(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と、を備える。スタイラス位置検出部は、スタイラス接続部３４２に対して固定された位置表示要素に向けて光源光を放射するように動作する光源を備える。位置表示要素は、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）を有する位置表示エミッタを備える。様々な実施形態では、励起光は、軸方向位置感知検出器上に軸方向測定スポットを形成するように、軸方向測定スポット経路に沿った軸方向測定光、及び／又は回転位置感知検出器上に回転測定スポットを形成するように、回転測定スポット経路に沿った回転測定光の少なくとも１つとして向けられる。【選択図】図２
2019002930.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、軸方向位置感知検出器又は回転位置感知検出器のうちの少なくとも１つである第１の位置感知検出器と、
前記フレームに対して固定され、第１の光源光路に沿って第１の波長範囲を含む第１の光源光を放射するように構成された第１の光源と、
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、前記第１の光源からの前記第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ことにより応答する前記エミッタ材料を備える第１の位置表示エミッタを備える第１の位置表示要素と、
を備えるスタイラス位置検出部と、を備え、
前記第１の位置表示エミッタは、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第１の光源光路に沿って前記第１の光源光を入力し、前記第１の位置感知検出器上の第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を出力するよう構成され、そして、前記第１の位置感知検出器は前記第１の測定スポットに応答して第１の信号を出力し、前記第１の信号は、前記スタイラス接続部の軸方向位置又は回転位置の少なくとも１つを示す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、
前記第１の位置感知検出器は、軸方向位置感知検出器であり、
前記第１の測定スポットは、軸方向測定スポットであり、
前記第１の信号は、前記スタイラス接続部の軸方向位置を示す軸方向信号であり、
前記スタイラス位置検出部は、
回転位置感知検出器とされ、前記フレームに対して固定され、自身の第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、
前記第２の測定スポットは、前記スタイラス接続部の回転位置に対応して前記第２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移動する回転測定スポットであり、前記第２の位置感知検出器は、前記第２の測定スポットに対応して少なくとも第１及び第２の信号を出力し、前記少なくとも第１及び第２の信号は、前記スタイラス接続部の回転位置を示す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、
前記第１の位置表示エミッタは、更に、前記第２の位置感知検出器上に前記第２の測定スポットを形成するように、生成された前記励起光を第２の測定スポット経路に沿って第２の測定光として出力して構成される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、
前記スタイラス位置検出部は、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する第２の位置表示要素をさらに備え、前記第２の位置表示要素は、前記第１の光源光からの前記第１の波長範囲の光を入力し、前記エミッタ材料内に生成された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第２の位置表示エミッタを備え、生成された前記励起光は前記第１の波長範囲に含まれない前記第２の波長範囲を含み、前記第２の位置表示エミッタは、前記第１の光源光を入力し、前記第２の位置感知検出器上に前記第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を出力するよう構成されていることを特徴とする走査プローブ。
【請求項５】
請求項４において、
前記スタイラス位置検出部は、前記第１の光源光の第１の部分が前記第１の位置表示エミッタに向かうように向けられ、前記第１の光源光の第２の部分が前記第２の位置表示エミッタに向かうように向けられるビームスプリッ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６】
請求項２において、
前記フレームに対して固定され、第２の光源光路に沿って前記第１の波長範囲を含む第２の光源光を放射するように構成された第２の光源をさらに備え、前記スタイラス位置検出部は、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する第２の位置表示要素をさらに備え、前記第２の位置表示要素は、前記第１の波長範囲の前記第２の光源光を入力し、前記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前記エミッタ材料を備える第２の位置表示エミッタを備え、生成された前記励起光は前記第１の波長範囲に含まれない前記第２の波長範囲を含み、前記第２の位置表示エミッタは、前記第２の光源光を入力し、前記第２の位置感知検出器上に前記第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を出力するよう構成されていることを特徴とする走査プローブ。
【請求項７】
請求項２において、
前記第２の位置感知検出器からの信号と組み合わされた前記第１の位置感知検出器からの信号は、前記フレームに対する前記スタイラス接続部の絶対的な３次元位置の決定を可能にす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、
前記第１の光検出器は、前記第１の測定光を受け取るように第１の表面平面に配向された第１の表面領域を備え、前記第２の光検出器は、前記第２の測定光を受け取るように第２の表面平面に配向された第２の表面領域を備え、前記第１及び前記第２の表面平面は、ほぼ平行又は同一平面上の少なくとも１つであることを特徴とする走査プローブ。
【請求項９】
請求項１において、
前記第１の位置感知検出器は回転位置感知検出器であり、
前記第１の光検出器は、前記第１の位置感知検出器の第２の感知軸方向に沿って前記第１の測定スポットの位置に応答する第２の信号を供給するように構成され、前記第１の信号及び前記第２の信号は、前記スタイラス接続部の回転位置を示し、
前記第１の測定スポットは、前記スタイラス接続部の前記回転位置及び前記軸方向に交差する前記第１の位置表示要素の対応付けられた前記位置に対応する前記第１の位置感知検出器の前記第１及び第２の感知軸方向に沿って移動し、前記第１の位置感知検出器は前記第１の測定スポットに応答して少なくとも前記第１及び第２の信号を出力し、前記少なくとも第１及び第２の信号は前記スタイラス接続部の前記回転位置を示し、そして、
前記スタイラス位置検出部は、
軸方向位置感知検出器であり、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感知軸方向に沿って測定スポットの前記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、その移動範囲内で前記スタイラス接続部の位置にかかわらず、前記第２の光源光路に沿って第２の光源光を入力し、前記第２の位置感知検出器上に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の測定光を出力するよう構成された第２の位置表示要素と、を備え、
前記第２の位置感知検出器上の測定スポットは、前記軸方向に沿って前記スタイラス接続部の位置に対応して前記第２の位置感知検出器の前記感知軸方向に沿って移動し、前記第２の位置感知検出器は、前記測定スポットに対応して少なくとも１つの信号を出力し、前記少なくとも１つの信号は、前記軸方向に沿って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１０】
請求項１において、
第２の光源と、多重化信号処理及び制御回路とをさらに備え、
前記第２の光源は、前記フレームに対して固定され、第２の光源光路に沿った前記第１の波長範囲を含む第２の光源光を放射するように構成され、前記スタイラス位置検出部は、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する第２の位置表示要素をさらに備え、前記第２の位置表示要素は、前記第２の光源からの前記第１の波長範囲の前記第２の光源光を入力し、前記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第２の位置表示エミッタを備え、生成された前記励起光は、前記第１の波長範囲に含まれない第２の波長範囲を含み、前記第２の位置表示エミッタは、前記第２の光源光を入力し、前記第１の位置感知検出器上の第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の測定光として第２の測定光として生成された前記励起光を出力するように構成され、
