の光学アセンブリを「クロマティック共焦点ポイントセンサ」及び／又は「光学ペン」として言及している。Ｚ高さを測定する光学ペン機器の一例として、フランス国エクサンプロバンスのＳＴＩＬ  Ｓ．Ａ．社（ＳＴＩＬ  Ｓ．Ａ．）により製造されている物がある。特に、ＳＴＩＬ光学ペン（モデル番号ＯＰ３００ＮＬ）は、Ｚ高さを測定し、３００μｍの測定範囲を有する。
【０００５】
他の構成のクロマティック共焦点ポイントセンサは、同一出願人による特許文献２に記載されている。特許文献２に開示されたレンズ形状によれば、光学的な処理能力およびスポットサイズが改善され、結果として、商業的に入手可能な様々な機器構成のものに比較して、測定分解能を改善することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，４７７，４０１号
【特許文献２】米国特許第７，６２６，７０５号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】“PseudocolorEffects of Longitudinal Chromatic Aberration”，G.Ｍolesini andS.Quercioli，J.Optics(Paris)，1986，Volume 17，Ｎo．6，pages 279−282
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
現状で入手できる光学ペンを用いた様々な測定形態の中で、様々な測定への適用を考慮して、その動作方法を改良することが望まれている。例えば、異なる表面上の多数の測定点を測定できる能力、および／または、これらの測定点を異なる測定範囲で同時に測定できる能力など。本発明の目的は、２つの表面領域を同期測定する２光束を生成するための２光束アッセンブリ及びクロマティックポイントセンサ装置の動作方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る２光束アッセンブリは、測定範囲Ｒを有する１の光源光束を供給するクロマティック共焦点ポイントセンサペン（光学ペン）に取り付け可能で、前記光源光束に基づく２つの測定光束を生成するためのものである。
前記２光束アッセンブリは、前記クロマティック共焦点ポイントセンサペンに取り付けられる取付要素と、第１反射要素と、を備える。
前記２光束アッセンブリは、前記クロマティック共焦点ポイントセンサペンに前記取付要素を操作可能に取り付ける際に、前記第１反射要素が、前記光源光束の光軸上に配置されて、前記光源光束を第１測定光束および第２測定光束に分割するように、構成される。
また、前記２光束アッセンブリは、前記第１測定光束を第１測定軸に沿って、および、前記第２測定光束を第２測定軸に沿って、それぞれワークピースの異なる部分に向けて出射すると共に、前記第１測定光束および前記第２測定光束に起因するワークピース測定光を前記クロマティック共焦点ポイントセンサペンに戻すことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るクロマティックポイントセンサ装置は、クロマティック共焦点ポイントセンサペン（光学ペン）の配置構成を備えており、光学ペンからの光で構成される第１測定光束は、（例えば、ワークピースの）第１表面領域に位置決めされ、同時に、光学ペンからの光で構成される第２測定光束は、第２表面領域に位置決めされるように構成されている。また、前記第１測定光束および前記第２測定光束に起因する測定光は、前記光学ペンおよび前記共焦点開口部に逆方向に通過して、受光されるように構成されている。
【００１１】
本発明のいくつかの実施形態では、クロマティック共焦点ポイントセンサペンの端部に取り付け可能な２光束アッセンブリが提供される。その他の点では、クロマティック共焦点ポイントセンサペンは、２光束アッセンブリの無い状態で、測定範囲Ｒを有する１の光源光束を供給する。一実施形態では、２光束アッセンブリは、クロマティック共焦点ポイントセンサペンの端部に取り付け可能に構成された取付要素を含む。また、２光束アッセンブリは、取付要素に取り付けられた第１反射要素を含む。第１反射要素は、光学ペンからの光源光束の中に位置決めされる。例えば、色収差を含む光源光束が集束する部分の中に、第１反射要素が位置決めされる。そして、第１反射要素は、光源光束を第１測定光束および第２測定光束に分割する。２光束アッセンブリは、第１および第２測定軸に沿って、第１および第２測定光束を出射する。また、２光束アッセンブリは、第１および第２測定光束に起因するワークピース測定光をクロマティック共焦点ポイントセンサペンに戻す。
【００１２】
本発明のいくつかの実施形態では、一実施例として、第１反射要素が、反射領域および透過領域のパターンを含む。一実施形態では、反射領域が平面状の反射鏡領域を含み、透過領域が開口を含む。一実施例として、パターンは、切り込まれた開口パターンとして形成され、その開口（例えば、シリコンチップや金属シートのような薄い材料を貫通する孔など）を介して光束の各部分が伝達される。特定の実施形態では、ビームスプリッタキューブなどの使用よりも、そのような開口技術の使用が好ましい。ある実施例では、ビームスプリッタキューブなどを使用すると、伝達される光束に収差が生じてしまうためである。
他の実施形態では、あらゆる伝達要素（例えば、ビームスプリッタ、プリズム要素など）により生じたあらゆる収差の影響を補償するために、校正技術が利用される。
【００１３】
本発明のいくつかの実施形態では、第１反射要素の反射領域は光源光束の中に全反射エリアを持ち、また、透過領域は光源光束の中に全透過エリアを持ち、全反射エリアは、全透過エリアの特定の割合（例えば、±２５％）以内の大きさである。特定の実施形態では、全反射エリアは、全透過エリアと特定の面積差（例えば、少なくとも±５％以内）である。特定の実施例では、反射領域および透過領域のパターンは、全体的にその中心を通る線に対して反射のシメントリ性を有するように設計されている。
【００１４】
本発明のいくつかの実施形態では、第２反射要素は、第２測定光束の進行方向を、第２測定軸に沿って変更するように構成されている。一実施形態では、第２反射要素は、平面状の第１反射鏡を含む。
【００１５】
本発明のいくつかの実施形態では、第１および第２反射要素の平面状の反射表面が互いに平行になるように、２光束アッセンブリが構成されている。他の実施形態では、第１および第２反射要素の平面状の反射表面が互いに直交している。
【００１６】
本発明のいくつかの実施形態では、選択された測定動作を実行できるように、第１および第２測定光束の第１および第２測定軸が様々な構成となるように方向付けられている。例えば、測定軸が光学ペンの光軸に対して同じ向きに方向付けられている。また、測定軸が光学ペンの光軸に対して横向き（例えば、垂直に）になるように方向付けられている。また、測定軸が互いに横向き（例えば、垂直に）になるように、または、互いに同一平面状になるように、または、互いに反対方向を向くように方向付けられている。
【００１７】
第１および第２測定光束が互いに直交する構成が様々なタイプの測定（例えば、２表面の交角の変化の測定、底面と側面の表面粗さの同時測定など）に便利であることが認識される。
また、第１および第２測定光束が測定軸に平行に進行する構成も様々なタイプの測定（例えば、ステップ高さの測定など）に便利であることが認識される。
先行技術と比較して、この方法の利点は、共通モードの表面うねり（例えば、切削ツールの迷走（ふらつき）や振動が原因となって生じるもの）が、溝やステップの寸法測定に影響を与えないこと、また、単一の光学ペンにより２つの測定を実行できること、さらに、異なる軸または線に沿った一連の測定を実行するために、ペンおよび／または測定表面を横方向に前後に移動させる必要が無いということである。これに相応して、測定の迅速化および測定精度の改善（すなわち、振動やステージの動作などが打ち消し合うため）につながる。
加えて、この方法は、単一の光学ペンを使って測定範囲の異なる２つの測定の同期測定も許容する。加えて、多点測定機能を提供するための２光束アッセンブリを、従来の光学ペンに容易に取り付けることができる。
実施形態における特定の例として、ステップ高さの測定が望まれるケースには、プリント基板（PCB）のトラック高さ、シリコンウェハ層の厚さ（例えば、混濁層の厚さ）、集積回路上の素子、エッチング、ＭＥＭＳ測定、直定規に沿った溝、Ｏリング用の溝など）などが含まれる。
【００１８】
特定のタイプの測定（例えば、直定規やＯリング用の溝に沿った溝の測定）のための一実施例では、モータ付き機器によって、光学ペンまたは被測定表面を、互いに相対的に移動させる（例えば、直定規のための直線移動や、Ｏリング用溝のための回転移動）。そのため、これら全ての被測定形状の長さ方向に沿って、連続測定を実行することができる。
他の実施例では、ステージの真直度または平坦度を測定することができる。加えて、特定の実施例では、ステージの動的横揺れ、縦揺れ、首振りを測定することができる。
本発明に係る２光束アッセンブリを使わずに、特定タイプの測定を実行するには、干渉計および高価で大きくて扱いにくい特別な光学系を使用する従来技術を用いなければならない。
本発明に係る２光束アッセンブリの利点は、従来技術の干渉計を用いた構成よりも、構成が容易になり、高価でなくなり（すなわち、簡単な光学系になり）、測定に必要な空間が少なくて済む（すなわち、光学系が小さくなる）といったことなどである。
【００１９】
本発明のいくつかの実施形態では、取付要素が、少なくとも１つの外部軸合わせ面を含む。この外部軸合わせ面は、第１測定軸および前記第２測定軸のうちの一方に平行、または直交する面を含む。
他の実施形態では、取付要素が、以下のように構成された一つの境界面を含む。すなわち、取付要素の境界面がクロマティック共焦点ポイントセンサペンの境界面と接するときに、第１測定軸および第２測定軸の少なくとも一つが、クロマティック共焦点ポイントセンサペンの光軸に平行または直交になるように、取付要素の境界面が構成されている。
【００２０】
本発明のいくつかの実施形態では、２光束アッセンブリが、調整機能付き取付具を含む。この調整機能付き取付具は、第１反射要素の反射平面を光源光束の光軸に沿って調整して位置決めできるように、取付要素に対して第１反射要素を相対的な位置に調整して位置決めすることができる。
他の実施形態では、２光束アッセンブリは、調整機能付き取付アレンジメントを含む。この調整機能付き取付アレンジメントは、第１反射要素の反射平面を光源光束の光軸に沿って調整して位置決めできるように、クロマティック共焦点ポイントセンサペンに対して取付要素を相対的な位置に調整して位置決めすることができる。
他の実施形態では、２光束アッセンブリが、調整機能付き取付アレンジメントを含む。この調整機能付き取付アレンジメントは、第２反射要素の反射平面を前記第２測定光束の光軸に沿って調整して位置決めできるように、前記第１取付要素に対して前記第２反射要素を相対的な位置に調整して位置決めすることができる。
このような実施形態は、２光束アッセンブリによって、２つの測定範囲同士の関係を調整する場合に使用される。
【００２１】
本発明の他の態様に従って、いくつかの実施形態では、第１反射要素の反射面および第２反射要素の反射面の間の第２測定光束に沿った間隔距離ＳＥＰＰは、クロマティック共焦点ポイントセンサペンの最大焦点距離ＭＦ未満である。一実施形態では、間隔距離ＳＥＰＰは、測定範囲Ｒ未満になる。例えば、同じ表面上での２つの測定のため、または、小さな段差の測定のために、間隔距離ＳＥＰＰが測定範囲Ｒ未満になるケースでは、２つの測定が測定範囲Ｒ内で実行されるように、センサ装置を理想的に設計することができると認識されるだろう。他の実施形態では、間隔距離ＳＥＰＰは、少なくとも測定範囲Ｒである。
間隔距離ＳＥＰＰが少なくとも測定範囲Ｒに等しくなるケースでは、本質的に規定の範囲を超えて拡張されたペンの有効な測定範囲（例えば、光学ペンの規定の測定範囲Ｒよりも高いステップ高さの測定のための測定範囲）が許容されると認識されるだろう。
【００２２】
本発明のいくつかの実施形態では、もし、光学ペンの光学系によって本質的に提供される測定範囲よりも、２つの被測定表面間の距離が大きければ（すなわち、もし、間隔距離ＳＥＰＰが測定範囲Ｒに等しいまたは測定範囲Ｒよりも大きい場合には）、その後、第１測定光束が第１呼び最小距離より大きい第１測定範囲を提供し、第２測定光束が第２呼び最小距離より大きい第２測定範囲を提供するような、オフセットを提供できるように、２光束アッセンブリが構成される。
特定の複数の実施例のように、間隔距離ＳＥＰＰの調整により、光学ペンの一般的な測定範囲Ｒがたった５０ミクロンをカバーするように元々設計されていれば、５０ミクロンから開始できるように測定範囲が設定される（このように、少なくとも約５０から１００ミクロンのステップ高さの範囲を控えめにカバーすること）。または、１００ミクロンから開始できるように測定範囲が設定される（このように、少なくとも約１００から１５０ミクロンのステップ高さの範囲を控えめにカバーすること）。または、１５０ミクロンから開始できるように測定範囲が設定される（このように、少なくとも約１５０から２００ミクロンのステップ高さの範囲を控えめにカバーすること）。
そのような構成は、前述の光学ペンよりも意義深い利点を提供することが認識されるだろう。もし、光学ペンの測定範囲よりも大きい距離によって分離された２つの表面について測定すること（例えば、２つの表面間のステップ高さの測定）が望ましいならば、その後、２つの測定表面間を前進後退する都度、光学ペンまたは表面の物理的位置がＺ軸方向に調整される必要がある。
これに対して、本発明によれば、追加の光学ペンのＺ軸方向への移動を必要とせず、適切に構成された２光束アッセンブリの使用によって、そのような測定を同時に実行できる。
さらに意義深い利点として、もし、多測定点（例えば、単一の位置のみではなく、エッジに沿って連続して多測定点でのステップ高さの測定）を得たいならば、光学ペンまたは被測定ワークピースは、移動手段（例えば、軸受、ステージ、回転手段など）上に配置することができる。また、エッジに沿ってスキャンするために移動させることができる。これによって、Ｚ軸方向の追加的な動作を要求されないで、多点連続測定を容易に実行できる。
【００２３】
もっとも多い適用では、通常、２つの被測定表面間のＺ軸高さの差よりも異なるように、オフセットが設定されることが望ましい。さらに特徴的なことは、第１および第２測定表面に対応する第１および第２スペクトル・ピーク間の検出器の測定軸に沿った距離に関して、以下のことが認識される。すなわち、もし、オフセット距離が２つの表面間のＺ軸の高さの差に等しいならば、２つのスペクトル・ピークが互いのほぼ頂点に位置するのである。
それゆえ、与えられた２つの表面間のＺ軸高さの差を測定するためには、通常、Ｚ軸高さの差からオフセット距離が十分に異なるようにして、また、２つの測定高さを示すスペクトル・ピークが望ましい程度に区別できるように、センサ装置を構成するのが望ましい。
しかしながら、特定の実施形態では、スペクトル・ピークが検出器測定軸の望ましい範囲内になるように、また、両方のスペクトル・ピークが同じ検出器で測定できるように、その差が十分に小さいことが望ましいと認識されるだろう。
【００２４】
本発明のいくつかの実施形態では、スペクトル・ピークに相対的な信号強度に関して、高い処理能力と最速を備えた測定を達成するために、第１および第２測定光束からの２つの信号ができる限り大きいことが望ましい。
これに代わる実施形態として、もし、第１および第２測定光束をそれらの強度に応じて互いに区別できるようにすること望ましい場合、特定の実施形態では、第１または第２測定光束の一方を、わざと、他よりも小さい信号強度になるように設定して、光束をより明確に区別することができる。
【００２５】
