(57)【要約】【課題】クロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）装置を用いて、光学ペンを回転させずに穴径など穴の幾何学的特性を測定可能な方法を提供すること。【解決手段】（ａ）ビーム分割偏向素子が設けられた光学ペンからなるＣＰＳ装置を準備し、ここで、ビーム分割偏光素子は光学ペンの中心Ｚ軸に直交する３つの測定方向へ測定光を同時に配光することができ、（ｂ）３つの測定方向に沿って測定光が穴内を照射するように、光学ペンを穴内に配置し、（ｃ）各測定方向からの反射測定光を光学ペン内の共焦点アパーチャーを通じて受け取り、（ｄ）前記光学ペンの現在位置におけるスペクトルを取得し、ここでスペクトルは各測定方向に沿った内部表面までの距離に応じた複数のピーク成分を含み、（ｅ）第１測定方向に沿った第１距離測定値を決めるためにプロファイルを解析し、これに基づいて穴の幾何学的特性を決定する。【選択図】      図７
2015114326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部表面によって少なくとも部分的に囲まれた穴の幾何学的特性を検査するクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）装置の使用方法であって、
（ａ）電装部と光学ペンを含むＣＰＳ装置を準備する工程と、
ここで、前記電装部は、光源光発生部、分光計及び信号演算器を含み、
前記光学ペンは、筐体と、共焦点アパーチャーと、軸上色収差部と、ビーム分割偏向素子とを有し、
前記筐体は、前記光学ペンの中心Ｚ軸に沿って延在し、
前記共焦点アパーチャーは、光源光を出力し、
前記色収差部は、入力された光源光を測定光として出力し、該測定光が軸上色収差を伴って焦点を結ぶように、配置され、
前記ビーム分割偏向素子は、前記測定光が焦点を結ぶ位置よりも前記色収差部側に配置され、かつ、前記中心Ｚ軸を横切る少なくとも３つの測定方向へ前記測定光を同時に配光するように配置され、
（ｂ）前記測定光が少なくとも３つの前記測定方向に沿って前記穴の内部表面に入射するように、該穴の内部に前記光学ペンを配置する工程と、
（ｃ）前記穴の内部に配置された前記光学ペンの前記共焦点アパーチャーを通じて、少なくとも３つの前記測定方向から反射され戻ってくる測定光を受け取る工程と、
（ｄ）前記測定光のスペクトル強度プロファイルを取得するために前記ＣＰＳ装置を動作させる工程と、
ここで、前記スペクトル強度プロファイルは、少なくとも３つの前記測定方向に沿った前記光学ペンの測定範囲内にある前記内部表面までの各距離に対応する複数のスペクトルピーク成分を含み、
（ｅ）信号演算動作の少なくとも一部の動作に基づいて前記穴の幾何学的特性を決定する工程と、を備え、
前記信号演算動作は、少なくとも第１の測定直径に沿った前記光学ペンから前記内部表面までの第１距離測定値を決める前記スペクトル強度プロファイルの解析を含むことを特徴とするＣＰＳ装置の使用方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記穴の断面は円形であることを特徴とするＣＰＳ装置の使用方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の方法において、
前記穴は半径ｒを有し、
当該方法は、
少なくとも３つの前記測定方向のそれぞれに沿った前記光学ペンの測定範囲が、前記中心Ｚ軸からＲＭＡＸ’の距離（なお、ＲＭＡＸ’＞ｒである）に少なくとも届くように、
光学ペンを構成又は選択する工程を含むことを特徴とするＣＰＳ装置の使用方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法において、
前記光学ペンを配置する工程は、
前記スペクトル強度プロファイル中の全ての前記スペクトルピーク成分が実質的に一致して、少なくとも３つの前記測定方向に沿った前記内部表面の平均半径を示す複合スペクトルピークを形成するように、
前記穴のほぼ中心に前記光学ペンを配置することを含むことを特徴とするＣＰＳ装置の使用方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の方法において、
前記光学ペンは、三次元座標測定機（ＣＭＭ）に結合され、
前記ＣＭＭは、前記光学ペンを配置するために用いられることを特徴とするＣＰＳ装置の使用方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法は、さらに、
前記穴の内部での前記光学ペンの位置に対応するＣＭＭ座標値に基づいて前記穴の中心位置を決定する工程を含むことを特徴とするＣＰＳ装置の使用方法。
【請求項７】
請求項４から６のいずれかに記載の方法において、前記光学ペンを配置する工程は、
前記穴の内部での前記光学ペンの複数の位置で得られた複合スペクトルピークのうちで最も高い又は最も狭い前記複合スペクトルピークを示す位置に前記光学ペンを配置することを含むことを特徴とするＣＰＳ装置の使用方法。
【請求項８】
請求項１から３のいずれかに記載の方法において、
前記光学ペンを配置する工程は、
前記スペクトル強度プロファイル中の少なくとも３つの前記スペクトルピーク成分が、少なくとも３つの前記測定方向に沿った前記光学ペンから前記内部表面までのそれぞれの距離に対応した独立のスペクトルピーク成分になるように、
前記穴の非中心位置に前記光学ペンを配置することを含むことを特徴とするＣＰＳ装置の使用方法。
【請求項９】
請求項１または２に記載の方法において、
前記光学ペンを配置する工程は、前記穴の第１の非中心位置に光学ペンを配置することを含み、
前記スペクトル強度プロファイル中の少なくとも第１スペクトルピーク成分が独立したスペクトルピーク成分になり、該独立した前記スペクトルピーク成分が前記第１の非中心位置に対して定まる測定方向に沿った前記光学ペンから前記内部表面までの距離に対応するように、
