(57)【要約】【課題】スペクトルピーク信号のＳＮ比を上げることができるクロマティック共焦点センサ光学ペンを提供すること。【解決手段】  中央光束遮光開口要素２０８がクロマティック測距用のクロマティック共焦点センサ光学ペンに用いられる。中央光束遮光開口要素は、遮光板２０８Ｂにより、他の方法ではクロマティック共焦点センサ光学ペンを通過する光軸近傍の光を遮光する。これにより、光学ペンの有効光束の平均開口数が増加し、クロマティック共焦点センサシステムの分光器に光学ペンが与える対応するスペクトルピークの幅が小さくなり、全体の測定解像度が向上する。【選択図】図２
2011242397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面までの距離を測定するのに利用可能な信号を提供するよう動作可能なクロマティック共焦点センサ光学ペンであって、
筐体と、前記クロマティック共焦点センサ光学ペンの光軸に沿って配設された中央光束遮光開口要素と、光源光を出力し反射光を受光するように構成されたファイバ開口を有する入出力光ファイバと、前記クロマティック共焦点センサ光学ペンの光軸に沿って配設され、光源光を受光しワーク表面に合焦された光源光を軸方向に色分散させつつ出力し、前記ワーク表面からの反射光を受光し前記反射光を前記ファイバ開口近傍の点に合焦させるレンズ構造と、を有し、
前記中央光束遮光開口要素は、前記光軸に沿って配設され前記光軸に対して最小遮光部境界寸法ＲＭＩＮを有する遮光部と、前記光軸から離隔配置され前記光軸に対して少なくともＲＭＩＮの最小寸法を有する開口部内部境界と、を有し、
前記遮光部は前記光軸近傍の光を遮光し、前記開口部は光を透過し、前記ファイバ開口が前記開口部からの反射光を支配的に受光するように構成されることを特徴とするクロマティック共焦点センサ光学ペン。
【請求項２】
請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペンであって、
前記反射光は、前記中央光束遮光開口要素の遮光平面での全ての前記反射光を含む前記光軸に対する最小半径である有効光半径ＲＭＡＸを規定し、
前記最小遮光部境界寸法ＲＭＩＮは、少なくとも前記有効光半径ＲＭＡＸの３０パーセントであることを特徴とするクロマティック共焦点センサ光学ペン。
【請求項３】
請求項２に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペンであって、
前記開口部内部境界は、円形であることを特徴とするクロマティック共焦点センサ光学ペン。
【請求項４】
請求項２に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペンであって、
前記中央光束遮光開口要素は、前記開口部を囲み、全ての前記反射光を境界付け前記有効光半径ＲＭＡＸを規定する開口部外部境界を形成する外部マスキング領域を有することを特徴とするクロマティック共焦点センサ光学ペン。
【請求項５】
請求項２に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペンであって、
前記最小遮光部境界寸法ＲＭＩＮは、前記有効光半径ＲＭＡＸの少なくとも４０％であることを特徴とするクロマティック共焦点センサ光学ペン。
【請求項６】
請求項２に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペンであって、
前記最小遮光部境界寸法ＲＭＩＮは、前記有効光半径ＲＭＡＸの少なくとも５０％であることを特徴とするクロマティック共焦点センサ光学ペン。
【請求項７】
請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペンであって、
前記中央光束遮光開口要素は、光軸近傍の反射光の全ての波長を遮光することを特徴とするクロマティック共焦点センサ光学ペン。
【請求項８】
請求項７に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペンであって、
前記遮光部は、不透明な部材であることを特徴とするクロマティック共焦点センサ光学ペン。
【請求項９】
請求項７に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペンであって、
前記遮光部は、部分的に遮光性かつ部分的に透光性の部材であって、（ａ）前記中央光束遮光開口要素の遮光平面中で均一に透光性であるか、（ｂ）光軸近傍で比較的透光性が低く前記中央光束遮光開口要素の遮光平面での光軸から所定距離でより透光性が高いもののいずれか、であることを特徴とするクロマティック共焦点センサ光学ペン。
【請求項１０】
請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペンであって、
前記中央光束遮光開口要素は、透光性基板を有し、
前記遮光部は、前記透光性基板のマスク領域を含み、
前記開口部は、前記透光性基板の非マスク領域を含むことを特徴とするクロマティック共焦点センサ光学ペン。
【請求項１１】