本発明のいくつかの実施形態では、光学ペンの光学系部分のレンズ群を、光学ペンの１光束部分の端部に位置する１のレンズ、および、２光束アッセンブリの端部に位置する１以上のレンズに分割することができる。
分割されたレンズにより、２光束アッセンブリの端部において２つの測定光束を提供できる。
このようなレンズ群を光学ペンの１光束部分から分離された要素として用いることで、レンズ群の設計・選択において、より大きなフレキシブル性が許容される。レンズ群の設計・選択には、特定の望ましい特性を有したレンズ郡の利用（例えば、類似する、または異なった、軸方向の色分散性を有するレンズ群の利用）を含む。
【００２６】
本発明の一態様に従って、２つの表面領域をほぼ同時に、または同期測定するための２光束クロマティックポイントセンサ装置の動作方法が提供される。
この方法についての実施形態では、２光束クロマティックポイントセンサ装置は、共焦点開口部を有し、光束アッセンブリを取り付けられた光学ペンを含む。
他の実施形態では、２光束クロマティックポイントセンサ装置は、共焦点開口部および、クロマティックポイントセンサの光学ペンに関連付けられた規定の長軸方向の色収差をもったレンズ間に位置決めされた光束アッセンブリを有する光学ペンを含む。
方法の様々な実施形態において、センサ装置からの第１測定光束が第１表面領域に位置決めされ、センサ装置からの第２測定光束が第２表面領域に位置決めされる。つまり、２光束クロマティックポイントセンサとなる。
ここで使用されるように、ワークピースは、どんな要素、つまり、測定光束を反射し、また、光学ペンに相対的に移動するような要素にも当てはまる。
第１および第２測定光束に起因する測定光は、光学ペンおよび共焦点開口部を逆方向に通過して受光される。
第１および第２測定光束に起因する第１および第２測定を含む少なくとも１つの測定セットが決定される。
少なくとも１の測定セットに基づいて、ワークピースの性状測定、および、ワークピース性状の位置による変化の少なくとも１つが決定される。
各測定は、比較的高い分解能（例えば、少なくとも１０ｎｍの分解能）で、決定される。
本発明のセンサ装置が、干渉計または他の複雑な装置の使用を要求されずに、そのような正確な測定を達成できることが認識されるだろう。
【００２７】
いくつかの実施形態では、第１表面領域およびクロマティックポイントセンサ装置の少なくとも一方は、複数の測定セットを取得するために、互いに相対的に移動する。その移動は、第１および第２測定光束に、第１および第２表面領域に沿ったスキャンを行わせて、複数の測定セットを取得する。
様々な実施形態において、相対的な動作は、直線的でもよく、ワークピースを回転させることで達成してもよい。
クロマティックポイントセンサ装置は、第１測定光束に対応する第１測定範囲と第２測定光束に対応する第２測定範囲との間のＺオフセットが、クロマティックポイントセンサ装置の測定範囲Ｒの５％より大きくなるように構成されている。これにより、センサ装置の検出器における区別可能に分離された信号ピークを提供できる。
クロマティックポイントセンサ装置は、第１測定光束に対応する第１測定範囲と前記第２測定光束に対応する第２測定範囲との間のＺオフセットが、クロマティックポイントセンサ装置の測定範囲Ｒ未満になるように構成されている。
【００２８】
いくつかの実施形態に係る方法によれば、溝深さ／ステップ高さを測定できるように２光束クロマティックポイントセンサ装置を構成することができる。
例えば、第１測定光束および第２測定光束は、平行にされて、また、第１表面領域は、少なくとも溝の底面または低い方のステップの一方の表面領域とする。また、第２表面領域は、少なくとも溝の肩部または高い方のステップの一方の表面領域とする。そして、複数の測定セットは、溝／ステップに沿った複数位置での、溝／ステップの高さまたは高さの変化の少なくとも一方の測定を指し示す。
そのような実施形態では、クロマティックポイントセンサ装置は、第１測定光束に対応する第１測定範囲と第２測定光束に対応する第２測定範囲との間のＺオフセットから、溝／ステップの高さの呼び寸法相当量を引いた値が、クロマティックポイントセンサ装置の測定範囲Ｒ未満であり、かつ、少なくとも測定範囲Ｒの５％であるように構成されている。
【００２９】
いくつかの実施形態に係る方法によれば、溝／隙間の幅および／または位置を測定できるように２光束クロマティックポイントセンサ装置を構成することができる。
例えば、第１および第２測定光束は互いに逆方向に向けられ、第１表面領域は、溝／隙間の第１側面上であり、また、第２表面領域は、溝／隙間の反対側の第２側面上であり、そして、複数の測定セットとは、溝／隙間に沿った複数位置での、溝／隙間の幅または幅の変化の少なくとも一方の測定を指し示す。
【００３０】
いくつかの実施形態に係る方法によれば、表面／軸受の振れを測定できるように２光束クロマティックポイントセンサ装置を構成することができる。
例えば、第１および第２測定光束は平行に向けられ、第１表面領域は、振れの表面領域にあり、また、第２表面領域は、基準面の領域にあり、その基準面は、クロマティックポイントセンサ装置に相対的な位置で固定されている。そして、複数の測定セットとは、振れを有する表面に沿った複数位置での、基準面から振れを有する表面までの高さまたは高さの変化の少なくとも一方の測定を指し示す。
そのような実施形態において、クロマティックポイントセンサ装置は、第１測定光束に対応する第１測定範囲と第２測定光束に対応する第２測定範囲との間のＺオフセットから、振れを有する表面と基準面との間の呼び高さの差の相当量を引いた値が、クロマティックポイントセンサ装置の測定範囲Ｒ未満であり、かつ、クロマティックポイントセンサ装置の測定範囲Ｒの少なくとも５％であるように構成されている。
【００３１】
いくつかの実施形態に係る方法によれば、表面／軸受について、動作に対する横振れまたは縦揺れを測定できるように２光束クロマティックポイントセンサ装置を構成することができる。
例えば、第１測定光束および第２測定光束は、平行にされて、第１表面領域および第２表面領域は、ワークピース上であり、複数の測定セットを取得する際に、第１測定光束および第２測定光束の測定軸間には、間隔が設けられ、この間隔は、動作方向に垂直な間隔距離ＳＥＰＰＲＯＬＬ、および、動作方向に平行な間隔距離ＳＥＰＰＰＩＴＣＨの少なくとも一方の間隔である。
そのような実施形態において、その間隔が、クロマティックポイントセンサ装置の測定範囲Ｒ未満であると都合がよい。
そのような実施形態において、動作方向に平行な軸に対するワークピースの横揺れ角度を決定するために、複数の測定セットを間隔距離ＳＥＰＰＲＯＬＬの値と組み合わせて使用される。
そのような実施形態において、動作方向に平行な軸に対するワークピースの縦揺れ角度を決定するために、複数の測定セットを間隔距離ＳＥＰＰＰＩＴＣＨの値と組み合わせて使用される。
【００３２】
いくつかの実施形態では、２光束アッセンブリを搭載および配置に使用したマシンビジョン装置が提供される。また、搭載および配置に使用したマシンビジョン装置を使用して、実行する上記の方法が提供される。
【００３３】
いくつかの実施形態では、２光束アッセンブリを搭載および配置に使用した真円度測定装置が提供される。また、搭載および配置に使用した真円度測定装置を使用して、実行する上記の方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、特定の測定範囲をカバーする１測定光束を生成する代表的なクロマティックポイントセンサ装置の構成図である。
【図２】図２は、２つの特定の測定範囲をカバーする２つの測定光束を供給できる、本発明において模式的に表現された２光束アッセンブリによって、一層品質が強化された図１のクロマティックポイントセンサ装置の構成図である。
【図３】図３は、図２に示すクロマティックポイントセンサ装置からのスペクトラル・プロフィール・データの線図であり、この線図は、２つの測定光束に関連する２つのスペクトル・ピークを描いている。
【図４】図４は、光学ペンに連結される第１実施形態に係る２光束アッセンブリの分解図である。
【図５】図５は、図４の２光束アッセンブリのうちの選択された構成要素の分解図である。
【図６】図６は、図４の２光束アッセンブリの縦断面図、および、これを用いた光学ペンの図である。
【図７】図７は、図４の第１反射要素の反射面に利用し得るパターン図である。
【図８】図８は、光学ペンに連結される第２実施形態に係る２光束アッセンブリの縦断面図である。
【図９】図９は、光学ペンに連結される第３実施形態に係る２光束アッセンブリの縦断面図である。
【図１０】図１０は、光学ペンに連結される第４実施形態に係る２光束アッセンブリの縦断面図である。
【図１１】図１１は、代案として２光束アッセンブリに使用できる様々な形態の反射要素形状の模式図である。
【図１２】図１２は、光学ペンに連結される第５実施形態に係る２光束アッセンブリの縦断面図である。
【図１３】図１３は、２つの異なる表面領域を同期測定するためにクロマティックポイントセンサ装置を利用する際の、代表的な一般的ルーティンを表わすフロー図である。
【図１４】図１４は、溝深さ、またはステップ高さをクロマティックポイントセンサ装置によって測定する方法を示す代表的なルーティン・フロー図である。
【図１５】図１５は、溝または隙間の、幅および／または位置をクロマティックポイントセンサ装置によって測定する方法を示す代表的なルーティン・フロー図である。
【図１６】図１６は、表面、または軸受の振れをクロマティックポイントセンサ装置によって測定する方法を示す代表的なルーティン・フロー図である。
【図１７】図１７は、動作中の表面の横揺れ、または、その縦揺れをクロマティックポイントセンサ装置によって測定する方法を示す代表的なルーティン・フロー図である。
【図１８】図１８は、２光束アッセンブリを搭載、また使用のために配置したマシンビジョン検査装置の代表的な実施形態を示す図である。
【図１９】図１９は、２光束アッセンブリを搭載、また使用のために配置した真円度測定機の代表的な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１は、代表的なクロマティックポイントセンサ装置１００を示すブロック図である。クロマティックポイントセンサ装置１００は、同時係属中の米国特許出願１１／９４０，２１４号および米国特許出願１２／４６３，９３６号（以降では、それぞれ出願‘２１４号および出願‘９３６号と呼ぶ。）にも記載されている。
図１に示すように、クロマティックポイントセンサ装置１００は光学ペン１２０と電子機器部分１６０を含む。
光学ペン１２０は、光ファイバコネクタ１０７と、筐体１３０と、光学系部分１５０とを含む。光ファイバコネクタ１０７は、筐体１３０の端部に取り付けられている。光ファイバコネクタ１０７は、入出力光ファイバを覆う光ファイバケーブル１１２を通じて、その入出力光ファイバ（詳細は省く）を受け入れている。
入出力光ファイバは、ファイバ開口部（共焦点開口部）１９５を通して光源光を出射すると共に、ファイバ開口部１９５を通して測定信号の反射光を受光する。
【００３６】
動作中、ファイバ開口部１９５を通ってファイバ端部から放射された広周波数帯域の光源光（例えば白色光）は、光学系部分１５０により焦点を合わせられる。この光学系部分１５０は、軸方向の色分散を提供する１つの、または複数のレンズを含む。軸方向の色分散とは、共焦型のクロマティックポイントセンサ装置で既知のように、光軸ＯＡに沿った焦点が、光の波長に応じて異なった距離に生じる現象をいう。
光源光は、光学ペン１２０に相対的なＺ軸位置にあるワークピース表面１９０上に焦点が合うような波長を含んでいる。
ワークピース表面１９０からの反射については、その反射光は光学系部分１５０によりファイバ開口部１９５上で再び焦点が合う。
有効な光原光および反射光は、限定光線ＬＲ１，ＬＲ２によって、その境界が限られている。
軸方向の色分散により、１つの波長のみが、光学ペン１２０から表面１９０までの測定距離に一致する前方の焦点距離ＦＦを有する。表面１９０で最も良く焦点が合う波長が、反射光においてもファイバ開口部１９５で最も良く焦点が合う波長になるように、光学ペン１２０が構成されている。ファイバ開口部１９５は、最も良く焦点の合う波長が主にファイバ開口部１９５を通過して光ファイバケーブル１１２の芯部へ入るように、反射光を空間的にフィルタリングしている。以下の詳細な記載および取り込まれている参考文献の記載にあるように、光ファイバケーブル１１２は、信号の反射光を波長検出器１６２に伝搬する。この波長検出器１６２は、ワークピース表面１９０までの測定距離に対応する主強度（dominant intensity）を有する波長を決定するために利用される。
【００３７】
電子機器部分１６０は、ファイバ・カップラ１６１と波長検出器１６２と光源１６４と信号演算器１６６と記憶部１６８とを含む。
様々な実施形態では、波長検出器１６２は分光計または分光器アレンジメントを含んでいる。波長検出器１６２の中に、光ファイバケーブル１１２を通る反射光を例えば回折格子のような分散素子が受光し、さらに結果として生じるスペクトル強度プロファイルをその分散素子が検出器アレイ１６３へ伝達するようになっている。
波長検出器１６２は、関連する信号演算処理機能（例えば、いくつかの実施形態では信号演算器１６６により提供される機能）も含めることができる。
このように、いくつかの実施形態では、波長検出器１６２および信号演算器１６６における特定の態様を統合してもよく、または区別がなくてもよい。
【００３８】
白色光源１６４は、信号演算器１６６によって制御されており、光学カップラ１６１（例えば、２×１光学カップラ）によってファイバケーブル１１２に接続されている。上述したように、光は、光学ペン１２０を通過する。このとき、光学ペン１２０は、長軸方向の色収差を生成する。これは、光の波長に応じてその焦点長さが変化するためである。光ファイバを逆方向に通過する際に最も効率よく伝達される光の波長は、Ｚ軸位置において表面１９０上に焦点の合った波長である。
次に、再びファイバ・カップラ１６１を通過して、波長依存の反射光強度は、その約５０％が波長検出器１６２に向けられるようになっている。波長検出器１６２は、検出器アレイ１６３の測定軸に沿ったピクセルの配列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を受け取り、以下の図３の記載および取り込まれている参考文献において詳細に説明されているように、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。
手短に言えば、例えばピーク位置座標のような、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：sub pixel-resolution distance indicating coordinate）が、信号演算器１６６により計算される。そして、波長ピークに対応する距離指示座標（ＤＩＣ）により、距離の校正用ルックアップテーブルを介して表面１９０までの測定距離が決まる。校正用ルックアップテーブルはメモリ部１６８に記憶されている。距離指示座標（ＤＩＣ）は、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。
【００３９】
より詳細に後述するように、本発明によれば、いくつかの事例においてクロマティックポイントセンサ装置１００が第１表面１９０までの距離を測定できるだけでなく、第２表面１９０’までの距離も測定できることが望ましい。
例えば、いくつかの実施において、ステップ高さ（段差）を測定できることが望ましい。その他の点では、２つの表面を測定できることが望ましい。図１に示すように、このような事例では、第２ワークピース表面１９０’が、第１ワークピース表面１９０から十分離れており、そのため、２つの面の距離Ｚdiff が光学ペン１２０の規定の測定範囲Ｒから外れてしまう。