前記第１の非中心位置に光学ペンが配置されることを特徴とするＣＰＳ装置の使用方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、
前記光学ペンは三次元座標測定機（ＣＭＭ）に結合され、
前記ＣＭＭは前記光学ペンを配置するために用いられ、
当該方法は、前記穴の第２、第３の非中心位置に応じて、前記光学ペンを配置する工程、前記測定光を受け取る工程及び前記ＣＰＳ装置を動作させる工程を繰り返すことを含み、
第２及び第３のスペクトル強度プロファイル中の少なくとも第２及び第３の独立スペクトルピーク成分が、前記第２及び第３の非中心位置に対してそれぞれ定まる測定方向に沿った前記光学ペンから前記内部表面までの距離にそれぞれ対応する独立したスペクトルピーク成分になるように、前記光学ペンを配置する工程、前記測定光を受け取る工程及び前記ＣＰＳ装置を動作させる工程が繰り返され、
前記幾何学的特性を決定する工程において、前記信号演算動作は、
（ａ）前記穴の前記第１、第２及び第３の非中心位置に対して定まるそれぞれの前記測定方向に沿った前記光学ペンから前記内部表面までの第１、第２及び第３の距離測定値を少なくとも決定するために、少なくとも前記第１、第２及び第３のスペクトル強度プロファイルを解析すること、及び、
（ｂ）前記穴の前記第１、第２及び第３の非中心位置にそれぞれ対応する少なくとも前記第１、第２及び第３の距離測定値及び前記ＣＭＭ座標値に基づいて、前記穴の前記幾何学的特性を決定すること、
を含むことを特徴とするＣＰＳ装置の使用方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の方法において、
前記穴は半径ｒの円形断面を有し、
前記光学ペンは、
少なくとも３つの前記測定方向のそれぞれに沿った前記光学ペンの測定範囲が、前記光学ペンの中心Ｚ軸からＲＭＡＸ’の距離（ＲＭＡＸ’＜ｒ）にまでしか届かないように、
構成されていることを特徴とするＣＰＳ装置の使用方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法において、
前記穴の前記内部表面はネジ山を含み、
前記光学ペンは三次元座標測定機（ＣＭＭ）に結合され、
前記ＣＭＭは前記光学ペンを配置するために用いられ、
前記光学ペンを配置する工程は、前記穴の中心軸に平行な軸方向の位置、及び、前記中心軸に対して横方向へずらした非中心位置に応じて定まる現在位置に前記光学ペンを配置することを含み、
前記スペクトル強度プロファイルの少なくとも第１のスペクトルピーク成分が前記現在位置に対して定まる測定方向に沿った前記光学ペンから前記内部表面までの距離に対応して独立したスペクトルピーク成分になるように、当該現在位置に前記光学ペンが配置され、
当該方法は、前記軸方向の位置が異なる複数の前記現在位置に応じて、前記光学ペンを配置する工程、前記測定光を受け取る工程及び前記ＣＰＳ装置を動作させる工程を繰り返すことを含み、
前記幾何学的特性を決定する工程において、前記信号演算動作は、
（ａ）前記軸方向の位置が異なる複数の前記現在位置にそれぞれ対応した複数の前記スペクトル強度プロファイルを解析して、前記軸方向の位置が異なる複数の前記現在位置で、当該現在位置に対して定まる測定方向に沿った前記光学ペンから前記ネジ山までの複数の前記距離測定値を決定すること、及び、
（ｂ）前記軸方向の位置が異なる複数の前記現在位置での複数の前記距離測定値のうちの少なくとも幾つかの前記距離測定値に基づいて、前記ネジ山の幾何学的特性を決定すること、
を含むことを特徴とするＣＰＳ装置の使用方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の方法において、
さらに、異なる複数の前記現在位置のうちの少なくとも幾つかの位置を特定する前記ＣＭＭ座標値に基づいて、前記ネジ山の幾何学的特性を決定することを含むことを特徴とするＣＰＳ装置の使用方法。
【請求項１４】
請求項１に記載の方法において、
前記光学ペンは、三次元座標測定機（ＣＭＭ）に結合され、
ＣＭＭコントローラは、前記光学ペンの位置及び移動を制御するために用いられることを特徴とするＣＰＳ装置の使用方法。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれかに記載の方法において、前記ビーム分割偏向素子は、少なくとも３つの測定方向に対応する３つの平面状の反射面を有するピラミッド型の反射光学素子、又は、円錐形の反射光学素子を含むことを特徴とするＣＰＳ装置の使用方法。
【請求項１６】
内部表面によって少なくとも部分的に囲まれた穴の幾何学的特性を検査するためのクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）装置であって、
前記ＣＰＳ装置は、光学ペン及び電装部を備え、
前記光学ペンは、筐体、共焦点アパーチャー、軸上色収差部、及び、ビーム分割偏向素子を有し、
前記筐体は、前記光学ペンの中心Ｚ軸に沿って延在し、
前記共焦点アパーチャーは、光源光を前記色収差部に出力するように設けられ、
前記色収差部は、入力された光源光を測定光として出力し、該測定光が軸上色収差を伴って焦点を結ぶように、配置され、
前記ビーム分割偏向素子は、前記測定光が焦点を結ぶ位置よりも前記色収差部側に配置され、かつ、前記中心Ｚ軸を横切る少なくとも３つの測定方向へ前記測定光を同時に配光するように配置され、
前記電装部は、光源光発生部、分光器、及び、信号演算器を有し、
前記電装部は、前記光学ペンが前記穴の内部に配置された時、前記測定光が少なくとも３つの前記測定方向に沿って前記穴の内部表面に入射するとともに、前記分光計が少なくとも３つの前記測定方向から反射され戻ってくる前記測定光を前記穴の内部に配置された前記光学ペンの前記共焦点アパーチャーを通じて受け取るように設けられ、
前記信号演算器は、前記測定光のスペクトル強度プロファイルを取得するために前記分光器と連動するように設けられ、ここで、前記スペクトル強度プロファイルは、少なくとも３つの前記測定方向に沿った前記光学ペンの測定範囲内にある前記内部表面までの各距離に対応するスペクトルピーク成分を含み、