前記多重化信号処理及び制御回路は、前記第１の位置検知検出器上に前記第１及び第２の測定スポットを多重化するように前記第１及び第２の光源のタイミングを制御し、前記第１及び第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された前記信号を分離するよう多重分離を提供するよう構成されていることを特徴とする走査プローブ。
【請求項１１】
請求項１において、
前記エミッタ材料は、蛍光体材料、フォトルミネッセンス半導体のナノ粒子、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１２】
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の測定光を入力し、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構成された第１の検出器レンズをさらに備えることを特徴とする走査プローブ。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記スタイラス位置検出部は、前記第１の検出器レンズと前記第１の位置感知検出器との間に位置する第１の開口部をさらに備え、前記第１の開口部は、前記第１の検出器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ることを特徴とする走査プローブ。
【請求項１４】
請求項１２において、
前記第１の検出器レンズは、屈折率分布レンズであ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位置し、前記第１の波長範囲内の前記第１の光源光が前記第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の位置検知検出器に到達させる第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１６】
請求項１５において、
前記第１の光学フィルタはハイパス光学フィルタであることを特徴とする走査プローブ。
【請求項１７】
請求項１５において、
前記第１の光学フィルタは前記第１の位置表示要素又は前記第１の位置感知検出器のいずれかの部分であることを特徴とする走査プローブ。
【請求項１８】
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の光源光路内に位置し、前記第１の波長範囲内の前記第１の光源光を通過させて前記第１の位置表示エミッタに到達させ、前記第１の測定スポット経路内に位置し、前記第１の位置感知検出器に向かうよう前記第１の測定光を導く反射表面を備えるビームスプリッ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１９】
請求項１８において、
前記ビームスプリッタは、２色性ビームスプリッタであることを特徴とする走査プローブ。
【請求項２０】
請求項１において、
前記第１の光源光は、前記エミッタ材料の消失を回避するために、パルスモードで動作されることを特徴とする走査プローブ。
【請求項２１】
座標測定装置のための走査プローブであって、
前記走査プローブは、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、前記スタイラス位置検出部は、軸方向位置感知検出器と、回転位置感知検出器と、軸方向測定スポット生成構成体と、回転測定スポット生成構成体と、を備え、
前記スタイラス懸架部は、前記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、
前記軸方向位置感知検出器は、前記フレームに対して固定され、自身の感知軸方向に沿って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、
前記回転位置感知検出器は、前記フレームに対して固定され、自身の第１及び第２の感知軸方向に沿って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、
前記軸方向測定スポット生成構成体は、
前記フレームに対して固定され、軸方向光源光路に沿って軸方向光源光を放射するように構成された軸方向光源と、
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、その移動範囲内で前記スタイラス接続部の位置にかかわらず前記軸方向光源光路に沿って前記軸方向光源光を入射し、前記軸方向位置感知検出器上に軸方向測定スポットを形成するように、軸方向測定スポット経路に沿って軸方向測定光を出力するよう構成された軸方向位置表示要素と、
を備え、
前記軸方向測定スポットは前記軸方向に沿った前記スタイラス接続部の位置に対応する前記軸方向位置感知検出器の前記感知軸方向に沿って移動し、前記軸方向位置感知検出器は前記軸方向測定スポットに対応して少なくとも１つの軸方向信号を出力し、前記少なくとも１つの軸方向信号は、前記スタイラス接続部の前記軸方向位置を示し、
前記回転測定スポット生成構成体は、
前記フレームに対して固定され、回転光源光路に沿って回転光源光を放射するよう構成された回転光源と、
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、その移動範囲内で前記スタイラス接続部の位置にかかわらず前記回転光源光路に沿って前記回転光源光を入力し、前記回転位置感知検出器上に回転測定スポットを形成するように、回転測定スポット経路に沿って回転測定光を出力するように構成された回転位置表示要素と、
を備え、
前記回転測定スポットは、前記スタイラス接続部の前記回転位置及び前記軸方向と交差する前記回転位置表示要素の対応付けられた前記位置に対応して前記回転位置感知検出器の前記第１及び第２の感知軸方向に沿って移動し、前記回転位置感知検出器は前記回転測定スポットに応答して少なくとも第１及び第２の回転信号を出力し、前記少なくとも第１及び第２の回転信号は、前記スタイラス接続部の前記回転位置を示し、
前記軸方向測定スポット生成構成体又は前記回転測定スポット生成構成体のうちの少なくとも１つは、エミッタ材料構成体を備え、
そのそれぞれの光源は、そのそれぞれ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し、そして、
そのそれぞれの位置表示要素は、前記第１の波長範囲の光を入力し吸収し、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前記エミッタ材料を備えるそれぞれの位置表示エミッタを備え、生成された前記励起光は前記第１の波長範囲に含まれない第２の波長範囲を含み、生成された前記励起光はそれぞれの位置感知検出器上にそれぞれの測定スポットを形成するように、そのそれぞれの測定スポット経路に沿って測定光として出力することを特徴とする走査プローブ。
【請求項２２】
請求項２１において、
前記軸方向測定スポット生成構成体と前記回転測定スポット生成構成体の両方は前記エミッタ材料構成体を備えることを特徴とする走査プローブ。
【請求項２３】
請求項２２において、
前記軸方向位置表示要素及び前記回転位置表示要素は、同一の単一の位置表示要素を備えることを特徴とする走査プローブ。
【請求項２４】
請求項２３において、
前記軸方向光源及び前記回転光源は、同一の単一の光源を備えることを特徴とする走査プローブ。
【請求項２５】
請求項２１において、
前記スタイラス移動機構に固定されたビーム分割要素をさらに備え、前記位置表示エミッタは、前記ビーム分割要素の異なる部分に固定された励起材料の軸方向部分と励起材料の回転部分とを備えることを特徴とする走査プローブ。
【請求項２６】
スタイラスが接続されている走査プローブから受信し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、
前記システムは、前記走査プローブと、処理部と、を備え、前記走査プローブは、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、前記スタイラス位置検出部は、軸方向位置感知検出器と、回転位置感知検出器と、第１の光源と、第１の位置表示要素と、を備え、
前記スタイラス懸架部は、前記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、
前記軸方向位置感知検出器は、前記フレームに対して固定され、前記軸方向位置感知検出器の感知軸方向に沿って軸方向測定スポットの位置に応答する少なくとも１つの軸方向信号を出力するように構成され、前記軸方向測定スポットは、前記軸方向に沿って前記スタイラス接続部の前記位置に対応する軸方向位置感知検出器の前記感知軸方向に沿って移動し、前記軸方向位置感知検出器は、前記軸方向測定スポットに応答して少なくとも１つの軸方向信号を出力し、前記少なくとも１つの軸方向信号は、前記軸方向に沿って前記スタイラス接続部の位置を示し、
前記回転位置感知検出器は、前記フレームに対して固定され、自身の第１及び第２の感知軸方向に沿って回転測定スポットの位置に応答する少なくとも第１及び第２の回転信号を出力するように構成された回転光検出器を備え、前記回転測定スポットは、前記スタイラス接続部の前記回転位置に対応する前記回転位置感知検出器の前記第１及び第２の感知軸方向に沿って移動し、前記回転位置感知検出器は前記回転測定スポットに対応して少なくとも第１及び第２の回転信号を出力し、前記少なくとも１つの第１及び第２の回転信号は、前記スタイラス接続部の前記回転位置を示し、