請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペンであって、
前記中央光束遮光開口要素は、前記レンズ構造と前記入出力光ファイバとの間に設けられることを特徴とするクロマティック共焦点センサ光学ペン。
【請求項１２】
請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペンであって、
前記中央光束遮光開口要素は、前記レンズ構造によって出力された前記合焦光源光中に設けられることを特徴とするクロマティック共焦点センサ光学ペン。
【請求項１３】
請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペンであって、
前記中央光束遮光開口要素は、前記レンズ構造中に設けられることを特徴とするクロマティック共焦点センサ光学ペン。
【請求項１４】
請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペンであって、
前記中央光束遮光開口要素は、金属基板を有し、
前記遮光部は、前記金属基板内に支承された領域を含み、
前記開口部は、前記金属基板を貫通する孔を含むことを特徴とするクロマティック共焦点センサ光学ペン。
【請求項１５】
請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペンであって、
前記遮光部は、円形であり、
前記開口部は、環状であることを特徴とするクロマティック共焦点センサ光学ペン。
【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センサ光学ペンに関する。より詳細には、高精度測定装置として利用されるクロマティック共焦点測距用光学ペンのクロマティックセンサレンズ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
距離の検出あるいは計測分野において、制御された色収差技術が利用可能である。
非特許文献１には、制御された長手方向色収差（ここでは軸方向色分散とも呼ぶ）を光学撮像システムに導入することで、撮像システムの焦点距離を波長とともに変化させ、これにより光学測定手段を構成することが記載されている。特に、レンズは、その後側焦点距離（ＢＦＬ）が波長の単調関数となるように設計可能である。このようなレンズは、白色光で動作するとき、軸方向に分散する焦点の虹を示し、これを距離測定分野の分光プローブとして利用可能である。
【０００３】
別の例として、特許文献１には、軸方向または長手方向色分散とも呼ぶことのできる軸方向色収差を有する光学素子を用い、焦点までの軸方向距離が波長に応じて変化するように、広帯域の光源を合焦させることが記載されている。
このような構成では、特定の波長のみが対象物の表面上に正確に合焦し、どの波長が最も合焦するかを調べることによって軸方向の距離または表面高さを決定することができる。対象物の表面から反射したとき、光はピンホールあるいは光ファイバの端部等の「小さな検出手段の開口」に再び合焦する。対象物表面からの反射時、表面上で良く合焦した波長のみがピンホールあるいはファイバ上に良く合焦する。他の全ての波長は、ファイバ上でうまく合焦せず、ファイバに多くのパワーを伝えない。
従って、対象物の高さに対応する特定の波長において、信号レベルが最大となる。このような特定の波長を調べるために、検出手段の分光器は、対象物の高さを有効に示す各波長の信号レベルを測定する。
【０００４】
工業環境におけるクロマティック共焦点測距に適した実用的かつコンパクトな光学アセンブリは、クロマティック共焦点センサあるいは同「光学ペン」と呼ばれる。
Ｚ軸方向の高さを測定する光学ペン装置の一つの例として、フランス、エクサンプロヴァンスのＳＴＩＬ、Ｓ．Ａによって製造されるものがある。具体例として、ＳＴＩＬ光学ペン、型番ＯＰ３００ＮＬは、３００ミクロンの測定レンジで高さを測定することができる。
【０００５】
本願の出願人による特許文献２には、クロマティック共焦点センサの別の構造が記載されている。この特許は、良好な光学スループットと、良好なスポットサイズとを提供するレンズ構造を開示し、これにより様々な市販の構造と比較して優れた測定解像度が得られる。
クロマティック共焦点センサにおいては、表面高さ測定に関連するスペクトル形状に基づいて距離または高さを測定してもよく、特に（例えば分光器における）スペクトルのピークの位置を正確に特定して対象物の高さに対応する波長を求めることに基づいて距離または高さを測定してもよい。
測定解像度は、スペクトルのピーク位置を判定するために分析される信号またはデータの信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）に関連する。スペクトルのピーク位置を判定するために分析される信号の信号対雑音比を向上するクロマティック共焦点センサに利用可能な特徴を見いだすことが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７４７７４０１号