前記信号演算器は、
（ａ）少なくとも第１の測定方向に沿って前記光学ペンから前記内部表面までの少なくとも第１の距離測定値を決定するために前記スペクトル強度プロファイルを解析することを含む信号演算動作の少なくとも一部の動作に基づいて、前記穴の幾何学的特性を決定する動作、
（ｂ）少なくとも第１の測定方向に沿って前記光学ペンから前記内部表面までの少なくとも第１の距離測定値を決定するために、前記スペクトル強度プロファイルを解析すること、及び、少なくとも第１の前記距離測定値の少なくとも一部に基づいて前記穴の幾何学的特性を決定するように設けられた外部装置へ少なくとも第１の前記距離測定値を出力する動作、及び
（ｃ）少なくとも第１の測定方向に沿って前記光学ペンから前記内部表面までの少なくとも第１の距離測定値を決定するために、信号演算動作の少なくとも一部に基づいて前記穴の幾何学的特性を決定するように設けられた外部装置へ前記スペクトル強度プロファイルを出力する動作、
のうちの少なくとも１つの動作を行うように設けられていることを特徴とするＣＰＳ装置。
【請求項１７】
請求項１６記載のＣＰＳ装置において、前記ビーム分割偏向素子は、少なくとも３つの測定方向に対応する３つの平面状の反射面を有するピラミッド型の反射光学素子、又は、円錐形の反射光学素子を含むことを特徴とするＣＰＳ装置。
【請求項１８】
請求項１７記載のＣＰＳ装置において、前記ビーム分割偏向素子は、最大４つの測定方向に対応する４つの平面状の反射面を有するピラミッド型の反射光学素子を備えることを特徴とするＣＰＳ装置。
【請求項１９】
請求項１６記載のＣＰＳ装置において、前記外部装置は前記光学ペンが結合されている三次元座標測定機（ＣＭＭ）であり、前記ＣＭＭは前記光学ペンの位置及び移動を制御するように設けられていることを特徴とするＣＰＳ装置。
【請求項２０】
請求項１９記載のＣＰＳ装置において、
前記ＣＭＭは、
前記ＣＭＭによる検査対象のワーク上の穴の内部の位置に前記光学ペンを自動的に配置し、前記穴の内部の位置は、前記ＣＭＭによって実行されるパートプログラムで決定される所定位置であり、
前記所定位置に対応するＣＭＭ座標と組み合わせた少なくとも第１の距離測定値に少なくとも一部に基づいて前記穴の幾何学的特性を決定するように設けられていることを特徴とするＣＰＳ装置。
【請求項２１】
ワークの幾何学的特性を検査するためのクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）装置であって、
前記ＣＰＳ装置は、光学ペン及び電装部を備え、
前記光学ペンは、筐体、共焦点アパーチャー、軸上色収差部、及び、ビーム分割偏向素子を有し、
前記筐体は、前記光学ペンの中心Ｚ軸に沿って延在し、
前記共焦点アパーチャーは、光源光を前記色収差部に出力するように設けられ、
前記色収差部は、入力された光源光を測定光として出力し、該測定光が軸上色収差を伴って焦点を結ぶように、配置され、
前記ビーム分割偏向素子は、前記測定光が焦点を結ぶ位置よりも前記色収差部側に配置され、かつ、前記中心Ｚ軸を横切る少なくとも３つの測定方向へ前記測定光を同時に配光するように配置され、
前記電装部は、光源光発生部、分光器、及び、信号演算器を有し、
前記電装部は、前記光学ペンが前記ワークに対して配置された時、前記測定光が少なくとも３つの前記測定方向に沿って照射するとともに、前記分光計が少なくとも前記ワークから反射され戻ってくる前記測定光を前記ワークに対して配置された光学ペンの前記共焦点アパーチャーを通じて受け取るように、前記電装部が動作するように設けられ、
前記信号演算器は、前記測定光のスペクトル強度プロファイルを取得するために前記分光器と連動するように設けられ、ここで、前記スペクトル強度プロファイルは、少なくとも第１の前記測定方向に沿った前記光学ペンの測定範囲内にある前記ワーク表面までの各距離に対応するスペクトルピーク成分を含み、
前記信号演算器は、
（ａ）少なくとも第１の測定方向に沿って前記光学ペンから前記ワーク表面までの少なくとも第１の距離測定値を決定するために前記スペクトル強度プロファイルを解析することを含む、信号演算動作の少なくとも一部の動作に基づいて前記ワークの幾何学的特性を決定する動作、
（ｂ）少なくとも第１の測定方向に沿って前記光学ペンから前記ワーク表面までの少なくとも第１の距離測定値を決定するために、前記スペクトル強度プロファイルを解析すること、及び、少なくとも第１の前記距離測定値の少なくとも一部に基づいて前記ワークの幾何学的特性を決定するように設けられた外部装置へ少なくとも第１の前記距離測定値を出力する動作、及び
（ｃ）少なくとも第１の測定方向に沿って前記光学ペンから前記ワーク表面までの少なくとも第１の距離測定値を決定するために、信号演算動作の少なくとも一部に基づいて前記ワークの幾何学的特性を決定するように設けられた外部装置へ前記スペクトル強度プロファイルを出力する動作、
のうちの少なくとも１つの動作を行うように設けられていることを特徴とするＣＰＳ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広く精密測定装置に関し、特に、クロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）ペンを回転させることなく穴径などの穴の特性を測定できるようにＣＰＳペンを動作させるための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸上色収差の技術は、距離検出の計測に利用され得る。非特許文献１に記載されているように、制御された軸方向（縦方向）の色収差（ここでは軸上色分散とも呼ばれる）は、光学撮像装置に導入することができ、撮像装置の焦点距離を光の波長によって変化させる。これによって、光学撮像装置が光学計測の手段として提供される。特に、レンズを、その後側焦点距離（ＢＦＬ）が波長の単調関数であるように設計することができる。白色光を作用させた場合、そのようなレンズは光軸方向に分散した焦点の虹を示すので、距離検出分野の分光プローブとして用いることができる。