言い換えると、光学ペン１２０は、範囲の最小距離ＺMINと、範囲の最大距離ＺMAXとによって限られた測定範囲Ｒを有する。図１に示される位置では、表面１９０は測定範囲Ｒの真ん中であるが、表面１９０’は測定範囲Ｒから外れている。
例えば、公知の光学ペンを用いたいくつかの事例では、測定範囲Ｒは、ペンの端部からの呼び最小距離または呼び動作距離の約１／１０になる。（例えば、数十マイクロメートルから数ミリメートルの範囲になる。）
ステップ高さ測定を要求される場合への適用や、表面１９０および表面１９０’の両方の測定を要求される他の実施例においては、光学ペン１２０が１箇所のＺ軸位置で、これら複数の表面を測定できることが望ましい。
たとえ、表面１９０’が光学ペン１２０の規定の測定範囲Ｒ内にある事例であっても、光学ペン１２０を更に移動させることなく、両方の表面１９０，１９０’までの距離を測定できることが望ましい。
図２についてより詳細に後述するように、本発明によれば、光学ペン１２０の端部に取付け可能な２光束アッセンブリによって、光学ペン１２０が追加的に移動することを要求されることなく、光学ペン１２０が異なる測定範囲Ｒに渡っている２つの表面（例えば、表面１９０，１９０’）の測定を成し遂げることができるようになった。
【００４０】
図２は、本発明の一実施形態に係る図１のクロマティックポイントセンサ装置１００の構成図であり、このクロマティックポイントセンサ装置１００には、模式的に表現された２光束アッセンブリ２００が取り付けられている。
より詳細に後述するように、１つの形状の２光束アッセンブリ２００は、第１測定光束ＦＭＢを第１測定軸ＭＡ１に沿って出射し、第２測定光束ＳＭＢを第２測定軸ＭＡ２に沿って出射する。
図２に示すように、２光束アッセンブリ２００は、光学ペン１２０の光源光束ＳＢの光路に配置された第１反射要素２１０を含む。第１反射要素２１０は、光源光束ＳＢを２つの部分に効果的に分割する。より特徴的なことは、第１反射要素２１０は、光源光束ＳＢの第１部分を第１測定光束ＦＭＢとして伝達し、光源光束ＳＢの第２部分を第２測定光束ＳＭＢとして反射する。
２光束アッセンブリ２００は、オプションとして、第２反射要素２２０を含む。第２反射要素２２０は、第２測定光束ＳＭＢの全部または一部を反射する。第２反射要素２２０を備えた一実施形態では、第２測定光束ＳＭＢが反射して第２測定軸ＭＡ２に沿う。第２測定軸ＭＡ２は、第１測定光束ＦＭＢの第１測定軸ＭＡ１に平行である。
間隔距離ＳＥＰＰは、測定軸ＭＡ１，ＭＡ２の間を示し、第１反射要素２１０と第２反射要素２２０間の距離でもある。
【００４１】
２光束アッセンブリ２００を取り付けた光学ペン１２０の動作に関して、まず、第１測定光束ＦＭＢを用いて達成可能な測定を示すために、最小距離Ｚ１MINおよび最大距離Ｚ１MAXを有する測定範囲Ｒ１を示す。
一実施形態において、範囲Ｒ１、距離Ｚ１MINおよび距離Ｚ１MAXは、図１に示す範囲Ｒ、距離ＺMINおよび距離ＺMAXに概ね対応している。図２に示すように、表面１９０のＺ１位置は、測定範囲Ｒ１の中央部分になる。
【００４２】
第２反射要素２２０を反射して、測定軸Ａ２に沿っている第２測定光束ＳＭＢは、測定範囲Ｒ２を有する。
図２に示すように、測定範囲Ｒ２は、最小距離Ｚ２MINおよび最大距離Ｚ２MAXを有する。同図のように、表面１９０’のＺ２位置は測定範囲Ｒ２の中央部分になる。
加えて、オフセット距離ＯＦＦＳＥＴは、測定範囲Ｒ１，Ｒ２の差異オフセットを表示する。
より詳細に後述するように、間隔距離ＳＥＰＰの調整（例えば、固定されたスペーサ要素の利用、スペーサ要素の幅は、第１反射要素２１０および第２反射要素２２０間の幅であり、様々に変更できる。および／または、第１反射要素２１０および第２反射要素２２０間の距離、または、第１反射要素２１０および第２反射要素２２０の位置を調整可能にすること等でもよい。）に様々な技術を利用できる。
【００４３】
図２に示す構成のため、オフセット距離ＯＦＦＳＥＴは、間隔距離ＳＥＰＰに概ね、または、全く等しく、このように２光束アッセンブリ２００の設計または調整によって、オフセット距離ＯＦＦＳＥＴを制御または調整することができることを認識することができる。
１つの特徴的な実施例では、有効な距離ＳＥＰＰ，ＯＦＦＳＥＴを調整するために、光学ペンに対して第１反射要素２１０を相対的に（例えば、光源光束ＳＢの光軸に沿って）位置決めできる、調整可能な取付具を提供できることが認識されるであろう。
これは、２光束アッセンブリ２００に対して範囲Ｒ１，Ｒ２の最小距離を相対的に調整可能にすることができる。
図２については、第２測定光束ＳＭＢの有効な位置決め、および／または、規定された測定範囲が少なくとも２通りの方法で調整され得ることが認識されるであろう。
第１の例は、第１反射要素２１０が第１測定光束ＦＭＢの進行方向に沿って移動される場合である。第１反射要素２１０は、第２測定光束ＳＭＢの反射位置を第１反射要素２１０に沿って効果的に変化させる。そして、これに対応して、第１反射要素２１０は、光学ペン１２０の端部と第２測定光束ＳＭＢの上方への反射位置との距離を僅かに増減させることができる。
第２の例は、第２反射要素２２０が、第２測定光束ＳＭＢの進行方向に沿って移動できる場合である。
様々な実施形態において、もし、測定範囲の最大距離および最小距離（例えば、測定範囲Ｒ１の最大距離Ｚ１MAXおよび最小距離Ｚ１MIN、また、測定範囲Ｒ２の最大距離Ｚ２MAXおよび最小距離Ｚ２MINなど）が特定の光学装置の制約を受けて決められていれば、本発明には利点がある。
手短に言えば、測定範囲の最大値および最小値を決定する上での第１の要因は、物理的距離である。その物理的距離とは、特定のレンズ群が特定の精度レベルで特定の波長範囲の光を合焦できる物理的距離を示す。
より一般的には、最小制限値および最大制限値を有する各々の範囲は、以下のような範囲に全体的に対応していると言える。その範囲とは、入手可能な入力スペクトルが色収差を使って上手く合焦し得る範囲である。
加えて、検出器自身の様々な制約は、測定範囲を決定する上での他の要因となる。
言い換えると、予想していた測定波長と、実際に要求される測定波長とが異なるため、高い分解能を達成するには、検出器のアレイ中に広がった波長（群）が望ましい。要するに、特定の最小距離および最大距離を持つ範囲は、一般的に、スペクトルを効果的に合焦できる能力に関連する制約を受けて決定され、また、検出器上の波長の分散に関連する設計上の選択によって決定される。スペクトルの合焦能力とは、スペクトルを特定の軸に沿った距離上に効果的に合焦できる能力である。
【００４４】
２光束アッセンブリ２００の利用により、単一の光学ペン１２０を用いて多数の測定点を測定できることが認識されるであろう。
加えて、異なる測定範囲（例えば、間にオフセット距離を有する測定範囲Ｒ１，Ｒ２等）異なる測定光束に関連付けることができる。すなわち、表面１９０，１９０’に対して光学ペン１２０を相対的に位置調整するような追加的な要求を受けないで、異なるＺ軸位置にある複数の表面を効率的に測定できる。
【００４５】
より詳細に後述するように、図６、８、９、１０および１１については、様々な実施形態において、望ましい測定機能が得られるように、第１測定軸ＭＡ１および第２測定軸ＭＡ２が、光学ペン１２０に相対的に様々な方向付けがなされている。および／または、第１測定軸ＭＡ１および第２測定軸ＭＡ２が、互いに相対的に方向付けられている。
例えば、測定軸ＭＡ１，ＭＡ２を、光学ペン１２０の光軸ＯＡと同方向に方向付けることができる。また、光軸ＯＡを横切る方向（例えば直交方向）に方向付けることも、同一平面上にすることも、逆方向に方向付けることも、互いに交わる方向（例えば直交方向）に方向付けること等も可能である。
互いに直交する測定光束の一例では、図２に示されるように、第２反射要素２２０が無いか、第２反射要素２２０が第２測定光束ＳＭＢの一部を他の方向に伝達するような実施形態では、第２測定光束ＳＭＢの進行が、代わりに第２測定軸ＭＡ２’に沿って継続する。
本実施形態では、最小距離Ｚ２MIN’と最大距離Ｚ２MAX’とを有する測定範囲Ｒ２’が提供される。
より詳細に後述するように、図９について、第１測定光束ＦＭＢの方向を効果的に横切る（例えば、直角）方向に第２測定光束ＳＭＢを方向付けることが要求される場合に、このような実施例を利用することができる。例えば、２つの表面の成す角が変化するような測定に利用できる。
【００４６】
図３はクロマティック共焦点ポイントセンサ装置１００からのプロファイルデータ３１０のグラフ３００であり、ここに開示された原理に基づく２光束アッセンブリ（例えば２光束アッセンブリ２００）を取り付けた光学ペンから２表面までの距離を表わすスペクトルのピークデータを示している。
図３に示されているようなスペクトルデータは、ここに組み込まれた参考文献に記載されているように、従来技術であると一般的に理解されるかも知れない。プロファイルデータ３１０は、各ピクセルｐに関連付けられた信号レベル（正規化された電圧で示される）を示す。
プロファイルデータ３１０は、２光束アッセンブリを取り付けた光学ペン（例えば、図２に示されたクロマティックポイントセンサ装置１００および２光束アッセンブリ２００に類似のもの）を用いて実行される測定動作に対応する。
【００４７】
より詳細に後述するように、プロファイルデータ３１０は、ピーク位置座標（例えば、Ｐ（Ｚ１）やＰ（Ｚ２＋ＯＦＦＳＥＴ））を有するスペクトル・ピークを表わしている。
ピーク位置座標Ｐ（Ｚ１），Ｐ（Ｚ２＋ＯＦＦＳＥＴ）は、プロファイルデータ３１０のピーク領域にカーブをフィットさせて、そのカーブのピークに基づいて決定される。または、ピーク位置座標は、プロファイルデータ３１０のピーク領域の重心、または、その他、様々な校正および信号処理方法に基づいて決定される。ピーク位置座標の分解能はサブピクセルレベルになる。
前述した図１についての議論のように、測定距離「Ｚ」を、ピーク位置座標値に呼応した測定距離として決定することができる。そのピーク位置座標値は、距離についての校正データ中に蓄積されている。
様々な実施形態において、距離についての蓄積された校正データは、サブピクセルのピーク位置座標に対応した正確な測定距離を与えるために、内挿法で取得される。
【００４８】
検出器の信号と、実際のワークピース表面位置またはＺ１値、Ｚ２値との関係について言えば、一実施形態では、以下の従来技術に従って、ワークピースの実寸を決定する。Ｚ値は、絶対値測定された位置、または、Ｚ方向に沿った値として定義される。
このように、図２、図３および以下の式中の、Ｚ１値およびＺ２値は、第１測定光束ＦＭＢまたは第２測定光束ＳＭＢによって決定された測定値（Ｚ値）であると、理解することができる。測定値Ｚ１，Ｚ２は、特定の基準位置（例えば、光学ペン１２０の端部等）に対する相対値であると理解することができる。
このように、基準点位置に相対する特定最小距離値（specified standoff value）またはオフセット値を、測定範囲内の位置に追加できることが一般的である。
【００４９】
いくつかの実施例において、測定値Ｚ１を、２つの測定値の「より代表となる値」と考えることができる。
すなわち、図２の実施形態では、測定値Ｚ１は、測定軸から第２反射要素まで光路の進行方向を変えない第１測定光束ＦＭＢから取得される。
このように、測定値Ｚ１は、まるで２光束アッセンブリ２００が無いかのように（例えば、図１に示すように）、名目上は、同じ値になる。
さらに特徴的なことは、図２に示すように、測定値Ｚ１を決定する第１測定光束ＦＭＢは、図１の測定値Ｚ１を決定する測定光束（すなわち、元のままの光源光束）とほぼ同じ光線で構成されている。
このように、特にこの事例では、第１測定光束ＦＭＢと、スペクトル・ピーク位置座標を対応するＺ距離に関連付けるＺ距離校正カーブ（distance
calibration curve）とによって決定された測定値Ｚ１は、一般的に、２光束アッセンブリ２００の有無に関わらず同じになるべきである。
このケースでは、Ｚ１は、第１測定光束ＦＭＢに起因する信号Ｐ（Ｚ１）に対応する校正カーブのＺ値に本質的に一致すると言える。
このことは一般的に真実ではない。その理由は、どんな第２測定光束も（例えば、第２測定光束ＳＭＢのように）異なる方向へ曲がるためには、２番目の反射を経るからである。また、どんな第２測定光束も、いくつかの分割距離ＳＥＰＰを有するからである。それゆえ、以下により詳しく議論するように、どんな第２測定光束も、Ｚ軸方向に沿ってオフセット距離ＯＦＦＳＥＴを有するからである。
【００５０】
上記主張に基づき、図２および図３を参照すると、次式を定義でき、または導き出せる。
（数１）
Z1 = Zcal P(FMB) = P(Z1)                (1)
（数２）
Z2 = Zcal P(SMB) - OFFSET 
= Zcal P(Z2+OFFSET) - OFFSET       (2)
【００５１】
式（２）によれば、Ｚ軸方向に沿って絶対測定位置Ｚ２に達する前に、第２測定光束ＳＭＢが、変更された該第２測定光束ＳＭＢの光路方向へ、Ｚ軸方向を横切るように、余分の距離（ＳＥＰＰ＝ＯＦＦＳＥＴ）だけ進行することが判る。第２測定光束ＳＭＢが、この余分の距離（ＳＥＰＰ＝ＯＦＦＳＥＴ）を進行するため、結果として得られる信号が、まるで、ペンからＺ軸方向に沿った位置Ｚ２よりも遠い距離の測定結果であるかのようになる。
それゆえ、ＯＦＦＳＥＴは、Ｚ軸方向に沿った真の距離Ｚ２を決定するために、明確な測定距離でなければならない。この測定距離は、第２測定光束ＳＭＢに起因する信号によって指し示される。
【００５２】
さらに式（２）に関して、一実施例では、前記の信号をピークのピクセルで表わすことができる。このように、第２測定光束ＳＭＢに基づく測定に対応する図３中の左側のピークＰ（ＳＭＢ）は、Ｐ（Ｚ２＋ＯＦＦＳＥＴ）とも呼ばれる。また、Ｚ１は（上述したように）２光束アッセンブリを取り付けていない状態で返された値と一致すると考えることができるため、第１測定光束ＦＭＢの信号ピークに関連付けられたピークＰ（ＦＭＢ）は、Ｐ（Ｚ１）とも呼ばれる。
【００５３】
このように、一実施例では、光学ペン１２０に用いる標準的なルックアップテーブルを使って、Ｚ１値を決定することができる。第２測定光束ＳＭＢに基づくピークに関して言えば、ルックアップされた値が、合計値（Ｚ２＋ＯＦＦＳＥＴ）に対応する。
オフセット距離ＯＦＦＳＥＴは、設計値（例えば、間隔距離ＳＥＰＰの設定値）によって明らかになる。または、オフセット距離ＯＦＦＳＥＴは、校正（例えば、平らで垂直の表面に向けられた、オフセット距離ＯＦＦＳＥＴの異なる２つの光束）によって明らかになる。このようにして、前記信号および既知のオフセット距離ＯＦＦＳＥＴに基づいて、Ｚ２値およびＺ１値を得るのに必要な値を、決定できる。
【００５４】
図３では、検出器上のピークの間隔を、関数ｆ（Ｚ１，Ｚ２，ＯＦＦＳＥＴ）と呼んでいる。あるいは、これに代えて、関数ｆ（Ｚ１，Ｚdiff，ＯＦＦＳＥＴ）と表わすことができる。
ピクセル位置からの面では、ピーク間隔は、Ｚdiffの関数になることは勿論で、Ｚ１の関数にもなる。この理由は、与えられたピクセルから与えられた距離への校正が比例関係にならないため、特にこの比例関係ではないカーブ上の位置への校正を別途行なう必要があるからである。
これに代えて、比例変換のみを利用する実施例においては、次にその間隔は、Ｚdiff値およびＯＦＦＳＥＴ距離に依存するだろう。
【００５５】
上記の主張に基づいて、図２および図３を参照すると、ステップ高さＺdiff（Ｚdiff＝Ｚ１−Ｚ２）がＯＦＦＳＥＴと同じ場合、ピークＰ（ＦＭＢ），Ｐ（ＳＭＢ）は、検出器上で同じ位置になるだろう。すなわち、これらのピークをカーブ３１０上にて区別することができない。