前記第１の光源は、前記フレームに対して固定され、第１の光源光路に沿って第１の波長範囲を含む第１の光源光を放射するように構成され、
前記第１の位置表示要素は、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、前記第１の波長範囲内の第１の光源からの第１の光源光を入力し吸収し、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位置表示エミッタを備え、前記位置表示エミッタは、その移動範囲内で前記スタイラス接続部の位置にかかわらず、前記第１の光源光路に沿って前記第１の光源光を入力し、
前記軸方向位置感知検出器上に前記軸方向測定スポットを形成するように、軸方向測定スポット経路に沿った軸方向測定光、又は、
前記回転位置感知検出器上に前記回転測定スポットを形成するように、回転測定スポット経路に沿った回転測定光
の少なくとも１つとして生成された前記励起光を出力するように構成されており、
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ために、前記軸方向位置感知検出器からの少なくとも１つの軸方向信号と、前記回転位置感知検出器からの前記少なくとも第１及び第２の回転信号と、を処理することを特徴とするシステム。
【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、及び／又は比較的安価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、測定機（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、第１の光源と、第１の位置表示要素と、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の感知軸方向に沿う第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。様々な実施形態で、第１の位置感知検出器は、軸方向位置感知検出器又は回転位置感知検出器の少なくとも１つである。第１の光源は、フレームに対して固定され、第１の光源光路に沿う第１の波長範囲を含む第１の光源光を放射するように構成される。第１の位置表示要素は、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。
【０００８】
第１の位置表示要素は、第１の光源からの第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第１の位置表示エミッタを備える。様々な実施形態で、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。第１の位置表示エミッタは、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第１の光源光路に沿う第１の光源光を入力し、第１の位置感知検出器上に第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う第１の測定光として生成された励起光を出力するように構成される。第１の位置感知検出器は、第１の測定スポットに応答して第１の信号を出力し、第１の信号は、スタイラス接続部の軸方向位置又は回転位置の少なくとも１つを示す。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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、Ｘ、Ｙ及びＺ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】スタイラスに接続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】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５】図４の走査プローブに備えられた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６】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７】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８】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９】図４に示したものと同様の走査プローブに備えられたスタイラス位置検出部の第６の実施形態を示す図である。
【図１０】図３のスタイラス懸架部と組み合わせて使用されるスタイラス位置検出部の第７の実施形態を示す部分概略図である。
【図１１Ａ】軸方向運動及び回転運動を可能にするためにスタイラス懸架部に利用されるような屈曲要素の実施形態を示す図である。
【図１１Ｂ】軸方向運動及び回転運動を可能にするためにスタイラス懸架部に利用されるような屈曲要素の実施形態を示す図である。
【図１２】走査プローブから受信した位置信号に基づいて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】
【００１０】
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。
【００１１】
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３方向にその位置を自由に変更することを許容する。
【００１２】
図２は、ＣＭＭ２００に接続され、Ｘ、Ｙ及びＺ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。図３及び図４に関して以下でより詳細に説明するように、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。
【００１３】
図２に示すように、スタイラス位置検出部３１１は、回転位置検出構成体３１３と、軸方向位置検出構成体３２５と、を備える。回転位置検出構成体３１３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及びＹ位置信号）を出力する。軸方向位置検出構成体３２５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少なくとも１つの軸方向信号（例えば、Ｚ位置信号）を出力する。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以上の受信部がＸ、Ｙ、Ｚ位置信号を受信し、接触部３４８が測定されているワークピースＷ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３４８の３次元位置を決めるように利用される。
【００１４】
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１１Ｂ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に対する接触部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。
【００１５】
図４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と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（軸方向Ｏ）の方向がＺ方向と一致している。
【００１６】
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４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、回転光検出器４２２は、Ｘ及びＹ方向における移動部材４１２の回転位置を感知することができ、軸方向光検出器４２８は、Ｚ方向における移動部材４１２の軸方向位置を感知することができる。
【００１７】
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（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）に対して移動する回転位置表示要素４１６及び軸方向位置表示要素４２６を備える。スタイラス位置検出部４１１の他の様々な構成要素は、特に断らない限り、フレームに対して固定されていてもよい（つまり、回転位置感知検出器４２１や軸方向位置感知検出器４２７はフレームに対して固定されている）。同様のスタイラス位置検出部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日に発明の名称「測定装置のための光学的構成体」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】
スタイラス位置検出部４１１は、回転位置検出構成体４１３及び軸方向位置検出構成体４２５を備える。以下でより詳細に説明するように、回転位置検出構成体４１３は、回転測定スポット生成構成体４５０及び回転位置感知検出器４２１を備える。軸方向位置検出構成体４２５は軸方向測定スポット生成構成体４６０と軸方向位置感知検出器４２７を備える。回転位置感知検出器４２１は回転光検出器４２２を備え、軸方向位置感知検出器４２７は軸方向光検出器４２８を備える。光検出器を利用する他の光学的構成体は、本明細書と同時に提出され、本明細書に組み込まれる「４象限型光検出器を使用する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Ｐ１７０７０ＪＰ）という発明の名称の特許出願に記載されている。
