(57)【要約】      （修正有）【課題】光源と結像光学系と分光計とが同一のハウジング内に配置されている小型クロマティック共焦点距離センサーを提供する。【解決手段】ハウジング７０内に、多色性光源と、縦方向の色収差を有する結像光学系と、分光計と、平面ビームスプリッターとが配置されている。このハウジングは、さらに、光源とビームスプリッターとの間の光路内に配置されている第１の絞り１８と、ビームスプリッターと分光計との間の光路内に配置されている第２の絞り４０とを含む。第１の絞りと第２の絞りは、ビームスプリッターに対して鏡面対称的に配置されている。測定光ＭＬは、ハウジングの内側を自由ビームとして伝播する。ビームスプリッターと、第１の絞りと、第２の絞りは、等方性熱膨張係数を有するキャリア５２上に一体的に固定されていることを特徴とする。【選択図】図３
2018081083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング（７０）を有するクロマティック共焦点距離センサーであって、前記ハウジング（７０）内に、
多色性測定光（ＭＬ）を発生させるように構成されている光源（１０）と、
縦方向の色収差を有する結像光学系（２８）と、
分光計（４４）と、
平面のビームスプリッター表面（２６）であって、前記光源（１０）と前記結像光学系（２８）との間の前記測定光（ＭＬ）の光路内に、また、さらに、前記結像光学系（２８）を通過した後に測定対象物（１４）によって反射された前記測定光の、前記結像光学系と前記分光計（４４）との間の光路内に配置されている、ビームスプリッター表面（２６）と、
前記光源（１０）と前記ビームスプリッター表面（２０）との間の光路内に配置されている第１の絞り（１８）と、
前記ビームスプリッター表面（２０）と前記分光計（４４）との間の光路内に配置されている第２の絞り（４０）と
が配置されており、
前記第１の絞り（１８）と前記第２の絞り（４０）は、前記ビームスプリッター表面（２６）に対して鏡面対称的に配置されている
距離センサーにおいて、
前記測定光（ＭＬ）は、前記ハウジング（７０）内を自由ビームとして伝播すること、及び、
前記ビームスプリッター表面（２６）と、前記第１の絞り（１８）と、前記第２の絞り（４０）は、等方性熱膨張係数を有するキャリア（５２、２２、２４）上に、一体的に固定されていること
を特徴とする距離センサー。
【請求項２】
前記ビームスプリッター表面（２６）はビームスプリッター（２０、９０、２０’）の一部分であること、及び、前記キャリアは、前記ビームスプリッター（２０、９０、２０’）と前記第１の絞り（１８）と前記第２の絞り（４０）とが固定されているキャリア要素（５２）を備えることを特徴とする請求項１に記載の距離センサー。
【請求項３】
前記第１の絞り（１８）と前記第２の絞り（４０）の各々はプレート（５４）を備え、前記プレート（５４）は、絞り開口（５８）を有する光吸収又は反射被覆（５６）を担持することを特徴とする請求項２に記載の距離センサー。
【請求項４】
前記絞り開口（５８）は、１０μｍと５０μｍの間の直径を有することを特徴とする請求項３に記載の距離センサー。
【請求項５】
前記プレート（１８）は支持要素（６０）に固定されており、前記支持要素（６０）は前記キャリア要素（５２）に固定されていることを特徴とする請求項３及び４のいずれか１項に記載の距離センサー。
【請求項６】
前記絞り（１４、４０）の前記プレート（５４）と、前記支持要素（６０）と、前記キャリア要素（５２）はすべて、同一の材料から成るか、又は、異なってはいるが同一の熱膨張係数を有する材料から成ることを特徴とする請求項５に記載の距離センサー。
【請求項７】
前記ビームスプリッターはビームスプリッターキューブ（２０）として構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の距離センサー。
【請求項８】
前記キャリアは、互いに連結されている２つのプリズム（２２、２４）を備え、前記２つのプリズムの間に前記ビームスプリッター表面（２６）が配置されており、前記２つのプリズムはビームスプリッターキューブ（２０’）を形成し、前記ビームスプリッターキューブ（２０’）の外側表面は前記絞り（１８、４０）を担持することを特徴とする請求項１に記載の距離センサー。
【請求項９】
前記測定光（ＭＬ）は、発散光線束として前記ビームスプリッター表面（２６）に入射することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の距離センサー。
【請求項１０】
前記結像光学系（２８）は対物レンズ（３８）を備え、該対物レンズ（３８）は前記ハウジング（７２）の一部分の上に交換可能な形で固定されていること、及び、前記光源（１０）の方向から入る前記測定光（ＭＬ）は、平行光線束として前記対物レンズ（２８）に入射することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の距離センサー。