【特許文献２】米国特許第７６２６７０５号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「長手方向色収差の疑似色効果」Ｇ．モレシーニおよびＳ．ケルチオーリ、Ｊ．オプティックス（パリ）、１９８６年１７巻６号、２７９−２８２頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述した先行技術のクロマティック共焦点センサ光学ペン（略して光学ペン）は、既に洗練された装置であり、ミクロン、サブミクロンあるいはナノメートルレベルでの解像度を得ることができる。
しかし、光学ペンによって与えられるスペクトルピーク信号のＳＮ比を上げるための新たな光学的特徴、または光学ペンで利用可能な光学的特徴の組み合わせは近年になっても容易に得られていなかった。
【０００９】
本発明の目的は、より高い解像度のクロマティック測距を可能とするため、光学ペンによって与えられるスペクトルピーク信号のＳＮ比を上げることができるクロマティック共焦点センサ光学ペンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
例えば、経済的にＳＮ比あるいはスペクトルピークデータの質を向上するために、スペクトルピークデータを特徴付ける半値全幅値により示される光学的特徴の組み合わせを提供する光学ペン構造が開示される。特に、ここに開示される光学ペン構造は、光学ペンのその他の望ましい特性を犠牲にし、または変更する必要なしに、光学ペンの有効光（測定信号に実際に寄与する光を意味）に関連する平均開口数を増加するために中央光束遮光開口要素を用いる。ここで用いられる用語「光」は、光学ペン中の信号に寄与する可視及び非可視光の双方を意味する。
【００１１】
本発明のクロマティック共焦点センサ光学ペンは、筐体と、前記クロマティック共焦点センサ光学ペンの光軸に沿って配設された中央光束遮光開口要素と、光源光を出力し反射光を受光するよう構成されたファイバ開口を有する入出力光ファイバと、クロマティック共焦点センサ光学ペンの光軸に沿って配設されたレンズ構造とを有する。
レンズ構造は、光源光を受光し、ワーク表面に軸方向に色分散された合焦された光源光を出力し、ワーク表面からの反射光を受光して反射光をファイバ開口近傍の点に合焦するよう構成される。
中央光束遮光開口要素は、光軸に沿って配設され光軸に対して最小遮光部境界寸法ＲＭＩＮを有する遮光部と、光軸から離隔配置され光軸に対して少なくともＲＭＩＮの最小寸法を有する開口部内部境界とを有する。
遮光部は光軸近傍の光を遮光し、開口部は光を透過し、ファイバ開口が開口部から支配的に反射光を受光するように構成される。
【００１２】
このような本発明では、中央光束遮光開口要素の遮光部によって光軸近傍の遮光光束を遮光することで、ファイバ開口で受光される光である光学ペンの有効光が、光学ペンを通って光路から来るのが制限される。これにより中央光束（すなわち、小さな開口数光束）が遮光されなかった場合と比較して平均開口数がより大きな値となる。より大きな平均開口数値は、以下に詳述されるように向上した測定解像度と関連する。
【００１３】
本発明において、反射光は中央光束遮光開口要素の遮光平面での全ての反射光を含む光軸に対する最小半径である有効光半径ＲＭＡＸを規定する。いくつかの実施形態では、最小遮光部境界寸法ＲＭＩＮは有効光半径ＲＭＡＸの少なくとも３０％としてもよい。他の実施形態では、ＲＭＩＮは有効光半径ＲＭＡＸの少なくとも４０％、または少なくとも５０％以上としてもよい。
【００１４】
本発明において、開口部内部境界は円形としてもよい。
本発明において、中央光束遮光開口要素は、開口部を囲み、全ての反射光を境界付け有効光半径ＲＭＡＸを規定する外部マスキング領域を有するとしてもよい。
【００１５】
本発明において、中央光束遮光開口要素の遮光部は、光軸近傍の全ての波長の光源及び／または反射光を遮光するとしてもよい。
本発明において、遮光部は不透明な部材であるとしてもよい。
本発明では、遮光部は部分遮光かつ部分透光性の部材であり、中央光束遮光開口要素の遮光平面で均一に透光性であり、またいくつかの実施形態では光軸近傍で比較的透光性が低く中央光束遮光開口要素の遮光平面での光軸からある程度離隔されるとより透光性が高いものであるとしてもよい。
【００１６】
本発明において、中央光束遮光開口要素は透光性基板を有し、その遮光部は透光性基板のマスク領域を含み、開口部は透光性基板の非マスク領域を含んでもよい。
本発明では、中央光束遮光開口要素は金属基板を有し、遮光部はこの金属基板内に（例えば、金属基板からのブリッジまたはフィラメントを介して）支承された領域を有してもよく、開口部は金属基板を通る孔を含んでもよい。
本発明において、遮光部は（例えば円形開口部内部境界によって形成される）円形であり、開口部は環状であるとしてもよい。
【００１７】
本発明において、中央光束遮光開口要素は光軸に沿って様々な他の位置に配置可能である。
本発明において、中央光束遮光開口要素はレンズ構造と入出力光ファイバとの間に配置可能である。
本発明において、中央光束遮光開口要素はレンズ構造によって出力された合焦光源光中に配置可能である。
本発明において、中央光束遮光開口要素はレンズ構造内部に配置可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態のクロマティック共焦点センサを示すブロック図である。
