(57)【要約】      （修正有）【課題】３軸で応答する走査プローブが、座標測定装置で使用するために提供される。【解決手段】走査プローブ３００は、フレームと、スタイラス懸架部３０７と、スタイラス位置検出部３１１と、を備える。スタイラス位置検出部３１１は、光源と、スタイラス接続部３４２に対して固定され、光源からの光を入力し吸収し、励起光を出力することによって応答するエミッタ材料（例えば、蛍光体）を有する少なくとも1つのエミッタ部を備える。様々な実施形態では、励起光は、スポット位置が位置表示要素とスタイラス接続部３４２の位置の対応する変化に応答して変化する、位置感知検出器（例えば、４象限型光検出器）上のスポット位置に測定スポットを形成するように、（例えば、テレセントリックな結像構成体を含む）測定スポット経路に沿って測定光として導かれる。【選択図】図２
2019002931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
座標測定装置のための走査プローブであって、
フレームと、
スタイラスに強固に接続されるように構成されたスタイラス接続部と、
軸方向に沿った前記スタイラス接続部の軸方向運動と回転中心周りの前記スタイラス接続部の回転運動とを可能にするよう構成されたスタイラス移動機構と、
を備える前記フレームに取り付けられたスタイラス懸架部と、
前記フレームに対して固定され、自身の第１及び第２感知軸方向に沿って第１の測定スポットの位置に応答する出力を供給するように構成された第１の光検出器を備える第１の位置感知検出器と、
前記フレームに対して固定され、少なくとも１つの光源光路に沿って第１の波長範囲を含む光源光を放射するように構成された光源構成体と、
前記スタイラス接続部に対して固定され、前記スタイラス接続部と共に移動し、前記光源からの前記第１の波長範囲の光を入力し、エミッタ材料内で生成された前記第１の波長範囲に含まれない第２の波長範囲を含む励起光を出力するによって応答する前記エミッタ材料を備える少なくとも１つのエミッタ部を備える位置表示要素と、
を備えるスタイラス位置検出部を備え、
前記少なくとも１つのエミッタ部は、その移動範囲内の前記スタイラス接続部の位置にかかわらず、前記少なくとも１つの光源光路に沿って前記光源光を入力するように構成され、
前記位置表示要素は、前記第１の位置感知検出器上の第１のスポット位置に前記第１の測定スポットを形成するように、第１の測定スポット経路に沿って第１の測定光として生成された前記励起光の第１の部分を出力するように構成され、前記第１のスポット位置が前記位置表示要素と前記スタイラス接続部の位置の対応する変化に応答して変化し、そして、
前記第１の位置感知検出器は、前記第１の位置感知検出器上の前記第１のスポット位置を示す位置表示信号の第１のセットを出力する
ことを特徴とする走査プローブ。
【請求項２】
請求項１において、
前記フレームに対して固定され、自身の少なくとも第１の感知軸方向に沿って第２の測定スポットの位置に応答する出力を供給するように構成された第２の光検出器を備える第２の位置感知検出器をさらに備え、
前記位置表示要素は、前記第２の位置感知検出器上の第２のスポット位置に前記第２の測定スポットを形成するように、第２の測定スポット経路に沿って第２の測定光として生成された前記励起光の第２の部分を出力するように更に構成され、前記第２のスポット位置が前記位置表示要素と前記スタイラス接続部の位置の対応する変化に応答して変化し、
前記第２の位置感知検出器は、前記第２の位置感知検出器上の前記第２のスポット位置を示す位置表示信号の第２のセットを出力する
ことを特徴とする走査プローブ。
【請求項３】
請求項２において、
位置表示信号の前記第２のセットと組み合わせた位置表示信号の前記第１のセットは、前記フレームに対する前記位置表示要素及び前記スタイラス接続部の位置を示すことを特徴とする走査プローブ。
【請求項４】
請求項２において、
前記第２の位置感知検出器の前記第１の感知軸方向は、前記軸方向にほぼ平行であり、
前記第１の位置感知検出器の前記第１の感知軸方向と前記第２の感知軸方向は、前記軸方向に交差するように配向された平面において互いにほぼ直交していることを特徴とする走査プローブ。
【請求項５】
請求項２において、
前記少なくとも１つのエミッタ部は、
前記第１の測定スポット経路に沿って前記第１の測定光として生成された前記励起光の前記第１の部分を出力するように構成された第１のエミッタ部と、
前記第２の測定スポット経路に沿って前記第２の測定光として生成された前記励起光の前記第２の部分を出力するように構成された第２のエミッタ部と、
を備えることを特徴とする走査プローブ。
【請求項６】
請求項２において、
前記第２の光検出器の出力は、前記第２の位置感知検出器の第２の感知軸方向に沿って前記第２の測定スポットの位置にさらに応答し、
生成された前記励起光の前記第１の部分を入力する前記第１の測定スポット経路の入力部は、前記軸方向に対して少なくとも１５度の角度を形成し、
生成された前記励起光の前記第２の部分を入力する前記第２の測定スポット経路の入力部は、前記軸方向に対して少なくとも１５度の角度を形成し、前記第１の測定スポット経路の前記入力部に対して少なくとも３０度の角度を形成することを特徴とする走査プローブ。
【請求項７】
請求項６において、
前記第１の位置感知検出器の前記第１及び前記第２の感知軸方向は、前記第１の測定スポット経路の方向に対して垂直に配向された平面において互いにほぼ直交しており、
前記第２の位置感知検出器の前記第１及び前記第２の感知軸方向は、前記第２の測定スポット経路の方向に対して垂直に配向された平面において互いにほぼ直交していることを特徴とする走査プローブ。
【請求項８】
請求項２において、
前記位置表示要素は、前記回転中心に対して前記軸方向にほぼ沿って配置され、前記少なくとも１つのエミッタ部は、以下のａ）、ｂ）、又はｃ）の１つを備えることを特徴とする走査プローブ。
ａ）前記光源光を受光し、生成された前記励起光の前記第１及び前記第２の部分の両方を放出し、前記回転中心に対して前記軸方向にほぼ沿って配置された第１のエミッタ部のみ。
ｂ）前記光源光を受光し、生成された前記励起光の前記第１の部分を放出する第１のエミッタ部と、前記光源光を受光し、生成された前記励起光の第２の部分を放出する第２のエミッタ部と、を備え、前記第１のエミッタ部と前記第２のエミッタ部は、前記軸方向に平行な平面の反対側であって、前記回転中心を通り、ほぼ対称に配置される。
ｃ）前記第１及び第２のエミッタ部を備え、前記位置表示要素は、前記光源光を受光し分割するビームスプリッタ要素をさらに備え、前記第１のエミッタ部は、分割された前記光源光の第１の部分を受光し、生成された前記励起光の前記第１の部分を放出する前記ビームスプリッタ要素上に位置され、前記第２のエミッタ部は、分割された前記光源光の第２の部分を受光し、生成された前記励起光の前記第２の部分を放出する前記ビームスプリッタ要素上に配置される。
【請求項９】
請求項１において、
前記第１の光検出器が４象限型光検出器であることを特徴とする走査プローブ。
【請求項１０】
請求項９において、
前記少なくとも１つのエミッタ部は、前記第１の測定スポット経路に沿って見たときに、ほぼ正方形形状に現れるように構成された第１のエミッタ部を備え、
前記第１の測定スポット経路は、前記第１の光検出器上に前記第１のエミッタ部を結像させる第１の光学的構成体を通過することを特徴とする走査プローブ。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記第１の光学的構成体は、テレセントリックな結像構成体を備えることを特徴とする走査プローブ。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記テレセントリックな結像構成体は、
前記第１の測定光を入力して、前記第１の位置感知検出器上に前記第１の測定スポットを形成するように、前記第１の測定光を集光するように構成された第１のレンズと、
前記第１のレンズと前記第１の位置感知検出器との間に配置された開口を有し、前記第１のレンズからの前記第１の測定光を空間的にフィルタリングするように構成された第１の空間フィルタと、
を備えることを特徴とする走査プローブ。
【請求項１３】
請求項１において、
前記スタイラス位置検出部は、前記第１の測定スポット経路内に配置され、前記第１の波長範囲内の前記光源光が前記第１の位置感知検出器に到達するのを阻止し、前記第２の波長範囲内の前記第１の測定光を通過させて前記第１の位置感知検出器に到達させることを許容するように構成された第１の光学フィルタをさらに備えることを特徴とする走査プローブ。
【請求項１４】
請求項１において、
前記少なくとも１つのエミッタ部の前記エミッタ材料は、蛍光体材料、フォトルミネセント半導体のナノ粒子、ナノ結晶、量子ドット、又はナノロッドのうちの少なくとも１つを備えることを特徴とする走査プローブ。
【請求項１５】
請求項１において、
前記光源構成体は、第１及び第２の光源を備え、
前記少なくとも１つの光源光路は第１及び第２の光源光路を備え、
前記第１の光源は、前記第１の光源光路に沿って前記第１の波長範囲を含む前記光源光を放射するように構成され、
前記第２の光源は、第２の光源光路に沿って前記第１の波長範囲を含む前記光源光を放射するように構成され、
前記第２の光源光路からの前記光源光に応答して、前記位置表示要素は、前記第１の位置感知検出器上の第２のスポット位置に第２の測定スポットを形成するように、第２の測定スポット経路に沿って第２の測定光として生成された前記励起光の第２の部分を出力するように更に構成され、前記第２のスポット位置が前記位置表示要素と前記スタイラス接続部の位置の対応する変化に応答して変化し、
前記走査プローブは前記第１の位置感知検出器上の前記第１及び前記第２の測定スポットを多重化するために、前記第１及び前記第２の光源のタイミングを制御し、前記第１及び前記第２の測定スポットに対応する前記第１の位置感知検出器からの出力信号を分離するように、多重分離することを提供するように構成された多重化信号処理及び制御回路をさらに備えることを特徴とする走査プローブ。
【請求項１６】
スタイラスが接続されている走査プローブから受信された位置信号に基づき前記スタイラスの接触部の３次元位置を決定するためのシステムであって、
前記走査プローブは、
フレームと、
前記スタイラスに強固に接続されるように構成されたスタイラス接続部と、
軸方向に沿った前記スタイラス接続部の軸方向運動と回転中心周りの前記スタイラス接続部の回転運動とを可能にするよう構成されたスタイラス移動機構と、
を備える前記フレームに取り付けられたスタイラス懸架部と、
前記フレームに対して固定され、前記第１の位置感知検出器の第１及び第２の感知軸方向に沿って第１の測定スポットの位置に応答する出力を供給するように構成された第１の光検出器を備える第１の位置感知検出器と、
前記フレームに対して固定され、前記第２の位置感知検出器の少なくとも第１の感知軸方向に沿って第２の測定スポットの位置に応答する出力を供給するように構成された第２の光検出器を備える第２の位置感知検出器と、
前記フレームに対して固定され、少なくとも１つの光源光路に沿って第１の波長範囲を含む光源光を放射するように構成された光源構成体と、
前記スタイラス接続部に対して固定され、前記スタイラス接続部と共に移動し、前記光源構成体からの前記第１の波長範囲の光を入力し、エミッタ材料内で生成された前記第１の波長範囲に含まれない第２の波長範囲を含む励起光を出力することによって応答する前記エミッタ材料を備える少なくとも１つのエミッタ部を備える位置表示要素と、
を備えるスタイラス位置検出部と、
を備え、
処理部において、
前記少なくとも１つのエミッタ部は、その移動範囲内の前記スタイラス接続部の位置にかかわらず、前記少なくとも１つの光源光路に沿って前記光源光を入力するように構成され、
前記位置表示要素は、
第１のスポット位置が前記位置表示要素と前記スタイラス接続部の位置の対応する変化に応答して変化する、前記第１の位置感知検出器上の前記第１のスポット位置に前記第１の測定スポットを形成するように、第１の測定スポット経路に沿って第１の測定光として生成された前記励起光の第１の部分と、