これらの考察から、様々な実施例においては、期待されるステップ高さ（距離）Ｚdiff（Ｚdiff＝Ｚ１−Ｚ２）の範囲を参考にして、オフセット距離ＯＦＦＳＥＴを選択または調整することが望ましい。これにより、Ｐ（ＦＭＢ）＝Ｐ（Ｚ１）を示すピークおよびＰ（ＳＭＢ）＝Ｐ（Ｚ２＋ＯＦＦＳＥＴ）を示すピークは一致することがなく、区別できる。
ピークを区別できることに関しては、検出器においてピークが、測定範囲の５−１０％よりも互いに接近していないことが、特定の実施例においては、望ましい。例えば、約７０ピクセル分の間隔をもった２つのピークの例が図３に示されている。同図で、これらのピークを、スペクトル・プロファイルデータ３１０ａのセットを表わす点線で示す。
簡略のため、このことは、以下のように言い換えることができる。すなわち、（Ｚdiff−ＯＦＦＳＥＴ）＞０．０５＊Ｒとなるように、オフセットＯＦＦＳＥＴの距離を設けることが要求される。または、より保守的な実施例では、全ての期待されるＺdiff値が（Ｚdiff−ＯＦＦＳＥＴ）＞０．１＊Ｒとなるように、オフセットＯＦＦＳＥＴの距離を設けることが要求される。
【００５６】
このように、特定の実施例では、クロマティックポイントセンサ装置１００が、前述の考察に従って、２光束アッセンブリ２００を含んで構成されていることが望ましい。
特に、前述に従って、２光束アッセンブリと光学ペンの構成では、干渉を生じないＺの測定範囲を、Ｒ＋ＯＦＦＳＥＴと同程度の大きさにすることができる。
しかしながら、オフセットＯＦＦＳＥＴの距離が測定範囲Ｒを超過した場合、その後、全測定範囲の中間部分において、測定のとぎれ（gap）、または干渉が生じてしまう。その測定範囲では、光束が妥当な測定を実行することもできない。
光束の本数をＮで示すと、論理上は、干渉の生じない測定範囲を、Ｎ＊Ｒで示される範囲にすることができる。
もし、より小さい信号を用いた動作が許容されれば、各々の光束をより多くの回数に分けることができる。また、光学ペンの最大焦点距離の大きい部分まで接近することができる測定範囲が得られる。例えば、ある特定の実施例では、測定範囲を１０＊Ｒのオーダーまで大きくすることができ、最小距離（standoff）と同等の範囲にすることができる。
少し保守的に価値を判断して、各光束でのより低い光強度、および、多分割で生じる光学的な劣化のために、Ｓ／Ｎ比またはサンプル率を用いてある程度の信号の劣化を含めた場合であっても、上記のような実施例では、真の動作範囲を少なくとも８＊Ｒとすることができる。
【００５７】
図４は、光学ペン１２０に接続された第１実施形態に係る典型的な２光束アッセンブリ４００の分解図である。
図４では、図２の２光束アッセンブリ２００における構成要素と同じまたは類似する構成要素に、同じまたは類似の参照符号が付けられている。
図４の２光束アッセンブリ４００は、先に記載した模式的に表現された２光束アッセンブリ２００と、第１測定光束ＦＭＢおよび第２測定光束ＳＭＢが光学ペン１２０の光軸に直交する測定軸に沿って両方とも下方に向かっている点で異なる。
【００５８】
図４に示すように、光学ペン１２０に２光束アッセンブリ４００を確実に取り付けるために、取付要素４０２を用いている。例えば、上側にスロットを有する取付用のつば（collar）などで、つばによってアッセンブリが光学ペンに締結される。
クランプ用ボルト４０３は、光学ペン１２０の端部周りに取付要素４０２を締結するためのものである。
第１反射要素アッセンブリ２１０’は、取付要素４０２に取り付けることができる。第２反射要素アッセンブリ２２０’は、第１反射要素アッセンブリ２１０’に取り付けることができる。
特定の実施形態では、第１および第２反射要素アッセンブリ２１０’，２２０’を、図２の第１および第２反射要素２１０，２２０で構成することができる。
図４に示すように、第１反射要素アッセンブリ２１０’は、第１反射要素ホルダ４０６と、第１反射要素フレーム４０８と、第１反射要素４１０とを含むことができる。
スペーサ要素４０４は、取付要素４０２および光学ペン１２０に対して第１反射要素アッセンブリ２１０’の相対的なスペースを調整するためのものである。
第２反射要素アッセンブリ２２０’は、第２反射要素ホルダ４１６と第２反射要素４２０とを含むことができる。
スペーサ要素４１４は、第１反射要素アッセンブリ２１０’、取付要素４０２および光学ペン１２０に対して、第２反射要素アッセンブリ２２０’の相対的なスペースを調整するためのものである。
図６に示すように、スペーサ要素４１４は、間隔距離ＳＥＰＰの寸法を（それゆえ、概略を上述したように、オフセットＯＦＦＳＥＴの値も）調整するためのものである。
【００５９】
図４に示すように、スペーサ要素４０４は、調整のために取付要素４０２および第１反射要素ホルダ４０６から分離することができる。
第１反射要素ホルダ４０６は、精度の良い寸法で形成され、かつ、真っ直ぐに設けられた四角形の開口（opening）を含む。この開口は、次の図５により詳しく記載したように、第１反射要素４１０を取り付ける方向から第１反射要素フレーム４０８を確実に受けるために設けられている。
スペーサ要素４１４は、調整のために第１反射要素ホルダ４０６を第２反射要素ホルダ４１６から分離するためのものである。
第２反射要素ホルダ４１６は、精度の良い寸法で形成され、かつ、真っ直ぐに設けられた四角形の開口（opening）を含む。この開口は、第２反射要素４２０を接着剤または他の接着手段によって第１反射要素フレーム４０８に接着される方向から、該第２反射要素４２０（例えば、第１表面反射プリズム（４５―４５―９０））を確実に受けるために設けられている。
組立用ボルト４１７は、精度の良い組立用孔に通されて、２光束アッセンブリ４００の構成要素を正確に一列に配列して組み立てるために用いられる。
【００６０】
動作中は、２光束アッセンブリ４００が、測定軸に沿って、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢを提供する。この測定軸は、通常は、光学ペン１２０本来の光軸を横切るものか、または光軸に直交している。
第１測定光束ＦＭＢは、第１反射要素４１０によって下方向（光学ペン１２０の光軸を横切る方向）へ反射される。これと同時に、第２測定光束ＳＭＢは、第２反射要素４２０によって下方向（光学ペン１２０の光軸を横切る方向）へ反射される。
後述の図５において、より詳細に説明するように、第１および第２反射要素ホルダ４０６，４１６は、第１測定光束ＦＭＢおよび第２測定光束ＳＭＢの正確な軸合わせのために、第１および第２反射要素４１０，４２０を確実に掴み、かつ、これらを確実に一列に配列するように設計されている。
【００６１】
図５は、図４の２光束アッセンブリ４００から選択された構成要素の分解図である。
図５に示すように、第１反射要素ホルダ４０６は、四角形の孔を有する。この孔は、第１反射要素４１０を取り付ける方向から第１反射要素フレーム４０８を受けて、かつ、この第１反射要素フレーム４０８を一列に配列するために設けられており、該孔は、精度の良い寸法に形成され、真っ直ぐに形成されている。
また、第１反射要素ホルダ４０６は、指定された取付面ＭＳＰＡ，ＭＳＰＢ，ＭＳＲＥを持つ。
取付面ＭＳＰＡは、第１の構成で示した光学ペン１２０に向けて取り付けられる。この取付面ＭＳＰＡは、光源光束ＳＢが孔ＨＡを通り、かつ、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢが、光学ペン１２０の光軸ＯＡに直交する測定軸に沿って進行することを目的にして設けられている。例えば、図６においてより詳細に後述する。
これに代わる構成では、取付面ＭＳＰＢが、光学ペン１２０に向けて取り付けられる。この取付面ＭＳＰＢは、光源光束ＳＢが孔ＨＢを通り、かつ、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢが、光学ペン１２０の光軸ＯＡに平行な測定軸に沿って進行することを目的にして設けられている。例えば、図８においてより詳細に後述する。
取付面ＭＳＲＥは、現在説明している構成では、通常、第２反射要素ホルダ４１６に含められた第２反射要素４２０を向くように設けられる。
取付面と組立用孔との正確な軸合わせによって、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢの、それらの正確な方向における正確な軸合わせが、保障されることが認識されるだろう。
この一列の正確な軸合わせは、第１反射要素ホルダ４０６と第２反射要素ホルダ４１６との慎重な組み立てを通じて保障される。第１反射要素ホルダ４０６は、第１反射要素４１０が取り付けられる第１反射要素フレーム４０８を確実に保持するためのものであり、第２反射要素ホルダ４１６は、第２反射要素４２０を確実に保持するためのものである。
【００６２】
第１反射要素ホルダ４０６は、孔ＨＡ，ＨＢ，ＨＣを有し、同時に、第１反射要素フレーム４０８は、言うまでも無く第１反射要素の取付面ＭＳＦＲＥを有し、さらに、孔Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３も有している。
第１反射要素４１０は、第１反射要素フレーム４０８の第１反射要素の取付面ＭＳＦＲＥに取り付けられている。例えば、接着剤またはその他の接着手段により取り付けられている。
いくつかの実施形態に係る２光束アッセンブリでは、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢが、次のような光線を形成している方が都合がよい。その光線は、如何なる光学材料、および／または、潜在的にディストネーション（歪み）を生じさせるような屈折面を通過しない光線である。
それゆえ、図４〜図１０に示される実施形態に係る第１反射要素は、第１の平面反射ミラー領域および透過領域を含むパターンの付いたミラー要素となっている。第１の平面反射ミラー領域は、例えば、研磨金属シートの材料領域である。また、透過領域は、開口を形成している。例えば、研磨金属シートの貫通孔などである。
様々な実施形態に係る第２反射要素（但し、第２反射要素が存在する場合に限る。）は、全ての光を反射するものであればよい。それゆえ、そのような実施形態で第２反射要素としては、手ごろな構成要素（例えば、図５に示されるプリズム要素４２０）からなる第１表面ミラーを利用することができる。
【００６３】
図６については、より詳細に後述するように、ある構成（すなわち、取付面ＭＳＰＡが、光学ペン１２０を向くように取り付けられている場合）では、孔ＨＡ，Ｈ１が光学ペン１２０からの光源光束を受ける。また同時に、その光束の一部分が孔Ｈ２を通過して、さらに、第１反射要素４１０の開口部分を通過する。この第１反射要素４１０の開口部分を通過する光束を第２測定光束ＳＭＢとする。また、光束の他の部分は、下方に反射して、孔Ｈ３，ＨＣを通過して、第１測定光束ＦＭＢとなる。
図８については、後でより詳細に説明するように、前述の代わりとなる構成（すなわち、取付面ＭＳＰＢが光学ペン１２０を向くように取り付けられている構成）である。この構成では、光学ペン１２０からの光源光束は、孔ＨＢを通過して受けられ、同時に、光源光束の一部分は、第１反射要素４１０の開口部を通過して、その後、孔Ｈ３と孔ＨＣを通過する。この光束を、第１測定光束ＦＭＢと呼ぶ。また、光源光束の他の部分は、第１反射要素４１０の反射部分を反射されて、第２測定光束ＳＭＢになる。
【００６４】
図６は、図４、５の２光束アッセンブリ４００および光学ペン１２０の断面図である。例えば、これらが現在使用されている場合を示す。
図６に示すように、取付要素４０２は、光学ペン１２０の端部を取り囲んでいる。また、取付要素４０２は、クランプ用ボルト４０３を用いて所定の場所で挟持されている。取付要素４０２に、各表面１９０，１９０’までの距離測定のための外部軸合わせ面ＡＳを含めることができる。測定軸の正確な軸合わせ、および、２光束アッセンブリ４００の安定性を援助するために、前記外部軸合わせ面ＡＳを、他の表面上に載せることも可能である。
図６の実施形態では、軸合わせ面ＡＳが、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢの測定軸に直交していることが示されている。
これに代わる実施形態として、他の軸合わせ面を、取付要素４０２の他の部分上に、または、他の構成要素上（例えば、第１反射要素ホルダ４０６または第２反射要素ホルダ４１６上）に設けることができることが認識されるだろう。
【００６５】
スペーサ要素４０４が、取付要素４０２および第１反射要素ホルダ４０６間の望ましいスペース距離を提供していることが示されている。
上述したように図４，図５については、第１反射要素ホルダ４０６が、第１反射要素４１０を取り付けた第１反射要素フレーム４０８を挟持している。
後述する第１反射要素ホルダ４０６のように、スペーサ要素４１４は、第１反射要素ホルダ４０６および第２反射要素ホルダ４１６間の望ましいスペース距離を提供している。例えば、前述に概説したように、いくつかの実施形態において、望ましい寸法（ＳＥＰＰ=ＯＦＦＳＥＴ）を提供するためにスペーサ要素４１４を設ける。
図４，図５については、上述したように、第２反射要素ホルダ４１６は、第２反射要素４２０を所定の場所に正確に位置決めした状態で、第２反射要素４２０を確実に保持する。組立て用ボルト４１７は、正確な位置決め、および、２光束アッセンブリ４００の構成要素の組立てに使用される。
【００６６】
動作中は、アパーチャ１９５から光学ペン１２０のレンズ１５０を通過してくる光が、光源光束ＳＢとして第１反射要素４１０へと進んでいく。そして、第１反射要素４１０の開口部を通過する光束の一部分は、第２測定光束ＳＭＢとして進んでいき、この第２測定光束ＳＭＢは、第２反射要素４２０を反射して、第２測定軸に沿って下方向に、表面１９０’に向かって進む。
光源光束の他の部分も、第１反射要素４１０を反射して、第２測定軸に沿って下方向に、第１測定光束ＦＭＢとして表面１９０に向かって進んでいく。
【００６７】
図２、図３については上述したように、間隔距離ＳＥＰＰおよびオフセット距離ＯＦＦＳＥＴのような様々な寸法が、予想されるワークピース寸法に対して相応の注意を払って、選択または調整される。例えば、図３を参照して概説したように、検出器の測定軸に沿って、望ましい位置にあるスペクトル・ピーク、または、望ましい最小間隔を有するスペクトル・ピークが生成されるようにする。
このように、図６に示されたスペーサ要素４０４，４１４では、上記目的のために望ましい厚さ寸法が選択されることが認識されるであろう。
図６に示すように、スペーサ要素４１４は、物理的な間隔と、第１測定光束ＦＭＢおよび第２測定光束ＳＭＢの各対応する測定範囲のオフセットとの両方を決定する。
図３については上述したように、各スペクトル・ピークが区別できる程度にオフセットを大きくし、一方、各スペクトル・ピークが検出器の望ましい測定範囲に入る程度に小さくすることが望ましい。
また、図６にも示されるように、スペーサ要素４０４は、２光束アッセンブリ４００に関連する測定光束のため、動作距離の最小距離の全寸法を決定するために設けられている。
様々な実施形態において、例えば、様々な数のスペーサ要素を挿入したり、または、異なる幅寸法のスペーサ要素を挿入したりすることで、スペーサ要素４０４，４１４の幅寸法を変更できる。
【００６８】
図６の構成では、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢがそれぞれ表面１９０，１９０’に向けて進行するようになっている。この構成では、図２に示すように、また上述したように、表面１９０，１９０’間のステップ高さを寸法Ｚdiffとして測定することを見込んでいることが認識されるであろう。
この方法の先行技術に対する利点は、単一の光学ペン１２０で２つの測定を達成できること、Ｚdiffがその光学ペンの規定の測定範囲Ｒを超過してもよいこと、および、ペンおよび／または測定面を測定のために前進後退させる必要がないことである。これに相応して、より早い測定および測定精度の向上を提供できる（すなわち、振動、ステージ動作などの相殺）。