【図２】前記実施形態の光学ペン構造を示す概略側面図である。
【図３】前記実施形態の光学ペンと従来の光学ペンとの比較を示す、それぞれのクロマティック共焦点センサからのスペクトル形状データの図である。
【図４】前記実施形態における中央光束遮光開口要素の遮光部寸法に応じたスペクトルピーク半値全幅値の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるクロマティック共焦点センサ１００の一例を示すブロック図である。
このクロマティック共焦点センサ１００は、米国特許出願第１１／９４０２１４号および米国特許出願第１２／４６３９３６号に記載される類似のセンサに全般的に対応する。
図１に示されるように、クロマティック共焦点センサ１００は光学ペン１２０と電子回路１６０とを有する。
光学ペン１２０は、筐体１３０と、筐体１３０内に形成された光学部１５０と、筐体１３０外に設けられた電子回路１６０と、筐体１３０と電子回路１６０とを結ぶ入出力光ファイバアセンブリ１０５とを有する。
【００２０】
入出力光ファイバアセンブリ１０５は、取付部１８０を有し、この取付部１８０を貫通する取付ねじ１１０を用いて筐体１３０の端部に取り付けられる。入出力光ファイバアセンブリ１０５は、内部に図示しない入出力光ファイバが収容された光ファイバケーブル１１２及び光ファイバコネクタ１０７を介して電子回路１６０に接続される。
光ファイバケーブル１１２内の入出力光ファイバは、筐体１３０に配置されたファイバ開口１９５を有し、このファイバ開口１９５から光学部１５０へと光源光（後述する光源１６４からの）を出力し、かつ光学部１５０から反射されてきた測定信号光をファイバ開口１９５で受けるようになっている。
【００２１】
図１には、光軸ＯＡに沿って配設されて光軸近傍の光（例えば、遮光領域１０９の光）を遮光して、クロマティック共焦点センサ１００の測定解像度を上げる中央光束遮光開口要素の遮光部１０８Ｂも簡略に示される。この遮光部１０８Ｂの詳細は後述する。
動作時には、光ファイバケーブル１１２から伝送される広帯域（例えば白色）光源光は、ファイバ開口１９５を介してファイバ端部から光学部１５０へと出射され、光学部１５０によって合焦される。
【００２２】
光学部１５０は、軸方向色分散を生じる（一つまたは複数の）レンズを有し、クロマティック共焦点センサシステムにおいて公知なように、光軸ＯＡに沿った焦点が光の波長に応じて異なる距離にあるようにされる。光源光は、ワーク表面１９０に合焦される波長を有する。
光源光はワーク表面１９０で反射されて反射光となる。反射光は、光学部１５０によってファイバ開口１９５上に再合焦される。有効な光源光と反射光は、限界有効光束ＬＲ１とＬＲ２によって境界づけられる。
反射光においては、軸方向色分散のため、一つの波長のみが、光学ペン１２０からワーク表面１９０までの測定距離に合致する前側合焦距離ＦＦを有することになる。このワーク表面１９０に最も良く合焦する波長は、ファイバ開口１９５で最も良く合焦する反射光の波長でもある。
【００２３】
最も良く合焦した波長がファイバ開口１９５を通過して光ファイバケーブル１１２のコアである入出力光ファイバに達するように、ファイバ開口１９５によって反射光が空間的にフィルタされる。
光ファイバケーブル１１２は、反射された信号光（反射光）を電子回路１６０の波長検出手段１６２に送り、波長検出手段１６２を利用してワーク表面１９０への測定距離に対応する支配的な強度を有する波長を判定する。
【００２４】
電子回路１６０は、ファイバカプラ１６１と、波長検出手段１６２と、光源１６４と、信号処理手段１６６と、記憶部１６８とを有する。
波長検出手段１６２は、分光計または分光器構造を有し、分散素子（例えば格子）が光ファイバケーブル１１２を介して反射光を受光し、得られたスペクトル強度形状を検出アレイ１６３に送信する。
波長検出手段１６２は、形状データから検出器に由来する特定の誤差成分を除去ないし補償する信号処理（例えば、いくつかの実施形態では信号処理手段１６６により提供される）を含んでもよい。従って、波長検出手段１６２と信号処理手段１６６のいくつかの要素は、実施にあたって合体され、あるいは不可分な構成とすることができる。
信号処理手段１６６によって制御される白色の光源１６４は、光ファイバケーブル１１２とファイバカプラ１６１（例えば、２×１ファイバカプラ）を介して接続される。
【００２５】
上述のように、光は、長手方向色収差を生じる光学ペン１２０を通って移動し、これによりその合焦距離は光の波長とともに変化する。この際、ファイバを通って最も効率的に戻ってきた光の波長がワーク表面１９０に合焦する波長である。
波長に応じた反射光は、ファイバカプラ１６１を再び通過し、光のおよそ５０％が波長検出手段１６２に向かい、波長検出手段１６２は検出アレイ１６３の測定軸に沿って分散されるスペクトル強度形状を受け、図３に示すように、対応する形状データを提供するように動作する。