第２のスポット位置が前記位置表示要素と前記スタイラス接続部の位置の対応する変化に応答して変化し、前記第２の位置感知検出器上の前記第２のスポット位置に前記第２の測定スポットを形成するように、第２の測定スポット経路に沿って第２の測定光として生成された前記励起光の第２の部分と、
を出力するように構成され、
前記第１の位置感知検出器は、前記第１の位置感知検出器上の前記第１のスポット位置を示す位置表示信号の第１のセットを出力するように構成され、
前記第２の位置感知検出器は、前記第２の位置感知検出器上の前記第２のスポット位置を示す位置表示信号の第２のセットを出力するように構成され、そして、
前記処理部は、前記スタイラスの前記接触部の３次元位置を決定するように、前記第１の位置感知検出器からの位置表示信号の前記第１のセットと、前記第２の位置感知検出器からの位置表示信号の前記第２のセットと、を処理するように構成される
ことを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１６において、
前記第１の光検出器は、４象限型光検出器であることを特徴とするシステム。
【請求項１８】
請求項１７において、
前記少なくとも１つのエミッタ部は、前記第１の測定スポット経路に沿って見たときに、ほぼ正方形形状に現れるように構成された第１のエミッタ部を備え、 
前記第１の測定スポット経路は、前記第１の光検出器上に前記第１のエミッタ部を結像させる第１の光学的構成体を通過することを特徴とするシステム。
【請求項１９】
請求項１８において、
前記第１の光学的構成体は、テレセントリックな結像構成体を備えることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
スタイラスが接続されている走査プローブから受信された位置信号に基づき前記スタイラスの接触部の３次元位置を決定する方法であって、
前記走査プローブは、
フレームと、
前記接触部を有する前記スタイラスに強固に接続されるスタイラス接続部と、
軸方向に沿った前記スタイラス接続部の軸方向運動と回転中心周りの前記スタイラス接続部の回転運動とを可能にするよう構成されたスタイラス移動機構と、
を備える前記フレームに取り付けられたスタイラス懸架部と、
前記フレームに対して固定され、自身の第１及び第２感知軸方向に沿って第１の測定スポットの位置に応答する出力を供給するように構成された第１の光検出器を備える第１の位置感知検出器と、
前記フレームに対して固定され、自身の少なくとも第１の感知軸方向に沿って第２の測定スポットの位置に応答して出力を供給するように構成された第２の光検出器を備える第２の位置感知検出器と、
前記フレームに対して固定され、少なくとも１つの光源光路に沿って第１の波長範囲を含む光源光を放射するように構成された光源構成体と、
前記スタイラス接続部に対して固定され、前記スタイラス接続部と共に移動し、前記光源構成体からの前記第１の波長範囲の光を入力し、エミッタ材料内で生成された前記第１の波長範囲に含まれない第２の波長範囲を含む励起光を出力するによって応答する前記エミッタ材料を備える少なくとも１つのエミッタ部を備える位置表示要素と、
を備えるスタイラス位置検出部と、
を備え、
前記少なくとも１つのエミッタ部は、その移動範囲内の前記スタイラス接続部の位置にかかわらず、前記少なくとも１つの光源光路に沿って前記光源光を入力するように構成され、
前記位置表示要素は、
第１のスポット位置が前記位置表示要素と前記スタイラス接続部の位置の対応する変化に応答して変化する、前記第１の位置感知検出器上の前記第１のスポット位置に前記第１の測定スポットを形成するように、第１の測定スポット経路に沿って第１の測定光として生成された前記励起光の第１の部分と、
第２のスポット位置が前記位置表示要素と前記スタイラス接続部の位置の対応する変化に応答して変化する、前記第２の位置感知検出器上の前記第２のスポット位置に前記第２の測定スポットを形成するように、第２の測定スポット経路に沿って第２の測定光として生成された前記励起光の第２の部分と、
を出力するように構成され、
前記第１の位置感知検出器は、前記第１の位置感知検出器上の前記第１のスポット位置を示す位置表示信号の第１のセットを出力し、
前記第２の位置感知検出器は、前記第２の位置感知検出器上の前記第２のスポット位置を示す位置表示信号の第２のセットを出力し、
前記スタイラスの前記接触部が測定されるべきワークピースに接触するように前記走査プローブが位置決めされていると判断するステップと、
前記第１の位置感知検出器からの位置表示信号の前記第１のセットと前記第２の位置感知検出器からの位置表示信号の前記第２のセットとを受信するステップと、
前記スタイラスの前記接触部の３次元位置を決定するように、位置表示信号の前記第１のセット及び位置表示信号の前記第２のセットを処理するステップと、を含む
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、精密計量に関し、より詳細には、座標測定装置と共に使用されるプローブの検出構成体に関する。
【背景技術】
【０００２】
座標測定装置（ＣＭＭ）は、検査済みワークピースの測定値を取得できる。参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第８,４３８,７４６号に記載される１つの例示的な従来技術のＣＭＭは、ワークピースを測定するためのプローブ、プローブを移動させるための移動機構、及びその移動を制御するためのコントローラを備える。表面走査プローブを備えるＣＭＭは、米国特許第７,６５２,２７５号に記載されており、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。そこに開示されているように、機械的接触プローブ又は光プローブがワークピース表面に亘り走査することができる。
【０００３】
機械的接触プローブを使用するＣＭＭは、米国特許第６,９７１,１８３号（'１８３特許）にも記載されており、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。ここに開示されたプローブは、表面接触部を有するスタイラスと、軸方向移動機構と、回転移動機構とを備える。軸方向移動機構は、接触部を走査プローブの中心軸方向（Ｚ方向又は軸方向ともいう）に移動させる移動部材を備える。回転移動機構は、接触部をＺ方向に垂直に移動させる回転部材を備える。軸方向移動機構は、回転移動機構の内部に入れ子になっている。接触部の位置及び/又はワークの表面座標は、回転部材の変位及び軸方向移動部材の軸方向変位に基づいて決定される。
【０００４】
移動機構及び／又は'１８３特許に開示されているような従来の変位検出器の構成体は、（例えば、一般的な構成及び／又は機構及び／又は検出器の不完全性等のために）比較的高価で及び／又は様々な「クロスカップリング」誤差に影響されやすい。このような構成体に関する他の問題は、（例えば、光学要素の移動による）システムの応答に固有の非線形性、利用される光源の移動に起因する位置誤差などを含み得る。（例えば、変位検出器の構成体が上述したような誤差の影響を受けにくく、比較的安価であり及び／又はより高精度である可能性がある等である）プローブにおいて、改善された検出構成体が必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この概要は、以下の［発明を実施するための形態］でさらに説明するいくつかの概念の抜粋を簡略化した形で紹介するために提供される。この概要は、特許請求される主題の重要な特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を決定する助けとして使用されることも意図していない。
【０００６】
３軸で応答する走査プローブが、測定装置（例えば、ＣＭＭ）で使用するために提供される。走査プローブは、フレームと、スタイラス懸架部と、スタイラス位置検出部と、を備える。スタイラス懸架部は、フレームに取り付けられ、スタイラスに強固に接続されるように構成されたスタイラス接続部と、軸方向に沿うスタイラス接続部の軸方向運動と回転中心周りのスタイラス接続部の回転移動を可能とするように構成されたスタイラス移動機構と、を備える。スタイラス位置検出部は、第１の位置感知検出器と、光源構成体と、と、位置表示要素と、を備える。
【０００７】
第１の位置感知検出器は、フレームに対して固定され、第１の位置感知検出器の第１及び第２の感知軸方向に沿って第１の測定スポットの位置に応答する出力を供給するように構成された第１の光検出器（例えば、４象限型光検出器）を備える。光源構成体は、少なくとも１つの光源光路に沿って第１の波長範囲を含む光源光を放射するように構成される。位置表示要素は、スタイラス接続部に対して固定され、スタイラス接続部と共に移動する。位置表示要素は、光源からの第１の波長範囲の光を入力し、エミッタ材料内で生成された励起光を出力することによって応答するエミッタ材料を備える少なくとも１つのエミッタ部を備える。様々な実施形態では、生成された励起光は、第１の波長範囲に含まれない第２の波長範囲を含む。
【０００８】
様々な実施形態では、少なくとも１つのエミッタ部は、その移動範囲内のスタイラス接続部の位置にかかわらず、少なくとも１つの光源光路に沿って光源光を入力するように構成される。位置表示要素は、第１の位置感知検出器上の第１のスポット位置に第１の測定スポットを形成するように、（例えば、テレセントリックな結像構成体を備える）第１の測定スポット経路に沿って第１の測定光として生成された励起光の第１の部分を出力して、第１のスポット位置が位置表示要素及びスタイラス接続部の位置の対応する変化に応答して変化する。第１の位置感知検出器は、第１の位置感知検出器上の第１のスポット位置を示す位置表示信号の第１のセットを出力する。
【０００９】
様々な実施形態では、走査プローブは、フレームに対して固定され、第２の位置感知検出器の少なくとも第１の感知軸方向に沿った第２の測定スポットの位置に応答する出力を供給するように構成された第２の光検出器（例えば、４象限型光検出器）を備える第２の位置感知検出器を更に備える。このような構成において、位置表示要素は、第２の位置感知検出器上の第２のスポット位置に第２の測定スポットを形成するように、（例えば、テレセントリックな結像構成体を備える）第２の測定スポット経路に沿って第２の測定光として生成された励起光の第２の部分を出力するように更に構成され、第２のスポット位置が位置表示要素及びスタイラス接続部の位置の対応する変化に応答して変化する。第２の位置感知検出器は、第２の位置感知検出器上の第２のスポット位置を示す位置表示信号の第２のセットを出力する。様々な実施形態では、第２の位置感知検出器からの位置表示信号の第２のセットと組み合わせる第１の位置感知検出器からの位置表示信号の第１のセットは、フレームに対する位置表示要素及びスタイラス接続部の位置を示す。様々な実施形態では、第２の位置感知検出器を利用するよりむしろ、多重化信号処理及び制御回路は、第１の位置感知検出器上に第１及び第２の測定スポットを多重化し、第１及び第２の測定スポットに対応する第１の位置感知検出器からの出力信号（例えば、位置表示信号の第１及び第２のセット）を分離するように多重分離（逆多重化）を提供するように利用される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本明細書に開示されるような走査プローブを利用するＣＭＭを備える測定システムの様々な典型的な構成要素を示す図である。
【図２】ＣＭＭに接続され、位置信号を供給する走査プローブの様々な要素を示すブロック図である。
【図３】スタイラスに結合されたスタイラス懸架部の第１の実施形態及びスタイラス懸架部の位置を検出するための第１及び第２の位置感知検出器を含むスタイラス位置検出部の第１の実施形態の一部を示す図である。
【図４】図３の第１の位置感知検出器の実施形態を示す図である。
【図５】走査プローブの本体フレーム内に含まれる、図３のスタイラス懸架部の１つの実施形態の断面を示す図である。
【図６】図５の走査プローブに含まれるスタイラス位置検出部の第２の実施形態を示す図である。