【００１９】
回転測定スポット生成構成体４５０は、回転光源光路４２３に沿って回転光源光を供給する光源（回転光源）、ビームスプリッタ４２０、回転位置表示要素４１６、回転測定スポット経路４２３'、回転レンズ４５２、回転空間フィルタ４５３、及び回転光源光フィルタ４５４を備える。軸方向測定スポット生成構成体４６０は、軸方向光源光路４２９に沿って軸方向光源光を供給する光源（軸方向光源）、ビームスプリッタ４２０、軸方向位置表示要素４２６、軸方向測定スポット経路４２９'、軸方向レンズ４６２、軸方向空間フィルタ４６３、及び軸方向光源光フィルタ４６４を備える。図３の例では、ある部分は、回転測定スポット生成構成体４５０及び軸方向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、同じ光源（第１の光源）がフレームに対して固定され、同じビームスプリッタ４２０に同じ光源光路４２３及び４２９に沿って光源光を供給するように、両方の構成体に利用されている）。又は、（例えば、図７及び図８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。
【００２０】
動作中、（例えば、フレームに対して固定された光源からの）光源光は、ビームスプリッタ４２０への回転光源光と軸方向光源光の両方として（すなわち、回転光源光路４２３と軸方向光源光路４２９の両方に対応した）光源光路に沿って供給される。ビームスプリッタ４２０は、回転位置表示要素４１６に向けられた回転光源光と、軸方向位置表示要素４２６に向けられた軸方向光源光とに、光源光を受光して分割する。回転位置表示要素４１６及び軸方向位置表示要素４２６は、ビームスプリッタ４２０の第１及び第２の表面に取り付けられる。代替的な実施形態では、図７及び図８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。
【００２１】
様々な実施形態では、回転位置表示要素４１６（すなわち、回転位置表示要素４１６は、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）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）を含む回転位置表示エミッタ４５１を備える。様々な実施形態で、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、回転光源から（例えば、第１の波長範囲内の）回転光源光を入力し、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。回転位置表示エミッタ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、回転光源光路４２３に沿って回転光源光を入力するように構成されている。回転位置表示エミッタ４５１は、さらに、回転位置感知検出器４２１上に回転測定スポット４５５を形成するように、回転測定スポット経路４２３'に沿って回転測定光として生成された励起光を出力するように構成される。
【００２２】
より具体的には、回転測定光は、回転位置感知検出器４２１上に回転測定スポット４５５を形成するように、回転レンズ４５２によって集光され、回転空間フィルタ４５３及び回転光源光フィルタ４５４を通過する。様々な実施形態では、回転位置感知検出器４２１上の回転測定スポット４５５として、回転位置表示エミッタ４５１から生成された励起光を結像するために、回転レンズ４５２と回転空間フィルタ４５３は、既知の原理に従ってテレセントリック配置に配置される。様々な実施形態では、回転測定スポット４５５は、軸方向（例えば、軸方向はＺ軸にほぼ一致する方向）と交差する回転位置表示要素４１６の対応付けられた位置とスタイラス接続部４４２の回転位置とに対応する回転位置感知検出器４２１の第１及び第２の感知軸方向に沿って移動する。回転位置感知検出器４２１は、回転測定スポット４５５の位置に応答して、少なくとも第１及び第２の回転信号を出力し、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。
【００２３】
（例えば、回転レンズ４５２及び回転空間フィルタ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、回転位置表示エミッタ４５１の動きは、回転位置感知検出器４２１上の回転測定スポット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、回転位置表示エミッタ４５１のΔＹの動きが回転位置感知検出器４２１上の回転測定スポット４５５のΔＹ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、回転位置感知検出器４２１の回転光検出器４２２上の回転測定スポット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。
【００２４】
ΔＹPSD＝ＨθY                                              （式１）
【００２５】
ここで、Ｈは回転中心ＲＣから回転位置表示要素４１６までの距離であり、θYはＹ方向に平行な面内での回転部材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。
【００２６】
ΔＹSTYLUS＝θY *（ｈS＋ＩS）                                （式２）
【００２７】
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回転光検出器４２２上のＹ方向スポット変位の比率は、（式３）で近似される。
【００２８】
ΔＹPSD／ΔＹSTYLUS＝Ｈ／（ｈS＋ＩS）                        （式３）
【００２９】
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。
【００３０】
様々な実施形態では、軸方向位置表示要素４２６（すなわち、軸方向位置表示要素４２６はスタイラス接続部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）は、エミッタ材料（例えば、蛍光体など）を含む軸方向位置表示エミッタ４６１を備える。エミッタ材料は、軸方向光源からの（例えば、第１の波長範囲内の）軸方向光源光を入力し、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。軸方向位置表示エミッタ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、軸方向光源光路４２９に沿って軸方向光源光を入力するように構成されている。軸方向位置表示エミッタ４６１は、さらに、軸方向位置感知検出器４２７上に軸方向測定スポット４６５を形成するように、軸方向測定スポット経路４２９'に沿って軸方向測定光として生成された励起光を出力するように構成される。
【００３１】
より具体的には、軸方向測定光は、軸方向位置感知検出器４２７上に軸方向測定スポット４６５を形成するように、軸方向レンズ４６２によって集光され、軸方向空間フィルタ４６３及び軸方向光源光フィルタ４６４を通過する。様々な実施形態では、軸方向位置感知検出器４２７上の軸方向測定スポット４６５として、軸方向位置表示エミッタ４６１から生成された励起光を結像するために、軸方向レンズ４６２と軸方向空間フィルタ４６３は既知の原理に従ってテレセントリック配置に配置されている。様々な実施形態では、軸方向測定スポット４６５は、（例えば、ほぼＺ軸方向に対応する）軸方向に沿ったスタイラス接続部４４２の位置に対応する軸方向位置感知検出器４２７の感知軸方向（第１の感知軸方向）に沿って移動する。軸方向位置感知検出器４２７は、軸方向測定スポット４６５の位置に応答して、少なくとも１つの軸方向信号を出力し、その少なくとも１つの軸方向信号は、スタイラス接続部４４２の軸方向位置を示す。
【００３２】
（例えば、軸方向レンズ４６２及び軸方向空間フィルタ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、軸方向位置表示エミッタ４６１の動きは、軸方向位置感知検出器４２７上の軸方向測定スポット４６５の特定量の動きに対応している。１つの特定の実施態様では、軸方向位置表示エミッタ４６１のΔＺの動きが、軸方向位置感知検出器４２７上の軸方向測定スポット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に対する軸方向位置感知検出器４２７の軸方向光検出器４２８上の軸方向測定スポット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。
【００３３】
ΔＺPSD／ΔＺSTYLUS≒１                                     （式４）
【００３４】