【請求項１１】
前記分光計（４４）は、検出器ライン（５０）と、反射型回折格子（４８）と、第２の絞り（４０）を前記検出器ライン（５０）上に結像する分光計光学系（４６）とを含むこと、及び、
前記分光計光学系（４６）は、前記回折格子（４８）における反射の前と後に、前記測定光（ＭＬ）が前記分光計光学系（４６）を通過するように、前記測定光（ＭＬ）の光路内に配置されていること
を特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の距離センサー。
【請求項１２】
前記ハウジング（７０）は自動交換可能カップリング（７６）を備え、該自動交換可能カップリング（７６）によって、前記ハウジング（７０）が座標測定機のホルダー上に自動的に固定可能であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の距離センサー。
【請求項１３】
迷光を阻止するためのアパーチャー（１２）が前記光源（１０）と前記第１の絞り（１８）との間の前記光路内に配置されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の距離センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はクロマティック共焦点距離センサー（chromatic confocal distance sensor）に関し、このクロマティック共焦点距離センサーでは、光源と結像光学系と分光計とが同一のハウジング内に配置されている。こうした個別のモジュールの小型化に対応して、こうした距離センサーは非常に小さい寸法を有し且つ軽量であることが可能であり、したがって、座標測定機（ＣＭＭ）のホルダー上に固定されることが可能である。
【背景技術】
【０００２】
対象物の表面に対する距離が非接触式に高精度で測定される必要がある時に、クロマティック共焦点距離センサーが工業的計測において多年にわたって使用されてきた。透明な対象物の場合には、さらに、各々の光インターフェースに関する距離を測定することが可能であり、また、測定された距離の間の差として厚さが得られるので、壁の厚さ又は他の厚さを測定することも可能である。
【０００３】
クロマティック共焦点距離センサーは光源を含み、この光源は、多色性測定光を発生させて、この測定光を絞り（diaphragm）上に方向付ける。これに関連して、絞りは、光がそれから外に出て行くことが可能であり、かつ、任意に光が再び中に入ることも可能である、あらゆる小さな開口を意味することが意図されている。この絞りは、結像光学系によって、測定対象である表面上に結像される。結像光学系の少なくとも一部分が、大きな縦方向の色収差を有する。したがって、異なった色の絞りの画像が、結像光学系の光軸上に連続的に並べられる。測定対象である表面上に絞りの画像が正確に位置していることを生じさせる測定光の分光成分だけが、その測定対象である表面によって反射して戻され、該分光成分が同一の絞りの中に入るか、又は、その絞りと光学共役に配置されている絞りの中に入る。この分光成分の波長が、分光計の補助によって記録される。この場合に、各々の波長は、結像光学系からの個々の距離に割り当てられている。その他の分光成分が、同様に、対象物表面によって部分反射されるが、しかし、こうしたその他の分光成分は、結像光学系によって、同一の絞りの中に、又は、この絞りに光学的に共役している絞りの中に集束させられることが不可能であり、したがって、分光計によって分光分析される測定光の一部分に対してはあまり大きくは寄与しない。
【０００４】
特許文献１が、座標測定機（ＣＭＭ）のホルダーに対して自動交換可能カップリング（automatic changeable coupling）によって固定されることが可能な、クロマティック共焦点距離センサーを開示している。座標測定機によって、対象物の空間座標が高い精度で測定されることが可能である。通常は、座標測定機は、測定されるべき対象物に向けて移動システムによって移動させられる触覚測定ヘッドを備える。この場合に、この移動経路が、変位センサー又は角度センサーによって高精度で記録される。触覚センサーに比較して、光学距離センサーは、特に、測定が無接触式に行われ、このため、さらに、非常に損傷を受けやすい表面又は汚染された表面を問題なく測定することが可能であるという利点を有する。
【０００５】