【０００３】
更なる例として、特許文献１には、軸上色収差を有する光学素子が、どの波長が表面で一番焦点が合わせるかによって、その表面の光軸方向の距離又は高さが決定されるように、広帯域光源の焦点を合わせることができる装置が記載されている。表面からの反射光はピンホール及び／又は光ファイバーの端部などの小さい検出用アパーチャーで焦点を合わせ、また、表面でよく焦点を合わせた波長の光のみがアパーチャーでよく焦点を合わせる。その他の波長の光は焦点がよく合わず、アパーチャーで結合する光出力があまり大きくない。分光計がアパーチャーを通って戻る各波長の信号レベルを測定する。強度がピークになる波長が表面の距離または高さを事実上示す。
【０００４】
あるメーカーは、「クロマティック共焦点ポイントセンサ」、「光学ペンを含んだクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）」及び／又は単に「光学ペン」として、実用的で小型の光学アセンブリに言及している。この光学アセンブリは、工業上の据付作業用のクロマティック共焦点式の照準器に適している。Ｚ方向の高さを測定する光学ペン機器の一例には、フランス国のエクサンプロバンスのＳＴＩＬ，Ｓ．Ａ．社が製造した物がある。特に、Ｚ方向の高さ測定用のＳＴＩＬ光学ペン（モデル番号  ＯＰ３００ＮＬ）は、３００μｍの測定範囲を有する。
【０００５】
他の構成のクロマティック共焦点ポイントセンサは、同一出願人による特許文献２に記載されている。特許文献２に開示されたレンズ形状によれば、光学的な処理能力とスポットサイズが改善され、結果として、様々な商業的に入手可能な機器構成のものと比較して、測定分解能を改善することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７４７７４０１号公報
【特許文献２】米国特許第７６２６７０５号公報
【特許文献３】米国特許第８１９４２５１号公報
【特許文献４】米国特許第７８７６４５６号公報
【特許文献５】米国特許第７９９０５２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
穴径などの穴の特性を測定するための現在入手可能な光学ペンの適用において、穴のいろいろな部分を測定し、その穴の全体的な形及び／又は位置を決定する為に、被測定穴に対して光学ペンを回転させることが必要となる。しかしながら、光学ペンの回転は、回転動作の為に、複雑な光学機構部が必要になる。また、様々な設計において、光学ペンの回転は時間がかかり、測定処理能力が下がる。さらに、光学ペンの回転は、必然的にある程度の振れ及び／又はゆらぎ及び関連した測定誤差を生じさせてしまう。
【０００８】
特許文献３には、２つの表面領域を同時に測定するために位置付けられた２光束光学ペンが記載されている。一般的には、特許文献３に開示されている２光束光学ペンの設定は、１光束光学ペンに対していくつかの利点を持つが、特許文献３の光学ペンは正確で効率的な穴測定のために設計されたものではなく、特に、ペンの直径とほぼ等しい穴径を測定する場合には向かない。
【０００９】
穴及び／又はその内部表面の測定を含む様々な設計において、ＣＰＳ光学ペンの設定及びＣＰＳ光学ペンの使用方法の進歩が望まれる。本発明の目的は、光学ペンを回転させずに、穴径などの穴の内部表面の特性を測定するためのＣＰＳ光学ペンの装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の様々な代表的実施形態に関し、内部表面によって少なくとも部分的に囲まれた穴の幾何学的特性を検査するクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）装置の使用方法が提供される。前記方法は、一般的に５つの工程を含む。第１工程では、電装部と光学ペンを含むＣＰＳ装置を準備する。前記電装部は、光源光発生部、分光計及び信号演算器を含む。前記光学ペンは、筐体と、共焦点アパーチャーと、軸上色収差部と、ビーム分割偏向素子を有する。前記筐体は、前記光学ペンの中心Ｚ軸に沿って延在する。前記共焦点アパーチャーは、光源光を出力する。前記色収差部は、入力された光源光を測定光として出力し、該測定光が軸上色収差を伴って焦点を結ぶように配置される。前記ビーム分割偏向素子は、前記測定光が焦点を結ぶ位置よりも前記色収差部側に配置され、かつ、中心Ｚ軸を横切る少なくとも３つの測定方向へ前記測定光を同時に配光するよう配置される。例えば、ビーム分割偏向素子は、少なくとも３つの測定方向に対応する少なくとも３つの平面状の反射面を有するピラミッド型の反射光学素子、又は、円錐形の反射光学素子であってもよい。第２工程では、前記測定光が少なくとも３つの前記測定方向に沿って前記穴の内部表面に入射するように、該穴の内部に前記光学ペンを配置する。第３工程では、前記穴の内部に配置された前記光学ペンの前記共焦点アパーチャーを通じて、少なくとも３つの前記測定方向から反射され戻ってくる測定光を受け取る。第４工程では、前記測定光のスペクトル強度プロファイルを取得するためにＣＰＳ装置を動作させる。ここで、前記スペクトル強度プロファイルは、少なくとも３つの前記測定方向に沿った前記光学ペンの測定範囲内にある内部表面までの各距離に対応する複数のスペクトルピーク成分を含む。第５工程では、信号演算動作の少なくとも一部の動作に基づいて前記穴の幾何学的特性を決定する。前記信号演算動作は、少なくとも第１の測定直径に沿った前記光学ペンから前記内部表面までの第１距離測定値を決める前記スペクトル強度プロファイルの解析を含む。
【００１１】
いくつかの代表的実施形態において、前記穴の断面は円形である。前記穴は半径ｒを有し、当該方法は、少なくとも３つの前記測定方向のそれぞれに沿ったその前記光学ペンの測定範囲が、前記中心Ｚ軸からＲＭＡＸ’の距離（なお、ＲＭＡＸ’＞ｒである）に少なくとも届くように、光学ペンを構成又は選択する工程を含む。
【００１２】