簡単にいうと、形状データのサブピクセル解像度距離示唆座標（例えばピーク位置座標、ピクセル番号）は信号処理手段１６６によって演算され、波長ピークに対応する距離示唆座標によって、記憶部１６８に記憶される距離校正ルックアップテーブルを介して表面への測定距離が決定される。距離示唆座標は、形状データのピーク領域に含まれる形状の重心を決定するなど、各種方法によって決定可能である。
【００２６】
図２は、ここに開示される原理に基づき使用される中央光束遮光開口要素２０８（または２０８’または２０８”）の様々な実施を示す光学ペン構造２５０の実施形態の概略側面図である。
光学ペン構造２５０は、レンズ構造２００と、中央光束遮光開口要素２０８（または２０８’、または２０８”）と、ファイバ開口２９５（図１のファイバ開口１９５に相当）を有する入出力光ファイバ２１２（図１の光ファイバケーブル１１２内に収められていた入出力光ファイバに相当）とを有する。
【００２７】
図２において、レンズ構造２００は、２枚貼り合わせレンズ素子２０１と正レンズ部２０５とを有する。
正レンズ部２０５は、少なくとも二つのレンズ素子を有し、最大四つのレンズ素子を有する。本実施形態において、正レンズ部２０５は、両凸レンズ素子２０２とメニスカスレンズ素子２０３および２０４とを有する。
２枚貼り合わせレンズ素子２０１は、第一レンズ部２０１Ａと第二レンズ部２０１Ｂとからなる。メニスカスレンズ素子２０３と２０４との両面は同一方向に湾曲し、正屈折力を提供し、およそ図２に示されるようにレンズ構造２００からの光出力を合焦する。
図２に示される構造では、合焦レンズ動作を、空気を介して間隙が設けられた３つの単一レンズ２０２〜２０４に分割することにより、正レンズ部２０５の球面収差をより容易に制御可能である。
【００２８】
中央光束遮光開口要素２０８は、光軸ＯＡに沿って配設された遮光部２０８Ｂと、光軸ＯＡから所定距離に配設された開口部２０８Ａとを有する。
遮光部２０８Ｂは、光軸に対して最小遮光部境界寸法ＲＭＩＮを有し、開口部２０８Ａは光軸ＯＡに対して少なくともその境界の一部に沿って同寸法ＲＭＩＮだけ離隔される開口部内部境界ＯＰＩＢ（これは遮光部２０８Ｂの境界でもある）を有する。しかしながら、開口部内部境界ＯＰＩＢは、その形状に応じて（例えば、円形境界でない場合）境界の他の部分に沿って光軸ＯＡに対してより大きく離隔されてもよい。
動作時、入出力光ファイバ２１２からの光源光は、レンズ構造２００に対して固定されるファイバ開口２９５から出力されて光軸ＯＡに沿って光源光を提供する。入出力光ファイバ２１２のコア端部によってファイバ開口２９５が設けられてもよい。
【００２９】
光源光は、レンズ構造２００および中央光束遮光開口要素２０８（後述のように、図２の光軸ＯＡに沿って三つの選択的位置に示される）に向けられる。中央光束遮光開口要素２０８の遮光部２０８Ｂは、光軸ＯＡ近傍（例えば遮光領域２０９）の光束を遮光し、その開口部２０８Ａは残りの遮光されなかった光束（例えば、限界有効光束ＬＲ１およびＬＲ２の間の有効光束）を通して、レンズ構造２００に対向するワーク表面２９０上に合焦される。
中央光束遮光開口要素２０８の遮光部２０８Ｂは、光軸ＯＡ近傍の全ての波長の光を遮光する。ワーク表面２９０からの反射光は中央光束遮光開口要素２０８を介して戻り、レンズ構造２００によってファイバ開口２９５近傍の点に再合焦する。遮光領域２０９中のいずれの光束も遮光部２０８Ｂにより遮光され、遮光領域２０９と限界有効光束ＬＲ１およびＬＲ２の間の任意の光束は、開口部２０８Ａにより有効光束として伝達される。合焦距離ＦＲはレンズ構造２００後部とファイバ開口２９５との間の間隔を示す。
【００３０】
本実施形態において、有効な反射光は有効光半径ＲＭＡＸを形成し、これは中央光束遮光開口要素２０８の遮光平面ＢＰでの全ての有効な反射光を含む光軸ＯＡに対する最小半径である。
光学ペンとしての測定解像度を向上するため、最小遮光部境界寸法ＲＭＩＮは、有効光半径ＲＭＡＸの少なくとも３０％としてよい。あるいは、最小遮光部境界寸法ＲＭＩＮは有効光半径ＲＭＡＸの少なくとも４０％としてもよい。さらに、最小遮光部境界寸法ＲＭＩＮは有効光半径ＲＭＡＸの少なくとも５０％以上としてもよい。
【００３１】
図４により、有効光半径ＲＭＡＸに対する最小遮光部境界寸法ＲＭＩＮの相対的大きさの効果を詳述する。
開口部内部境界ＯＰＩＢ（および遮光部２０８Ｂ）は、例えば円形とすることができる。しかし、開口部内部境界ＯＰＩＢおよび遮光部２０８Ｂは、八角形、正方形、その他不規則形状など任意の所望の形状としてよい。従って、開口部２０８Ａは、環状としてよく、他の不規則形状および／または不規則な径方向幅を有してもよい。
【００３２】
これらの中央光束遮光開口要素２０８の各種の実施形態は、クロマティック共焦点センサ１００としての様々な実施形態で利用可能である。
例えば、中央光束遮光開口要素２０８は、有効光半径ＲＭＡＸで規定される全ての有効な反射光を境界付ける有効光外部境界ＯＰＯＢを規定するために、開口部２０８Ａを囲むような外部マスキング領域ＯＭＲ（図２中の点線）を含んでもよい。しかし、外部マスキング領域ＯＭＲは省略可能であり、筐体などの一部（例えば、図２に示される部分２５２）によって全ての有効な反射光の境界付けを行うことで同様の機能を果たすことも可能であり、これにより実質的に中央光束遮光開口要素２０８の遮光平面ＢＰで規定される有効光半径ＲＭＡＸを規定することができる。