座標測定機上に交換可能な形で固定されることが可能であるために、クロマティック共焦点距離センサーは、この設計の従来のセンサーの場合には存在しない特定の必要条件を満たさなければならない。例えば、こうした距離センサーは、触覚センサーの固定のために構成されている座標測定機のホルダーによって保持されることが可能であるように、非常に小型であり且つ軽量でなければならない。距離センサーの合計体積は、理想的には約３５０ｃｍ3未満でなければならず、且つ、その重量が約５００ｇ未満でなければならない（これに比較して、従来の触覚センサーは、多くの場合に、２０ｃｍ3未満の体積と、１００ｇ未満の重量しか持たないことが多い）。小さな設置空間は、さらに、熱管理に関する問題点を必然的に伴う。光源と分光計とが受け取る電力の大きな部分がハウジングの内側で熱に変換されるので、測定精度が、熱によって生じさせられる変形によって低下させられることがある。
【０００６】
さらに、ハウジングの外側に配置されているモジュールに対して追加の光学ファイバーによって測定光を案内する必要がないように、分光計と結像光学系と光源とが同一のハウジング内に配置されなければならない。こうした光ファイバーは、特に、座標測定機の自動交換可能カップリングを通して送り込まれなければならず、また、この自動交換可能カップリングは規格通りに形状構成されていない。
【０００７】
上述の特許文献１から知られている距離センサーは、これらの必要条件を必ずしも無条件に満たしているわけではない。（特にファイバーカプラーの領域内で）任意に大きく湾曲させられることが不可能な光ファイバー内を測定光が案内されるので、この距離センサーは非常に大きく且つ重いので、すべての座標測定機に結合されることは必ずしも可能ではない。
【０００８】
特許文献２と特許文献３は、測定光がビームスプリッターの中を自由ビームとして通過するクロマティック共焦点距離センサーを開示している。自由ビームは、光ファイバー内、又は別の光導波管内を案内されない光ビームを意味することが意図されている。これらの既知の距離センサーでは、光源と分光計とが光ファイバーを経由して測定ヘッドに接続されており、この測定ヘッドは、自由ビームビームスプリッターと結像光学系とを含む。したがって、これらの距離センサーは、座標測定機に自動的に連結されることは不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許第２，６６７，１５２号明細書
【特許文献２】仏国特許出願公開第２，９３０，３３４号明細書
【特許文献３】仏国特許発明第２，９５０，４４１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、高い測定精度を有するが、非常に小さく且つ軽量なため、必要に応じて座標測定機のホルダー上への固定が可能である、クロマティック共焦点距離センサーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、ハウジングを有するクロマティック共焦点距離センサーによって、本発明にしたがって実現される。多色性測定光を発生させるように構成されている光源が、ハウジング内に配置されている。さらに、ハウジング内には、縦方向の色収差を有する結像光学系と、分光計と、平面のビームスプリッター表面とが配置されており、この平面ビームスプリッター表面は、光源と結像光学系との間の測定光の光路内に、さらに、結像光学系の中を通過した後に測定対象物によって反射された測定光の、結像光学系と分光計との間の光路内に、配置されている。距離センサーのハウジングは、さらに、光源とビームスプリッター表面との間の光路内に配置されている第１の絞りと、ビームスプリッター表面と分光計との間の光路内に配置されている第２の絞りとを含む。第１の絞りと第２の絞りは、ビームスプリッター表面に対して鏡面対称的に配置されている。本発明では、測定光は、ハウジングの内側を自由ビームとして伝播する。さらに、ビームスプリッター表面と、第１の絞りと、第２の絞りは、等方性熱膨張係数を有するキャリア上に、一体的に固定されている。
【００１２】
導入部（背景技術）で言及した特許文献１から知られている距離センサーでは、測定光は少なくとも部分的に光ファイバー内を案内されるが、本発明による距離センサーでは、測定光はハウジングの内側で完全に自由ビームとして伝播する。したがって、測定光は、反射表面によって、非常に小さい空間内をすべての空間方向において複数回にわたって折り曲げられることが可能であり、したがって、非常に小さいハウジング寸法（例えば、６５×４５×１１０ｍｍ）とこれに対応する４００ｇ未満の軽い重量とが実現されることが可能である。
【００１３】
こうした高密度に実装された光学要素の場合には放熱が問題になるので、第１の絞りと第２の絞りは、等方性熱膨張係数を有するキャリア上に一体的に固定されている。温度変化の結果としてキャリアの変形が生じる場合には、共通キャリア上の絞りの鏡面対称的配置が、そのキャリアの等方性熱膨張係数の故に、ビームスプリッター表面とこれらの絞りとの間の光路が常に均等に変化するという効果を有する。したがって、絞りの相互間の光学的共役が、ほぼ完全に温度に無関係に維持される。したがって、コンパクトな設計の故に完全には回避できない温度変化の発生時に、測定精度の大きな低下が発生する可能性がない。