いくつかの実施形態において、前記光学ペンを配置する工程は、前記スペクトル強度プロファイル中の全ての前記スペクトルピーク成分が実質的に一致して、少なくとも３つの測定方向に沿った前記内部表面の平均半径を示す複合スペクトルピークを形成するように、前記穴のほぼ中心に前記光学ペンを配置することを含む。
【００１３】
本発明の更なる側面において、光学ペンは、三次元座標測定機（ＣＭＭ）に結合され、前記ＣＭＭは前記光学ペンを配置するために用いられる。前記穴の内部での前記光学ペンの位置に対応するＣＭＭ座標値に基づいて前記穴の中心位置を決定する。
【００１４】
いくつかの実施形態において、前記光学ペンを配置する工程は、前記穴の内部での前記光学ペンの複数の位置で得られた複合スペクトルピークのうちで最も高い又は最も狭い前記複合スペクトルピークを示す位置に前記光学ペンを配置することを含む。最も高い又は最も狭い前記複合スペクトルピークは、例えば、穴の平均半径を示すこともある。
【００１５】
その他の実施形態において、前記光学ペンを配置する工程は、前記スペクトル強度プロファイル中の少なくとも３つの前記スペクトルピーク成分が、少なくとも３つの前記測定方向に沿った前記光学ペンから前記内部表面までのそれぞれの距離に対応した独立のスペクトルピーク成分になるように、前記穴の非中心位置に前記光学ペンを配置することを含む。例えば、穴の中心に対して少なくとも３つの測定方向のそれぞれの角度方向／配向は、穴中心に対する非中心位置の方向／配向から推測され得る。
【００１６】
その他の実施形態において、前記光学ペンを配置する工程は、前記穴の第１の非中心位置に光学ペンを配置することを含み、前記スペクトル強度プロファイル中の少なくとも第１スペクトルピーク成分が独立したスペクトルピーク成分になり、該独立した前記スペクトルピーク成分が前記第１の非中心位置に対して定まる測定方向に沿った前記光学ペンから前記内部表面までの距離に対応するように、前記第１の非中心位置に光学ペンが配置される。さらに、前記光学ペンは三次元座標測定機（ＣＭＭ）に結合される。前記ＣＭＭは前記光学ペンを配置させるために用いられ、当該方法は、前記穴の第２、第３の非中心位置に応じて、前記光学ペンを配置する工程、前記測定光を受け取る工程及び前記ＣＰＳ装置を動作させる工程を繰り返すことを含む。そして、第２及び第３のスペクトル強度プロファイル中の少なくとも第２及び第３の独立スペクトルピーク成分が、前記第２及び第３の非中心位置に対してそれぞれ定まる測定方向に沿った前記光学ペンから前記内部表面までの距離にそれぞれ対応する独立したスペクトルピーク成分になるように、前記光学ペンを配置する工程、前記測定光を受け取る工程及び前記ＣＰＳ装置を動作させる工程が繰り返される。そして、前記幾何学的特性を決定する工程において、前記信号演算動作は、（ａ）前記穴の前記第１、第２及び第３の非中心位置に対して定まるそれぞれの前記測定方向に沿った前記光学ペンから前記内部表面までの第１、第２及び第３の距離測定値を少なくとも決定するために、少なくとも前記第１、第２及び第３のスペクトル強度プロファイルを解析すること、及び、（ｂ）前記穴の前記第１、第２及び第３の非中心位置にそれぞれ対応する少なくとも前記第１、第２及び第３の距離測定値および前記ＣＭＭ座標値に基づいて、前記穴の前記幾何学的特性を決定すること、を含む。
【００１７】
本発明のいくつかの側面において、前記穴の前記内部表面はネジ山を含み、前記光学ペンは三次元座標測定機（ＣＭＭ）に結合される。前記ＣＭＭは前記光学ペンを配置するために用いられ、前記光学ペンを配置する工程は、前記穴の中心軸に平行な軸方向の位置、及び、前記中心軸に対して横方向へずらした非中心位置に応じて定まる現在位置に前記光学ペンを配置することを含む。前記スペクトル強度プロファイルの少なくとも第１のスペクトルピーク成分が前記現在位置に対して定まる測定方向に沿った前記光学ペンから前記内部表面までの距離に対応して独立したスペクトルピーク成分になるように、当該現在位置に前記光学ペンが配置される。当該方法は、前記軸方向の位置が異なる複数の前記現在位置に応じて、前記光学ペンを配置する工程、前記測定光を受け取る工程及び前記ＣＰＳ装置を動作させる工程を繰り返すことを含む。前記幾何学的特性を決定する工程において、前記信号演算動作は、（ａ）前記軸方向の位置が異なる複数の前記現在位置にそれぞれ対応した複数の前記スペクトル強度プロファイルを解析して、前記軸方向の位置が異なる複数の前記現在位置で、当該現在位置に対して定まる測定方向に沿った前記光学ペンから前記ネジ山までの複数の前記距離測定値を決定すること、及び、（ｂ）前記軸方向の位置が異なる複数の前記現在位置での複数の前記距離測定値のうちの少なくとも幾つかの前記距離測定値に基づいて、前記ネジ山の幾何学的特性を決定すること、を含む。
【００１８】
本発明の更なる代表的実施形態に関し、内部表面によって少なくとも部分的に囲まれた穴の幾何学的特性を検査するために、クロマティック共焦点ポイントセンサ（ＣＰＳ）装置が提供される。前記ＣＰＳ装置は、光学ペン及び電装部を備え、前記光学ペンは筐体、共焦点アパーチャー、軸上色収差部、及び、ビーム分割偏向素子を有する。前記筐体は、前記光学ペンの中心Ｚ軸に沿って延在する。前記共焦点アパーチャーは、光源光を前記色収差部に出力するよう設けられる。前記色収差部は、入力された光源光を測定光として出力し、該測定光が軸上色収差を伴って焦点を結ぶように、配置される。前記ビーム分割偏向素子は、前記測定光が焦点を結ぶ位置よりも前記色収差部側に配置され、かつ、中心Ｚ軸を横切る少なくとも３つの測定方向へ前記測定光を同時に配光するように設置される。前記電装部は、光源光発生部、分光器、及び、信号演算器を有する。前記電装部は、前記光学ペンが前記穴の内部に配置された時、前記測定光が少なくとも３つの前記測定方向に沿って前記穴の内部表面に入射するとともに、前記分光計が少なくとも３つの前記測定方向から反射され戻ってくる前記測定光を前記穴の内部に配置された前記光学ペンの前記共焦点アパーチャーを通じて受け取るように設けられる。前記信号演算器は、前記測定光のスペクトル強度プロファイルを取得するために前記分光器と連動するように設けられ、ここで、前記スペクトル強度プロファイルは少なくとも３つの測定方向に沿った前記光学ペンの測定範囲内にある前記内部表面までの各距離に対応するスペクトルピーク成分を含む。前記信号演算器は、