様々な実施形態では、例えば図３に示すように、軸方向位置表示要素４２６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、軸方向位置表示要素４２６と回転位置表示要素４１６は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）軸方向にほぼ交差する軸方向位置表示要素４２６の動きは、軸方向光検出器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。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軸方向位置表示要素４２６のほぼＸ軸方向に沿った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軸方向に沿って軸方向光検出器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軸方向位置表示要素４２６の運動弧は、軸方向測定スポット４６５の望ましくない、及び／又は未検知の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軸方向光検出器４２８上の軸方向測定スポット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Ｘ、Ｙ、Ｚ位置又は変位値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。
【００３５】
様々な実施形態では、（例えば、それぞれの中心開口（開口部）を備え、測定光を空間的にフィルタリングする）空間フィルタ４５３及び４６３によって、対応するテレセントリック結像構成体が、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が位置表示エミッタ４５１及び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位置表示エミッタ４５１及び４６１を示す位置の物理的な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よう。
【００３６】
様々な実施形態では、光源光フィルタ（光学フィルタ）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に到達することを防止するように構成される。光源光フィルタ４５４及び４６４は、また、位置表示エミッタ４５１及び４６１からの放出された光（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の波長範囲内の測定光）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）放射スペクトルとの関係に依存し得る。様々な実施形態では、位置表示エミッタ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射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射スペクトルを有するように選択されてもよい。
【００３７】
図４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４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（すなわち、第１の屈曲要素として参照される）屈曲要素４１４と４１５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。
【００３８】
（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。屈曲要素４１４、４１５及び４４０については、図１１Ａ及び図１１Ｂに関して以下でより詳細に説明する。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とを一体的に備える。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、リング部４３６Ａの内側に延び、中空の円筒部４３６Ｃに接続されている。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、このような実施形態は、例示的なものにすぎず、限定的ではない。
【００３９】
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。
【００４０】
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５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、単一の位置表示要素は、回転位置検出構成体の一部として含まれる回転位置表示要素５１６と、軸方向位置検出構成体の一部として含まれる軸方向位置表示要素５２６との両方として機能する。上部４１２Ｃには、回転位置表示要素５１６及び軸方向位置表示要素５２６の両方として機能する位置表示要素が取り付けられている。ロッド部４１２Ｂは、一対の第１の屈曲要素４１４、４１５の間に配置されている。ロッド部４１２Ｂは、回転部材４３６に収容されている。
【００４１】
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）は下部４１２Ａに取り付けられている。スタイラス４０６を取り付けるために、フランジ部４４４が設けられている。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。
【００４２】
図５は、図４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５のスタイラス位置検出部５１１は、図４の走査プローブ４００の本体フレーム４０８に接続されている。以下でより詳細に説明するように、軸方向位置表示要素５２６及び回転位置表示要素５１６の両方として機能する位置表示要素は、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に取り付けられる。それ以外においては、様々に図示された要素は、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、軸方向光検出器５２８からのＺ位置信号と組み合わされた回転光検出器５２２からのＸ位置信号及びＹ位置信号は、回転位置表示要素５１６と軸方向位置表示要素５２６の両方として機能する位置表示要素の位置の決定を可能にする。なお、位置表示要素は、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。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。
【００４３】
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、単一の位置表示要素が回転位置表示要素５１６及び軸方向位置表示要素５２６の両方として機能し、且つ回転位置表示エミッタ５５１と軸方向位置表示エミッタ５６１の両方として機能する単一の位置表示エミッタを備えることを含む。図５に示すように、スタイラス位置検出部５１１は、回転位置検出構成体５１３と、軸方向位置検出構成体５２５と、を備える。回転位置検出構成体５１３は、回転測定スポット生成構成体５５０と回転位置感知検出器５２１とを備える。軸方向位置検出構成体５２５は、軸方向測定スポット生成構成体５６０と軸方向位置感知検出器５２７とを備える。図示されるように、軸方向位置感知検出器５２７は、回転位置感知検出器５２１の回転光検出器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。
【００４４】
回転測定スポット生成構成体５５０は、回転光源光路５２３に沿って回転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、ビームスプリッタ５２０と、回転位置表示要素５１６として機能する位置表示要素と、回転測定スポット経路５２３'と、回転レンズ５５２と、回転空間フィルタ５５３と、回転光源光フィルタ５５４と、を備える。軸方向測定スポット生成構成体５６０はまた、軸方向光源光路５２９に沿って軸方向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、ビームスプリッタ５２０と、軸方向位置表示要素５２６として機能する位置表示要素と、軸方向測定スポット経路５２９'と、軸方向レンズ５６２と、軸方向空間フィルタ５６３と、軸方向光源光フィルタ５６４と、を備える。
【００４５】
動作中、光源５１８からの（例えば、第１の波長範囲を含む）光源光は、ビームスプリッタ５２０を通過した回転光源光と軸方向光源光の両方として（すなわち、回転光源光路５２３と軸方向光源光路５２９の両方に対応して）光源光路に沿って供給される。光源光は、回転位置表示エミッタ５５１と軸方向位置表示エミッタ５６１との両方として機能する位置表示エミッタに到達し、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一部は、回転位置感知検出器５２１上に回転測定スポット５５５を形成するように、回転測定スポット経路５２３'に沿って回転測定光として進行する。また、生成された励起光の別の部分は、軸方向位置感知検出器５２７上に軸方向測定スポット５６５を形成するように、軸方向測定スポット経路５２９'に沿って軸方向測定光として進行する。
【００４６】