【００１４】
ビームスプリッター表面は、ビームスプリッターの表面であり、この表面では、入射光ビームが２つの副次的ビームに分割される。通常は、この分割は強度によって生じるが、原理的には、偏光状態にしたがった分割（splitting）も想定可能である。樹脂によって互いに接着されている２つのプリズムから成るビームスプリッターキューブの場合には、ビームスプリッター表面は、プリズムの互いに隣接した斜辺表面の１つであり、このスプリッター表面は金属被覆又は誘電性被覆を有する。この被覆は、透過ビームと反射ビームとの間の強度比率を生じさせる。ビームスプリッタープレートの場合には、ビームスプリッター表面は、そのプレートの外側表面であり、この外側表面上に光が入射して部分反射される。スプリッタープレートの場合には、発散ビームがスプリッタープレートに衝突する時に多重反射と追加的な非点収差とコマ収差とが生じることがあるので、ビームスプリッターキューブが、ビームスプリッタープレートよりも好ましい。さらに、数マイクロメートルの厚さの膜から成り且つビームスプリッター表面を形成するフィルムスプリッターも、ビームスプリッターとして認識される。この膜は、例えばニトロセルロースから成ってもよく、また、通常は、キャリアフレーム内に平面状に伸張されている。したがって、このビームスプリッターのプリズム、ガラス板、又は、キャリアフレームが、同様に、絞りが上に配置されているキャリアの一部分と見なされ、したがって、同様に、少なくとも概ね等方性である熱膨張係数を持たなければならない。
【００１５】
通常は、キャリアは例えばプレート形のキャリア要素を備え、このキャリア要素上に、ビームスプリッター表面と第１の絞りと第２の絞りとを備えるビームスプリッターが固定されている。このキャリア要素は、さらに、幾つかの部品の形に構成されてもよい。
【００１６】
絞りは、それぞれに、絞り開口を有する不透明な円板であってもよい。この絞り開口が無視できない軸方向の大きさを有するので、第１の絞りと第２の絞りの各々が、絞り開口を有する光吸収又は反射被覆を保持するプレートを備えることが有利である。この絞り開口は非常に小さく、典型的には、１０μｍと５０μｍの間の直径を有する。被覆は、例えば、クロムから成ってもよく、非常に薄くてもよい。
【００１７】
例示的な一実施態様では、そのプレートは支持要素上に固定されており、この支持要素はキャリア要素上に固定されている。この支持要素は、さらに、互いに同一の金属で作られなければならない。
【００１８】
可能な限り小さい温度依存性を得るために、キャリア要素と、支持要素と、この支持要素上に固定されているプレートはすべて、同一の材料から成るか、又は、互いに異なっているが同一の熱膨張係数を有する材料から成ることが好ましい。
【００１９】
ビームスプリッターがビームスプリッターキューブとして構成される場合には、ビームスプリッターと絞りとが上に固定されている追加のキャリア要素が、省略されてもよい。この場合には、ビームスプリッターキューブを構成するプリズム自体が、ビームスプリッター表面からの絞りの所望の距離を確実なものにするキャリアを形成する。この場合、絞りは、２つのプリズムの外側表面によって直接的に担持される。これを実現するために、絞り開口から離れている、関連したプリズム外側表面が、光吸収性又は反射性であるように被覆されてもよい。
【００２０】
測定光が発散光線束としてビームスプリッター表面に入射することが好ましいが、これは、この場合に、少なくとも、低い反射係数又は傾斜した対象物表面の故にわずかな測定光だけしか反射しない測定対象物に関して、分光計に入る迷光がより少なくなり、それで測定精度が改善されるからである。
【００２１】
好ましくは、結像光学系が対物レンズを有し、この対物レンズはハウジングの一部分上に交換可能な形で固定されており、光源の方向から到来する測定光が、平行光線束として対物レンズに入る。交換可能な対物レンズは、異なる焦点距離を有する対物レンズを使用することと、したがって、個々の測定作業に対して測定距離を適合させることとを可能にする。平行光線束としてビームスプリッターから到来する測定光が対物レンズに入るので、ハウジングの他の部分に対する対物レンズの結合の精度に関する必要条件が低減させられる。
【００２２】
１つの例示的な実施態様では、分光計は、検出器ライン（detector line）と、反射型回折格子と、第２の絞りを検出器ラインに映す分光計光学系とを含む。この分光計光学系は、回折格子における反射の前と後に測定光が分光計光学系の中を通過するように、測定光の光路内に配置されている。分光計光学系を測定光がこのように２回通過するので、必要とされる設置空間がさらに減少させられることが可能である。しかし、複数のレンズから成る高品質の分光計光学系を使用することが可能であり、この高品質の分光計光学系は第２の絞りを検出器ライン上に鮮明に映し、したがって高い信号強度の実現を確実なものにする。