【図７】スタイラス位置検出部の第３の実施形態を示す部分概略図である。
【図８】スタイラス位置検出部の第４の実施形態を示す部分概略図である。
【図９】スタイラス位置検出部の第５の実施形態を示す部分概略図である。
【図１０】走査プローブから受信した位置信号に基づくスタイラスの接触部の３次元位置を決定するための手順の１つの実施形態を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本明細書に開示されるような走査プローブ３００を利用するＣＭＭ２００を備える測定システム１００の様々な典型的な構成要素を示す図である。測定システム１００は、操作ユニット１１０と、ＣＭＭ２００と、ＣＭＭ２００の動きを制御するモーションコントローラ１１５と、ホストコンピュータ１２０と、を備える。操作ユニット１１０は、モーションコントローラ１１５に接続され、手動でＣＭＭ２００を動作させるためのジョイスティック１１１を備える。ホストコンピュータ１２０は、モーションコントローラ１１５に接続され、ＣＭＭ２００を動作させ、ワークピースＷの測定データを処理する。ホストコンピュータ１２０は、例えば、測定条件を入力するための入力手段１２５（例えば、キーボード等）と、例えば、測定結果を出力するための出力手段１３０（例えば、ディスプレイ、プリンタ等）と、を備えている。
【００１２】
ＣＭＭ２００は、定盤２１０上に配置された駆動機構２２０と、走査プローブ３００を駆動機構２２０に取り付けるための取り付け部２２４と、を備える。駆動機構２２０は、走査プローブ３００を３次元的に移動させるためのｘ軸、ｙ軸、ｚ軸スライド機構２２２、２２１、２２３をそれぞれ備えている。走査プローブ３００の端部に取り付けられたスタイラス３０６は、接触部３４８を備える。以下でより詳細に説明するように、スタイラス３０６は、走査プローブ３００のスタイラス懸架部に取り付けられる。なお、接触部３４８がワークピースＷの表面の測定経路に沿って移動するときに、スタイラス懸架部は接触部３４８が多方向にその位置を自由に変更することを許容する。
【００１３】
図２は、ＣＭＭ２００に接続され、位置信号を供給する走査プローブ３００の様々な要素を示すブロック図である。走査プローブ３００は、スタイラス懸架部３０７とスタイラス位置検出部３１１とを組み込んだ（例えば、フレームを備える）プローブ本体３０２を備える。スタイラス懸架部３０７は、フレームに取り付けられ、スタイラス接続部３４２と、スタイラス移動機構３０９と、を備える。スタイラス接続部３４２は、スタイラス３０６に堅固に接続される。スタイラス移動機構３０９は、スタイラス接続部３４２及び取り付けられたスタイラス３０６の様々なタイプの動きを可能にするように構成される。例えば、１つの実施形態では、スタイラス移動機構３０９は、軸方向に沿ったスタイラス接続部３４２及び取り付けられたスタイラス３０６の軸方向運動を可能にし、回転中心周りのスタイラス接続部３４２及び取り付けられたスタイラス３０６の回転運動を可能にするように構成されている。
【００１４】
図２に示すように、スタイラス位置検出部３１１は、第１の位置検出構成体３１３と、第２の位置検出構成体３２５と、を備える。第１の位置検出構成体３１３は、位置表示信号３１３'の第１のセットを出力する。１つの特定の実施形態では、位置表示信号３１３'の第１のセットは、スタイラス接続部３４２の回転位置を示す少なくとも第１及び第２の回転信号（例えば、Ｘ位置信号及びＹ位置信号）を含むことができる。第２の位置検出構成体３２５は、位置表示信号３２５の'第２のセットを出力する。１つの特定の実施形態では、位置表示信号３２５'の第２のセットは、軸方向に沿ったスタイラス接続部３４２の軸方向位置を示す軸方向信号（例えば、Ｚ位置信号）を含むことができる。様々な実施形態では、（例えば、ＣＭＭ２００、モーションコントローラ１１５、ホストコンピュータ１２０などの）１以上の受信部は、位置表示信号の第１及び第２のセットを受信し、接触部が測定されているワークピースの表面に沿って移動する際に、１以上の関連する処理部はスタイラス接続部３４２及び／又は取り付けられたスタイラス３０６の接触部の３次元位置を決定するように利用される。
【００１５】
図３は、スタイラス４０６に接続された、概略的に／部分的に表されたスタイラス懸架部４０７の第１の実施形態の一部を示す図である。図３の特定の番号付けされた構成要素４ＸＸは、図２の同様の番号付けされた対応する構成要素３ＸＸに対応及び／又は類似した動作であり、類似又はその他以下のように説明されて理解されるのは言うまでもない。類似の設計及び／又は機能を有する要素を示すためのこの番号付けは、以下の図４−図９にも適用される。図３に示すように、スタイラス懸架部４０７は、スタイラス移動機構４０９と、スタイラス接続部４４２と、を備える。スタイラス接続部４４２は、ワークピースＷ（図示せず）の表面Ｓに接触するための接触部４４８を有するスタイラス４０６に強固に接続されるように構成される。
【００１６】
図５に関してより詳細に後述するように、スタイラス移動機構４０９は、接触部４４８が表面Ｓの形状に沿ってその位置を変更できるように、スタイラス接続部４４２及び取り付けられたスタイラス４０６の移動を可能とするように構成されている。１つの特定の実施形態では、スタイラス移動機構４０９は、接触部４４８が表面Ｓの形状に沿って３方向にその位置を変更できるように、スタイラス接続部４４２及び取り付けられたスタイラス４０６の軸方向及び回転運動を可能にするように構成されている。説明の便宜上、図３の紙面上の垂直方向及び水平方向をそれぞれＺ方向及びＹ方向と定義し、紙面に対する垂直な方向をＸ方向と定義する。この図では、走査プローブ３００の中心軸Ｏ（例えば、軸方向ＡＤ）の方向がＺ方向と一致している。
【００１７】
図３には、（回転部材ＲＰとしても参照される）回転部材４３６、屈曲要素４４０、及び回転部材４３６内に配置された移動部材４１２を備える、スタイラス移動機構４０９の回転移動部が示されている。図５に関して以下でより詳細に説明するように、屈曲要素４４０は、回転中心ＲＣ周りの回転部材４３６の回転運動を可能にする。以下にさらに詳細に説明するように、様々な実施形態では、第１の光検出器４２２及び第２の光検出器４２８は、移動部材４１２の位置を検出することができる。図３の例では、第１の光検出器４２２は、Ｘ、Ｙ方向における移動部材４１２の回転位置を検出することができ、第２の光検出器４２８は、移動部材４１２のＺ方向における軸方向位置を検出することができる。同様のスタイラス移動機構の様々な構成要素が、同時係属中で同一出願人により２０１５年１２月１７日に「測定装置のための光学的構成体」という発明の名称で出願された米国特許出願第１４／９７３,４３１号に記載されている。
【００１８】
図３に示すように、スタイラス位置検出部４１１の第１の実施形態は、移動部材４１２に接続され、フレーム（例えば、フレームは、プローブ本体等の一部として備えられてもよい）に対して移動する位置表示要素４０５を備える。スタイラス位置検出部４１１の様々な他の構成要素は、特に断らない限り、（例えば、光源構成体等は）フレームに対して固定されていてもよい。図３の例では、位置表示要素４０５は、ビームスプリッタ（ビームスプリッタ要素）４２０と、第１のエミッタ部４５１と、第２のエミッタ部４６１と、を備える。ビームスプリッタ４２０は、移動部材４１２の端部に取り付けられ、第１のエミッタ部４５１及び第２のエミッタ部４６１がそれぞれ位置する第１の位置表示要素部４１６及び第２の位置表示要素部４２６（例えば、ビームスプリッタの表面）を備える。
【００１９】
スタイラス位置検出部４１１は、第１の位置検出構成体４１３及び第２の位置検出構成体４２５をさらに備える。以下でより詳細に説明するように、第１の位置検出構成体４１３は、第１の測定スポット生成構成体４５０と、第１の位置感知検出器４２１と、を備える。第２の位置検出構成体４２５は、第２の測定スポット生成構成体４６０と、第２の位置感知検出器４２７と、を備える。第１の位置感知検出器４２１は、第１の光検出器４２２を備え、第２の位置感知検出器４２７は、第２の光検出器４２８を備える。図４に関して以下でより詳細に説明するが、様々な実施形態では、第１の光検出器４２２及び第２の光検出器４２８は、それぞれ４象限型光検出器であってもよい。
【００２０】
第１の測定スポット生成構成体４５０は、第１の光源光路４２３に沿って光源光を供給する光源構成体（図示せず）の光源、ビームスプリッタ４２０、第１のエミッタ部４５１、第１の測定スポット経路４２３'、第１のレンズ４５２、第１の空間フィルタ４５３、及び第１の光源光フィルタ４５４を備える。第２の測定スポット生成構成体４６０は、第２の光源光路４２９に沿って光源光を供給する光源構成体の光源、ビームスプリッタ４２０、第２のエミッタ部４６１、第２の測定スポット経路４２９'、第２のレンズ４６２、第２の空間フィルタ４６３、及び第２の光源光フィルタ４６４を備える。図３の例では、ある部分は、第１の測定スポット生成構成体４５０と第２の測定スポット生成構成体４６０の両方に共通とされている（例えば、光源構成体の同じ光源は、同じビームスプリッタ４２０に同じ光源光路４２３／４２９に沿って光源光を供給するように、両方の構成で使用されている）。又は、（例えば、図９に関してより詳細に後述するように、）他の構成体では、別個の構成要素がこれらの構成体の部分に対して利用されてもよい。
【００２１】
動作中、（例えば、フレームに対して固定された光源構成体の光源から）光源光は、（すなわち、第１の光源光路４２３と第２の光源光路４２９の両方に対応して）光源光路に沿って供給される。ビームスプリッタ４２０は、第１のエミッタ部４５１に向けられた分割された光源光の第１の部分と、第２のエミッタ部４６１に向けられた分割された光源光の第２の部分とに、光源光を受光して分割する。代替的な実施形態では、図９に関して以下でより詳細に説明するように、複数の光源を利用することができて、光源を複数の経路に分割するためにビームスプリッタを必要としないことがある。
【００２２】
様々な実施形態では、（すなわち、スタイラス接続部４４２に対して固定され、スタイラス接続部４４２とともに移動する）位置表示要素４０５の第１のエミッタ部４５１及び第２のエミッタ部４６１は、エミッタ材料（少なくともエミッタ材料構成体の一部、例えば、ビームスプリッタ４２０の表面に固定されている蛍光体充填樹脂、又はそのようなもの）を備える。様々な実施形態では、本明細書に一般的に記載されるエミッタ材料は、ＹＡＧ-Ｃｅ+-系蛍光体、フォトルミネセンス半導体ナノ粒子又はナノ結晶、又はＱ-粒子蛍光体（一般に量子ドット又は半導体量子ドットと呼ばれる）、又は酸化亜鉛ナノロッド、又は同類のものといった１つ以上の従来の蛍光体材料を備える。エミッタ材料は、光源から（例えば、第１の波長範囲内の）光源光を入力し、エミッタ材料内で生成された励起光（例えば、第１の波長範囲に含まれない第２の波長範囲を含む生成された励起光）を出力することによって応答する。以下でより詳細に説明するように、位置表示要素４０５の第１のエミッタ部４５１及び第２のエミッタ部４６１は、それぞれ、生成された励起光の第１及び第２の部分を出力する。
【００２３】
様々な実施形態では、位置表示要素４０５の第１のエミッタ部４５１は、その移動範囲内のスタイラス接続部４４２の位置にかかわらず、第１の光源光路４２３に沿って光源光を入力するように構成されている。第１のエミッタ部４５１は、さらに、第１の位置感知検出器４２１上の第１のスポット位置４５５'に第１の測定スポット４５５を形成するように、第１の測定スポット経路４２３'に沿って第１の測定光として生成された励起光の第１の部分を放出するように構成される。様々な実施形態では、第１のスポット位置４５５'は、位置表示要素４０５及びスタイラス接続部４４２の位置の対応する変化に応答して変化する。
【００２４】
より具体的には、第１の測定光は、第１のレンズ４５２によって集光され、第１の位置感知検出器４２１上の第１のスポット位置４５５'に第１の測定スポット４５５を形成するように、第１の空間フィルタ４５３及び第１の光源光フィルタ４５４を通過する。様々な実施形態では、第１のレンズ４５２及び第１の空間フィルタ４５３は、第１の測定スポット経路４２３'が通過する光学的構成体（第１の光学的構成体）の一部であり、既知の原理に従ってテレセントリックな結像構成体に配置される。テレセントリックな結像構成体は、第１の位置感知検出器４２１上の第１のスポット位置４５５'において第１の測定スポット４５５として第１のエミッタ部４５１から生成された励起光を結像するように動作する。