また、従来の光学ペンを、たった２光束アッセンブリ４００の取付要素４０２を取り付けるだけで、以下の特徴を有する光学ペンに容易に変えることができると認識されるだろう。その特徴とは、まず、２光束測定の機能性を発揮できること、また、２つの測定領域を含むか、または、拡張された測定範囲を含むことである。
【００６９】
図７は、一揃いの反射パターン４１０Ａ〜４１０Ｄを示す図であり、典型的な実施形態で使用できるものを表わす。
そのパターンは、破線で区切られている。その区切りは、そのパターン部分で受ける光（illumination）におおよそ対応する。
図７に示すように、パターンは、材料シートの拡張エリアに含まるか、または、ガラス上の薄いフィルムに含まれる。パターンは、例えば、図示したような四角形のシートまたはフィルムに形成される。これらは、前述の概説、および、さらに後述の説明の通りである。
図７に示すように、反射パターン４１０Ａは、４つの区域Ｓ１Ａ〜Ｓ４Ａに分けられる。そのうちの第１区域Ｓ１Ａおよび第３区域Ｓ３Ａは、開口している（または透過性がある）。また、第２区域Ｓ２Ａおよび第４区域Ｓ４Ａは、反射性を有する。
パターン４１０Ｂは、８区域Ｓ１Ｂ〜Ｓ８Ｂに分けられていることが示されている。区域Ｓ１Ｂ，Ｓ３Ｂ，Ｓ５ＢおよびＳ７Ｂは開口し、同時に、区域Ｓ２Ｂ，Ｓ４Ｂ，Ｓ６ＢおよびＳ８Ｂは反射性を有する。
パターン４１０Ｃには、中央の円形区域Ｓ１Ｃが開口し、同時に外側の環状区域Ｓ２Ｃは反射性を有する。パターン４１０Ｄでは、中央の円形区域Ｓ１Ｄが開口し、反射性を有する内側の円形区域Ｓ２Ｄに囲まれている。この円形区域Ｓ２Ｄは、開口した円形区域Ｓ３Ｄに囲まれている。この円形区域Ｓ３Ｄは、さらに反射性を有する外側の円形区域Ｓ４Ｄに囲まれている。
反射パターン４１０Ｄが材料シートに形成されているとき、そのパターンは、区域Ｓ２Ｄを支持するために最小限度の架橋区域ＢＲを含む。パターンがガラス上の薄いフィルムなどに形成されている場合、架橋区域ＢＲは省略できる。
【００７０】
より詳細に後述するように、２光束アッセンブリ４００の動作に有利になるように、全てのパターン４１０Ａ〜４１０Ｄがシメントリで形成されている。
より特徴的なことは、特定の実施形態においては、そのパターンの中心を通る線に対してシメントリな反射パターンに形成され、反射パターンが反射のシメントリ性を有することが望ましい。または、所定の他の方法で、パターンの中心回りにそのパターンが１８０度回転したときに、同一もしくは類似のパターンが得られるように、反射パターンが形成されていることが望ましい。
図６のパターン４１０Ａ，４１０Ｂに示されるように、これはあるタイプの実施形態において、偶数の開口区域と偶数の反射区域とを有するパターンを用いることによって、達成できる。各開口区域は、パターンの中心を横切る線に対して、その開口区域にシメントリな対応する開口区域を有する。また、各反射区域は、パターンの中心を横切る線に対してその反射区域にシメントリな反射区域を有する。
このタイプの構成は、光学ペン１２０からの光源光束に関して、その光源光束の上側部分の光線が、ワークピース表面を反射した測定光束の下側の光学部分へ戻される場合において、動作可能になる。
同様に、その光源光束の下側部分からの光線は、ワークピース表面を反射した測定光束の上側の光学部分へ戻される。
このように、例えばパターン４１０Ａでは、光源光束の一部分は開口区域Ｓ１Ａを通過して、測定される表面を反射して、さらに開口区域Ｓ３Ａを通過して戻される。
同様に、光源光束の一部分は、反射区域Ｓ２Ａを反射して、測定される表面を反射して戻される。さらに、反射区域Ｓ４Ａを反射して光学ペン１２０に向かう。このようにして望ましい測定情報が提供される。
同様に、光源光束の一部分は、開口区域Ｓ３Ａを通過して、測定表面を反射した後、開口区域Ｓ１Ａに戻される。そして、光源光束の他の部分は、第４区域Ｓ４Ａを反射して、測定表面を反射した後、第２区域Ｓ２Ａに戻される。
類似した動作が、パターン４１０Ｂのシメントリな８つの区域Ｓ１Ｂ〜Ｓ８Ｂの各区域についても生じることが認識されるであろう。
【００７１】
パターン４１０Ｃおよびパターン４１０Ｄに関して、類似する動作可能なシメントリが円形パターンに対応して存在していることが認識されるだろう。
例えば、光源光束の一部分は、開口区域Ｓ１Ｃの端部の一付近の開口エリアを通過して、測定表面を反射した後、開口区域Ｓ１Ｃの反対側の端部付近の開口エリアを通過するように戻される。
同様に、光源光束の一部分は、反射区域Ｓ２Ｃの端部の一付近の反射エリアを反射して、測定表面を反射した後、反射区域Ｓ２Ｃの反対側の端部の反射エリアに向かうように戻される。円形パターン４１０Ｄの開口区域および反射区域の各区域についても類似する動作が生じることが認識されるだろう。
【００７２】
いくつかの実施形態では、反射領域は、光源光束（点線の範囲内）中の全ての反射エリアを有するように設計され、透過領域は、光源光束中の全ての透過エリアを有するように設計されている。そして、全ての反射エリアは、全ての透過エリアに対して特定の割合（例えば、±２５％）になっている。第１および第２測定光束のエネルギーが少なくとも一部分においてバランスして、各測定光束のエネルギーが両方とも望ましい信号強度レベルを提供できるようにするためである。
他の特定の実施形態では、全反射エリアは、全透過エリアに対する特定の差（例えば、少なくとも±５％）を持っている。第１および第２測定光束のエネルギーが検出可能な程度に異なるようにするためである。検出器での各エネルギーの信号強度（例えば、それらのピーク高さ）に基づく、各エネルギーの信号はお互いに区別できる。
【００７３】
図８は、光学ペン１２０に接続された第２実施形態に係る２光束アッセンブリ８００の縦断面図である。
２光束アッセンブリ８００の構成要素は、類似する番号が付された図４〜図７の２光束アッセンブリ４００の構成要素と類似または一致していることが認識されるだろう。
この２光束アッセンブリ８００における主な違いは、第１測定光束ＦＭＢおよび第２測定光束ＳＭＢが両方とも、光学ペン１２０の光軸ＯＡに平行な測定軸に沿っていることである。
【００７４】
図８に示すように、取付要素８０２は、光学ペン１２０の端部に２光束アッセンブリ８００を取り付ける際に利用され、クランプ用ボルト８０３により締結されている。
取付要素８０２上の外部軸合わせ面ＡＳは、２光束アッセンブリ８００により射出される第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢの測定軸に平行であることが示されている。２光束アッセンブリ８００の残りの構成要素は、全体として図６の２光束アッセンブリ４００における同等の構成要素を相対的に９０度回転したものになっている。
２光束アッセンブリ８００においてさらに特徴的なことは、第１反射要素ホルダ８０６が、第２反射要素ホルダ８１６よりも下方に位置づけられていることである。図６に示された第１反射要素ホルダ４０６および第２反射要素ホルダ４１６の左右方向の配置に比較した場合にそのように言える。
【００７５】
第１反射要素ホルダ８０６は、第１反射要素８１０を取り付けた第１反射要素フレーム８０８を含む。上述した図７のように、第１反射要素８１０には、開口区域および反射区域を有するパターンが形成されている。第２反射要素ホルダ８１６は、第２反射要素８２０を含む。組立用ボルト８１７は、２光束アッセンブリ８００の構成要素を組み立てて、正確に軸合わせするために、設けられている。
【００７６】
動作中、光学ペン１２０からの光源光束は、第１反射要素８１０に向かって進む。第１反射要素８１０の開口区域を通過する光源光束の部分は、第１測定軸に沿って表面１９０に向かう第１測定光束ＦＭＢとなる。
第１反射要素８１０の反射区域を反射する光源光束の部分は、第２反射要素８２０に向かって進む。それから、第２反射要素８２０は、第２測定光束ＳＭＢを第２測定軸に沿って表面１９０に向ける。
このように第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢは、光学ペン１２０の光軸ＯＡと同じ方向に沿って、互いに平行に進むことが認識されるだろう。
【００７７】
一実施形態では、図８および図４で類似の添え字で番号を付した構成要素は、互いに類似または一致していると共に、通常は図４に描かれた代わりの取付け孔を用いて、互いに相対的に異なった方向に組み立てられているだけである。
【００７８】
図９は、光学ペン１２０に接続された第３実施形態に係る２光束アッセンブリ９００の縦断面図である。２光束アッセンブリ９００の構成要素は、類似する番号が付された上述の２光束アッセンブリ４００，８００の構成要素と類似または一致していることが認識されるだろう。
この２光束アッセンブリ９００における主な違いは、第１測定光束ＦＭＢが光学ペン１２０の光軸と同方向の第１測定軸に沿っていると同時に、第２測定光束ＳＭＢが光学ペン１２０の光軸に直交する第２測定軸に沿っていることである。
【００７９】
図９に示すように、取付要素９０２は、光学ペン１２０の端部に２光束アッセンブリ９００を取り付ける際に利用され、クランプ用ボルト９０３により締結されている。
取付要素９０２上の外部軸合わせ面ＡＳは、第１測定光束ＦＭＢの測定軸に平行であることが示され、また、第２測定光束ＳＭＢの測定軸に直交することが示されている。スペーサ要素９０４は、取付要素９０２および第１反射要素ホルダ９０６間の指定されたスペースを提供する。
第１反射要素ホルダ９０６は、第１反射要素９１０を取り付ける第１反射要素フレーム９０８を含む。上述した図７のように、第１反射要素９１０は、開口区域および反射区域を有するパターンを形成している。
【００８０】
動作中は、光学ペン１２０からの光源光束ＳＢは、第１反射要素９１０に向かって進む。第１反射要素９１０の開口区域を通過する光源光束の部分は、第１測定軸に沿って進む第１測定光束ＦＭＢとなる。第１反射要素９１０の反射区域を反射する光源光束の部分は下方向を向き、第２測定軸に沿って進む第２測定光束ＳＭＢになる。
この図９に示すように、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢは、通常、互いに相対的に直交している。そのような構成は、様々なタイプの表面形状の測定（例えば、２面の交角の変化の測定、また、底面および側面の表面粗さの同時測定など）に便利であることが認識されるだろう。
【００８１】
一実施形態では、類似する番号が付された図９と図４の構成要素は、類似または一致している。また、図４に描かれた構成要素のいくつかは単に省いてもよい。
【００８２】
図１０は、光学ペン１２０に接続された第４実施形態に係る２光束アッセンブリ１０００の縦断面図である。２光束アッセンブリ１０００の構成要素は、類似する番号が付された上述の２光束アッセンブリ４００，８００，９００の構成要素に、類似または一致していることが認識されるだろう。
この２光束アッセンブリ１０００における主な違いは、第１測定光束ＦＭＢが、光学ペン１２０の光軸ＯＡに直交して上方に向かう第１測定軸に沿っていると同時に、第２測定光束ＳＭＢが、第１測定光束ＦＭＢの方向とは反対方向である第２測定軸に沿って下方に向かっていることである。
【００８３】
図１０に示すように、取付要素１００２は、光学ペン１２０の端部に２光束アッセンブリ１０００を取り付ける際に利用され、クランプ用ボルト１００３により締結されている。取付要素１００２上の外部軸合わせ面ＡＳは、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢの測定軸に直交していることが示されている。
スペーサ要素１００４は、取付要素１００２および第１反射要素ホルダ１００６間の指定されたスペースを提供する。第１反射要素ホルダ１００６は、第１反射要素１０１０を取り付ける第１反射要素フレーム１００８を含む。上述した図７のように、第１反射要素１０１０は、開口区域および反射区域を有するパターンを形成している。
【００８４】
第１反射要素ホルダ１００６に続いて、スペーサ要素１０１４が、第１反射要素ホルダ１００６および第２反射要素ホルダ１０１６間に指定されたスペースを提供する。第２反射要素ホルダ１０１６は、第２反射要素１０２０を含む。組立用ボルト１０１７は、２光束アッセンブリ１０００の構成要素の軸合わせおよび組み立て用である。
【００８５】
動作中は、光学ペン１２０からの光源光束ＳＢは、第１反射要素１０１０に向かって進む。第１反射要素１０１０の反射区域を反射して下方に向かう光源光束の部分は、第１測定軸に沿って進む第１測定光束ＦＭＢとして下方向へ進む。第１反射要素１０１０の開口区域を通過する光源光束ＳＢの部分は第２反射要素１０２０を反射して、第２測定軸に沿って進む第２測定光束ＳＭＢとして上方向へ進む。
互いに反対方向に向けられた第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢは、様々なタイプの測定（例えば、隙間の幅の測定など）に利用できることが認識されるだろう。
【００８６】
一実施形態では、図１０および図４で類似の添え字で番号を付した構成要素は、互いに類似または一致していると共に、通常は図４に描かれた代わりの取付け孔を用いて、互いに相対的に異なった方向に組み立てられているだけである。
例えば、２光束アッセンブリ１０００の構成要素は、図６に示された２光束アッセンブリ４００の構成要素に、第２反射要素ホルダ１０１６が１８０度回転していることを除けば、実質的に一致しているように見える。
構成要素が回転および／または調整できるように構成された２光束アッセンブリの構成によって、異なる２光束アッセンブリの構成が、１セットの２光束アッセンブリ部品によって達成されることが認識されるだろう。
【００８７】
図１１は、典型的な反射要素の構成１１００Ａ〜１１００Ｆを説明するための図である。これらの構成１１００Ａ〜１１００Ｆは、様々な測定方式（例えば、プリズム状のブロック要素や、これらの要素を組み合わせたものを利用した測定方式）を提供できる。
より詳細に後述するように、反射要素の構成１１００Ａ〜１１００Ｆは、前述の２光束アッセンブリ６００，８００，９００および１０００の構成と同様に、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢを特定方向に方向付けることができる。
いくつかの実施形態において、光源光束ＳＢが、図７を参照して概説された原理に対応する第１反射要素の表面のパターンを反射できることが理解されるだろう。そのようなパターンとしては、例えば、プリズム状のブロック上に形成された薄いフィルム状のパターンでもよい。
これに代えて、いくつかの実施形態では、光源光束ＳＢが、第１反射要素の表面で「half-silvering（半銀付け）」されたミラー表面などを反射するようにしてもよい。
しかしながら、このような表面形態は経済的にはなるが、同時に、その表面に測定光束が戻る際に、結果として光損失または光の浪費になる可能性がある。
第２反射要素の表面が、第２測定光束の向きを測定軸ＭＡ２に沿った方向に変えるような実施形態では、その第２反射要素の表面を完全なミラー面にすることができる。
プリズム状のブロック要素を利用する場合、プリズム状の要素によって、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢに特定レベルの歪みを生じさせることが認識されるだろう。とは言え、そのような場合であっても、特定の実施形態ではどんなレベルの歪みであっても、従来技術として既知の校正技術を用いて処理することができるので、結果として動作可能な機器を提供することができる。
【００８８】
図１１に示すように、特にこの構成では、反射要素の構成１１００Ａは、三角形プリズム状の要素を含む。この要素は、２つの側面上に完全な反射ミラーの表面を持つ。