【００２３】
好ましくは、ハウジングは自動交換可能カップリングを備え、この自動交換可能カップリングによって、ハウジングが座標測定機のホルダー上に自動的に固定されることが可能である。この場合に、非常に小さく且つ軽量である距離センサーの利点を、座標測定機での使用のために用いることが可能である。小さく且つ軽量である距離センサーは、さらに、座標測定機とは無関係に、距離センサーの小さなサイズと軽量性とが重要であるすべての測定作業のために有利に使用することができる。
【００２４】
本発明の例示的な実施形態を、添付図面を参照しながら、以下でさらに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】単純化された子午断面の形で、本発明による距離センサーのビーム経路を示す。
【図２】距離センサーのハウジング内に配置されている、２つの絞りを有する小型化されたビームスプリッターモジュールの斜視図を示す。
【図３】後部ハウジング壁が取り外されている時の、距離センサーの単純化された斜視図を示す。
【図４】後部ハウジング壁の単純化された斜視図を示す。
【図５】ビームスプリッタープレートがビームスプリッターとして使用されている、本発明による距離センサーにおけるビーム経路の詳細を示す。
【図６】ビームスプリッターキューブの外側表面が絞りを担持する、ビームスプリッターキューブの斜視図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１は、例示的な第１の実施形態による、全体がＳで示されている本発明による距離センサーのビーム経路を、単純化された子午断面図の形で示す。図１の左最上部では、番号１０が、多色性測定光ＭＬを発生させるように構成されている光源を示す。この「多色性」（polychromatic）は、単色ではなく、したがって、単一の波長の光だけから成るのではない光を意味している。多色性測定光ＭＬのスペクトルは、連続的又は不連続的であってもよい。
【００２７】
この図示されている例示的な実施形態では、使用される光源１０は、約４００ｎｍと約７２０ｎｍの間の連続スペクトルを発生させる白色ＬＥＤである。この白色光ＬＥＤは、その平面的な光出口表面の全体にわたって均等に測定光ＭＬを放射する。
【００２８】
白色光ＬＥＤは、該ＬＥＤの後ろ側から熱損失を隣接ハウジング壁に放散させる特殊な熱橋の上に取り付けられてもよい。
【００２９】
アパーチャー１２が光路内で光源１０の後方に配置されており、このアパーチャー１２によって測定光円錐の角度が限定される。測定されるべき測定対象物１４の上に集束させられることが不可能であり、且つ、このアパーチャー１２無しでは散乱又は望ましくない多重反射の結果として測定精度を低下させる迷光を生じさせることがある、測定光が後続のビーム経路の中に入ることを、アパーチャー１２が防止する。アパーチャー１２によってその伝播が防止される迷光ビーム１６が、図１に一例として示されている。
【００３０】
測定光ＭＬは、さらに続いて、第１の絞り１８内を通過する。この第１の絞り１８の構造を、図２を参照してより詳細に後述する。絞り１８を通過する測定光ＭＬは分岐してビームスプリッターキューブ２０に当たり、このビームスプリッターキューブ２０は、樹脂層によってそのプリズムの斜辺表面に沿って互いに接着されている２つのプリズム２２、２４から公知の形で構成されている。図５に示されているビームスプリッタープレートとは対照的に、このビームスプリッターキューブ２０は、発散ビームの場合に多重反射と追加的な非点収差とコマ収差といった問題を全く生じさせない。例示的な実施形態では、測定光ＭＬの大部分が、反射なしにビームスプリッター表面２６を通過して、図示された例示的な実施形態では４つのレンズから成る結像光学系２８に当たるように、ビームスプリッターキューブ２０が構成されている。第１のレンズ３０は、正の屈折力を有し、入射する発散測定光ＭＬを平行にする。第２のレンズ３２は、負の屈折力を有し、測定光ＭＬを拡幅する。第３のレンズ３４も、正の屈折力を有し、入射する発散測定光ＭＬを平行にする。第４のレンズ３６は、入射する平行な測定光ＭＬをそのレンズの焦平面内に集束させる。
【００３１】