【００３３】
本実施形態において、遮光部は不透明な部材である。これに限らず、遮光部は部分遮光かつ部分透光性の部材であるとしてもよく、例えば、中央光束遮光開口要素２０８の遮光平面ＢＰ中で均一に透光性であってよく、また光軸ＯＡ近傍で比較的透光性が低く中央光束遮光開口要素２０８の遮光平面ＢＰでの光軸ＯＡからある程度離隔されるとより透光性が高いものであってもよい。
【００３４】
図２に示されるように、中央光束遮光開口要素２０８は透光性基板２０８Ｓのマスク領域を有してよく、遮光部２０８Ｂは透光性基板２０８Ｓを有してよく、開口部２０８Ａは透光性基板２０８Ｓの非マスク領域を含んでよい。
中央光束遮光開口要素２０８は金属基板を有し、遮光部２０８Ｂはこの金属基板内に（例えば、金属基板からのブリッジまたはフィラメントを介して）支承された領域を有してもよく、開口部２０８Ａは金属基板を通る孔を含んでもよい。
【００３５】
中央光束遮光開口要素２０８は、光軸ＯＡに沿って様々な他の位置に配置可能である。例えば、図２の実施形態では、中央光束遮光開口要素２０８はレンズ構造２００とファイバ開口２９５との間に配置される。別の実施形態として、図２の中央光束遮光開口要素２０８’のように、レンズ構造２００の合焦光源光の出力の中に配置されてもよい。または、図２の中央光束遮光開口要素２０８”のように、レンズ構造２００の内部に配置されてもよい。
【００３６】
これら他の中央光束遮光開口要素２０８’および２０８”は、先に記載の中央光束遮光開口要素２０８の任意の形態に構成可能であり、中央光束遮光開口要素２０８に対する中央光束遮光開口要素２０８’および２０８”など、符号に追加記号（「’」や「”」など）がついた構成要素（２０８Ｂ’、２０８Ａ’、ＢＰ’、ＲＭＩＮ’、ＲＭＡＸ’、ＯＭＲ’など）は、追加記号がない構成要素（例えば中央光束遮光開口要素２０８’および２０８”に対する中央光束遮光開口要素２０８）と同様に理解可能である。
【００３７】
図２において、後側および前側それぞれの収束／発散角度θ１、θ２が示される。これらは、前述した光学ペン構造２５０の有効光の限界有効光束ＬＲ１およびＬＲ２、並びに後側および前側の合焦距離ＦＲ、ＦＦと関係付けられる。
後側および前側の合焦距離ＦＲおよびＦＦは、レンズ構造２００による軸方向色分散のために、一般に光の波長によって変化する。
まず、入出力光ファイバ２１２側の最大非遮光領域に対応する最大非遮光後側開口数ＮＡｒｅａｒｍａｘＯＰＥＮは以下のように規定される。
【００３８】
〔数１〕
ＮＡｒｅａｒｍａｘＯＰＥＮ＝ｓｉｎθ１        …（１）
【００３９】
また、ワーク表面１９０側の最大非遮光領域に対応する最大非遮光前側開口数ＮＡｍａｘＯＰＥＮは以下のように規定される。
【００４０】
〔数２〕
ＮＡｍａｘＯＰＥＮ＝ｓｉｎθ２                …（２）
【００４１】
角度θ２’内の一部の光は、中央光束遮光開口要素２０８の遮光部２０８Ｂ（または２０８の２０８Ｂ’）によって有効に遮光される。
遮光前側開口数ＮＡＢＬＯＣＫは以下のように規定される。
【００４２】
〔数３〕
ＮＡＢＬＯＣＫ＝ｓｉｎθ２’                  …（３）
【００４３】
上述したところに基づき、中央光束遮光開口要素２０８の開口部２０８Ａ（または２０８’の２０８Ａ’など）により透過される光源光の光束は、有効な「光束平均」の平均前側開口数ＮＡＯＰＥＲＡＴＩＶＥを有するものとして理解され、以下が成り立つ。
【００４４】
〔数４〕
ＮＡＢＬＯＣＫ＜ＮＡＯＰＥＲＡＴＩＶＥ＜ＮＡｍａｘＯＰＥＮ  …（４）
【００４５】
中央光束遮光開口要素２０８（または２０８’の２０８Ａ’）の動作により、光学ペン構造２５０の有効光束は、中央光束遮光開口要素２０８がない場合の平均開口数よりも大きな平均開口数を有する。これにより、以下に詳述するようにクロマティック共焦点センサのワーク表面位置測定解像度が向上する。
光学ペン構造２５０のその他の好ましい特徴は、この向上した測定解像度を達成するために変えたり、犠牲にしたりする必要はない。
【００４６】
本発明に基づくクロマティック共焦点センサ光学ペンにおける中央光束遮光開口要素の動作は、対応するより小さな開口数で動作する中央光束を無くすことであると理解することができる。
より小さな開口数は、一般に、より大きな焦点深度と関連付けられる（例えば、対応する開口数を有する光束に関連付けられた焦点深度は、定性的にレンズの被写界深度がその開口数の二乗に反比例する公知の従来からの関係に関連するものと理解できる）。クロマティック測距システムがより大きな焦点深度を有することは、クロマティック測距システムがある一定の測定表面変位につきより小さな信号変化しか示さないことを意味する。
極端な例を挙げると、光軸ＯＡに沿う光束（開口数ゼロ）は、「無限の」焦点深度を有し、設計上測定距離に対して全く影響されない。すなわち、光学ペン中で光軸ＯＡに沿った光束は、測定距離によらず常に検出手段に戻る。従って、光軸に沿った全ての波長の光束は、クロマティック共焦点センサの形状データに関連するＳＮ比に対して有害であると考えることができる。というのは、これらはある一定の測定表面変位についての信号変化に寄与せず、したがってノイズ成分としてとらえられる無意味な背景信号に寄与するからである。