【００２５】
様々な実施形態では、第１の測定スポット４５５は、スタイラス接続部４４２の位置（例えば、回転位置など）及び第１のエミッタ部４５１の対応付けられた（例えば、軸方向がほぼＺ軸方向に対応して、軸方向と交差する）位置に対応する第１の位置感知検出器４２１の第１及び第２の感知軸方向に沿って移動する。この構成では、第１の位置感知検出器４２１の第１及び第２の感知軸方向は、軸方向ＡＤに交差する方向に向けられた平面内で互いにほぼ直交している。第１の位置感知検出器４２１は、第１の位置感知検出器４２１上の第１のスポット位置４５５'を示す位置表示信号（例えば、第１及び第２の回転信号など）の第１のセットを出力する。様々な実施形態では、位置表示信号の第１のセットは、スタイラス接続部４４２の位置を示すことができる（例えば、第１及び第２の回転信号は、スタイラス接続部４４２の回転位置を示すことができるなど）。
【００２６】
（例えば、第１のレンズ４５２及び第１の空間フィルタ４５３のテレセントリック配置に少なくとも部分的に起因する）様々な実施形態では、第１のエミッタ部４５１の動きは、第１の位置感知検出器４２１上の第１の測定スポット４５５の特定量の動きに対応している。１つの特定の実施形態では、第１のエミッタ部４５１のΔＹの動きが第１の位置感知検出器４２１上の第１の測定スポット４５５のΔＹの動きと同じ量となるように、１：１の比で応答することができる。このような実施形態では、第１の位置感知検出器４２１の第１の光検出器４２２上の第１の測定スポット４５５についてのヌル（例えば、基準位置又はゼロ位置など）から離れたＹ方向に沿った移動又は変位ΔＹPSDは、（式１）で近似される。
【００２７】
ΔＹPSD＝ＨθY                                             （式１）
【００２８】
ここで、Ｈは回転中心ＲＣから第１のエミッタ部４５１までの距離であり、θYはＹ方向に平行な平面内の回転部材４３６の回転運動の傾きである（即ち、回転中心ＲＣでＸ軸に平行な軸周りの回転）。回転運動の傾き成分θYに対するスタイラス４０６の接触部４４８のヌル（例えば、基準位置又はゼロ位置など）から離れたＹ方向移動又は変位ＹSTYLUSは、（式２）で近似される。
【００２９】
ΔＹSTYLUS＝θY *（ｈS＋ＩS）                                （式２）
【００３０】
ここで、ｈSはスタイラス接続部４４２の端部から回転中心ＲＣまでの距離であり、ＩSはスタイラス４０６の長さである。（式１）と（式２）を組み合わせると、接触部４４８におけるＹ方向の変位に関して第１の光検出器４２２上のＹ方向スポット変位の比率は、（式３）で近似される。
【００３１】
ΔＹPSD／ΔＹSTYLUS＝Ｈ／（ｈS＋ＩS)                        （式３）
【００３２】
Ｘ座標の動き成分は、上記の式に類似していることは言うまでもなく、ここではさらに詳細には説明しない。様々なスタイラスのスタイラス長さＩSは、Ｘ−Ｙで検出されたスポット位置に基づき接触部４４８のＸ−Ｙ位置を決定するために（例えば、システムの三角法に関する）方程式に利用されてもよい。
【００３３】
様々な実施形態では、（すなわち、スタイラス接続部４４２に対して固定され、スタイラス接続部４４２と共に移動する）位置表示要素４０５の第２のエミッタ部４６１は、その移動範囲内のスタイラス接続部４４２の位置にかかわらず、第２の光源光路４２９に沿って光源光を入力するように構成されている。第２のエミッタ部４６１は、さらに、第２の位置感知検出器４２７上の第２のスポット位置４６５'に第２の測定スポット４６５を形成するように、第２の測定スポット経路４２９'に沿って第２の測定光として生成された励起光の第２の部分を放出するように構成されている。様々な実施形態では、第２のスポット位置４６５'は、位置表示要素４０５及びスタイラス接続部４４２の位置の対応する変化に応答して変化する。
【００３４】
より具体的には、第２の測定光は、第２のレンズ４６２によって集光され、第２の位置感知検出器４２７上の第２のスポット位置４６５'に第２の測定スポット４６５を形成するように、第２の空間フィルタ４６３及び第２の光源光フィルタ４６４を通過する。様々な実施形態では、第２のレンズ４６２及び第２の空間フィルタ４６３は、第２の測定スポット経路４２９'が通過する光学的構成体の一部であり、既知の原理に従ってテレセントリックな結像構成体に配置される。テレセントリックな結像構成体は、第２の位置感知検出器４２７上の第２のスポット位置４６５'に第２の測定スポット４６５として第２のエミッタ部４６１から生成された励起光を結像するように動作する。様々な実施形態では、第２の測定スポット４６５は、スタイラス接続部４４２の位置（例えば、Ｚ軸方向にほぼ対応する軸方向位置）と第２のエミッタ部４６１の対応付けられた位置とに対応する第２の位置感知検出器４２７の感知軸方向に沿って移動する。この構成では、第２の位置感知検出器４２７の第１の感知軸方向は軸方向にほぼ平行である。第２の位置感知検出器４２７は、第２の位置感知検出器４２７上の第２のスポット位置４６５'を示す位置表示信号（例えば、軸方向信号）の第２のセットを出力する。様々な実施形態では、位置表示信号の第２のセットは、スタイラス接続部４４２の位置を示すことができる（例えば、軸方向信号は、スタイラス接続部４４２の軸方向位置を示すことができるなど）。
【００３５】
（例えば、第２のレンズ４６２と第２の空間フィルタ４６３のテレセントリック配置に少なくとも部分的に起因する）様々な実施形態では、第２のエミッタ部４６１の動きは、第２の位置感知検出器４２７上の第２の測定スポット４６５の特定量の動きに対応している。１つの特定の実施形態では、第２のエミッタ部４６１のΔＺの動きが、第２の位置感知検出器４２７上の第２の測定スポット４６５のΔＺの動きと同じ量になるように、１：１の比で応答することができる。このような実施形態では、スタイラス接触部（例えば接触部４４８）においてＺ方向変位ΔＺSTYLUSに対する第２の位置感知検出器４２７の第２の光検出器４２８上の第２の測定スポット４６５についてのヌル（例えば、基準位置又はゼロ位置など）から離れたＺ方向に沿った移動又は変位ΔＺPSDは、（式４）で近似される。
【００３６】
ΔＺPSD／ΔＺSTYLUS≒１                                   （式４）
【００３７】
様々な実施形態では、例えば図３に示すように、第２のエミッタ部４６１が軸方向に交差する少なくとも１つの方向に動くならば、機械的な複雑さを避けることができ、第２のエミッタ部４６１と第１のエミッタ部４５１の両方が３方向に移動する。しかしながら、本明細書に開示される原理によれば、（すなわち、ほぼＹ軸に沿って）軸方向をほぼ交差する第２のエミッタ部４６１の動きは、第２の光検出器４２８上のそのスポット又はラインの有効位置に対応する信号を実質的に変更しない。図３の構成例では、結果として得られるＺ位置信号は、このようなＹ軸運動に実質的に鈍感である。さらに、スタイラスの小さなθx回転によって生成されるほぼＸ軸方向に沿った第２のエミッタ部４６１の予想される移動範囲は、そのＺ位置を実質的に変化させることなく「非検知の」Ｘ軸方向に沿って第２の光検出器４２８上のスポット（ラインではない）の有効位置を変更することができ、Ｚ位置信号をそのようなＸ軸の動きに対して実質的に鈍感にする。しかしながら、スタイラスの大きなθx回転によって生成された第２のエミッタ部４６１の運動弧は、第２の測定スポット４６５の望ましくない、及び／又は非検知のＸ軸方向位置変化成分に加えて、小さいＺ位置変化成分を含む第２の光検出器４２８上の第２の測定スポット４６５の円弧運動を生成することがあることは注目に値する。較正又は補償により、信号処理における関連する残留するＺ誤差の効果を低減又は排除することができる。一般に、所望であれば、測定された位置又は変位値（Ｘ、Ｙ、Ｚの値、θx、θy、Ｚの値など）の精度をさらに向上させるために、クロスカップリング誤差を低減する既知のタイプの較正方法及び／又は反復／相互依存位置座標決定方法が使用されてもよい。
【００３８】
様々な実施形態では、対応するテレセントリックな結像構成体の一部として、（例えば、それぞれの中心開口（開口部）を備える空間フィルタ４５３及び４６３は、それぞれのレンズ４５２及び４６２からの測定光を空間的にフィルタリングし、したがって対応する測定スポット４５５及び４６５を、それぞれの光検出器４２２及び４２８上に、焦点に対してより正確且つ低感度で結像させる。移動部材４１２が第１のエミッタ部４５１及び第２のエミッタ部４６１を異なる焦点距離に移動させるので、焦点に対してより低い感度が望ましい場合がある。そこでは、測定スポット４５５及び４６５が、異なる焦点距離によって著しく影響されないことが好ましい。より具体的には、主位置決定技術は、それぞれの光検出器４２２及び４２８上の測定スポット４５５及び４６５の横方向の動きに関連し、そのため、焦点の変化により測定スポット４５５及び４６５が著しく変化することは好ましくない。この点に関して、空間フィルタ４５３及び４６３のそれぞれの開口は、システムで検出するように設計されている第１のエミッタ部４５１及び第２のエミッタ部４６１の物理的位置及び範囲に対応するほぼコリメートされた光線を効果的に「選択」することが理解される。
【００３９】
様々な実施形態では、光源光フィルタ４５４及び４６４は、迷光源光（すなわち、様々な実施形態では比較的強い光線であり得る、例えば第１の波長範囲内の光源光）が光検出器４２２及び４２８に到達するのを遮断／防止するように構成された光学フィルタである。光源光フィルタ４５４及び４６４はまた、第１のエミッタ部４５１及び第２のエミッタ部４６１から放出された光（すなわち、様々な実施形態では比較的弱い光であり得る、例えば第２の波長範囲内の光源光）がそれぞれの光検出器４２２及び４２８に到達することを可能にする構成となっている。様々な実施形態では、光源光フィルタ４５４及び４６４は、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、又は所望の放射波長を通過させ、他の波長を遮断する任意の他のタイプのフィルタリングプロファイルとして構成され得る。様々な実施形態では、利用するフィルタのタイプの選択は、（例えば、第１の波長範囲を含む）光源光スペクトルと（例えば、第２の波長範囲を含む）放出スペクトルとの関係に依存し得る。様々な実施形態では、エミッタ部４５１及び４６１のエミッタ材料は、（例えば、より効果的なフィルタリングを可能にするために）比較的限定された放出スペクトルを有するように選択されてもよく、さらに、光検出器４２２及び４２８の感度スペクトルに適合する放出スペクトルを有するように選択されてもよい。
【００４０】
図４は、図３の光検出器４２２を備える位置感知検出器４２１の実施形態を示す図である。様々な実施形態では、（光検出器４２８、５２２、５２８、７２２、７２８、８２２、８２８、９２２、９２８のような、本明細書に開示された様々な実施形態に含まれる他の光検出器と同様な）光検出器４２２は、４象限型光検出器（例えば、４象限型フォトダイオード）であってもよい。図３に関して上述したように、第１のエミッタ部４５１（この例では正方形形状のエミッタ部）は、第１の位置感知検出器４２１上の第１のスポット位置４５５'に第１の測定スポット４５５を形成するように、発生した励起光の第１の部分を第１の測定スポット経路４２３'に沿って第１の測定光として出力するよう構成されている。この構成では、第１のエミッタ部４５１は、第１の測定スポット経路４２３'に沿って見たときにほぼ正方形形状に現れるように構成される。様々な実施形態では、第１のスポット位置４５５'は、位置表示要素４０５及びスタイラス接続部４４２の位置の対応する変化に応答して変化する。
【００４１】