より具体的には、回転測定光は、回転位置感知検出器５２１上に回転測定スポット５５５を形成するように、回転レンズ５５２によって集光され、回転空間フィルタ５５３及び回転光源光フィルタ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。回転位置感知検出器５２１は、回転測定スポット５５５の位置に応答して少なくとも第１及び第２の回転信号を出力し、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。軸方向測定光は、軸方向レンズ５６２によって集光され、軸方向位置感知検出器５２７上に軸方向測定スポット５６５を形成するように、軸方向空間フィルタ５６３及び軸方向光源光フィルタ５６４を通過する。軸方向位置感知検出器５２７は、軸方向測定スポット５６５の位置に応答して軸方向信号を生成し、少なくとも１つの軸方向信号はスタイラス接続部４４２の軸方向位置を示す。
【００４７】
様々な実施形態では、位置表示エミッタ５５１／５６１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、位置表示エミッタは、特定のサイズ（例えば、直径２００μｍから４００μｍ）の蛍光体ビーズとして構成されてもよい。位置表示エミッタを照明するための光源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、又は蛍光体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。
【００４８】
図６は、スタイラス位置検出部６１１の第３の実施形態を示す図である。スタイラス位置検出部６１１のある種の構成要素は、図５のスタイラス位置検出部５１１と同様であり、それ以外において以下に説明することを除いて同様に動作することが理解されるであろう。図５の実施形態とのいくつかの相違点は、光源６１８、回転位置感知検出器６２１及び軸方向位置感知検出器６２７の向きが、位置表示要素に対して反時計回りに９０度回転されていることを含む。図６に示すように、スタイラス位置検出部６１１は、回転位置検出構成体６１３及び軸方向位置検出構成体６２５を備える。回転位置検出構成体６１３は、回転測定スポット生成構成体６５０及び回転位置感知検出器６２１を備える。軸方向位置検出構成体６２５は、軸方向測定スポット生成構成体６６０及び軸方向位置感知検出器６２７を備える。図示されているように、軸方向位置感知検出器６２７は、回転位置感知検出器６２１の回転光検出器６２２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６２８を備える。
【００４９】
回転測定スポット生成構成体６５０は、回転光源光路６２３に沿って回転光源光を供給するコリメートレンズ６１８'を有する光源６１８と、ビームスプリッタ６２０と、回転位置表示要素６１６として機能する位置表示要素と、回転測定スポット経路６２３'と、回転レンズ６５２と、回転空間フィルタ６５３と、回転光源光フィルタ６５４と、を備える。軸方向測定スポット生成構成体６６０はまた、軸方向光源光路６２９に沿って軸方向光源光を供給するコリメートレンズ６１８'を有する光源６１８と、ビームスプリッタ６２０と、軸方向位置表示要素６２６としても機能する位置表示要素と、軸方向測定スポット経路６２９'と、反射部材（例えばミラー）６３９と、軸方向レンズ６６２と、軸方向空間フィルタ６６３と、軸方向光源光フィルタ６６４と、を備える。
【００５０】
動作中、光源６１８からの（例えば、第１の波長範囲を含む）光源光は、回転位置表示エミッタ６５１及び軸方向位置表示エミッタ６６１の両方として機能する位置表示エミッタを備える位置表示要素に向けてビームスプリッタ６２０によって反射される回転光源光と軸方向光源光の両方として（すなわち、回転光源光路６２３及び軸方向光源光路６２９の両方に対応して）光源光路に沿って供給される。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一部は、回転位置感知検出器６２１上に回転測定スポット６５５を形成するように、回転測定スポット経路６２３'に沿って回転測定光として進行する。そして、生成された励起光の別の部分は、軸方向位置感知検出器６２７上に軸方向測定スポット６６５を形成するように、軸方向測定スポット経路６２９'に沿って軸方向測定光として進行する。
【００５１】
様々な実施形態では、ビームスプリッタ６２０は、（すなわち、光源光の）第１の波長範囲のみを反射するように構成される。この点に関して、特定の実施形態では、ビームスプリッタ６２０の反射面は、狭帯域反射フィルタとして機能することができ、光源光は、また、回転位置表示エミッタ６５１及び軸方向位置表示エミッタ６６１の両方として機能する位置表示エミッタを励起するように機能する第１の波長範囲に提供される狭帯域とされている。ビームスプリッタ６２０は、位置表示エミッタの第２の波長範囲を大きく反射しないように構成され、第２の波長範囲は、回転位置感知検出器６２１と軸方向位置感知検出器６２７のスペクトルを感知する検出器に強く感知される。
【００５２】
光源６１８上のコリメートレンズ６１８'は、位置表示エミッタが動いても位置表示エミッタが光源光に残るような充分に広いビームを有しながら、位置表示エミッタ６５１／６６１の近くに光源光を集中させるように、光源光を受け取る結像するレンズ６５２と組み合わされて機能する。結像するレンズ６５２及び６６２はまた、位置表示エミッタ６５１／６６１を光検出器６２２及び６２８にそれぞれ結像するように構成されている。図６の実施形態では、（例えば、ミラー６３９を含む）軸方向測定スポット経路６２９'は、回転測定スポット経路６２３'より長くてもよい。一般に、軸方向レンズ６６２は、位置表示エミッタを軸方向光検出器６２８上に結像させる機能を実現するように構成され、配置されている。そして、回転レンズ６５２は、位置表示エミッタを回転光検出器６２２上に結像させる機能を実現するように構成され、配置されている。図６の実施形態では、レンズ６５２及び６６２は同一平面上にあり、光検出器６２２及び６２８は同一平面上にあり、様々な利点を提供することができる。様々な実施形態では、様々な理由（例えば、実用的な間隔、経済的な考慮事項など）のために、構成要素の異なる構成及び位置が実施されることは言うまでもない。
【００５３】
図７は、スタイラス位置検出部７１１の第４の実施形態を示す図である。スタイラス位置検出部７１１のある種の構成要素は、図５のスタイラス位置検出部５１１と同様であり、以下に説明するその他の物を除いて同様に動作することが理解されるであろう。図５の実施形態とのいくつかの相違点は、（例えば、ある電子的な構成体等に対して利点があるように）回転位置感知検出器７２１及び軸方向位置感知検出器７２７が光源７１８と同一平面上にあるように、位置表示要素に対して反時計回りに９０度回転しているということを含んでいる。図７に示すように、スタイラス位置検出部７１１は、回転位置検出構成体７１３と、軸方向位置検出構成体７２５とを備える。回転位置検出構成体７１３は、回転測定スポット生成構成体７５０と回転位置感知検出器７２１とを備える。軸方向位置検出構成体７２５は、軸方向測定スポット生成構成体７６０と軸方向位置感知検出器７２７とを備える。図示されているように、軸方向位置感知検出器７２７は、回転位置感知検出器７２１の回転光検出器７２２の表面平面にほぼ平行な表面平面を有する軸方向光検出器７２８を備える。
【００５４】
回転測定スポット生成構成体７５０は、回転光源光路７２３に沿って回転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（例えば、ミラー）と、回転位置表示要素７１６として機能する位置表示要素と、回転測定スポット経路７２３'と、回転レンズ７５２と、回転空間フィルタ７５３（例えば、空間フィルタリングレンズ）と、回転光源光フィルタ７５４と、を備える。軸方向測定スポット生成構成体７６０は、また、軸方向光源光路７２９に沿って軸方向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、軸方向位置表示要素７２６として機能する位置表示要素と、軸方向測定スポット経路７２９'と、反射要素７３９Ｂ（例えば、ミラー）と、軸方向レンズ７６２と、軸方向空間フィルタ７６３（例えば、空間フィルタリングレンズ）と、軸方向光源光フィルタ７６４と、を備える。
【００５５】
動作中、光源７１８からの（例えば、第１の波長範囲を含む）光源光は、回転位置表示得エミッタ７５１と軸方向位置表示エミッタ７６１の両方として機能する位置表示エミッタを備える位置表示要素に向かって反射要素７３９Ａによって反射される回転光源光と軸方向光源光の両方として（すなわち、回転光源光路７２３と軸方向光源光路７２９の両方に対応して）光源光路に沿って供給される。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、位置表示エミッタ７５１／７６１が位置表示エミッタの移動範囲にわたって光源光内にとどまることを可能にするのに十分な幅の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一部は、回転位置感知検出器７２１上に回転測定スポット７５５を形成するように、回転測定スポット経路７２３'に沿って回転測定光として進行する。そして、生成された励起光の別の一部は、軸方向位置感知検出器７２７上に軸方向測定スポット７６５を形成するように、軸方向測定スポット経路７２９'に沿って軸方向測定光として進行する。
【００５６】