【００４７】
同様に、光軸ＯＡ近傍を移動するその他の小さな開口数の光束は、ある一定の測定表面変位につき低い信号変化を示す。このことが意味するのは、光軸ＯＡ近傍を移動する小さな開口数の光束に含まれる比較的広い範囲の波長は、ワーク表面から反射され同様の信号強度で検出されるということである。従って、このような光軸ＯＡ近傍を移動する小さな開口数の光束は、ワーク表面測定のスペクトル形状データ中のスペクトルピークを拡げることに寄与する（例えば、ピーク領域は、図３の形状データ３１０を参照して以下に説明されるように比較的広い半値全幅値をとる）。
逆に、本発明に基づくクロマティック共焦点センサ光学ペンのように、中央光束遮光開口要素を用いてこのような光軸ＯＡ近傍を移動する小さな開口数の光束を無くすことで、ワーク表面測定のスペクトル形状データ中のスペクトルピークを有効に小さくすることになる（例えば、ピーク領域は、図３の形状データ３１０’を参照して以下に説明されるように比較的狭い半値全幅値をとる）。
【００４８】
図３は、従来の光学ペンと、本発明に基づく中央光束遮光開口要素を用いる光学ペンとの、各々からのスペクトルピークデータの比較を示すグラフ３００である。
図３において、スペクトル形状データ３１０は従来のクロマティック共焦点センサから得られるものであり、スペクトル形状データ３１０’は本発明に基づくクロマティック共焦点センサから得られるものである。
図３に示されるようなスペクトルデータは、当業種において、例えば援用された文献に記載されるように一般に理解されるものであることから、ここでは詳しく説明は省略する。
【００４９】
簡単にいうと、従来の形状データ３１０および本発明に基づく形状データ３１０’は、それぞれ各ピクセルｐの（正規化電圧での）信号レベルを示す。
従来の形状データ３１０は、中央光束遮光開口要素を用いることなく（例えば、図１に示されるクロマティック共焦点センサに類似の）クロマティック共焦点センサにより行われる測定動作に対応する（例えば、ＮＡＯＰＥＲＡＴＩＶＥ＝ＮＡＯＰＥＮ）。
これに対し、本発明に基づく形状データ３１０’は、中央光束遮光開口要素２０８を有するクロマティック共焦点センサにより行われる測定動作に対応する（例えば、式４にしたがったＮＡＯＰＥＲＡＴＩＶＥ）。
【００５０】
従来の形状データ３１０と本発明の形状データ３１０’は、それぞれピーク位置座標ｐｐｃとｐｐｃ’とを有するスペクトルピークを示す。
ピーク位置座標ｐｐｃとｐｐｃ’は、形状データ３１０と形状データ３１０’のピーク領域に適合した曲線のピークを決定することに基づき、または形状データ３１０と形状データ３１０’のピーク領域の重心に基づき、または（例えば、前述した各従来技術文献に記載されるように）様々なその他の校正および信号処理方法によりサブピクセル解像度で決定可能である。
図１に関して上述されたように、測定距離は、記憶された距離校正データ中のピーク位置座標の値に対応する測定距離として決定可能である。様々な実施形態において、記憶された距離校正データを補間してサブピクセルピーク位置座標に正確に対応する測定距離を得ることが可能である。
【００５１】
上述の議論に基づき、光学ペンの精度および測定解像度は、ピーク位置座標ｐｐｃまたはｐｐｃ’等を決定することに伴う不確かさに関連する。所定量の信号ノイズにつき、この不確かさは、形状データのピーク領域に形成されたデータ曲線の険しさおよび狭さに関連する。すなわち、より険しい側面でのより狭いピークにより対応するピーク位置座標をより確実にかつより高い解像度で得ることができる。
ピーク領域の狭さは、その半値全幅値によって特徴付けることができる。図３に示されるように、従来型光学ペンに対応する形状データ３１０のピークの最大値は、ＶｐｅａｋＯＰＥＮであり、その基部はＶｂｉａｓＯＰＥＮである。従って、その半値信号値ＳＬＨＭＯＰＥＮは以下のように表される。
【００５２】
〔数５〕
ＳＬＨＭＯＰＥＮ＝（ＶｐｅａｋＯＰＥＮ−ＶｂｉａｓＯＰＥＮ）／２
…（５）
【００５３】
従来の形状データ３１０においては、半値信号値ＳＬＨＭＯＰＥＮに最も良く対応するピーク領域の両側のピクセルはｐＯＰＥＮ１およびｐＯＰＥＮ２として示される。
従って、形状データ３１０のピーク領域の幅を特徴付ける半値全幅値ＦＷＨＭＯＰＥＮは以下のように表される。
【００５４】
〔数６〕
ＦＷＨＭＯＰＥＮ＝ｐＯＰＥＮ２−ｐＯＰＥＮ１          …（６）
【００５５】
上記と同様に、本発明に基づく中央光束遮光開口要素を用いる光学ペンに対応する形状データ３１０’の半値信号値ＳＬＨＭＯＰＥＲＡＴＩＶＥの信号値は以下となる。
【００５６】
〔数７〕
ＳＬＨＭＯＰＥＲＡＴＩＶＥ＝
（ＶｐｅａｋＯＰＥＲＡＴＩＶＥ−ＶｂｉａｓＯＰＥＲＡＴＩＶＥ）／２
…（７）
【００５７】
また、形状データ３１０’のピーク領域の幅を特徴付ける半値全幅値ＦＷＨＭＯＰＥＲＡＴＩＶＥは、以下のように表される。
【００５８】
〔数８〕
ＦＷＨＭＯＰＥＲＡＴＩＶＥ＝
ｐＯＰＥＲＡＴＩＶＥ２−ｐＯＰＥＲＡＴＩＶＥ１        …（８）