この例では、正方形形状の第１のエミッタ部４５１は、蛍光体（すなわちエミッタ材料）によって形成される均一な正方形の強度分布を生成する。蛍光体からの光は、４象限型光検出器４２２上にテレセントリック光学系（例えば、図３の第１のレンズ４５２及び第１の空間フィルタ４５３）を備える光学的構成体で結像される。テレセントリック光学系はテレセントリックな深度範囲にわたって倍率を保持する。様々な実施形態では、正方形形状の第１のエミッタ部４５１及び蛍光体の放射均一性は、４象限型光検出器４２２上の第１の測定スポット４５５の移動に対して線形応答を生成するように構成される。以下で詳細に説明するように、放出された光は４象限型光検出器４２２上に結像され、第１のエミッタ部４５１の位置は４象限型光検出器４２２の差動電圧によって決定される。
【００４２】
様々な実施形態では、２次元の４象限型光検出器４２２は、共通の角（例えば、原点位置０,０）で合致する４つの別個のフォトダイオードＰ１−Ｐ４によって形成される。１つの実施形態では、第１の測定スポット４５５の一部（例えば、大面積スポット）が４象限型光検出器４２２の各象限に結像される、差動検出方式が利用される。各象限のフォトダイオードＰ１−Ｐ４に重なるスポットの大きさは、各電極における電流Ｉ１−Ｉ４を決定する。画像化されたスポットのサイズは、検出範囲及び分解能を決定する。このような構成によれば、正方形の第１の測定スポット４５５は、様々なタイプの動きに関して４象限型光検出器４２２からの線形応答を実現する。様々な代替的な実施形態では、異なる方式及び／又はフィルタリングが、対応した動きのための４象限型光検出器からの所望の線形応答及び／又は他のタイプの応答を実現するように対応して実行されるが、測定スポットの他の形（例えば、矩形、円形など）が代替的に利用されてもよい。
【００４３】
図３に関して上述したように、第１のスポット位置４５５'は、位置表示要素４０５及びスタイラス接続部４４２の位置の対応する変化に応答して変化する。第１のスポット位置４５５'の位置は、４象限型光検出器４２２の第１の感知軸方向Ｖ及び第２の感知軸方向Ｗに沿ってヌル（例えば、基準位置又はゼロ位置（０,０）など）から参照される。より具体的には、様々な実施形態では、第１のスポット位置４５５'の（すなわち、正方形の第１の測定スポット４５５の中心から参照される）位置は、以下の（式５）、（式６）に従って決定されてもよい。
【００４４】
【数１】
2019002931.tif 000003
【００４５】
ここで、ΔＶ及びΔＷは、４象限型光検出器４２２の第１の感知軸方向Ｖ及び第２の感知軸方向Ｗに沿ったそれぞれのデルタ位置であり、Ｄは、正方形の第１の測定スポット４５５の正方形寸法（すなわち、長さ又は幅）であり、Ｉ１−Ｉ４は、４象限型光検出器４２２の各象限のフォトダイオードＰ１−Ｐ４の各電極における電流である。
【００４６】
以下でより詳細に説明するように、様々な実施形態では、２つの４象限型光検出器が２つの位置感知検出器４２１及び４２７に利用され、２つの位置感知検出器４２１及び４２７の信号の組み合わせによって、移動部材４１２及び／又は接続された構成要素（例えば、接触部４４８など）の位置が決定されてもよい。上述のように、いくつかの例では、移動部材４１２の位置は、特定のタイプの座標（例えば、θx、θy、Ｚ）に従って参照されてもよく、２つの位置感知検出器４２１及び４２７の出力は、対応する座標を決定するよう利用されてもよい 。いくつかの実施形態では、様々な三角法又は他の原理は、２つの位置感知検出器４２１及び４２７の出力を、移動部材４１２及び／又は接続された構成要素の対応する位置に変換するための方程式に利用することができる（例えば、三角法は、以下により詳細に説明されるように、図７及び図８の構成に対して利用することができる）。
【００４７】
様々な実施形態では、４象限型光検出器を利用する構成は、他のタイプのセンサを利用する構成に比べていくつかの利点を有することができる。例えば、特定の実施形態では、４象限型光検出器は、同様のサイズのラテラル効果位置感知検出器より約３０倍高感度であり得る。４象限型光検出器を使用する様々な実施形態では、測定スポット４５５にわたる強度分布が比較的均一であること、且つ所望の特性を有する形状（例えば、正方形形状）が４象限型光検出器４２２の出力の所望の線形性を実現するために形成されることを確実にするための構成を構築することが望ましい。上述したように、（例えば、レンズ４５２及び空間フィルタ４５３を含む）テレセントリックな結像構成体を利用することが、正方形形状のエミッタ部４５１が位置感知検出器４２１における測定スポット４５５として正方形の形状を明確に結像するのに役立つ。なお、これは所望の線形応答を実現するのを助ける。
【００４８】
様々な代替的な実施形態では、１つ以上の位置感知検出器（例えば、位置感知検出器４２１、４２７など）に対して、ラテラル効果位置感知検出器を利用することができる。このような構成において、ラテラル効果位置感知検出器では、その上に結像されるのが比較的より小さなスポットサイズ（例えば、２００μｍ〜４００μｍの測定スポット直径を有する）となる。ラテラル効果位置感知検出器の４隅の電極は、それぞれスポット全体を検出する。ラテラル効果位置感知検出器は、４隅で感知される電流が各電極に対するスポットの位置に依存するように、その構造内に抵抗層を有することができる。様々な実施形態では、ラテラル効果位置感知検出器を利用する構成は、検出器設計の結果である良好な線形性を実現することができ、位置の線形性は、小さな光スポットの強度分布によって最小限に影響を抑えることができるが、上述したように、同様のサイズの４象限型位置感知検出器を使用する構成よりも感度が低い。「エミッタ材料構成体を用いる測定装置のための光学的構成体」（整理番号Ｐ１７０６９ＪＰ）に、より詳細に記載されている位置感知検出器を利用する技術は、本明細書と同時に提出され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００４９】
図５は、走査プローブ４００のプローブ本体４０２の本体フレーム（フレーム）４０８内に含まれる、図３に示されたスタイラス懸架部４０７として使用可能なスタイラス懸架部４０７'の断面の１つの実施形態を示す部分概略図である。図５に示すように、スタイラス懸架部４０７'は、スタイラス移動機構４０９と、スタイラス４０６に接続されたスタイラス接続部４４２と、を備える。スタイラス移動機構４０９は、移動部材４１２と、回転部材４３６と、回転部材４３６を支持し、且つ回転部材４３６の回転運動を可能にするための本体フレーム４０８に接続された屈曲要素４４０と、移動部材４１２の軸方向運動を可能にするために移動部材４１２を支持し、且つ回転部材４３６に接続される屈曲要素４１４及び４１５（すなわち、第１屈曲要素として参照される）と、を備える。走査プローブ４００は、スタイラス移動機構４０９及び／又はスタイラス４０６の接触部４４８の位置及び／又は動きを決定するために、図５を参照して以下でより詳細に説明される構成要素と動作を備えるスタイラス位置検出部５１１を備える。
【００５０】
（すなわち、第２の屈曲要素として参照される）屈曲要素４４０は、軸方向Ｏにおける一対の（すなわち、第１の屈曲要素として参照される）屈曲要素４１４及び４１５のそれぞれの平面の間に配置される。回転部材４３６は、第２の屈曲要素４４０に関して対称な形状を有してもよく、２つのリング部４３６Ａと、２つの接続部４３６Ｂと、円筒部４３６Ｃとを一体的に備えてもよい。第１の屈曲要素４１４及び４１５の周辺部は、リング部４３６Ａに固定される。接続部４３６Ｂは、中空の円筒部４３６Ｃに接続されるようにリング部４３６Ａの内側に延びる。第１の屈曲要素４１４及び４１５は、第２の屈曲要素４４０に対して対称的な距離に配置されてもよいが、このような実施は例示的なものにすぎず、限定的なものではない。
【００５１】
移動部材４１２を備える軸方向移動機構４１０は、回転部材４３６の内側で支持され、回転部材４３６と軸方向移動機構４１０とは共にスタイラス移動機構４０９の一部である運動モジュールを構成している。軸方向移動機構４１０により、接触部４４８は軸方向Ｏに移動可能とされている。回転部材４３６を備える回転移動機構４３４は、スタイラス４０６の接触部４４８が回転中心ＲＣ周りの回転運動によって軸方向Ｏに対して横方向に（例えば、ほぼ垂直に）動くことを可能にしている。
【００５２】
移動部材４１２は、下部４１２Ａと、ロッド部４１２Ｂと、上部４１２Ｃとを一体的に備える。図６に示されたスタイラス位置検出部５１１に関して以下でより詳細に説明するように、位置表示要素５０５は上部４１２Ｃに取り付けられる。ロッド部４１２Ｂは、一対の第１の屈曲要素４１４、４１５の間に配置され、回転部材４３６に収容されている。
【００５３】
下部４１２Ａはロッド部４１２Ｂの下方に形成され、スタイラス接続部４４２（例えばフランジ部材）が下部４１２Ａに取り付けられている。フランジ部４４４は、スタイラス４０６を取り付けるために設けられている。フランジ部４４４とスタイラス接続部４４２とは、（例えば、スタイラスが衝突で外れた場合、又は意図的にスタイラスを交換した場合などに）繰り返し位置決めして様々なスタイラス４０６とスタイラス接続部４４２との間の着脱を可能にする着脱可能な接続機構（例えば、既知のタイプのキネマティック接続又はカップリング）を構成している。
【００５４】
図６は、図５の走査プローブ４００に含まれるスタイラス位置検出部５１１の第２の実施形態を示す図である。図６のスタイラス位置検出部５１１の特定の部分は、図５の走査プローブ４００の本体フレーム４０８に接続されている。図６の例では、スタイラス位置検出部５１１は、延在部５１２'を備える位置表示要素５０５と、位置表示要素部５１６と、エミッタ部５５１と、を備える。位置表示要素部５１６は、エミッタ部５５１が位置する延在部５１２'の端部の表面である。以下でより詳細に説明されるように、位置表示要素５０５は、移動部材４１２及びその取り付けられたスタイラス接続部４４２に接続される。それ以外においては、様々な図示された要素は、本体フレーム４０８に対して直接的又は間接的に固定されてもよい。様々な実施形態では、第２の光検出器５２８からの位置表示信号の第２のセットと組み合わされる第１の光検出器５２２からの位置表示信号の第１のセットは、位置表示要素５０５の位置の決定を可能にする。なお、位置表示要素５０５は、本体フレーム４０８に対してスタイラス接続部４４２（と取り付けられたスタイラス４０６と接触部４４８）の絶対的な３次元位置を対応して示す。より具体的には、図２に関して上述したように、様々な実施形態では、（例えば、ＣＭＭ２００、モーションコントローラ１１５、ホストコンピュータ１２０等の）処理部は、スタイラス４０６の接触部４４８の３次元位置を決定するように、第１の光検出器５２２からの位置表示信号の第１のセットと、第２の光検出器５２８からの位置表示信号の第２のセットとを処理するように構成されている。
【００５５】
図６に示すように、光源構成体５１７は、光源５１８（例えば、ＬＥＤ光源）を備え、いくつかの実施形態では、（例えば、コリメートレンズ５１８'を用いて）コリメート又はほぼコリメートされた光ビームを供給するように構成されている。光源５１８の調整は、システムの全体的な性能に影響を及ぼす可能性がある。光源５１８及び／又はコリメートレンズ５１８'の適切な調整を可能にするために、Ｚ位置管５４２、Ｘ−Ｙ管５４３、及びホルダ／バッフル５４４を含むアセンブリ５４１のような調整アセンブリは、いくつかの実施形態で使用することができる。
【００５６】
一般に、スタイラス位置検出部５１１は、図３のスタイラス位置検出部４１１と同様の構成要素を備え、以下に説明する以外は同様の動作をすることが理解されている。以下でより詳細に説明するように、図３の実施形態とのいくつかの違いは、図６において、単一のエミッタ部５５１が、回転中心ＲＣに対して軸方向ＡＤにほぼ沿って配置され、光源光を受光し、それぞれ第１及び第２の測定光として進行する生成された励起光の第１及び第２の部分の両方を放出することを含んでいる。図６に示すように、スタイラス位置検出部５１１は、第１の位置検出構成体５１３及び第２の位置検出構成体５２５をさらに備える。
【００５７】