レンズ３０、３２が無視できるほど小さい縦方向色収差を有し、好ましくは非球面であるが、第３のレンズ３４と第４のレンズ３６とが大きな縦方向色収差を有するように、高分散を有する材料が、第３のレンズ３４と第４のレンズ３６とのために選択されてきた。これに対する代替案として、レンズ３４、３６は、さらに、例えば欧州特許出願公開第２，５００，６８５号明細書から知られているように、回折レンズとして構成されてもよい。縦方向色収差の結果として、測定光ＭＬの様々な分光成分が、第４のレンズ３６によって、異なる距離で集束させられる。この場合には、結像光学系２８は、広い波長範囲内のすべての波長に関して小さく鮮明な焦点が形成されるように最適化されており、焦点は光軸に沿って連続的に配置されている。色補正されていない通常の光学系の場合には、反対に、小さく鮮明な焦点が概ね小さな波長範囲だけに関して得られるが、しかし、他の波長の光は、かなり大きな非集束スポットにだけに集中させられる。
【００３２】
第２の、第３の、及び、第４のレンズ３２、３４、３６は、対物レンズ３８の形に組み合わされ、この対物レンズ３８は、ねじ山によって距離センサーＳのハウジング部品上に交換可能な形で固定される。光学レンズ３８と交換することができる交換用の対物レンズ３８'が、図１において対物レンズ３８の下方に点線で示されている。この場合に、交換用の対物レンズ３８'の第４のレンズ３６’は、対物レンズ３８の第４のレンズ３６よりも大きい屈折力を有する。したがって、交換用の対物レンズ３８’は、対物レンズ３８よりも短い焦点距離を有する。したがって、測定対象物１４が対物レンズ３８に対して（又は、この逆に）相対的に配置される作動距離（working distance）を、それぞれの測定作業に適合させることが可能である。測定光ＭＬが平行光にされた形で対物レンズ３８の中に入るので、わずかな横断方向のオフセットが、光学的結像に対してそれほど大きい影響を与えない。このことが、ハウジングの他の部分の上に対物レンズ３８を固定する際に用いる連結フランジの精度に関する必要条件を低減させる。
【００３３】
測定対象物１４の表面４２によって反射される測定光ＭＬは、結像光学系２８によって受け取られ、ビームスプリッターキューブ２０上に戻る形に方向付けられる。反射された測定光ＭＬは、ビームスプリッター表面２６において部分的に反射される。反射された成分は、測定対象物１４の表面４２に対して光学的に共役な位置にある第２の絞り４０を通過する。したがって、結像光学系２８は、第１の絞り１８を、測定対象物１４の表面４２上の中間的画像を介して、第２の絞り４０上に映す。したがって、２つの絞り１８、４０は光学的に共役である。
【００３４】
絞り４０を通過する測定光ＭＬは、折り曲げ鏡（folding mirror）４３を経由して分光計４４の中に進み、この分光計４４は、この場合には、レンズで示されている分光計光学系４６と、反射型回折格子４８と、感光性検出器画素（photosensitive detector pixel）の検出器ライン５０とをのみ備える。
【００３５】
第２の絞り４０と検出器ライン５０は分光計光学系４６の焦平面内に位置しており、したがって、分光計光学系４６内を最初に通過した後に、測定光ＭＬは、平行にされながら、反射型回折格子４８に当たる。分光計光学系４６内をさらに通過した後に、反射型回折格子４８によって偏向させられた測定光ＭＬは、分光計光学系４６によって検出器ライン５０上に集束させられる。したがって、分光計光学系４６は、第２の絞り４０を検出器ライン５０上に映す。
【００３６】
上述したように、測定光ＭＬは、発散光線束としてビームスプリッターキューブ２０内に入る。これによって分光計４４の中に入る迷光の量が減少させられるので有利である。特に、入射測定光ＭＬのわずかな部分（典型的には約１％）が、後ろ側の平面において、即ち、測定対象物１４に面する平面において、常に反射される。ビームスプリッターキューブ２０内で反射されるこの測定光は、分光計４４の方向において迷光としてビームスプリッター表面２６によって反射される。軸方向に平行なビーム経路の場合には、迷光が、この場合に必要とされる収束レンズを経由して第２の絞り４０内を通って十分に分光計の中に入り、分光計の測定を妨害する可能性がある。しかし、この場合には測定光が発散光線束としてビームスプリッターキューブ２０内に入るので、この迷光の非常に小さな部分だけが、ビームスプリッター表面２６によって第２の絞り４０の開口上に方向付けられるに過ぎず、迷光の残り部分は第２の絞り４０によって阻止される。
【００３７】
測定光ＭＬが発散してビームスプリッターキューブ２０の後ろ側の平面に当たるので、分光計４４の方向に反射される迷光束は、第２の絞り４０に当たる時に大きく広げられる。したがって、この迷光の非常にわずかな部分だけが分光計の中に入って、干渉ノイズ背景に寄与する可能性があるにすぎない。
【００３８】
距離測定が、この場合に、それ自体は公知である共焦点クロマティック測定原理にしたがって行われる。特定の波長の測定光ＭＬだけが、結像光学系２８によって、測定対象物１４の表面４２が位置している平面内に集束させられる。この測定光の一部分が表面４２によって反射され、この測定光が第２の絞り４０を通過することが可能であるように、結像光学系２８によって第２の絞り４０上に集束させられる。他の波長の光が同様に測定対象物１４の表面４２において反射されるが、この光が結像光学系２８によって第２の絞り４０内に集束させられないので、この光の非常にわずかな部分だけしか第２の絞り４０を通過できない。