反射要素１１１０Ａは、光軸ＯＡに沿って進行する光源光束ＳＢを、第１測定光束ＦＭＢおよび第２測定光束ＳＭＢに分割する。この第１測定光束ＦＭＢは、第１測定軸ＭＡ１に沿って上方に進む。また、第２測定光束ＳＭＢは、第２測定軸ＭＡ２に沿って下方に進む。
そのような構成は、図１０の２光束アッセンブリ１０００の代替として提供できて、上述したように、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢを反対方向に向け得ることが認識されるだろう。
【００８９】
特定の実施形態では、三角形のプリズム要素１１１０Ａの２つの側面が、光軸ＯＡに対して４５度未満の交角θで方向付けられていることが望ましい。このことは、プリズム要素１１１０Ａの各側面が、集束性の光源光束ＳＢの半分を受ける場合には、望ましい。
言い換えると、そのデバイス（プリズム要素）に集束性の光源光束ＳＢの全てを逆戻りさせて像を作るようにすることが望ましいならば、三角形のプリズム要素１１１０Ａの表面は、集束を考慮して、また、集束の半分は各側面に含まれるという事実を考慮して、傾斜にする必要がある。
このように、特定の一実施形態では、交角θが、４５度から開口数（ＮＡ）の約半分だけ逸脱する。
交角θを正確に決定することによって、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢが、それぞれの表面１９０，１９０’を反射して戻された後、互いに交差するように戻され、また、光束が分割された際とおおよそ同じようにして戻される。この方法では、光学ペン１２０に戻っていく類似の光束が有する本来の光軸に沿って、測定表面を反射した類似の光束が戻っていく。このようにして、正確な測定が達成できる。
【００９０】
さらに図１１に示されるように、次の反射要素の構成１１００Ｂは、第１反射要素１１１０Ｂと、第２反射要素１１２０Ｂとを含む。第１反射要素１１１０Ｂは、一部分が反射性を有し、他の部分が透過性を有するシート（すなわち、光学的に既知のもの）からなる。このため、光軸ＯＡに沿って提供される光源光束の一部分が、第１測定光束として第１測定軸ＭＡ１に沿って上方に反射される。
加えて、光源光束の他の部分も、第２反射要素１１２０Ｂに伝達されて、第２測定光束として第２測定軸ＭＡ２に沿って上方に反射される。
この構成は、第１および第２測定軸ＭＡ１，ＭＡ２に沿って、第１および第２測定光束の方向付けを提供することが認識されるだろう。このことは、図６で説明されている２光束アッセンブリ４００の構成に類似している。
【００９１】
次の反射要素の構成１１００Ｃは、光束スプリッター１１０７Ｃを含む。この光束スプリッター１１０７Ｃは、光軸ＯＡに沿って進行する光源光束の一部分を、第１測定軸ＭＡ１に沿った第１測定光束として伝達する。
この光束スプリッター１１０７Ｃは、また、内部の反射面１１１０Ｃで、光源光束の他の部分を、第２測定軸ＭＡ２に沿った第２測定光束として上方に反射する。
第１および第２測定軸ＭＡ１，ＭＡ２に沿った方向へ、それぞれ方向付けられた第１および第２測定光束の出射は、図９で説明されている２光束アッセンブリ９００の構成に類似していることが認識されるだろう。
【００９２】
次の反射要素の構成１１００Ｄは、プリズム要素１１０７Ｄを含む。このプリズム要素１１０７Ｄの内部の第１境界面１１１０Ｄにおいて、光軸ＯＡに沿って進行する光源光束の一部分は、第１測定軸ＭＡ１に沿った第１測定光束として、上方に反射される。
加えて、光源光束の残りの部分は、内部の境界面１１１０Ｄを通過して、プリズム要素１１０７Ｄの第２の表面１１２０Ｄまで伝達される。この第２の表面１１２０Ｄは、光源光束の残りの部分を、第２測定軸ＭＡ２に沿った第２測定光束として上方に反射する。
この構成は、第１および第２測定軸ＭＡ１，ＭＡ２に沿って、第１および第２測定光束の方向付けを生み出すことが認識されるだろう。このことは、図６で説明されている２光束アッセンブリ４００の構成に類似している。
【００９３】
次の反射要素の構成１１００Ｅは、菱形状のプリズム要素１１０７Ｅを含む。このプリズム要素１１０７Ｅの第１表面１１１０Ｅにおいて、光軸ＯＡに沿って進行する光源光束の一部分は、第１測定軸ＭＡ１に沿った第１測定光束として、上方に反射される。
加えて、光源光束の残りの部分は、第１表面１１１０Ｅを通過して、プリズム要素１１０７Ｅの第２表面１１２０Ｅまで伝達される。この第２表面１１２０Ｅは、光源光束の残りの部分を、第２測定軸ＭＡ２に沿った第２測定光束として上方に反射する。
この構成も、第１および第２測定軸ＭＡ１，ＭＡ２に沿って、第１および第２測定光束を方向付けることが認識されるだろう。このことは、図６で説明されている２光束アッセンブリ４００の構成に類似している。
【００９４】
次の反射要素の構成１１００Ｆは、台形状のプリズム要素１１０７Ｆを含む。この台形状のプリズム要素１１０７Ｆの第１表面１１１０Ｆにおいて、光軸ＯＡに沿って進行する光源光束の一部分は、第１測定軸ＭＡ１に沿った第１測定光束として、上方に反射される。
加えて、第１表面１１１０Ｆは、また、光源光束の残りの部分をプリズム要素１１０７Ｆの第２表面１１２０Ｆまで伝達する。この第２表面１１２０Ｆは、光源光束の残りの部分を、第２測定軸ＭＡ２に沿った第２測定光束として下方に反射する。
この構成は、第１および第２測定軸ＭＡ１，ＭＡ２に沿って、第１および第２測定光束を方向付けることが認識されるだろう。このことは、図１０で説明されている２光束アッセンブリ１０００の構成に類似している。
【００９５】
図１２は、光学ペン１２０に接続された第５実施形態に係る２光束アッセンブリ１２００の縦断面図である。
２光束アッセンブリ１２００の構成要素は、類似する番号が付された上述の２光束アッセンブリ２００，４００，８００，９００，１０００の構成要素に、類似または一致していることが認識されるだろう。この２光束アッセンブリ１２００では、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢの方向付けが、図８の２光束アッセンブリ８００の方向付けに類似する。すなわち、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢは、両方とも、光学ペン１２０の光軸ＯＡと同方向に互いに平行な測定軸に沿って進行する。
この２光束アッセンブリ１２００における主な違いは、（特に図２の２光束アッセンブリ２００を参照すると、）２光束アッセンブリ１２００が、光学系部分１５０のレンズの間に配置されていることである。
すなわち、光学系部分１５０は、光学ペン１２０の端部にあるレンズ１５０Ａと、２光束アッセンブリ１２００の端部に配置された２つのレンズ１５０Ｂ，１５０Ｂ’とに分割されている。
いくつかの実施形態では、この構成は、光学ペン１２０内部の２光束アッセンブリ１２００の構成要素の配置とみなすことができる。また、この構成は、２光束の光学ペンとみなすこともできる。
どのケースにおいても、クロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）装置の色分散の光学構成における最後のレンズに入る前に、２光束アッセンブリ２００によって２光束が生成されるため、レンズ１５０Ｂ，１５０Ｂ’を設けたように、２光束のそれぞれに分離されたレンズが必要になる。
【００９６】
さらに特徴的なことは、図１２に示すように、レンズ１５０Ｂが、第１測定光束ＦＭＢの測定軸ＭＡ１に沿って配置され、同時に、レンズ１５０Ｂ’が、第２測定光束ＳＭＢの測定軸ＭＡ２に沿って配置されていることである。
動作において、光学ペン１２０からの光源光束ＳＢは、第１反射要素１２１０に向かう。
第１反射要素１２１０の開口区域を通過して進行する光源光束の各部分は、レンズ１５０Ｂを通過して、第１測定光束として第１測定軸ＭＡ１に沿って進行する。
第１反射要素１２１０の反射区域を反射する光源光束の他の各部分は、第２反射要素１２２０に向かって進行する。この第２反射要素１２２０は、それから、第２測定光束ＳＭＢがレンズ１５０Ｂ’を通過して第２測定軸ＭＡ２に沿って進むように、第２測定光束ＳＭＢの方向付けを行なう。
【００９７】
レンズ１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｂ’によって提供される軸方向の色分散に関する動作は、図２についての上述の説明に類似する。
各レンズ１５０Ｂ，１５０Ｂ’は、レンズ１５０Ａと組になり、望ましい軸方向の色分散を提供する。そのために、クロマティック共焦点センサ装置として知られているように、測定軸ＭＡ１，ＭＡ２に沿った焦点は、光の波長に応じて異なった距離に位置する。
１つのワークピース表面または、複数のワークピース表面からの反射上で、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢのそれぞれの反射光は、レンズ１５０Ａと組になるレンズ１５０Ｂ，１５０Ｂ’により、ファイバ開口部１９５でそれぞれ再び焦点が合うようになる。
レンズ１５０Ｂ，１５０Ｂ’を光学ペン１２０から分離した要素として備えたことにより、特定の望ましい特性を備えたレンズの利用（例えば、類似または異なる軸方向の色分散性を備えたレンズの利用など）を含めて、レンズの設計／選択におけるより大きな融通性が得られる。
そのような構成において、レンズ１５０Ａを通り過ぎた光源光束ＳＢが、名目上、平行光にされると、都合がよい。そのようなケースでは、第１測定光束ＦＭＢと第２測定光束ＳＭＢ間の光路長の差は、設計の困難性の原因にならない。また、いくつかの実施形態において、レンズ１５０Ｂ，１５０Ｂ’は、類似または一致させることができる。
さらに、レンズ１５０Ｂ，１５０Ｂ’は、名目上、それぞれ平行光とされた各光束の光路に沿って、比較的自由に位置決めできる。このことは、第１測定光束ＦＭＢおよび第２測定光束ＳＭＢの測定範囲同士に望ましい関係（例えば、望ましい測定範囲ＯＦＦＳＥＴ）を提供することを容易にする。
いくつかの実施形態では、レンズ１５０Ｂ，１５０Ｂ’は、異なるものにすることができる。そのため、必要であれば、例えば、３００μｍの測定範囲と、３ｍｍの測定範囲といったように、それぞれ長さの異なる測定範囲のレンズ１５０Ｂ，１５０Ｂ’を提供することができる。
【００９８】
上述に概説したような、どのタイプの２光束または多光束のクロマティックポイントセンサ装置であっても、以下に述べる多光束ＣＰＳ装置の測定方法、または、各用途への適用を実行することができると認識される。
【００９９】
図１３は、本発明に従って、２つの異なる測定領域を同期測定するためにクロマティックポイントセンサ装置を利用する際の典型的な処理手順１３００の全体フロー図である。図１３に示すように、工程１３１０にて、２光束クロマティックポイントセンサ装置（ＣＰＳ装置、センサ装置とも称す）が設けられ、ワークピース上の少なくとも１箇所における２つの異なる測定領域を同期測定するように構成される。
一実施形態では、共焦点開口部を有し、かつ、２光束アッセンブリを取り付けられた光学ペンをセンサ装置が含んでいる。
クロマティックポイントセンサ装置を用いて２つの異なる表面領域を同期測定する別の方法についての特定の実施例については、図１４〜図１８を用いて後で詳しく説明する。
【０１００】
工程１３２０にて、センサ装置からの第１測定光束を、第１表面領域に位置決めし、センサ装置からの第２測定光束を、第２表面領域に位置決めする。
第１および第２表面領域のいくつかの例としては、後でかなり詳しく説明する。手短に言えば、第１および第２表面領域は、第１および第２測定光束の位置関係に対応した空間的な関係がある。
ワークピース表面の異なる部分を、第１および／または第２測定光束の位置に入れることができる。また、後述するように、工程１３４０で対応する測定セットを行なう間、その異なる部分を、一時的に、第１および／または第２表面領域にすることができる。
工程１３３０にて、第１および第２測定光束に起因するワークピース測定光が、共焦点開口部およびセンサ装置を逆方向に通過して、受光される。
工程１３４０にて、少なくとも１つの測定セットが決定される。各測定セットは、それぞれ第１および第２測定光束に起因する第１および第２測定を含む。
一実施形態では、各測定が、比較的良好な分解能（例えば、少なくとも１０ｎｍの分解能）で決定される。本発明のセンサ装置が、そのような高精度測定を、干渉計または他のより複雑な装置の使用を要求されずに、実行できることが認識されるだろう。
【０１０１】
工程１３５０にて、ワークピース性状測定、および、ワークピース性状の位置による変化の測定の少なくとも一方の測定を、前記の少なくとも１つの測定セットに基づいて決定する。
例えば、第１および第２測定光束を通過するようにワークピースを移動させることで、第１および第２表面領域の高さの差を決定することができる。または、その決定することができる。
高さの差の変化は、後でより詳細に説明するように、ステップ高さ（step-height）の変化、表面の角度（surface  angle）の変化、または、凹凸などの表面の振れ（surface  runout）などを指し示す。
【０１０２】
図１４は、溝深さ／ステップ高さの測定のための２光束クロマティックポイントセンサの測定方法を構成するための典型的なサブルーチン１４２０のフロー図である。
例えば、サブルーチン１４２０の動作は、図１３の工程１３２０で実行される動作に、おおよそ対応するものであり、または、その動作として使用できる。また、いくつかの実施形態のように、処理手順１３００で溝深さ／ステップ高さを測定するケースでは、工程１３４０でのワークピースの動作（motion）を提供するためにサブルーチン１４２０の動作を使用できる。
工程１４２１にて、本センサ装置の構成において使用する溝深さ／ステップ高さを決定する。例えば、溝深さ／ステップ高さの呼び寸法を、図面または仕様から決定する。または、事前の測定などで決定する。
工程１４２２にて、２光束クロマティックポイントセンサの測定を起動する。この測定では、固定されたＺオフセットから、工程１４２１で決定された溝深さ／ステップ高さを引いた値が、最大値（例えば、ＣＰＳの測定範囲Ｒ）未満になり、かつ、最小値（例えば、０．０５＊Ｒ）よりも大きくなる。また、その測定では、２つの測定光束が、２光束クロマティックポイントセンサ装置の検出器の測定範囲内で、区別できる２つの測定ピークを分離生成する。
工程１４２３にて、測定光束が２つの測定軸に沿って（例えば、平行に）進行するように、２光束アッセンブリが構成される。その２つの測定軸は、一方が溝の底面／低い方のステップの表面領域に位置決めされると共に、他方が溝の肩部／高い方のステップの表面領域に位置決めされるように方向付けられている。
そのような２つの測定光束の方向付け（すなわち、２つの測定光束が平行に進むもの）は、図１１の構成１１００Ｂ，１１００Ｄ，１１００Ｅおよび図１２に説明されたものはもちろん、図６や図８に説明されている。
【０１０３】
判断工程１４２４にて、ワークピースの部分が、２光束アッセンブリに相対的に回転しているかどうかが、決定される。例えば、２光束光学ペンが真円度試験器に取り付けられ、ワークピースが真円度試験器で回転されたかどうかを判断する。
もし、ワークピースが回転していれば、工程１４２５のサブルーチンに続く。工程１４２５では、サブルーチン１４２０が終了した後、ワークピースのための回転機構が動作する。
溝深さ測定のために真円度試験器に取り付けられた光学ペンの例については、図２０Ａ−２０Ｄにおいて後で詳述する。
ワークピースが回転していなければ、その後、判断工程１４２６のサブルーチンに続く。判断工程１４２６では、ワークピース部分が２光束アッセンブリに相対的に直線移動しているかどうかを決定する。例えば、２光束光学ペンが基準の構造体、機械フレーム、図１８Ａに示すように画像装置の測定ヘッドなどに取り付けられ、ワークピースがリニア軸受装置で直線移動する場合に、判断する。