ａ）少なくとも第１の測定方向に沿って前記光学ペンから前記内部表面までの少なくとも第１の距離測定値を決定するために前記スペクトル強度プロファイルを解析することを含む信号演算動作の少なくとも一部の動作に基づいて、前記穴の幾何学的特性を決定する動作、
ｂ）少なくとも第１の測定方向に沿って前記光学ペンから前記内部表面までの少なくとも第１の距離測定値を決定するために、前記スペクトル強度プロファイルを解析すること、及び、少なくとも第１の距離測定値の少なくとも一部に基づいて前記穴の幾何学的特性を決定するように設けられた外部装置へ少なくとも第１の前記距離測定値を出力する動作、及び、
ｃ）少なくとも第１の測定方向に沿って前記光学ペンから前記内部表面までの少なくとも第１の距離測定値を決定するために、信号演算動作の少なくとも一部に基づいて前記穴の幾何学的特性を決定するように設けられた外部装置へ前記スペクトル強度プロファイルを出力する動作、
のうちの少なくとも１つの動作を行うように設けられている。
【００１９】
また、本発明のＣＰＳ装置における電装部は、以下のように構成されてもよい。すなわち、電装部は、光源光発生部、分光器、及び、信号演算器を有する。前記電装部は、前記光学ペンが前記ワークに対して配置された時、前記測定光が少なくとも３つの前記測定方向に沿って照射するとともに、前記分光計が少なくとも前記ワークから反射され戻ってくる前記測定光を前記ワークに対して配置された光学ペンの前記共焦点アパーチャーを通じて受け取るように、前記電装部が動作するように設けられる。前記信号演算器は、前記測定光のスペクトル強度プロファイルを取得するために前記分光器と連動するように設けられ、ここで、前記スペクトル強度プロファイルは、少なくとも第１の前記測定方向に沿った前記光学ペンの測定範囲内にある前記ワーク表面までの各距離に対応するスペクトルピーク成分を含む。前記信号演算器は、
（ａ）少なくとも第１の測定方向に沿って前記光学ペンから前記ワーク表面までの少なくとも第１の距離測定値を決定するために前記スペクトル強度プロファイルを解析することを含む、信号演算動作の少なくとも一部の動作に基づいて前記ワークの幾何学的特性を決定する動作、
（ｂ）少なくとも第１の測定方向に沿って前記光学ペンから前記ワーク表面までの少なくとも第１の距離測定値を決定するために、前記スペクトル強度プロファイルを解析すること、及び、少なくとも第１の前記距離測定値の少なくとも一部に基づいて前記ワークの幾何学的特性を決定するように設けられた外部装置へ少なくとも第１の前記距離測定値を出力する動作、及び
（ｃ）少なくとも第１の測定方向に沿って前記光学ペンから前記ワーク表面までの少なくとも第１の距離測定値を決定するために、信号演算動作の少なくとも一部に基づいて前記ワークの幾何学的特性を決定するように設けられた外部装置へ前記スペクトル強度プロファイルを出力する動作、
のうちの少なくとも１つの動作を行うように設けられている。
様々な代表的実施形態において、前記外部装置は前記光学ペンが結合されている三次元座標測定機（ＣＭＭ）であり、前記ＣＭＭは前記光学ペンの位置及び移動を制御するように設けられている。いくつかの実施形態において、前記ＣＭＭは、前記ＣＭＭによる検査対象のワーク上の穴の内部の位置に前記光学ペンを自動的に配置し、前記穴の内部の位置は、前記ＣＭＭによって実行されるパートプログラムで決定される所定の位置であり、前記所定位置に対応するＣＭＭ座標と組み合わせた少なくとも第１の距離測定値の一部に基づいて前記穴の幾何学的特性を決定するように設けられている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、測定光を出力する光学ペンを備えたクロマティック共焦点ポイントセンサ（ＣＰＳ）の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、ＣＰＳによって取得される、測定方向に沿った光学ペンから内部表面までの距離に対応するスペクトルピーク成分を含むスペクトル強度プロファイルの図。
【図３】図３は、ネジ山がある穴の断面図であり、穴径やネジ山の高さなどの穴の幾何学的特性を測定するために、従来の光学ペンが挿入され光学ペンの回転が行われる穴の断面図。
【図４】図４は、穴の内部表面上の少なくとも３つの測定点に基づいて、円形断面を持つ穴の穴径など穴の特性を測定することの一般的な概念を示す図である。
【図５】図５は、本発明の複数の実施形態に係る、３つの平面状の反射面を有する正三角錐形の反射光学素子の形をしたビーム分割偏向素子の例を示す図である。
【図６】図６は、光学ペンの先端に結合され、穴の特性を測定するために回転される、従来の反射性素子の半径及び開口数（ＮＡ）を示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態に係る、少なくとも３つの測定方向に沿って同時に測定光を配光するビーム分割偏向素子を有する光学ペンを有する代表的なＣＰＳのブロック図である。
【図８】図８は、本発明の代表的実施形態に係る光学ペンに含まれる、少なくとも３つの平面状の反射面を有する、正三角錐形の反射光学素子、又は、円錐形の反射光学素子からなるビーム分割偏向素子の構成の一般論を説明する図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の代表的実施形態に係る、穴の幾何学的特性を検査する様々な方法を実施することに適した、光学ペンと電装部を有するクロマティック共焦点ポイントセンサ（ＣＰＳ）装置のブロック図であり、三次元座標測定機（ＣＭＭ）のコントローラおよびユーザーインターフェースを有する三次元座標測定機の形状をした外部装置に結合されるＣＰＳ装置のブロック図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の代表的実施形態に係る、穴の幾何学的特性を調べるためのＣＰＳ装置の使用方法のフローチャートである。