【００３９】
したがって、基本的に、特定の波長を有する測定光ＭＬだけが分光計４４の中に入ることが可能である。その他の波長では強度が著しく低下する。反射型回折格子４８における回折角が波長に依存するので、この波長の測定光は特定の方向に逸脱させられ、検出器ライン５０上に位置する点Ｐに分光計光学系４６によって集束させられる。図１に破線と点線によって示されているように、強度が著しくより低い測定光ＭＬのその他の成分は、他の方向に回折させられ、検出器ライン５０上のその他の位置において分光計光学系４６によって集束させられる。したがって、検出器ライン５０の画素において記録された強度を評価することによって、測定対象物１４の表面４２上にレンズ３４、３６によって正確に集束させられた測定光ＭＬの波長を測定することが可能である。波長と、色に関して未補正であるレンズ３４、３６の焦点距離との間の関係が知られているので、測定対象物の表面４２に対する距離を、記録された波長から直接的に得ることが可能である。
【００４０】
図１に示されている距離センサーＳでは、その個々の光学要素が、フレーム又はホルダーなしに示されている。より詳細に後述するように、これらの光学要素は、空間的に互いに非常に密集した形で配置されており、したがって、特に光源１０と検出器ライン５０とによって発生させられる熱が、光学要素のフレームとホルダーに容易に伝達される可能性がある。
【００４１】
これに関連して、２つの絞り１８、４０の配置が特に重要である。絞り１８、４０の開口が、高い横方向測定分解能のために非常に小さくなければならず（直径が１０μｍと５０μｍとの間であることが好ましい）、さらには、温度により誘発される絞り１８、４０の間の非常に小さい相対的移動によって、結像光学系２８が第１の絞り１８を第２の絞り４０上に正確に結像することは不可能となる。
【００４２】
回避不可能な温度変動に起因する測定精度の悪化を防止するために、図２の斜視図に示されているように、ビームスプリッターキューブ２０は、絞り１８、４０と共に、共通のプレート形キャリア要素５２上に固定されている。このキャリア要素５２は、等方性熱膨張係数を有し、このキャリア要素によって支持されている構成要素と共に、絞りモジュール５１を形成し、この絞りモジュール５１は、好ましくは、位置合わせのために幾つかの部品の形で構成されており、且つ、距離センサーＳのハウジング壁の上に固定されるか又はこのハウジング壁と一体化されることが可能である。
【００４３】
第１の絞り１８は透明な立方形プレート５４を備え、この透明立方形プレート５４は光吸収被覆５６を担持する。被覆５６は絞り開口５８を有し、この絞り開口５８を通って測定光が絞り１８の中を通過することが可能である。プレート５４は、同様に立方形である支持要素６０上に固定され、この支持要素６０は、キャリア要素５２の表面上に固定されている。光吸収被覆５６が非常に薄いので、絞り開口５８は無視できるほど小さい軸方向長さしか持たず、したがって、絞り効果は入射光の入射角には依存しない。プレート５４は、紫外光を受けて硬化する接着剤によって支持要素６０上に堅固に接着されており、接着剤接合の前に慎重に互いに位置合わせされている。絞り１８、４０の絞り開口５８によって画定されている光軸は、ビームスプリッター表面２６上の１つの点においてビームスプリッターキューブ２０内で交差しなければならず、したがって、結像光学系２８は、絞り１８、４０の絞り開口５８を互いの上に正確に映すことが可能である。
【００４４】
第２の絞り４０は同一の形に構成されている。光吸収被覆５６が内部に延在するとともに光軸に対して垂直に方向配置されている第２の絞りの絞り平面は、第１の絞り１８の絞り平面に対して直角に方向配置されている。ビームスプリッターキューブ２０は、キャリア要素５２の隅に固定されている。
【００４５】
図１と図２では、絞り１８、４０がビームスプリッター表面２６に関して鏡面対称的に配置されているということが見てとれる。
【００４６】
図示された例示的な実施形態では、光吸収被覆５６とは別の、絞りモジュール５１のすべての構成要素は、石英ガラスから成る。しかし、高精度の測定では通例である２０℃の動作温度において、ほぼゼロに近い小さい熱膨張係数を有するＺｅｒｏｄｕｒTMが想定されてもよい。しかし、光源１０と検出器ライン５０とが全体的に数ワットの範囲内の電力消費を生じるので、図２に示されている光学要素と特にそのフレームとホルダーとが熱膨張するような大きな温度上昇が生じることがある。
【００４７】