第１の位置検出構成体５１３は、第１の測定スポット生成構成体５５０及び第１の位置感知検出器５２１を備える。第２の位置検出構成体５２５は、第２の測定スポット生成構成体５６０及び第２の位置感知検出器５２７を備える。図示されるように、第２の位置感知検出器５２７は、第１の位置感知検出器５２１の第１の光検出器５２２の表面平面にほぼ平行である表面平面を有する軸方向光検出器５２８を備え、これは図３の構成とはまた異なり、特定の実施形態では、走査プローブ４００内の電子構成要素の位置及び構成に関してある種の利点を備える。図４に関して上述したように、様々な実施形態では、第１の光検出器５２２及び第２の光検出器５２８はそれぞれ４象限型光検出器であってもよい。
【００５８】
第１の測定スポット生成構成体５５０は、第１の光源光路５２３に沿って光源光を供給するコリメートレンズ５１８'を有する光源５１８と、エミッタ部５５１と、第１の測定スポット経路５２３'と、第１のレンズ５５２と、第１の空間フィルタ５５３と、第１の光源光フィルタ５５４と、を備える。第２の測定スポット生成構成体５６０はまた、第２の光源光路５２９に沿って光源光を供給するコリメートレンズ５１８'を有する光源５１８と、エミッタ部５５１と、第２の測定スポット経路５２９'と、第２のレンズ５６２と、第２の空間フィルタ５６３と、第２の光源光フィルタ５６４と、を備える。
【００５９】
動作中、光源５１８から（例えば、第１の波長範囲を含む）光源光が放射され、光源光路に沿って（すなわち、第１の光源光路５２３と第２の光源光路５２９の両方に対応して）供給される。光源光は、エミッタ部５５１に到達し、対応するエミッタ材料は、光源光を入力し、エミッタ材料内で生成された励起光（例えば、第１の波長範囲に含まれない第２の波長範囲を含む生成された励起光）を出力することによって応答する。生成された励起光の第１の部分は、第１の位置感知検出器５２１上の第１のスポット位置５５５'に第１の測定スポット５５５を形成するように、第１の測定スポット経路５２３'に沿って第１の測定光として進行する。生成された励起光の第２の部分は、第２の位置感知検出器５２７上の第２のスポット位置５６５'に第２の測定スポット５６５を形成するように、第２の測定スポット経路５２９'に沿って第２の測定光として進行する。
【００６０】
より具体的には、第１の測定光は、第１のレンズ５５２によって集光され、第１の位置感知検出器５２１上の第１のスポット位置５５５'に第１の測定スポット５５５を形成するように、第１の空間フィルタ５５３及び第１の光源光フィルタ５５４を通過するようにビームスプリッタ５２０によって向けられている。第１の位置感知検出器５２１は、第１の位置感知検出器５２１上の第１のスポット位置５５５'を示す位置表示信号の第１のセットを出力する。図６の例では、１つの実施形態として、位置表示信号の第１のセットは、第１の測定スポット５５５の位置に応じて変化する第１及び第２の回転信号に対応することができ、少なくとも第１及び第２の回転信号は、スタイラス接続部４４２の回転位置を示すことができる。この構成では、第１の位置感知検出器５２１の第１及び第２の感知軸方向は、軸方向ＡＤに平行に配向された平面内で互いにほぼ直交している。
【００６１】
第２の測定光は、第２のレンズ５６２によって集光され、第２の位置感知検出器５２７上の第２のスポット位置５６５'に第２の測定スポット５６５を形成するように、第２の空間フィルタ５６３及び第２の光源光フィルタ５６４を通過する。第２の位置感知検出器５２７は、第２の位置感知検出器５２７上の第２のスポット位置５６５'を示す位置表示信号の第２のセットを出力する。図６の例では、１つの実施形態として、位置表示信号の第２のセットは、第２の測定スポット５６５の位置に応じて変化する種々の軸方向信号に対応することができ、軸方向信号は、スタイラス接続部４４２の軸方向位置を示すことができる。この構成では、第２の位置感知検出器５２７の第１の感知軸方向は、ほぼ軸方向に平行とされている。
【００６２】
様々な実施形態では、エミッタ部５５１は、特定の形状及び／又はサイズであってもよい。例えば、１つの具体的な実施形態では、エミッタ部は、それぞれ、位置感知検出器５２１及び５２７上に正方形形状の測定スポット５５５及び５６５を生成するように、正方形の辺を有する立方体又は他の要素として形成され、４象限型光検出器５２２及び５２８上のスポット位置５５５'及び５６５'の動きに対する所望の線形応答を実現させてもよい。エミッタ部を照射するための光源５１８は、ポンプレーザのような特定のタイプとして特定することもできる。このような構成では、様々な実施形態では、ポンプレーザは、光レベルが十分に低い場合には連続波モードで動作させることができ、又は、エミッタ材料（例えば、蛍光体など）の消失を回避するために高強度のパルスモードで動作させることができる。
【００６３】
図７は、スタイラス位置検出部７１１の第３の実施形態を示す図である。図７の例では、スタイラス位置検出部７１１は、延在部７１２'を備える位置表示要素７０５と、反射要素７３９Ｂ（例えばミラー）と、位置表示要素部７１６と、エミッタ部７５１と、を備える。位置表示要素部７１６は、エミッタ部７５１が位置する表面である。様々な実施形態では、以下でより詳細に説明されるように、延在部７１２'は、反射要素７３９Ｂ及びエミッタ部７５１のそれぞれの機能を実行するために反射要素７３９Ｂ及びエミッタ部７５１を支持し、配置するように構成される。例えば、１つの実施形態では、延在部７１２'は、反射要素７３９Ｂが配置され、エミッタ部７５１が位置する表面上に、透明なガラスブロックアセンブリを備えることができる。別の例として、代替的な実施形態では、延在部７１２'は、フレーム内の中間の開放セクションを有し、反射要素７３９Ｂ及びエミッタ部７５１を支持するためのフレームを備える。位置表示要素７０５の延在部７１２'は、移動部材４１２に取り付けられている。
【００６４】
スタイラス位置検出部７１１のある種の構成要素は、図６のスタイラス位置検出部５１１のものと同様であり、以下に説明する以外は同様に動作すると理解される。図６の実施形態とのいくつかの相違点は、図７の実施形態では、生成された励起光の第１の部分を入力する第１の測定スポット経路７２３'の入力部７２３'-ＩＮは、軸方向ＡＤに対して角度Ａ１（例えば、少なくとも１５度）を形成している。さらに、生成された励起光の第２の部分を入力する第２の測定スポット経路７２９'の入力部７２９'-ＩＮは、軸方向ＡＤに対して角度Ａ２（例えば、少なくとも１５度）を形成し、第１の測定スポット経路７２３'の入力部７２３'-ＩＮに対して角度Ａ１＋Ａ２（例えば、少なくとも３０度）を形成する。さらに、第１の位置感知検出器７２１の第１及び第２の感知軸方向は、第１の位置感知検出器７２１と交差する第１の測定スポット経路７２３'の方向に対して垂直に配向された平面において互いにほぼ直交している。第１の光検出器７２２は、第１の位置感知検出器７２１の第１及び第２の感知軸方向に沿って第１の測定スポット７５５の位置（すなわち、スポット位置７５５'）に応答する出力を供給するように構成される。更に、第２の位置感知検出器７２７の第１及び第２の感知軸方向は、第２の位置感知検出器７２７と交差する第２の測定スポット経路７２９'の方向に対して垂直に配向された平面において互いにほぼ直交している。第２の光検出器７２８は、第２の位置感知検出器７２７の第１及び第２の感知軸方向に沿って第２の測定スポット７６５の位置（すなわち、スポット位置７６５'）に応答する出力を供給するよう構成されている。
【００６５】
図７に示すように、スタイラス位置検出部７１１は、第１の位置検出構成体７１３及び第２の位置検出構成体７２５を備える。第１の位置検出構成体７１３は、第１の測定スポット生成構成体７５０及び第１の位置感知検出器７２１を備える。第２の位置検出構成体７２５は、第２の測定スポット生成構成体７６０及び第２の位置感知検出器７２７を備える。第１の位置感知検出器７２１は第１の光検出器７２２を備え、第２の位置感知検出器７２７は第２の光検出器７２８を備える。図４に関して上述したように、様々な実施形態では、第１の光検出器７２２及び第２の光検出器７２８はそれぞれ４象限型光検出器であってもよい。
【００６６】
光源構成体７１７は、コリメートレンズ７１８'を有する光源７１８を備える。第１の測定スポット生成構成体７５０は、第１の光源光路７２３に沿って光源光を供給するコリメートレンズ７１８'を有する光源７１８と、反射要素７３９Ａ及び７３９Ｂ（例えば、１００％ミラー）と、エミッタ部７５１と、第１の測定スポット経路７２３'と、第１のレンズ７５２と、第１の空間フィルタ７５３と、第１の光源光フィルタ７５４と、を備える。第２の測定スポット生成構成体７６０はまた、第２の光源光路７２９に沿って光源光を供給するコリメートレンズ７１８'を有する光源７１８と、反射要素７３９Ａ及び７３９Ｂと、エミッタ部７５１と、第２の測定スポット経路７２９'と、第２のレンズ７６２と、第２の空間フィルタ７６３と、第２の光源光フィルタ７６４と、を備える。
【００６７】
動作中、（例えば、第１の波長範囲を含む）光源光は、光源７１８から放射され、（すなわち、第１の光源光路７２３と第２の光源光路７２９の両方に対応している）光源光路に沿って供給される。光源光は、スタイラス懸架部４０７の回転中心ＲＣに対してほぼ軸方向ＡＤに沿って配置されたエミッタ部７５１に向けて光源光をさらに反射する反射要素７３９Ｂ（例えば、１００％ミラー）に向けて反射要素７３９Ａによって反射される。様々な実施形態では、コリメートレンズ７１８'を有する光源７１８は、反射要素７３９Ｂ及び対応するエミッタ部７５１が（すなわち、移動部材４１２の移動範囲に対応する）反射要素７３９Ｂの移動範囲を超えて光源光に残るように十分に広いコリメートされた光ビームの形態の光源光を供給する。エミッタ部７５１のエミッタ材料は、光源光を入力し、エミッタ材料内で発生した励起光（例えば、第１の波長範囲に含まれない第２の波長範囲を含む生成された励起光）を出力することによって応答する。生成された励起光の第１の部分は、第１の位置感知検出器７２１上の第１のスポット位置７５５'に第１の測定スポット７５５を形成するように、第１の測定スポット経路７２３'に沿って第１の測定光として進行する。生成された励起光の第２の部分は、第２の位置感知検出器７２７上の第２のスポット位置７６５'に第２の測定スポット７６５を形成するように、第２の測定スポット経路７２９'に沿って第２の測定光として進行する。
【００６８】
様々な実施形態では、結像する第１のレンズ７５２及び第２のレンズ７６２は、それぞれ、光検出器７２２及び７２８上にエミッタ部７５１を結像するように構成される。一般に、第２のレンズ７６２は、エミッタ部７５１を第２の光検出器７２８上に結像させる機能を実現するように構成、配置される。そして、第１のレンズ７５２は、エミッタ部７５１を第１の光検出器７２２上に結像させる機能を実現するように構成、配置される。テレセントリック配置が利用される図示された構成では、第１のレンズ７５２及び第２のレンズ７６２は、対象物がレンズから２ｆ（すなわち、焦点距離の２倍の位置）にあるという原則に従って配置され、レンズの後ろの焦点２ｆで結像される。１ｆでの開口（例えば、空間フィルタ７５３及び７６３）は、それぞれの光検出器７２２及び７２８上のエミッタ部の画像を生成するように、コリメートされた入力光線のみを通過させる。図７の例において、１つの実施形態では、第１の測定スポット経路７２３'と第２の測定スポット経路７２９'の長さは、ほぼ等しくてよい。様々な実施形態では、構成要素の異なる構成及び位置は、様々な理由（例えば、実用的なスペース、経済的考慮事項など）のために実現されてもよいことは言うまでもない。
【００６９】
様々な実施形態では、エミッタ部７５１が焦点軸に沿って異なる距離に移動する（すなわち、コリメートされた光線がエミッタのエッジで依然として規定される）ので、テレセントリック配置により、光検出器７２２及び７２８上の測定スポットサイズ及び形状がより一定になることは言うまでもない。様々な実施形態では、このような移動のために、エミッタのエッジが「よりあいまいに」なったり、また別の状況ではぼやけたりすることがあるが、公称スポットサイズ及び形状は著しく変化しない。したがって、このような構成は、「クロスカップリング」効果を低減することができる。なお、そうでなければ、クロスカップリング効果は、（例えば、軸方向移動及び／又は回転移動がスポット経路の「焦点距離」を変化させるなど）「クロスカップリング」された光検出器上の測定スポットサイズと形状に影響を及ぼす可能性がある。そのような動きにより、非テレセントリック配置では測定スポットサイズと形状がより著しく変更する。ある種の実施形態では、そのような問題（例えば、変化するスポットサイズと形状）を軽減するように光学構成要素を構成することが望ましいが、様々な実施形態では、そのような問題は、較正により少なくともある程度は対処することができる。