もし、ワークピースが直線移動していれば、その後、工程１４２７のサブルーチンに続く。工程１４２７では、サブルーチン（例えば、図１３の工程１３３０での測定動作、および、工程１３３０および／または工程１３４０で実行されるワークピースの動作）が終了した後、直線移動機構（例えば、マシンビジョン検査装置のステージ）が動作する。
もし、ワークピースの部分が、直線移動していなければ、その後、そのサブルーチンは終了する。
【０１０４】
図１５は、溝／隙間の幅および／または位置の測定のための２光束クロマティックポイントセンサの測定方法を構成するための典型的なサブルーチン１５２０のフロー図である。例えば、サブルーチン１５２０の動作は、図１３の工程１３２０で実行される動作に、おおよそ対応するものであり、または、その動作として使用できる。また、いくつかの実施形態のように、処理手順１３００で溝／隙間の幅および／または位置を測定するケースでは、工程１３４０でのワークピースの動作（motion）を提供するためにサブルーチン１５２０の動作を使用できる。
工程１５２１にて、本センサ装置の構成において使用する溝／隙間の幅および／または位置を決定する。例えば、溝／隙間の幅および／または位置の呼び寸法を、図面または仕様から決定できる。または、事前の測定などで決定してもよい。
工程１５２２にて、２光束クロマティックポイントセンサの測定を起動する。この測定では、２光束の測定範囲が、工程１４２１で決定された溝／隙間の幅と同等の距離で分離されるように構成される。また、固定されたＺオフセットが、最大値（例えば、ＣＰＳの測定範囲Ｒ）未満になり、かつ、最小値（例えば、少なくとも０．０５＊Ｒ）よりも大きくなる。また、その測定では、２つの測定光束が、２光束クロマティックポイントセンサ装置の検出器の測定範囲内で、区別できる２つの測定ピークを分離生成する。
工程１５２３にて、測定光束が２つの測定軸に沿って（例えば、反対方向ではあるが、互いに平行に）進行するように、２光束アッセンブリが構成される。その２つの測定軸は、一方が溝／隙間の第１側面の表面領域に位置決めされると共に、他方が溝／隙間の第２側面の表面領域に位置決めされるように方向付けられている。
そのような２つの測定光束の方向付け（すなわち、２つの測定光束が逆方向に平行に進むもの）は、図１１の構成１１００Ａ，１１００Ｆに説明されたものはもちろん、図１０に詳しく説明されている。
【０１０５】
判断工程１５２４にて、ワークピースの部分が、２光束アッセンブリに相対的に回転しているかどうかが、決定される。例えば、２光束光学ペンが真円度試験器に取り付けられ、ワークピースが真円度試験器で回転されたかどうかを判断する。
もし、ワークピースが回転していれば、工程１５２５のサブルーチンに続く。工程１５２５では、サブルーチン１５２０が終了した後、ワークピースのための回転機構が動作する。ワークピースが回転していなければ、その後、判断工程１５２６のサブルーチンに続く。判断工程１５２６では、ワークピース部分が２光束アッセンブリに相対的に直線移動しているかどうかを決定する。
もし、ワークピース部分が直線移動していれば、その後、工程１５２７のサブルーチンに続く。工程１５２７では、直線移動機構が動作する。例えば、２光束光学ペンが基準の構造体、機械フレーム、図１８Ａに示すように画像装置の測定ヘッドなどに取り付けられ、ワークピースがリニア軸受装置で直線移動する場合に、その直線移動機構が動作する。この工程は、サブルーチン（例えば、図１３の工程１３３０での測定動作、および、工程１３３０および／または工程１３４０で実行されるワークピースの動作）が終了した後に、実行される。もし、ワークピースの部分が、直線移動していなければ、その後、そのサブルーチンは終了する。
【０１０６】
図１６は、表面／軸受の振れの測定のための２光束クロマティックポイントセンサの測定方法を構成するための典型的なサブルーチン１６２０のフロー図である。例えば、サブルーチン１６２０の動作は、図１３の工程１３２０で実行される動作に、おおよそ対応するものであり、または、その動作として使用できる。また、いくつかの実施形態のように、処理手順１３００で表面の振れを測定するケースでは、工程１３４０でのワークピースの動作（motion）を提供するためにサブルーチン１６２０の動作を使用できる。
振れは、平面または円筒面からの逸脱量に当てはまる。この逸脱量は、ワークピースをそのワークピースの表面に平行とみなせる方向に沿って移動させた場合に、その表面の法線方向に沿った逸脱量を指す。
工程１６２１にて、本センサ装置の構成において使用する高さの差（height
difference）を決定する。この高さの差とは、振れ（公称値）を有する表面と基準面との高さの差を言う。例えば、高さの差（公称値）を、図面または仕様から決定できる。または、事前の測定などで決定してもよい。
工程１６２２にて、測定を起動する。この測定では、固定されたＺオフセットが、同等で、振れ（公称値）を有する表面と基準面との高さの差とは異なる。また、この測定では、２つの測定光束が、２光束クロマティックポイントセンサ装置の検出器の測定範囲内で、区別できる２つの測定ピークを分離生成する。
【０１０７】
工程１６２３にて、測定光束が２つの測定軸に沿って（例えば、平行に）進行するように、２光束アッセンブリが構成される。その２つの測定軸は、第１測定光束が振れの表面領域に位置決めされると同時に、第２測定光束が基準面の表面領域に位置決めされるように、方向付けられている。なお、基準面の表面領域は、振れの表面に隣接する位置に設けられている。また、２光束アッセンブリは、光学ペンに相対的な位置に固定されている。
工程１６２４にて、第１および第２測定光束に起因する複数の測定セットを取得するために、光学ペンに対して振れの表面を相対的に移動させる機構を設ける。例えば、２光束光学ペンが、基準の構造体または機械フレームに取り付けられ、ワークピースが、リニア軸受装置または回転軸受装置で移動させられる場合が挙がる。この機構による移動は、サブルーチン（例えば、図１３の工程１３３０での測定動作、および、工程１３３０および／または工程１３４０で実行されるワークピースの動作）が終了した後に、実行される。
【０１０８】
図１７は、軸受装置で表面が動作（motion）する中の、その表面の横揺れ、または縦揺れの測定のための２光束クロマティックポイントセンサの測定方法を構成するための典型的なサブルーチン１７００のフロー図である。
工程１７２１にて、本センサ装置の構成において使用する２つの測定光束間の間隔距離ＳＥＰＰを（例えば、横揺れ測定のために、動作方向に垂直な方向、または、縦揺れ測定のために、動作方向に平行な方向において、）決定する。
工程１７２２にて、測定を起動する。この測定では、固定されたＺオフセットが、少なくとも最小値（例えば、０．０５＊Ｒ）になる。また、この測定では、２つの測定光束が、２光束クロマティックポイントセンサ装置の検出器の測定範囲内で、区別できる２つの測定ピークを分離生成する。
工程１７２３にて、第１および第２測定光束が２つの測定軸に沿って進行するように、２光束アッセンブリが構成される。その２つの測定軸は、第１測定光束が横揺れまたは縦揺れを有する第１表面領域に位置決めされると同時に、第２測定光束が横揺れまたは縦揺れを有する第２表面領域に位置決めされるように、方向付けられている。
工程１７２４にて、第１および第２測定光束に起因する複数の測定セットを取得するために、光学ペンに対して横振れの表面（roll surface）を相対的に移動させる機構を設ける。例えば、２光束光学ペンが、基準の構造体または機械フレームに取り付けられ、ワークピースが、リニア軸受装置または回転軸受装置で移動させられる場合を挙げる。この機構による移動は、サブルーチン（例えば、図１３の工程１３３０での測定動作、および、工程１３３０および／または工程１３４０で実行されるワークピースの動作）が終了した後に、実行される。
横揺れ角度または縦揺れ角度の変化と動作の関係を、第１および第２の測定光束の各測定の差の変化を決定することによって、計算することができる。各測定の差の変化は、寸法ＳＥＰＰで分離された異なる動作位置における複数の測定セットより得ることができる。
【０１０９】
図１８Ａ−１８Ｄは、２光束アッセンブリ１８０１を含む機器配置１８００を搭載し、また使用する典型的な実施形態を説明するための図である。
顕微鏡タイプのマシンビジョン検査装置に、前記機器配置１８００が搭載され、使用される。このマシンビジョン検査装置は、光学イメージング装置１８３４を備えている。このことは、同時継続中で同一出願人によるＵＳ特許出願公開第２００９／０１０９２８５号公報、および、同一出願人によるＵＳ特許第７，４５４，０５３号公報に記載されている。
画像測定機器とその制御装置の様々な態様は、また、２００４年３月２５日に出願され、同一出願人によるＵＳ特許第７，３２４，６８２号公報、および、２００３年８月４日に出願され、同一出願人によるＵＳ特許出願公開第２００５／００３１１９１号公報にも、より詳しく記載されている。
【０１１０】
ＵＳ特許第７，３２４，６８２号公報、および、ＵＳ特許出願公開第２００５／００３１１９１号公報に詳しく記載されているように、マシンビジョン検査装置は、制御装置部分を含むことができる。この制御装置部分は、取り込みさらに蓄積したワークピース検査画像を、そのワークピース検査画像からワークピース性状を検査・分析するために、呼び戻すことが容易にできて、その検査結果を蓄積および／または出力することもできる。
【０１１１】
図１８Ａに示すように、対物レンズ１８７０を含む光学イメージング装置１８３４は、光軸ＯＡを有し、ワークピース１８８０の表面を拡大して画像表示する。Ｚ軸ガイド用軸受１８３４ａに沿って動作することで焦点が合う。ワークピース１８８０は、ワークピース・ステージ１８７２上の光学イメージング装置１８３４の視野（ＦＯＶ）内に配置されている。このワークピース・ステージ１８７２は、ガイド軸受１８７２ａ上をＸ−Ｙ軸に沿って移動できる。
マシンビジョン検査装置は、機械的なプローブ装置１８３６、および、関連する制御ソフトウェアを含むことができる。これらにおおよそ同等の構成は、イリノイ州オーロラに設立されたミツトヨ・アメリカ・コーポレーション（ＭＡＣ）から入手できる視覚装置のＱＵＩＣＫ  ＶＩＳＩＯＮ（登録商標）ＱＶ  Ａｐｅｘ  ｓｅｒｉｅｓを用いることにより、入手可能である。
プローブ装置１８３６は、２光束アッセンブリ１８０１を取り付けた光学ペン１２０を保持するために用いられ、また、様々な測定機能手段を接続して使用するためにも用いられる。
この構成では、ワークピース・ステージ１８７２およびワークピース１８８０を移動させるために、マシンビジョン制御装置を利用しているだけでなく、これと同時に、ワークピース１８８０に関係付けた位置に光学ペン１２０および２光束アッセンブリ１８０１を自動位置決めするために、プローブ装置１８３６を制御する標準的なマシンビジョン（機械視覚）の技術を組み合わせた標準的な座標測定装置の技術を利用している。これによって、図１３〜図１７について上述した構成のような測定機能を実行できる。
【０１１２】
図１８Ａに示すように、プローブ装置１８３６は、Ｚ軸ガイド軸受１８３６ａに沿って移動可能であり、プローブヘッド・アッセンブリ１８３９を含むことができる。このプローブヘッド・アッセンブリ１８３９は、Ｚ軸回りおよびＺ軸に垂直な軸回りに回転するモータ付きヘッド１８４５を有する。
２光束アッセンブリ１８０１を有する光学ペン１２０は、接続部材１８４４を介して、モータ付きヘッド１８４５に機械的に接続されている。また、光ファイバ１１２が光学ペン１２０と光学ペン用電子機器部分１６０を接続している。
一実施形態では、モータ付きヘッド１８４５として、レニショー（登録商標）の刊行物に記載された「ＰＨ１０モータ付きヘッド・シリーズ」（Gloucestershire, UK Renishaw PLC製）のうちの１つを用いることができる。
図１８Ａには、典型的な制御回路および／または処理手順を表わすブロックも示す。ブロック図は、コンピュータおよびユーザ・インターフェース１８６０、および、視覚装置のコントローラ１８１０を含む。この視覚装置のコントローラ１８１０は、光学ペン用電子機器部分１６０とプローブ・ヘッドのコントローラ１８３０との情報伝達のためのホスト・システムの役目を果たす。全て、互いに内部接続されており、また、電源および制御バス１８１５によってマシンビジョン検査装置の様々な構成要素にも接続されている。図１８Ａの実施形態では、電源および制御バス１８１５が、接続部材１８９２を介してプローブ装置１８３６へも接続されている。
光学ペン用電子機器部分１６０は、２光束アッセンブリを有する光学ペンを使った測定を実行することができ、また、コンピュータおよびユーザ・インターフェース１８６０および／または視覚装置のコントローラ１８１０との間で、制御信号および情報信号を交換することができる。
全体として、先行技術の類似する動作のために使用される構成に類似または一致する構成要素や動作を用いる、上述した様々なブロックを構成することができる。
様々な実施形態において、一般的な信号演算器などを使えば、上述したブロックの動作を実行できることが認識されるだろう。また、様々な実施形態において、様々なブロックに関連付けられた回路および／または処理手順を統合でき、または区別できないように構成できることが認識されるだろう。
【０１１３】
図１８Ｂ、１８Ｃは、それぞれ、あるタイプの測定動作中の２光束アッセンブリ１８０１およびワークピース１８８０の縦断面図および横断面図である。
図１８Ｂ，１８Ｃに示すように、第１測定光束ＦＭＢは、ワークピース１８８０の第１表面領域ＦＳＲに向かって進行すると同時に、第２測定光束ＳＭＢは、第２表面領域ＳＳＲに向かって進行する。
２光束アッセンブリ１８０１をワークピース１８８０に相対的に位置決めし、また、移動するために、プローブ装置１８３６およびワークピース・ステージ１８７２のいずれかまたは両方を利用できる。このようにすることで、第１測定光束ＦＭＢが第１表面領域ＦＳＲに沿ってスキャンでき、同時に、第２測定光束ＳＭＢが第２表面領域ＳＳＲに沿ってスキャンできる。そして、複数の測定セットの測定位置を取得することができる。
【０１１４】
図１８Ｄは、ワークピース１８８０を立体的に示した図である。同図は、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢがそれぞれ第１および第２表面領域ＦＳＲ，ＳＳＲに沿ってスキャンできるように、２光束アッセンブリ１８０１および／またはワークピース１８８０を互いに相対的に（例えば、Ｙ軸方向に沿って）移動させた際に得られる、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢに起因する測定位置を指し示している。
図１８Ｄに示すように、第１測定位置において、１つの測定セットを取得できる。その測定セットは、第１表面測定点ＦＳＭＰ１および第２表面測定点ＳＳＭＰ１を含む。これらの測定点は、第１表面領域ＦＳＲ上の第１測定光束ＦＭＢおよび第２表面領域ＳＳＲ上の第２測定光束ＳＭＢをそれぞれ利用して得られる。
第２測定位置において、第１および第２表面測定点ＦＳＭＰ２，ＳＳＭＰ２の同様のセットを取得できる。また、第３測定位置において、第１および第２表面測定点ＦＳＭＰ３，ＳＳＭＰ３の同様のセットを取得できる。追加の測定点も同様の方法で取得できる。
【０１１５】
様々な実施形態において、測定点のセットを、様々な測定（例えば、ワークピース１８８０の選択寸法の測定、または、上述した図１３〜図１７に示した他の測定）の決定に利用できる。
特定の一実施例において、図１８Ｄで説明したような測定点のセットを、第１および第２表面領域ＦＳＲ，ＳＳＲを同時に、表面粗さおよび／または平坦度または振れなどについて測定する際に利用できる。