絞り１８、４０がビームスプリッターキューブ２０のビームスプリッター表面２６に対して鏡面対称的にキャリア要素５２上に配置されているので、絞り１８、４０とビームスプリッター表面２０との間の相対的な配置は、熱によって誘発される長さの膨張の発生時にも変化することはない。したがって、こうした膨張では、第１の絞り１８の画像が、依然として第２の絞り４０の光軸上に正確に位置しており、単に光軸に沿って幾分かずれているにすぎないが、このずれは、測定光ＭＬの小さな開口数と、その当然の結果としての大きな焦点深度とによって問題とはならない。
【００４８】
図３は、非常に単純化した斜視図の形で本発明による距離センサーＳを示す。図１と図２に示されているすべての光学要素はハウジング７０内に収容されており、このハウジング７０は、図３に見てとれる主ハウジング部品７２と、対物レンズ３８を受け入れる取り外し可能なハウジング部品７４と、図４にのみ示されている後部ハウジング壁７６とを備える。後部ハウジング壁７６は、座標測定機（図示せず）のホルダーに対して距離センサーＳを連結するための自動交換可能カップリング７８を備える。
【００４９】
第１のハウジング部品７２内には、絞りモジュール５１と、結像光学系２８の第１のレンズ３０と、分光計光学系４６のハウジング８０と、折り曲げ鏡４３と、検出器ライン５０とを見てとることが可能である。ハウジングの前面には、切り抜き７９を見ることができ、この切り抜きを通って測定光ＭＬが主ハウジング部品７２から外に出て、交換可能な対物レンズ３８の中に入る。評価電子回路又は電圧源のような他の部品は、図を明瞭にするために図３には示されていない。さらに、光学要素のためのフレーム及び他のホルダーがこの図では省略されている。
【００５０】
単一の軸方向測定光ビームＭＬが、図３の斜視図に示されている。測定光ＭＬがハウジング７０の縦方向に対して概ね平行に伝播するように、測定光ＭＬが絞りモジュール５１上の第２の絞りを通過してビーム平面の外に出た後に、折り曲げ鏡４３が測定光ＭＬを偏向させていることが看取できる。したがって、ビームスプリッター表面２６と折り曲げ鏡４３との相互作用によって、測定対象物１４によって反射された測定光ＭＬは、３つの空間的方向に折り曲げられ、これにより極めてコンパクトな構造を実現可能となる。距離センサーＳは、図３に概ね１：１のスケールで示されており、したがって、この図に示されている寸法は、距離センサーＳの実際の寸法に概ね一致している。
【００５１】
図５は、本発明による距離センサーＳの別の例示的な実施形態におけるビーム経路の詳細を示す。第１の例示的な実施形態とは対照的に、ビームスプリッタープレート９０が、ビームスプリッターキューブの代わりに、ビームスプリッターとして使用される。図５では左向きであるビームスプリッタープレート９０の第１のプレート表面が、ビームスプリッター表面２６を形成し、このビームスプリッター表面２６では、入射測定光ＭＬが部分反射され、このビームスプリッター表面に対して絞り１８、４０が鏡面対称的に配置されている。通常は、この平面は、透過光と反射光との間の比率を設定し得る誘電性被覆を備えている。図５では右向きである第２の平面９２が、第１の平面を通過することが可能な測定光ＭＬが第２の平面では反射されないように、反射防止被覆を備えている。
【００５２】
図６は、第３の例示的な実施形態によるビームスプリッターキューブ２０’の斜視図である。ビームスプリッターキューブ２０’は、原則的に、図２に示されているビームスプリッターキューブ２０と正確に同じ形に構成されており、したがって、同様に、互いに連結されている２つのプリズム２２、２４を備え、これらのプリズム２２、２４の間をビームスプリッター表面２６が延在する。しかし、第１の例示的な実施形態とは対照的に、絞り開口５８を備えるとともに絞り１８、４０を形成する光吸収被覆５６が、別個のプレートによって担持されているのではなく、ビームスプリッターキューブ２０’の外側表面によって直接的に担持されている。このようにして、ビームスプリッターキューブのプリズム２２、２４自体が、絞り１８、４０のためのキャリアを形成し、このキャリアは等方性熱膨張係数を有する。
【符号の説明】
【００５３】
１０    光源
１４    測定対象物
１８    第１の絞り
２２、２４    キャリア
２６    ビームスプリッター表面
２８    結像光学系
４０    第２の絞り
４４    分光計
５２    キャリア要素
６０    支持要素
【図１】
2018081083.tif 000003
【図２】
2018081083.tif 000004
【図３】
2018081083.tif 000005
【図４】
2018081083.tif 000006
【図５】
2018081083.tif 000007
【図６】
2018081083.tif 000008
【外国語明細書】
2018081083000001.pdf