【図１０】図１０（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の代表的実施形態に係る、光学ペンを回転させることなく穴の幾何学的特性を検査するためのＣＰＳ装置の動作方法を模式的に示す図である。
【図１１】図１１は、図１０（Ａ）〜（Ｄ）に示す方法を実行する工程のフローチャートである。
【図１２】図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の複数の実施形態に係る、光学ペンを回転させることなく穴の幾何学的特性を検査するためのＣＰＳ装置の別の動作方法を示す模式図である。
【図１３】図１３は、図１２（Ａ）〜（Ｃ）に示す方法を実行する工程のフローチャートである。
【図１４】図１４は、本発明のいくつかの実施形態に係る、光学ペンを回転させることなく円形断面の穴の半径を検査するためのＣＰＳ光学ペンの別の動作方法を実行する工程のフローチャートである。
【図１５】図１５（Ａ）は、本発明の複数の実施形態に係るビーム分割偏向素子として使用される円錐形の反射光学素子を示し、図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）の円錐形の反射光学素子によって発生する測定光の円錐ディスクを示す図である。
【図１６】図１６（Ａ）と（Ｂ）は、本発明の複数の実施形態に係る、光学ペンを回転させることなく穴の半径を検査するための、先端部に円錐形の反射光学素子を有するＣＰＳ光学ペンの更なる動作方法を説明する模式図である。
【図１７】図１７は、図１６（Ａ）と（Ｂ）に示す方法を実行する工程のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、代表的なクロマティック共焦点ポイントセンサ、又は、クロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）１００のブロック図である。クロマティック共焦点ポイントセンサ１００は、特許文献３、４、及び５に記載のセンサとある種の類似性を持つ。図１に示されるように、クロマティック共焦点ポイントセンサ１００は光学ペン１２０と電装部１６０を有する。光学ペン１２０は、光ファイバーコネクタ１０９と、前記光学ペン１２０の中心Ｚ軸に沿って延在する筐体１３１と、軸上色収差部１５０を有する。図に示されているように、光ファイバーコネクタ１０９は、筐体１３１の端部に取り付けられており、電装部１６０から伸びている光ファイバーケーブル１１２に収容された入出力光ファイバー（詳細には示されていない）を受け取って固定する。入出力光ファイバーは、ファイバー共焦点アパーチャー１９５を通じて、（電装部１６０中の）光源１６４からの光源光を出力し、ファイバー共焦点アパーチャー１９５を通じて反射された測定光を受け取る。
【００２２】
動作中、軸上色収差（分散）を提供する１つまたは複数のレンズを有する軸上色収差部１５０は、ファイバー共焦点アパーチャー１９５を通ってファイバーの端部から放射される広帯域な（例えば白色の）光源光が入力され（受け取り）、測定光を出力する。この測定光は、軸上色収差部によって軸上色収差を伴って焦点を結ぶように導かれる。その結果として、（図１の測定方向ＭＤと一致する）光学軸ＯＡに沿った測定光の焦点距離は、クロマティック共焦点センサ装置として知られている通り、光の波長に依存して異なる。測定光は、光学ペン１２０の測定距離（ＦＦ）である位置Ｚにあるワーク表面１９０で焦点を結ぶ波長光を含んでいる。ワーク表面１９０からの反射にあたり、反射された測定光は軸上色収差部１５０によってファイバー共焦点アパーチャー１９５で再び焦点を結ぶ。有効な光源光と測定光は、制限光線ＬＲ１とＬＲ２によって制限されている。軸上色収差のために、１つの波長光のみが、光学ペン１２０から表面１９０までの測定距離と一致する前側焦点距離ＦＦを持つ。前記光学ペンでは、表面１９０で一番焦点が合う波長が、ファイバー共焦点アパーチャー１９５で一番焦点が合う反射測定光の波長になる。ファイバー共焦点アパーチャー１９５は、一番焦点の合った波長光が支配的にファイバー共焦点アパーチャー１９５を通って光ファイバーケーブル１１２の芯へ入るように、反射測定光を空間的にフィルタリングする。光ファイバーケーブル１１２は反射測定光を、ワーク表面１９０までの測定距離（ＦＦ）に対応する支配的な強度を持つ波長光を決定するよう設計された波長検出器１６２へ導く。
【００２３】
図１に示すように、光学ペン１２０は、最小距離ＺＭＩＮと最大距離ＺＭＡＸによって境界づけられた測定範囲Ｒを持ち、表面１９０は測定範囲Ｒの中に位置する。光学ペン１２０の一般的測定範囲Ｒは、軸上色収差部１５０の設計に基づいて調整可能に設定された数十マイクロメートルから数ミリメートルの範囲内であってもよい。いくつかの場合において、周知の光学ペンの測定範囲Ｒは、前記光学ペンの端部からの公称の作動距離の約１／１０から１／２であってもよい。図１に示されるように、ここでは、光学ペン１２０の公称の作動距離（Ｓ）は、光学ペン１２０の先端部から測定される表面１９０までの距離として定義される。なお、以下に詳述されるが、公称の作動距離は、光学反射素子１５５を経由した距離である。
【００２４】
様々な実施形態において、測定範囲の最大距離及び最小距離（すなわち、測定範囲ＲのＺＭＡＸ及びＺＭＩＮ）が、特定の光学装置の制限によって決定されれば有利である。つまり、測定範囲の最小値及び最大値を決定する際の第一の要因は、物理的な距離である。物理的な距離は、軸上色収差部１５０の特定のレンズのセットが、特定の精度で、特定の波長域にわたって焦点を合わせることができる距離を指す。より一般的には、色収差によって利用可能な入力スペクトルの光が十分に焦点を結ぶことができる範囲に、通常、最小値及び最大値の各範囲を対応させている。さらに、波長検出器自体の制限（図１の１６２を参照）は、測定範囲での、また別の要因である。言い換えると、高分解能が達成されるように、測定されることが期待及び望まれるそれぞれの波長の光が、検出器１６２のアレイにわたって分布することが望ましい。要するに、特定の最小距離及び最大距離のある範囲は、特定の軸に沿った距離上にそのスペクトル光の焦点を効率よく結ばせることができる能力に関する制限と、検出器１６２での波長光の分散に関するデザイン選択とによって一般的に決定される。