【００７０】
様々な実施形態では、図７の例に示すような構成におけるこのような問題を低減することが特に望ましい場合がある。より具体的には、上述したように、様々な実施形態では、エミッタ部７５１の形状は正方形形状とされ、蛍光体はそれぞれ、４象限型光検出器７２２及び７２８上のスポット位置７５５'及び７６５'の動きに対して所望の線形応答を実現するように、測定スポット７５５及び７６５における測定光の均一な強度を実現するように構成されている。そのような構成では、所望の線形応答をより正確に維持するために、テレセントリック配置を利用して、変化するスポットサイズ及び形状などの問題を低減することが望ましい。
【００７１】
図８は、スタイラス位置検出部８１１の第４の実施形態を示す部分的な概略図である。図８の例では、スタイラス位置検出部８１１は、延在部８１２'を備える位置表示要素８０５と、反射要素８３９Ｂと、位置表示要素部８１６及び８２６と、エミッタ部８５１及び８６１と、を備えている。位置表示要素部８１６及び８２６は、それぞれ、エミッタ部８５１及び８６１が位置する傾斜表面である。エミッタ部８５１及び８６１は、軸方向ＡＤに平行な平面の反対側であって、スタイラス懸架部４０７の回転中心ＲＣを通って、ほぼ対称に配置される。様々な実施形態では、このような構成は、図７（例えば、エミッタ部８５１及び８６１が、測定スポット経路８２３'及び８２９'ならびに光検出器８２２及び８２８に対して結像するためにより正方形形状に空間的に整列され、より大きな空間的分離が、三角測位計算などのためのより大きな角度を提供する）の構成に対するある種の優位性を有する。
【００７２】
様々な実施形態では、延在部８１２'は、以下でより詳細に説明するように、反射要素８３９Ｂならびにエミッタ部８５１及び８６１をそれぞれの機能を実現するためにそれぞれ支持し位置させるように構成されている。例えば、１つの実施形態では、延在部８１２'は、反射要素８３９Ｂが配置され、エミッタ部８５１及び８６１が位置する頂角のある表面上に、透明なガラスブロックアセンブリを備えることができる。別の例として、代替的な実施形態では、延在部８１２'は、フレーム内の中間の開放セクションを有し、反射要素８３９Ｂならびにエミッタ部８５１及び８６１をそれぞれの位置に支持するためのフレームを備える。延在部８１２'は、移動部材４１２に取り付けられている。
【００７３】
スタイラス位置検出部８１１のある種の構成要素は、図６のスタイラス位置検出部５１１のものと同様であり、以下に説明するその他を除いて同様に動作することが理解される。図６の実施形態とのいくつかの相違点は、図７のものと同様であり、図８の実施形態における生成された励起光の第１の部分を入力する第１の測定スポット経路８２３'の入力部８２３'-ＩＮが、軸方向ＡＤに対して角度Ａ１（例えば、少なくとも１５度）を形成することを含んでいる。さらに、生成された励起光の第２の部分を入力する第２の測定スポット経路８２９'の入力部８２９'-ＩＮは、軸方向ＡＤに対して角度Ａ２（例えば、少なくとも１５度）を形成し、第１の測定スポット経路８２３'の入力部８２３'-ＩＮに対して角度Ａ１＋Ａ２（例えば、少なくとも３０度）を形成する。さらに、第１の位置感知検出器８２１の第１及び第２の感知軸方向は、第１の位置感知検出器８２１と交差する第１の測定スポット経路８２３'の方向に対して垂直に配向された平面において互いにほぼ直交している。第１の光検出器８２２は、第１の位置感知検出器８２１の第１及び第２の感知軸方向に沿って第１の測定スポット８５５の位置（すなわち、スポット位置８５５'）に応答する出力を供給するように構成される。更に、第２の位置感知検出器８２７の第１及び第２の感知軸方向は、第２の位置感知検出器８２７と交差する第２の測定スポット経路８２９'の方向に対して垂直に配向された平面において互いにほぼ直交している。第２の光検出器８２８は、第２の位置感知検出器８２７の第１及び第２の感知軸方向に沿って第２の測定スポット８６５の位置（すなわち、スポット位置８６５'）に応答する出力を供給するように構成される。
【００７４】
図８に示すように、スタイラス位置検出部８１１は、第１の位置検出構成体８１３及び第２の位置検出構成体８２５を備える。第１の位置検出構成体８１３は、第１の測定スポット生成構成体８５０及び第１の位置感知検出器８２１を備える。第２の位置検出構成体８２５は、第２の測定スポット生成構成体８６０及び第２の位置感知検出器８２７を備える。第１の位置感知検出器８２１は第１の光検出器８２２を備え、第２の位置感知検出器８２７は第２の光検出器８２８を備える。図４に関して上述したように、様々な実施形態では、第１の光検出器８２２及び第２の光検出器８２８は、それぞれ４象限型光検出器であってもよい。
【００７５】
光源構成体８１７は、コリメートレンズ８１８'を有する光源８１８を備える。第１の測定スポット生成構成体８５０は、第１の光源光路８２３に沿って光源光を供給するコリメートレンズ８１８'を有する光源８１８と、反射要素８３９Ａ及び８３９Ｂ（例えば、１００％ミラー）と、第１のエミッタ部８５１と、第１の測定スポット経路８２３'と、第１のレンズ８５２と、第１の空間フィルタ８５３と、第１の光源光フィルタ８５４と、を備える。第２の測定スポット生成構成体８６０はまた、第２の光源光路８２９に沿って光源光を供給するコリメートレンズ８１８'を有する光源８１８と、反射要素８３９Ａ及び８３９Ｂと、第２のエミッタ部８６１と、第２の測定スポット経路８２９'と、第２のレンズ８６２と、第２の空間フィルタ８６３と、第２の光源光フィルタ８６４と、を備える。
【００７６】
動作中、（例えば、第１の波長範囲を含む）光源光は、光源８１８から放射され、（すなわち、第１の光源光路８２３と第２の光源光路８２９の両方に対応している）光源光路に沿って供給され、反射要素８３９Ａによって反射されて反射要素８３９Ｂに向かう。なお、反射要素８３９Ｂは第１のエミッタ部８５１及び第２のエミッタ部８６１に向かって光源光をさらに反射する。様々な実施形態では、コリメートレンズ８１８'を有する光源８１８は、反射要素８３９Ｂ及び対応するエミッタ部８５１及び８６１が（すなわち、移動部材４１２の移動範囲に対応して）反射要素８３９Ｂの移動範囲を超えて光源光に残るように十分に広い光ビームの形態の光源光を供給する。エミッタ部８５１及び８６１のエミッタ材料は、光源光を入力し、エミッタ材料内で発生した励起光（例えば、第１の波長域に含まれない第２の波長域を含む生成された励起光）を出力することによって応答する。生成された励起光の（すなわち、第１のエミッタ部８５１からの）第１の部分は、第１の位置感知検出器８２１上の第１のスポット位置８５５'に第１の測定スポット８５５を形成するように、第１の測定スポット経路８２３'に沿って第１の測定光として進行する。生成された励起光の（すなわち、第２のエミッタ部８６１からの）第２の部分は、第２の位置感知検出器８２７上の第２のスポット位置８６５'に第２の測定スポット８６５を形成するように、第２の測定スポット経路８２９'に沿って第２の測定光として進行する。
【００７７】
様々な実施形態では、結像するレンズ８５２及び８６２は、それぞれ、光検出器８２２及び８２８上にエミッタ部８５１及び８６１を結像するように構成される。一般に、第２のレンズ８６２は、第２のエミッタ部８６１を第２の光検出器８２８上に結像させる機能を実現するように構成、配置される。そして、第１のレンズ８５２は、第１のエミッタ部８５１を第１の光検出器８２２上に結像させる機能を実現するように構成、配置される。テレセントリック配置が利用される図示された構成では、第１のレンズ８５２及び第２のレンズ８６２は、対象物がレンズから２ｆ（すなわち、焦点距離の２倍の位置）にあるという原則に従って配置され、レンズの後ろの焦点２ｆで結像される。１ｆでの開口（例えば、空間フィルタ８５３及び８６３）は、それぞれの光検出器８２２及び８２８上のエミッタ部８５１及び８６１の画像を生成するように、コリメートされた入力光線のみを通過させる。図８の例において、１つの実施形態では、第１の測定スポット経路８２３'と第２の測定スポット経路８２９'の長さは、ほぼ等しくてよい。様々な実施形態では、構成要素の異なる構成及び位置は、様々な理由（例えば、実用的なスペース、経済的考慮事項など）のために実現されてもよいことは言うまでもない。
【００７８】
図７に関して上述したように、様々な実施形態では、エミッタ部８５１及び８６１が焦点軸に沿って異なる距離に移動する（すなわち、コリメートされた光線がエミッタのエッジで依然として規定される）ので、テレセントリック配置により、光検出器８２２及び８２８上の測定スポットサイズ及び形状がより一定になることは言うまでもない。上述したように、様々な実施形態では、エミッタ部８５１及び８６１の形状は正方形形状とされ、蛍光体はそれぞれ、４象限型光検出器８２２及び８２８上のスポット位置８５５'及び８６５'の動きに対して所望の線形応答を実現するように、測定スポット８５５及び８６５における測定光の均一な強度を実現するように構成されている。そのような構成では、所望の線形応答をより正確に維持するために、テレセントリック配置を使用して、変化するスポットサイズ及び形状などの問題を低減することが望ましい。このような原理は、テレセントリックな結像構成体を備えるとして同様に記載される本明細書に開示された他の実施形態に適用することが理解できる。
【００７９】
図９は、スタイラス位置検出部９１１の第５の実施形態を示す部分的な概略図である。図９の例では、スタイラス位置検出部９１１は、延在部９１２'を備える位置表示要素９０５と、反射要素９３１及び９３２と、位置表示要素部９１６及び９２６と、エミッタ部９５１及び９６１と、を備えている。位置表示要素部９１６及び９２６は、それぞれ、エミッタ部９５１及び９６１が位置する傾斜表面である。エミッタ部９５１及び９６１は、軸方向ＡＤに平行な平面の反対側であって、スタイラス懸架部４０７の回転中心ＲＣを通って、ほぼ対称に配置される。
【００８０】
様々な実施形態では、延在部９１２'は、以下でより詳細に説明するように、反射要素９３１及び９３２ならびにエミッタ部９５１及び９６１をそれぞれの機能を実現するためにそれぞれ支持し位置させるように構成されている。例えば、１つの実施形態では、延在部９１２'は、反射要素９３１が配置され、反射要素９３２ならびにエミッタ部９５１及び９６１が位置する頂角のある表面上に、透明なガラスブロックアセンブリを備えることができる。別の例として、代替的な実施形態では、延在部９１２'は、フレーム内の中間の開放セクションを有し、反射要素９３１及び９３２ならびにエミッタ部９５１及び９６１をそれぞれの位置に支持するためのフレームを備える。延在部９１２'は、移動部材４１２に取り付けられている。
【００８１】
スタイラス位置検出部９１１のある種の構成要素は、図８のスタイラス位置検出部８１１のものと同様であり、以下に説明するその他を除いて同様に動作することが理解される。図８の実施形態とのいくつかの相違点は、多重化信号処理及び制御回路９７０が、（例えば、走査プローブの一部として）提供され、位置感知検出器９２１上に第１及び第２の測定スポット９５５及び９６５を多重化するように、（すなわち、光源構成体９１７の一部としての）第１の光源９１８Ａ及び第２の光源９１８Ｂのタイミングを制御することを含む。多重化信号処理及び制御回路９７０は、更に、位置感知検出器９２１上の第１の測定スポット９５５及び第２の測定スポット９６５のスポット位置９５５'及び９６５'に対応する位置感知検出器９２１からの出力信号（例えば、位置表示信号の第１及び第２のセット）を分離するように、多重分離を行うことを提供する。
【００８２】