様々な実施形態では、結像するレンズ７５２及び７６２は、位置表示エミッタ７５１／７６１を光検出器７２２及び７２８上にそれぞれ結像するように構成されている。図７の実施形態では、（例えば、ミラー７３９Ｂを含む）軸方向測定スポット経路７２９'は、回転測定スポット経路７２３'より長くてもよい。一般に、軸方向レンズ７６２は、位置表示エミッタを軸方向光検出器７２８上に結像させる機能を実現するように構成され、配置されている。そして、回転レンズ７５２は、位置表示エミッタを回転光検出器７２２上に結像させる機能を実現するように構成され、配置されている。テレセントリック配置が利用される１つの実施形態では、回転レンズ７５２及び軸方向レンズ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、空間フィルタリングレンズ７５３及び７６３）は、それぞれの光検出器７２２及び７２８上の位置表示エミッタの画像を生成するようコリメートされた入力光線のみを通過させる。この構成によれば、１つの実施形態では、軸方向レンズ７６２の焦点距離は、回転レンズ７５２の焦点距離より長くてもよい。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いうまでもない。
【００５７】
様々な実施形態では、位置表示エミッタ７５１／７６１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で、光検出器７２２及び７２８上の測定スポットサイズをより一定に保つことができる。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、軸方向の動きが回転チャネルの「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に影響を及ぼす可能性がある。そのような動きにより、（例えば、図６に示すように）非テレセントリック配置では測定スポットサイズ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（例えば、変化するスポットサイズ）は、較正をより対処することができる。
【００５８】
図８は、スタイラス位置検出部８１１の第５の実施形態を示す図である。スタイラス位置検出部８１１のある種の構成要素は、図３のスタイラス位置検出部４１１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をすることが理解される。図３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８７０が、回転光源８１８Ａ及び軸方向光源８１８Ｂを制御し、且つ位置感知検出器からの信号を多重分離することである。図８に示すように、スタイラス位置検出部８１１は、回転位置検出構成体８１３と軸方向位置検出構成体８２５とを備える。回転位置検出構成体８１３は、回転測定スポット生成構成体８５０と、回転位置感知検出器８２１として機能する位置感知検出器と、を備える。軸方向位置検出構成体８２５は、軸方向測定スポット生成構成体８６０と、軸方向位置感知検出器８２７としても機能する位置感知検出器と、を備える。図示のように、位置感知検出器８２１／８２７は、回転光検出器８２２と軸方向光検出器８２８の両方として機能する光検出器を備える。
【００５９】
回転測定スポット生成構成体８５０は、回転光源光路８２３に沿って回転光源光を供給するコリメートレンズ８１８Ａ'を有する光源８１８Ａと、反射要素８３０と、反射要素８３２と、回転位置表示要素８１６と、反射要素８３４と、回転測定スポット経路８２３'と、回転レンズ８５２と、ビームスプリッタ８２０と、回転空間フィルタ８５３として機能する空間フィルタと、を備える。軸方向測定スポット生成構成体８６０は、軸方向光源光路８２９に沿って軸方向光源光を供給するコリメートレンズ８１８Ｂ'を有する軸方向光源８１８Ｂと、反射要素８３０と、反射要素８３１と、反射要素８３２と、軸方向位置表示要素８２６と、軸方向測定スポット経路８２９'と、反射要素８３３と、軸方向レンズ８６２と、ビームスプリッタ８２０と、軸方向空間フィルタ８６３としても機能する空間フィルタと、を備える。
【００６０】
動作中、回転光源８１８Ａからの（例えば、第１の波長範囲を含む）回転光源光は、回転光源光路８２３に沿って供給され、回転位置表示要素８１６の回転位置表示エミッタ８５１に向かうように向けられる反射要素８３０及び８３２によって反射される。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。生成された励起光は、回転位置感知検出器８２１として機能する位置感知検出器上に回転測定スポット８５５を形成するように、回転測定スポット経路８２３'に沿って回転測定光として進行する。光源８１８Ｂからの（例えば、第１の波長範囲を含む）軸方向光源光は、軸方向光源光路８２９に沿って供給され、軸方向位置表示要素８２６の軸方向位置表示エミッタ８６１に向かって進むように、反射要素８３０、８３１及び８３２によって反射される。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）を出力することによって応答する。生成された励起光は、軸方向位置感知検出器８２７としても機能する位置感知検出器上に軸方向測定スポット８６５を形成するように、軸方向測定スポット経路８２９'に沿って軸方向測定光として進行する。
【００６１】
多重化信号処理及び制御回路８７０は、回転位置感知検出器８２１及び軸方向位置感知検出器８２７として機能する位置感知検出器から多重化されたＸ、Ｙ及びＺ位置信号を受信する。そのとき、多重化信号処理及び制御回路８７０は、（すなわち、軸方向光検出器８２８から受信された）Ｚ位置信号から（すなわち、回転光検出器８２２から受信された）Ｘ及びＹ位置信号を分離するように、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より２０１５年１２月１７日に出願された「多重化された位置信号を備える測定装置」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。
【００６２】
様々な実施形態では、反射要素８３１、８３２、８３３、及び８３４は、１００％反射ミラーである。少なくとも反射要素８３２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８３１及び８３２は、（例えば、透明なガラスブロックアセンブリ上の）鏡面プリズム面を備えてもよく、光路が空気を通って導かれる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。様々な実施態様では、反射要素８３１及び８３２ならびに位置表示エミッタ８５１及び８６１は、移動部材４１２に接続され、スタイラス位置検出部８１１の残りの要素は、フレームに接続される。
【００６３】
様々な実施形態では、ビームスプリッタ８２０は、５０％反射ミラーを備えることができる。又は、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８２０は、（すなわち、反射要素８３４から受け取ったように）回転エミッタ（回転測定光）の波長範囲のすべてを透過させ、（すなわち、反射要素８３３から受け取ったように）すべての軸方向エミッタ（軸方向測定光）の波長範囲を反射する２色性のフィルタ又は反射材を備える（つまり、ビームスプリッタ８２０は２色性ビームスプリッタである）。様々な実施において、位置感知検出器８２１／８２７は２次元検出器である。様々な実施形態では、光源８１８Ａ及び８１８Ｂは、多重化信号処理及び制御回路８７０によって制御されるように交互に起動される。様々な代替的な実施形態では、光源８１８Ａ及び８１８Ｂは連続的に変調されてもよく、位置感知検出器８２１／８２７は、多重化信号処理及び制御回路８７０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。
【００６４】
図９は、図４の走査プローブ４００に含まれるスタイラス位置検出部９１１の第６の実施形態を示す図である。スタイラス位置検出部９１１のある種の構成要素は、図５のスタイラス位置検出部５１１のそれらと類似しており、以下に説明するそれ以外を除いては同様に動作すると理解されよう。図５の実施形態とのいくつかの相違点は、回転位置検出構成体から空間的に分離された別個の軸方向位置検出構成体９２５が提供されることを含む。
【００６５】
図９に示すように、スタイラス位置検出部９１１は、回転位置検出構成体５１３及び軸方向位置検出構成体９２５を備える。回転位置検出構成体５１３は、図５に関してさらに詳細に説明される。軸方向位置検出構成体９２５は、軸方向測定スポット生成構成体９６０と軸方向位置感知検出器９２７とを備える。図示のように、軸方向位置感知検出器９２７は、軸方向光検出器９２８を備える。軸方向測定スポット生成構成体９６０は、軸方向光源光路９２９に沿って軸方向光源光を供給するコリメートレンズ９１８'を有する光源９１８と、窓要素９６８と、軸方向位置表示要素９２６と、軸方向測定スポット経路９２９'と、軸方向レンズ９６２と、軸方向空間フィルタ９６３と、軸方向光源光フィルタ９６４と、を備える。
【００６６】
動作中、光源９１８からの（例えば、第１の波長範囲を含む）光源光が、軸方向位置表示要素９２６の軸方向位置表示エミッタ９６１に窓要素９６８を通過して進行する軸方向光源光として軸方向光源光路９２９に沿って供給する。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。生成された励起光は、軸方向位置感知検出器９２７上に軸方向測定スポット９６５を形成するように、軸方向測定スポット経路９２９'に沿って軸方向測定光として進行する。