【００５９】
図４は、正規化されたスペクトルピークのＲＭＩＮ／ＲＭＡＸの比率に応じた半値全幅値（式８に定義されるが、この図では正規化される）の曲線の挙動を示すグラフ４００である。
ここで、前述したように、本発明に基づくクロマティック共焦点センサに用いられる中央光束遮光開口要素について、ＲＭＩＮは中央光束遮光開口要素の円形遮光部の半径であり、ＲＭＡＸは中央光束遮光開口要素の遮光平面での全反射光を含む最小半径である。
この例では、典型的なクロマティック共焦点センサは、略２０ミクロンのファイバ開口径について、各々近似値でＦＦ≒１０．７ｍｍであり、ＮＡＭＡＸＯＰＥＮ≒０．５９であり、ＮＡｒｅａｒｍａｘＯＰＥＮ≒０．０７であることによって特徴付けられる。
【００６０】
図４に示されるように、遮光部を有しない従来型光学ペンに対応する最小遮光部境界寸法ＲＭＩＮ＝０（ＲＭＩＮ／ＲＭＡＸ＝０）の時、ＦＷＨＭＯＰＥＲＡＴＩＶＥの正規化された値は１．０であり、このような場合には（予測されたように）従来型光学ペンに対してＦＷＨＭＯＰＥＲＡＴＩＶＥは低減されないことが確認される。曲線４１０が直線でないことも見て取れる。特に、０．２よりも小さいＲＭＩＮ／ＲＭＡＸの値については、ＲＭＩＮが増えることに伴うＦＷＨＭＯＰＥＲＡＴＩＶＥの向上率は比較的小さい。
しかし、０．２よりも大きなＲＭＩＮ／ＲＭＡＸの値については、ＲＭＩＮが増えることに伴うＦＷＨＭＯＰＥＲＡＴＩＶＥの向上率は大きくなる。従って、中央光束遮光開口要素が、ＲＭＩＮがＲＭＡＸの少なくとも２０％、またはＲＭＡＸの３０％、またはＲＭＡＸの４０％または５０％以上であるように構成されれば、いくつかの実施形態で有利となりうる。
【００６１】
図４に示される例では、最小遮光部境界寸法ＲＭＩＮが有効光半径ＲＭＡＸの３０％に等しいＲＭＩＮ１の値をとる時、ＦＷＨＭＯＰＥＲＡＴＩＶＥの正規化された値は０．９３であり、その他の点では同様に設計された従来型光学ペンと比較してスペクトルピーク幅がおよそ７％向上することが示される。
最小遮光部境界寸法ＲＭＩＮがＲＭＡＸの４０％に等しいＲＭＩＮ２の値をとる時、ＦＷＨＭＯＰＥＲＡＴＩＶＥの正規化された値は０．８７であり、最小遮光部境界寸法ＲＭＩＮがＲＭＡＸの５０％に等しいＲＭＩＮ３の値をとる時、ＦＷＨＭＯＰＥＲＡＴＩＶＥの正規化された値は０．８２であり、その他の点では同様に設計された従来型光学ペンと比較してスペクトルピーク幅がそれぞれおよそ１３％および１８％向上することが示される。
実際には、最小遮光部境界寸法ＲＭＩＮを選択することに関して検討しなくてはならないのは、同寸法ＲＭＩＮがＲＭＡＸに対して増加するにつれ、検出手段に到達する有効光の量が減少し、得られる形状データのピーク高さが低くなることである。しかしながら、この効果は、クロマティック共焦点センサ中で、照明強度を増加することまたは検出手段の信号積分時間を増加することにより補償可能である。
【００６２】
以上、本発明の好ましい実施形態について図示および記載したが、多くの図示および記載された特徴の構成および動作の順序の数多くの変形が、この開示事項に基づき当業者に明らかであろう。従って、当然のことながら、本発明の精神から逸脱しない限りで各種の変更が可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１００…クロマティック共焦点センサ
１０５…入出力光ファイバアセンブリ
１０７…光ファイバコネクタ
１０９…遮光領域
１１２…光ファイバケーブル
１２０…光学ペン
１３０…筐体
１５０…光学部
１６０…電子回路
１６１…ファイバカプラ
１６２…波長検出手段
１６３…検出アレイ
１６４…光源
１６６…信号処理手段
１６８…記憶部
１８０…取付部
１９０…ワーク表面
１９５…ファイバ開口
２００…レンズ構造
２０１…二重レンズ素子
２０１Ａ…第一レンズ部
２０１Ｂ…第二レンズ部
２０２…両凸レンズ素子
２０３…メニスカスレンズ素子
２０５…正レンズ部
２０８，２０８’，２０８”…中央光束遮光開口要素
２０８Ａ…開口部
２０８Ｂ…遮光部
２０８Ｓ…透光性基板
２０９…遮光領域
２１２…入出力光ファイバ
２５０…光学ペン構造
２５２…筐体の部分
２９０…ワーク表面
２９５…ファイバ開口
３１０，３１０’…スペクトル形状データ
ＢＰ…遮光平面
ＦＦ…前側合焦距離
ＦＲ…後側合焦距離
ＦＷＨＭＯＰＥＮ，ＦＷＨＭＯＰＥＲＡＴＩＶＥ…半値全幅値
ＬＲ１，ＬＲ２…限界有効光束
ＮＡＢＬＯＣＫ…遮光前側開口数
ＮＡｍａｘＯＰＥＮ，…最大非遮光前側開口数
ＮＡＯＰＥＲＡＴＩＶＥ…平均前側開口数
ＮＡｒｅａｒｍａｘＯＰＥＮ…最大非遮光後側開口数
ＯＡ…光軸
ＯＭＲ…外部マスキング領域
ＯＰＩＢ…開口部内部境界
ＯＰＯＢ…有効光外部境界
ｐ…ピクセル
ｐｐｃ，ｐｐｃ’…ピーク位置座標
ＲＭＡＸ…有効光半径
ＲＭＩＮ…最小遮光部境界寸法
ＳＬＨＭＯＰＥＮ，ＳＬＨＭＯＰＥＲＡＴＩＶＥ…半値信号値
θ１，θ２…発散角度
【図１】
2011242397.tif 000003
【図２】
2011242397.tif 000004
【図３】
2011242397.tif 000005
【図４】
2011242397.tif 000006