もし、動作をＸ軸およびＺ軸方向に分解できるならば、第１および第２表面領域ＦＳＲ，ＳＳＲ間の交角Ａの測定、または、様々な位置（例えば、位置Ａ１，Ａ２，Ａ３）での交角Ａの変化の測定に、使用できる測定のセットを提供することができる。
【０１１６】
図１９Ａ−１９Ｄは、２光束アッセンブリ１９０１のための機器配置１９００を搭載し、また使用する真円度測定装置の典型的な実施形態を説明するための図である。
真円度測定装置１９０２（すなわち真円度試験器）に、前記機器配置１９００が搭載され、使用される。この真円度測定装置は、ＵＳ特許第号５，９２６，７８１公報に記載されている。
【０１１７】
図１９Ａに示すように、真円度測定装置１９０２は、真円度測定器の処理手段１９２９に制御信号および情報信号ケーブル１９３１によって接続されている。
真円度測定装置１９０２は、図示しないモータを内蔵する主筐体１９０３を含むことができる。そのモータは、駆動スピンドルを介して芯出しおよび水平出しユニット１９０５および回転テーブル１９０７を様々な角度に回転させるために制御される。その角度は、図示しないロータリーエンコーダを使用して測定される。芯出しおよび水平出しユニット１９０５には、芯出しおよび水平出し用ノブが設けられている。コラム１９１５は、主筐体１９０３から上方に伸びる。スライダ１９１７は、コラム１９１５を上下に移動できて、水平方向に伸びるアーム１９１９を運ぶ。アーム１９１９の端部は、プローブ・ホルダ１９２１を移動させることができる。このプローブ・ホルダ１９２１は、２光束アッセンブリ１９０１を取り付けた光学ペン１２０を支持するために配置されている。また、プローブ・ホルダ１９２１は、真円度測定装置１９０２によって様々な測定機能手段を接続する場合にも使用される。光ファイバ１１２が光学ペン１２０と光学ペン用電子機器部分１６０を接続している。光学ペン用電子機器部分１６０は、制御信号および情報信号ケーブル１９３１’によって処理手段１９２９に接続されている。処理手段１９２９は、光学ペン用電子機器部分１６０との情報伝達のためのホスト・システムの役目を果たす。
この構成では、図１３〜図１７にて上述したような測定機能手段を発揮するために、プローブ・ホルダ１９２１と光学ペン１２０と２光束アッセンブリ１９０１とをワークピース１９８０に相対的に位置決めする際、また、回転テーブル１９０７とワークピース１９８０を回転させる際に、標準的な真円度測定装置の技術が利用される。
例えば、光学ペン１２０および２光束アッセンブリ１９０１からの出力信号から読み出された値は、複数の測定位置（例えば、測定傾斜位置）として記録される。この複数の測定位置は、回転テーブル１９０７が回転する際に、駆動スピンドル軸の外周方向に所定間隔で設けられる。
【０１１８】
図１９Ｂ，１９Ｃは、それぞれ、あるタイプの測定動作中の２光束アッセンブリ１９０１およびワークピース１９８０の縦断面図および横断面図である。
図１９Ｂ，１９Ｃに示すように、第１測定光束ＦＭＢは、ワークピース１９８０の第１表面領域ＦＳＲに向かって進行すると同時に、第２測定光束ＳＭＢは、ワークピース１９８０の第２表面領域ＳＳＲに向かって進行する。
回転テーブル１９０７が回転すると、第１測定光束ＦＭＢは、第１表面領域ＦＳＲに沿ってスキャンすると同時に、第２測定光束ＳＭＢは、第２表面領域ＳＳＲに沿ってスキャンする。そして、既知の回転角度位置における複数の測定セットの測定位置を取得することができる。例えば、各傾斜位置での溝の同心度および／または深さの決定に使用できる測定位置を取得できる。
【０１１９】
図１９Ｄは、第１および第２表面領域ＦＳＲ，ＳＳＲの一部分を除去して立体的に示した図である。同図は、ワークピース１９８０を回転させた際の、第１および第２測定光束ＦＭＢ，ＳＭＢに起因する測定位置を指し示す。
図１９Ｄに示すように、第１測定位置において、１つの測定セットを取得できる。その測定セットは、第１表面測定点ＦＳＭＰ１および第２表面測定点ＳＳＭＰ１を含む。これらの測定点は、第１表面領域ＦＳＲ上の第１測定光束ＦＭＢおよび第２表面領域ＳＳＲ上の第２測定光束ＳＭＢをそれぞれ利用して得られる。
第２測定位置において、第１および第２表面測定点ＦＳＭＰ２，ＳＳＭＰ２の同様のセットを取得できる。また、第３測定位置において、第１および第２表面測定点ＦＳＭＰ３，ＳＳＭＰ３の同様のセットを取得できる。追加の測定点も同様の方法で取得できる。
【０１２０】
一実施形態では、複数の測定セットの測定点（例えば、測定点ＦＳＭＰ１，ＳＳＭＰ１、測定点ＦＳＭＰ２，ＳＳＭＰ２、測定点ＦＳＭＰ３，ＳＳＭＰ３など）が、ワークピース１９８０の測定を決定する際に利用される。
特定の一実施例において、第１および第２表面測定点ＦＳＭＰ１，ＳＳＭＰ１が寸法Ｄ１を決定する箇所において、その測定点を溝深さ／ステップ高さの決定に利用できる。すなわち、第１測定点における溝深さ／ステップ高さに対応する。
同様に、第１および第２表面測定点ＦＳＭＰ２，ＳＳＭＰ２が寸法Ｄ２を決定すると同時に、第１および第２表面測定点ＦＳＭＰ３，ＳＳＭＰ３が寸法Ｄ３を決定する。対応する測定点にそれぞれ対応した溝深さ／ステップ高さになる。
【０１２１】
図１８Ａ〜図１８Ｄおよび図１９Ａ〜図１９Ｄに示された構成に加えて、加えられた構成が、複数の測定セットを取得できることが認識されるだろう。例えば、スキャン動作を作り出すために異なる機構を利用してもよい。また、異なる方向付け、および、異なる２光束アッセンブリの構成（例えば、図２〜図１２に説明されたように）を、取得したい測定に応じて、利用してもよい。
本発明に係る方法の利点は、従来技術に比べて、共通モードの表面うねり（例えば、切削ツールの迷走（ふらつき）や振動が原因となって生じるもの）が、溝やステップの寸法測定に影響を与えないこと、また、単一の光学ペンにより２つの測定を実行できることである。
さらに、異なる軸または線に沿った一連の測定を実行するために、ペンおよび／または測定表面を異なる二つの寸法または軸に沿ってスキャンする必要が無いという利点もある。このことは、測定の迅速化および測定精度の改善（すなわち、振動やステージの動作などが打ち消し合うため）につながる。
特定の実施形態では、ステージの動的な横揺れ（roll）、縦揺れ（pitch）または首振り（yaw）を測定する。ここに開示された２光束アッセンブリやその動作方法を使わないで、従来技術によって、これらの特定タイプの測定を実行する場合には、高価で大きくて扱いにくい干渉計や特別な光学系が使用されてきた。
これに対して、本発明の２光束アッセンブリおよびその動作方法には、従来技術である干渉測定構造を超える利点がある。本発明のセンサ装置およびその動作方法は、構成し易く、高価な構成要素が少なく（すなわち、簡単な光学系になり）、測定に必要な空間が少なくて済む（すなわち、光学系が小さくなる）。
【０１２２】
ここには、本発明の好適な実施形態が図示および記載されているが、図示および記載されたような機器配置や処理手順に関して多くの変形例が存在することは、ここに開示した技術分野の当業者にとって明白である。このように、ここでは本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことが可能である。
【０１２３】
なお、本発明に係る２光束アッセンブリの構成は、以下のようにするとよい。
２光束アッセンブリは、測定範囲Ｒを有する１の光源光束を供給するクロマティック共焦点ポイントセンサペン（光学ペン）に取り付け可能で、前記光源光束に基づく２つの測定光束を生成するためのものである。
前記２光束アッセンブリは、前記クロマティック共焦点ポイントセンサペンに取り付けられる取付要素と、第１反射要素と、を備える。
前記２光束アッセンブリは、前記クロマティック共焦点ポイントセンサペンに前記取付要素を操作可能に取り付ける際に、前記第１反射要素が、前記光源光束の光軸上に配置されて、前記光源光束を第１測定光束および第２測定光束に分割するように、構成されている。
また、前記２光束アッセンブリは、前記第１測定光束を第１測定軸に沿って、および、前記第２測定光束を第２測定軸に沿って、それぞれワークピースの異なる部分に向けて出射すると共に、前記第１測定光束および前記第２測定光束に起因するワークピース測定光を前記クロマティック共焦点ポイントセンサペンに戻すことを特徴とする。
【０１２４】
また、前記２光束アッセンブリにおいて、前記第１反射要素は、反射領域と透過領域からなる１つのパターンを含んでいる。
【０１２５】
また、前記２光束アッセンブリにおいて、前記反射領域は平面状の反射鏡領域を含んでおり、前記透過領域は開口である。
【０１２６】
また、前記２光束アッセンブリにおいて、前記反射領域は前記光源光束の中に全反射エリアを持ち、また、前記透過領域は前記光源光束の中に全透過エリアを持ち、そして、前記全反射エリアは、前記全透過エリアの±２５％以内の大きさである。
【０１２７】
また、前記２光束アッセンブリにおいて、前記第１反射要素の前記パターンは、その中心を通る線に対して反射のシメントリ性を有している。
【０１２８】
また、前記２光束アッセンブリは、更に、前記第２測定光束の進行方向を、前記第２測定軸に沿って変更するように構成された第２反射要素を含んでいる。
【０１２９】
また、前記２光束アッセンブリにおいて、前記第２反射要素は、第１の平面状の反射鏡を含んでいる。
【０１３０】
また、前記２光束アッセンブリは、前記第１反射要素および前記第２反射要素の反射平面が互いに平行になるように構成されている。
【０１３１】
また、前記２光束アッセンブリは、前記第１反射要素および前記第２反射要素の反射平面が互いに直交するように構成され、また、前記第１測定軸および前記第２測定軸が互いに平行、かつ逆方向に向かうように配置されている。
【０１３２】
また、前記２光束アッセンブリは、前記第１測定軸が前記クロマティック共焦点ポイントセンサペンの光軸と直角になるように、かつ、前記第２測定軸が前記第１測定軸に平行になるように構成されている。
【０１３３】
また、前記２光束アッセンブリは、前記第１測定軸および前記第２測定軸が、前記クロマティック共焦点ポイントセンサペンの光軸に対して横向きになるように構成されている。
【０１３４】
また、前記２光束アッセンブリにおいて、前記取付要素は、前記第１測定軸および前記第２測定軸のうちの一方に平行、または直交する外部軸合わせ面を少なくとも１つ含んでいる。
【０１３５】
また、前記２光束アッセンブリにおいて、前記取付要素は以下のように構成された一つの境界面を含んでいる。すなわち、前記取付要素の境界面が前記クロマティック共焦点ポイントセンサペンの境界面と接するときに、前記第１測定軸および前記第２測定軸の少なくとも一つが、前記クロマティック共焦点ポイントセンサペンの光軸に平行または直交になるように、前記取付要素の境界面が構成されている。
【０１３６】
また、前記２光束アッセンブリにおいて、前記第２測定軸は、前記第１測定軸に対して横向きになるように設けられているのが良い。
【０１３７】
また、前記２光束アッセンブリにおいて、前記第１反射要素の反射面と前記第２反射要素の反射面との間の前記第２測定光束に沿った距離ＳＥＰＰは、前記クロマティック共焦点ポイントセンサペンの最大焦点距離ＭＦ未満であるのが良い。
【０１３８】
また、前記２光束アッセンブリにおいて、前記距離ＳＥＰＰは、前記測定範囲Ｒ未満であるのが良い。
【０１３９】
また、前記２光束アッセンブリにおいて、前記距離ＳＥＰＰは、少なくとも前記測定範囲Ｒであるのが良い。
【０１４０】
また、前記２光束アッセンブリは、少なくとも以下の（ａ），（ｂ）のうちの一つを含んでいるのがよい。
（ａ）前記第１反射要素の反射平面を前記光源光束の光軸に沿って調整して位置決めできるように、前記取付要素に対して前記第１反射要素を相対的な位置に調整して位置決めすることができる調整機能付き取付具。
（ｂ）前記第１反射要素の反射平面を前記光源光束の光軸に沿って調整して位置決めできるように、前記クロマティック共焦点ポイントセンサペンに対して前記取付要素を相対的な位置に調整して位置決めすることができる調整機能付き取付アレンジメント。
【０１４１】
また、前記２光束アッセンブリは、前記第２反射要素の反射平面を前記第２測定光束の光軸に沿って調整して位置決めできるように、前記第１取付要素に対して前記第２反射要素を相対的な位置に調整して位置決めすることができる調整機能付き取付アレンジメントを含んでいると良い。
【０１４２】
また、前記２光束アッセンブリにおいて、前記第１反射要素は、少なくとも１つの部分反射面および少なくとも１つの部分透過面を有する１つのプリズム要素を含んでいると良い。
【０１４３】
また、前記２光束アッセンブリにおいて、前記２光束アッセンブリおよび前記クロマティック共焦点ポイントセンサペンの少なくとも一方は、更に、単一の共焦点開口部を含んでおり、この単一の共焦点開口部が分光器へ２つの信号を提供するように構成されていると良い。
【０１４４】
また、前記２光束アッセンブリにおいて、前記第１反射要素は、反射領域および透過領域を有する１つのパターンを含んでいて、
前記反射領域は、前記光源光束の中に形成された全反射エリアを持ち、また、前記透過領域は前記光源光束の中に形成された全透過エリアを持ち、そして、前記全反射エリアは、前記全透過エリアとの面積差が少なくとも±５％以内であると良い。
【０１４５】
また、前記２光束アッセンブリにおいて、前記第１測定光束からの測定に比べて、前記第２測定光束からの測定には固定されたＺオフセットが含まれている。また、前記２光束アッセンブリは、ステップ高さの特定の呼び寸法を測定できるように構成されている。また、固定された前記Ｚオフセットと前記ステップ高さの呼び寸法との差は、測定範囲Ｒの５％より大きくなるように構成されている。
【０１４６】
また、前記２光束アッセンブリにおいて、前記第１測定軸および第２測定軸は一致していない方がよい。
【符号の説明】
【０１４７】
１００      クロマティックポイントセンサ装置
１２０      クロマティック共焦点ポイントセンサペン（光学ペン）
１９０      第１表面
１９０’    第２表面
１９５      ファイバ開口部（共焦点開口部）
２００，４００，８００，９００，１０００，１２００，１８０１，１９０１
２光束アッセンブリ
２１０，４１０，８１０，９１０，１０１０，１２１０  第１反射要素
４０２，８０２，９０２，１００２  取付要素
１８３６    プローブ装置（移動装置）
１８７２    ワークピース・ステージ（移動装置）
１９０２    真円度試験器
ＦＭＢ      第１測定光束
ＳＭＢ      第２測定光束
ＦＳＲ      第１表面領域
ＳＳＲ      第２表面領域
ＦＳＭＰ１〜ＦＳＭＰ３，ＳＳＭＰ１〜ＳＳＭＰ３  測定位置
ＭＡ１      第１測定軸
ＭＡ２      第２測定軸
ＯＦＦＳＥＴ  オフセット距離
Ｒ          測定範囲
Ｒ１        第１測定範囲
Ｒ２        第２測定範囲
ＳＢ        光源光束
ＳＥＰＰ    間隔距離
【図１】
0005871519.tif 000002
【図２】
0005871519.tif 000003
【図３】
0005871519.tif 000004
【図４】
0005871519.tif 000005
【図５】
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【図６】
0005871519.tif 000007
【図７】
0005871519.tif 000008
【図８】
0005871519.tif 000009
【図９】
0005871519.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0005871519.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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