【００６７】
様々な実施形態では、軸方向位置表示エミッタ９６１は、移動部材４１２のロッド部４１２Ｂに接続され、回転部材４３６の円筒部４３６Ｃを通る窓を提供する窓要素９６８を通して視認可能である。回転中心ＲＣ付近に軸方向位置表示エミッタ９６１の位置があれば、移動部材４１２の回転運動に対するクロスカップリングの問題を少なくすることができる（例えば、相応してクロスカップリング誤差が少ない）のは言うまでもない。別の実施形態では、光源光路、位置表示エミッタ及び位置感知検出器のための他の構成及び／又は位置が、スタイラス懸架部４０７のような可動アセンブリの既存／固有の構成要素に配置されるように、位置表示エミッタのための特に有利な能力に関して利用されてもよいことは言うまでもない。
【００６８】
様々な実施形態では、軸方向光源５１８及び軸方向位置感知検出器９２７は、様々な手段（例えば、フレックスプリントコネクタなど）によって電子機器に接続されてもよい。様々な実施形態では、軸方向光源５１８及び９１８のそれぞれは、それぞれの位置表示エミッタ５５１及び９６１が位置表示エミッタ５５１及び９６１のそれぞれの移動範囲にわたって光源に維持されるのに十分な広さの光ビームの形態のそれぞれの光源光を供給することができる。
【００６９】
図１０は、図３のスタイラス懸架部４０７と組み合わせて使用されるスタイラス位置検出部１０１１の第７の実施形態を示す図である。スタイラス位置検出部１０１１のある種の構成要素は、図３のスタイラス位置検出部４１１と同様であり、他に以下に説明する以外は同様に動作すると理解されよう。図３の実施形態とのいくつかの相違点は、回転位置検出構成体１０１３が屈折率分布レンズ１０５９を含むように変更されていることを含む。
【００７０】
図１０に示すように、スタイラス位置検出部１０１１は、回転位置検出構成体１０１３及び軸方向位置検出構成体４２５を備える。軸方向位置検出構成体４２５は、図３に関してより詳細に説明されている。回転位置検出構成体１０１３は、屈折率分布レンズ１０５９を含むように変更されていることを除いて、図３の回転位置検出構成体４１３と同様である。より具体的には、屈折率分布レンズ１０５９は、屈折率分布レンズ１０５９の上部に開口を有するスリーブアセンブリ１０５８の内側に配置される。回転位置表示エミッタ４５１は、屈折率分布レンズ１０５９の底部に位置し、スリーブアセンブリ１０５８は、図３の構成と同様に、回転位置表示エミッタ４５１がビームスプリッタ４２０からの光源光によって照明されるように、ビームスプリッタ４２０の上部に配置される。上述したように、図３の実施形態では、回転位置表示エミッタ４５１は、回転レンズ４５２によって回転位置感知検出器４２１上に結像され、従って、位置表示エミッタ４５１で終わるΔＹモーメントアームを有する。対照的に、図１０に示す実施形態のように、屈折率分布レンズ１０５９は、回転測定スポット１０５５のためのモーメントアームが回転位置感知検出器４２１まで延びるように、放出された光を集光し、回転測定スポット経路１０２３'に沿って投影する。
【００７１】
図３−図１０に示される変形例は、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）を有する位置表示エミッタは、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化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。
【００７２】
様々な実施形態では、図３−図１０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、位置表示エミッタ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）固定された構成では、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軸方向位置感知検出器上の軸方向測定スポットの移動に従う軸方向運動として、又は軸方向位置感知検出器上の軸方向測定スポットの移動に従う軸方向運動が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。
【００７３】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、軸方向運動及び回転運動を可能にするためのスタイラス懸架部に利用され得るような、弾性的に変形可能なディスク状の屈曲要素１１１４及び１１４０のいくつかの具体的な実施形態を示す図である。屈曲要素のための材料の１例としては燐青銅であるが、他の実施形態では他の材料を利用することができることが理解されよう。１つの実施形態では、第１の屈曲要素１１１４は、（例えば、屈曲要素４１４及び４１５と同様の）対とされた第１の屈曲要素と同一であってもよく、他の実施形態では、一対の第１の屈曲要素は、互いに異なってもよい。
【００７４】
第１の屈曲要素１１１４には、周辺部１１１４Ａ、接合部１１１４Ｂ及び中央部１１１４Ｃを形成するために、円周方向に互いに１２０°ずれた３つの切欠き部１１１４Ｄが設けられている。周辺部１１１４Ａは、対応する要素（例えば、回転部材４３６のリング部）に固定される最外周部である。接合部１１１４Ｂの反対側の端部は、それぞれ周辺部１１１４Ａ及び中央部１１１４Ｃに接続される。中央部１１１４Ｃは、対応する要素（例えば、移動部材４１２）に固定される部分である。取り付けられた要素（例えば、移動部材４１２）を軸（又はＺ）方向に変位させることにより、中央部１１１４Ｃは、屈曲要素１１１４の平面に対して垂直に（例えば、軸方向に）移動する。他の実施形態では、他の形状が屈曲要素に利用されてもよいことが理解されよう。
【００７５】
図１１Ｂの実施形態では、第２の屈曲要素１１４０は、円周方向に互いに１８０°オフセットした２つの円弧状切欠き部１１４０Ｅを備え、これらの間には２つのヒンジ部１１４０Ｃが形成されている。また、切欠き部１１４０Ｅの径方向内側には、円周方向に互いに１８０°オフセットした２つの円弧状切欠き部１１４０Ｆが設けられ、これらの間には２つのヒンジ部１１４０Ｄが形成されている。これにより、周辺部１１４０Ａと、接合部１１４０Ｇと、中央部１１４０Ｂとが形成されている。周辺部１１４０Ａは、各要素（例えば、本体フレーム４０８）に固定される部分である。中央部１１４０Ｂは、各要素（例えば、回転部材４３６の円筒部４３６Ｃの中央）に固定される部分である。切欠き部１１４０Ｅ、１１４０Ｆとヒンジ部１１４０Ｃ、１１４０Ｄは互いに９０°ずれている。したがって、中央部１１４０Ｂは、回転中心ＲＣとして用いられる第２の屈曲要素１１４０の中心で、これらのヒンジ部１１４０Ｃ、１１４０Ｄの回りに傾斜可能（回転可能）とされている。他の実施形態では、他の形状が、屈曲要素の各々に利用されてもよいことが理解されよう。
【００７６】
図１２は、走査プローブから受信した位置信号に基づいて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１２００の１つの実施形態を示すフロー図である。ブロック１２１０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ことが決定される。ブロック１２２０では、第１の光源は、第１の光源光を放射するように動作される。第１の位置表示要素は、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、第１の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を備える位置表示エミッタを備える。励起光は、軸方向位置感知検出器上に軸方向測定スポットを形成するように、軸方向測定スポット経路に沿って軸方向測定光、又は回転位置感知検出器上に回転測定スポットを形成するように、回転測定スポット経路に沿って回転測定光の少なくともいずれか一つを供給する。
【００７７】
ブロック１２３０では、少なくとも第１及び第２の回転信号は、回転測定スポットの位置に応答して回転位置感知検出器から受信される。ここで、少なくとも第１及び第２の回転信号は、スタイラス接続部の回転位置を示す。ブロック１２４０では、少なくとも１つの軸方向信号が、軸方向測定スポットの位置に応答して軸方向位置感知検出器から受信される。ここで、少なくとも１つの軸方向信号は、軸方向に沿ったスタイラス接続部の位置を示す。ブロック１２５０では、軸方向位置感知検出器からの少なくとも１つの軸方向信号及び回転位置感知検出器からの少なくとも第１及び第２の回転信号が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。
【００７８】
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。
【００７９】
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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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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