図９に示すように、スタイラス位置検出部９１１は、第１の位置検出構成体９１３及び第２の位置検出構成体９２５を備える。第１の位置検出構成体９１３は、第１の測定スポット生成構成体９５０及び位置感知検出器９２１を備える。第２の位置検出構成体９２５は、第２の測定スポット生成構成体９６０及び位置感知検出器９２１を備える。図示のように、位置感知検出器９２１は光検出器９２２を備える。図４に関して上述したように、様々な実施形態では、光検出器９２２を、４象限型光検出器とすることができる。
【００８３】
第１の測定スポット生成構成体９５０は、第１の光源光路９２３に沿って光源光を供給するコリメートレンズ９１８Ａ'を有する第１の光源９１８Ａと、反射要素９３０と、反射要素９３２と、第１のエミッタ部９５１と、第１の測定スポット経路９２３'と、反射要素９３４と、第１のレンズ９５２と、ビームスプリッタ９２０と、空間フィルタ９５３と、を備える。第２の測定スポット生成構成体９６０は、第２の光源光路９２９に沿って光源光を供給するコリメートレンズ９１８Ｂ'を有する第２の光源９１８Ｂと、反射要素９３０と、反射要素９３１と、第２のエミッタ部９６１と、第２の測定スポット経路９２９'と、反射要素９３３と、第２のレンズ９６２と、ビームスプリッタ９２０と、空間フィルタ９５３と、を備える。
【００８４】
動作中、（例えば、第１の波長範囲を含む）光源光は、光源構成体９１７の第１の光源９１８Ａから放射され、第１の光源光路９２３に沿って供給され、第１のエミッタ部９５１に向かって進むように、反射要素９３０によって反射される。反射要素９３２は、以下でより詳細に説明するように、所望の信号の多重化を実現するために、第２の光源光路９２９からの光源光が第１のエミッタ部９５１に到達するのを抑制するとともに、第１の光源光路９２３からの光源光が第２のエミッタ部９６１に到達することを抑制する。第１のエミッタ部９５１のエミッタ材料は、第１の光源光路９２３からの光源光を入力し、エミッタ材料内で生成された励起光（例えば、第１の波長範囲には含まれない第２の波長範囲を含む生成された励起光）の第１の部分を出力することによって応答する。生成された励起光の第１の部分は、第１の測定スポット９５５を形成するように、第１の測定スポット経路９２３'に沿って第１の測定光として進行する。第１のスポット位置９５５'は、位置表示要素４０５とスタイラス接続部４４２の位置の対応する変化に応答して変化する。位置感知検出器９２１は、第１の位置感知検出器９２１上の第１のスポット位置９５５'を示す位置表示信号の第１のセットを出力する。
【００８５】
さらに、（例えば、第１の波長範囲を含む）光源光は、光源構成体９１７の第２の光源９１８Ｂから放射され、第２の光源光路９２９に沿って供給され、第２のエミッタ部９６１に向かって進むように、反射要素９３０及び９３１によって反射される。第２のエミッタ部９６１のエミッタ材料は、光源光を入力し、励起光（例えば、第１の波長範囲に含まれない第２の波長範囲を含む生成された励起光）の第２の部分を出力することによって応答する。生成された励起光の第２の部分は、第２の測定スポット９６５を形成するように、第２の測定スポット経路９２９'に沿って第２の測定光として進行する。第２のスポット位置９６５'は、位置表示要素４０５とスタイラス接続部４４２の位置の対応する変化に応答して変化する。位置感知検出器９２１は、第１の位置感知検出器９２１上の第２のスポット位置９６５'を示す位置表示信号の第２のセットを出力する。
【００８６】
多重化信号処理及び制御回路９７０は、位置感知検出器９２１から多重化された位置表示信号の第１及び第２のセットを受信する。多重化信号処理及び制御回路９７０は、位置表示信号の第２のセットから位置表示信号の第１のセットを分離するように、多重分離動作を行う。このような多重化信号処理及び制御回路の動作は、同時係属中で同一出願人により２０１５年１２月１７日に出願された「多重化位置信号を有する測定装置」という発明の名称の米国特許出願第１４／９７３,３７６号に記載されており、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００８７】
様々な実施形態では、生成された励起光の第１の部分を入力する第１の測定スポット経路９２３'の入力部は、軸方向ＡＤに対して角度Ａ１（例えば、約４５度）を形成する。さらに、生成された励起光の第２の部分を入力する第２の測定スポット経路９２９'の入力部は、軸方向ＡＤに対して角度Ａ２（例えば、約４５度）を形成し、第１の測定スポット経路９２３'の入力部に対して角度Ａ１＋Ａ２（例えば、約９０度）を形成する。
【００８８】
様々な実施形態では、反射要素９３１、９３２、９３３及び９３４は、１００％反射ミラーである。少なくとも反射要素９３２について、両面は１００％反射性であってもよい。様々な実施形態では、反射要素９３１及び９３２は、（例えば、延在部９１２'の透明なガラスブロックアセンブリ上に）鏡面プリズム面を備えてもよく、又は光路が空気を通って導かれる延在部９１２'のフレーム上に組み立てられた個々のミラーであってもよい。様々な実施形態では、反射要素９３１及び９３２ならびに第１のエミッタ部９５１及び第２のエミッタ部９６１は、移動部材４１２に接続された位置表示要素９０５の一部であり、スタイラス位置検出部９１１の残りの要素は、走査プローブの本体フレームに接続される。
【００８９】
様々な実施形態では、ビームスプリッタ９２０は、５０％の反射ミラーを備えることができる。あるいは、エミッタ材料は、狭帯域の蛍光体を含むことができ、又は異なる波長出力を生成することができ、ビームスプリッタ９２０は、（すなわち、反射要素９３４から受光した）第１のエミッタ部９５１の波長範囲のすべてを透過し、（すなわち、反射要素９３３から受光した）第２のエミッタ部９６１からの波長範囲のすべてを反射する２色性のフィルタ／反射材を備える（つまり、ビームスプリッタ９２０は２色性ビームスプリッタである）。様々な実施形態では、図４に関して上述したように、位置感知検出器９２１は、光検出器９２２が４象限型光検出器である２次元検出器であってもよい。様々な実施形態では、光源９１８Ａ及び９１８Ｂは、多重化信号処理及び制御回路９７０によって制御されるように、交互に起動されてもよい。様々な代替的な実施形態では、光源９１８Ａ及び９１８Ｂは連続的に変調されてもよく、位置感知検出器９２１は、多重化信号処理及び制御回路９７０内のフィルタ／復調回路により検出器信号を分離することができるように、各周波数で同時に、連続的に復調される。
【００９０】
図７に関して上述したように、様々な実施形態では、エミッタ部９５１及び９６１が焦点軸に沿って異なる距離に移動する（すなわち、コリメートされた光線がエミッタのエッジを依然として規定している）ので、テレセントリック配置（例えば、レンズ９５２及び９６２及び空間フィルタ９５３を含む）で、光検出器９２２上の測定スポットサイズ及び形状をより一定にできることは言うまでもない。上述したように、様々な実施形態では、エミッタ部９５１及び９６１の形状は正方形形状とされ、蛍光体は、４象限型光検出器９２２上のスポット位置９５５'及び９６５'の動きに対して所望の線形応答を実現するように、測定スポット９５５及び９６５における測定光の均一な強度を実現するように構成されている。そのような構成では、所望の線形応答をより正確に維持するために、テレセントリック配置を利用して、変化するスポットサイズ及び形状の問題を低減することが望ましい。
【００９１】
図３−図９に示された変形例は、本明細書に開示された原理に関連して概説された利点の多く又はすべてを保持しながら、様々な光学要素及び関連する光路をさらに再配置及び／又は調整する可能性を示す。例えば、様々な実施形態では、エミッタ材料（例えば、蛍光体）を有するエミッタ部は、米国特許出願公開第２０１３／０２２２７７２及び２０１７／００１７０９１に記載されているように、より少ない拡散／より集光されたビームを生成する小型アセンブリの一部として実施されてもよい。なお、これらの各々は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。一般に、本明細書に開示された様々な実施形態は、例示的なものに過ぎず、限定的なものではないことが理解される。
【００９２】
様々な実施形態では、図３−図９に示される構成は、様々な利点を提供することができる。例えば、エミッタ部で利用されるエミッタ材料（例えば、蛍光体）は、環境的な位置ドリフトが（例えば、ドリフトをＯＮにするようなＬＥＤ点光源のような他の潜在的な光源に比較して）低減されるような受動要素であってもよい。集光学系のほとんど又は全てが（例えば、フレームに取り付けられている）固定されている構成では、他の方法で移動光学系（例えば、ここでは、θＹのような純粋な回転運動が第２の位置感知検出器上の第２の測定スポットの移動に従う軸方向移動として、又は第２の位置感知検出器上の第２の測定スポットの移動に従う軸方向移動がθＹのような純粋な回転運動として、不必要に検出される）によって生じるいずれかのクロスカップリングは低減又は排除され得る。
【００９３】
図１０は、走査プローブから受信した位置信号に基づきスタイラスの接触部の３次元位置を決定するための手順１０００の１つの実施形態を示すフロー図である。ブロック１０１０では、スタイラス接続部によって取り付けられたスタイラスの接触部が、測定されているワークピースの表面と接触するように、走査プローブが位置決めされたという決定がなされる。ブロック１０２０では、光源構成体は、少なくとも１つの光源光路に沿って光源光を放射するように動作される。位置表示要素は、スタイラス接続部に対して固定され、スタイラス接続部と共に移動し、光源構成体からの光を入力し吸収し、励起光を出力することによって応答するエミッタ材料を備える少なくとも１つのエミッタ部を備える。位置表示要素は、第１の位置感知検出器上の第１のスポット位置に第１の測定スポットを形成するように、第１の測定スポット経路に沿って第１の測定光として生成された励起光の第１の部分を出力するように構成されている。そして、第２の位置感知検出器上の第２のスポット位置に第２の測定スポットを形成するように、第２の測定スポット経路に沿って第２の測定光として生成された励起光の第２の部分を出力するように、構成されている。
【００９４】
ブロック１０３０では、第１の位置感知検出器の第１のセットは、第１の位置感知検出器上の第１のスポット位置を示す第１の位置感知検出器から受信される。ブロック１０４０では、第２の位置感知検出器の第２のセットは、第２の位置感知検出器上の第２のスポット位置を示す第２の位置感知検出器から受信される。ブロック１０５０では、第１の位置感知検出器からの位置表示信号の第１のセット及び第２の位置感知検出器からの位置表示信号の第２のセットは、（例えば、接触部が接触しているワークピース表面上の測定された表面点に対応する）スタイラスの接触部の３次元位置を決定するように処理される。
【００９５】
本開示の好ましい実施形態が図示され説明されてきたが、図示され記載された特徴構成及び動作シーケンスにおける多数の変形は、本開示に基づくことで当業者には明らかであろう。様々な代替形態が、本明細書に開示された原理を実施するために使用されてもよい。加えて、上記の様々な実施形態を組み合わせて、さらなる実施形態を提供することができる。本明細書で参照されるすべての米国特許及び米国特許出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。必要に応じて、さらなる実施形態を提供するために様々な特許及び出願の概念を採用するために、実施形態の態様を変更することができる。
【００９６】
これらの変更及び他の変更は、上記の詳細な説明に照らして実施形態に対して行うことができる。一般に、以下の特許請求の範囲において、使用される用語は、明細書及び特許請求の範囲に開示された特定の実施形態で特許請求の範囲を限定すると解釈されるべきではなく、そのような特許請求の範囲が持ちうる等価なすべての範囲に沿うすべての可能な実施形態を含むと解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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