【００２５】
電装部１６０は、ファイバーカプラ１６１と、波長検出器１６２と、光源（光源光発生部）１６４と、信号演算器１６６と、記憶部１６８を有する。様々な実施形態において、波長検出器１６２は、分光計または分光器アレンジメントを有する。波長検出器１６２に設けられた分散素子（例えば、回折格子）は、光ファイバーケーブル１１２を通じて反射測定光を受け取り、結果として生じるスペクトル強度プロファイルを検出器アレイ１６３へ伝達する。波長検出器１６２は、関連する信号演算機能（例えば、いくつかの実施形態において、信号演算器１６６によって提供される）を含んでもよい。この信号演算機能により、スペクトル強度プロファイルから検出器に関連する一定の誤差成分が取り除かれる、又は、補正される。いくつかの実施形態において、波長検出器１６２および信号演算器１６６の態様は併合され、及び／又は、区別がつかないこともある。
【００２６】
信号演算器１６６によって制御されている白色光源１６４は、光学カプラ１６１（例えば、２×１光学カプラ）を通って光ファイバーケーブル１１２へ結合されている。上述のとおり、光源光に基づく測定光は、光の波長によって焦点距離が変わるように軸方向（縦方向）の色収差を生じさせる光学ペン１２０を通る。ファイバーを通じて一番効率的に戻る測定光の波長は、位置Ｚの表面１９０上で焦点を合わせる波長である。反射された波長依存性の測定光は、ファイバーカプラ１６１を再び通過して、スペクトル強度プロファイルを生成する波長検出器１６２へ向けられる。検出器アレイ１６３は、検出器アレイ１６３の測定軸に沿った画素アレイ上に分布されるスペクトル強度プロファイルを受け取る。図２は、検出器アレイ１６３からのスペクトル強度プロファイル３１０のサンプル図である。本願において開示される原理によれば、前記図は、光学ペン１２０から被測定穴の内部表面までの距離に対応するスペクトル強度成分を含んでいる。概して、図２でスペクトル強度成分“Ｐ”の座標を示すサブピクセル分解能距離は、信号演算器１６６によって算出される。そして、記憶部１６８に保存されている距離校正ルックアップテーブルを用いて（Ｚでの）表面１９０までの測定距離（ＦＦ）を決定する。例えば、図２では、波長ピーク成分を示す約５２０．６ピクセルのサブピクセル分解能距離が決定される。そして、前記サブピクセル分解能距離は、マイクロメートルまたはミリメートルの測定距離（ＦＦ）へ変換される。スペクトル強度プロファイルのスペクトル強度成分における重心を決定する方法など様々な方法によって、ピーク座標を示すサブピクセル分解能距離は決定される。
【００２７】
図１において、光学ペン１２０は、破線によって示される反射素子１５５を任意で有してもよい。反射素子１５５は、元の測定方向ＭＤに対して垂直な測定方向ＭＤ’に沿って測定光１９６を向け直すように、軸上色収差部１５０から出力された測定光ＭＬの光路に置かれてもよい。向け直された測定方向ＭＤ’に沿った測定範囲Ｒ’は、元の測定方向ＭＤに沿った測定範囲Ｒと同じであり、ＸＭＩＮとＸＭＡＸによって区切られている。そのような実施において、反射素子１５５は、光軸ＯＡとは異なる（例えば光軸ＯＡと直交する）測定方向ＭＤ’に沿って測定光１９６を向ける。例えば、描かれているような直交配向は、図３で示されているような穴径などの穴の特性の測定に利用される。光学ペン１２０は、図１で示されるように、直交測定方向ＭＤ’に伝搬される測定光１９６’を有し、図３で示されるように、ネジ穴の外径（１）、ネジ穴の内径（２）、及び、ネジ穴の外径（１）と内径（２）の差であるネジ山の高さ（３）（またはネジの深さ）を測定するために、当該光学ペン１２０はその中心Ｚ軸を軸に回転する。
【００２８】
具体的には、図４で示されるように、円の半径などの穴の幾何学的特性の測定は、穴の内部表面に少なくとも３つの点を決定することが必要である。図４は、Ｘ及びＹ座標の３セット（すなわち、Ａ、Ｂ及びＣの３点）が、穴の直径、または、図３で示される高さＺでの穴の直径を決定するために最低限必要であることを描いている。図４において、Ａ、Ｂ及びＣの３点の位置が決まったら、線分ＡＢの二等分線Ａ−Ｂが引かれ、それとは別に、線分ＢＣの二等分線Ｂ−Ｃが引かれる。円の中心Ｏは、二等分線Ａ−ＢとＢ−Ｃの交点によって決定される。Ｏから３点（Ａ、Ｂ又はＣ）のいずれの点までの距離が円の半径であり、円の直径は半径の倍である。図３に示されるように、例えば円などの穴の内部表面の少なくとも３つの測定点を取得するには、通常、測定方向ＭＤ’が３つの異なる点で穴の内部表面と交わるように光学ペン１２０を回転させる必要がある。しかしながら、上記で示されるように光学ペン１２０を回転させることは、複雑な光学機構部が必要であり、時間がかかるため測定処理量が減り、さらに、必然的にある程度の振れ及び／又はゆらぎ及び関連した測定誤差を生じさせる。
【００２９】
様々な適用において、光学ペン１２０を回転させることなく穴の内部表面の少なくとも３つの点を測定することが可能となることが望まれる。一実施形態によると、図５及び図７に示されるように、錐形の反射光学素子２０１の形をしたビーム分割偏向素子２００が用意される。前記ビーム分割偏向素子は、光学ペン１２０の端部に（図１の反射素子１５５の代わりに）取り付けることができる。筐体１３１の先端をさらに伸ばし、その先端部に反射光学素子２０１を固定してもよい。ビーム分割偏向素子２００は、光学ペン１２０を回転させることなく、穴の直径などの穴の幾何学的特性の測定を可能にする。
【００３０】
図５に示されるように、正三角錐形の反射光学素子２０１は、三角形の底面２０２と、三角形の底面２０２の中心の真上にある頂点２０３を有し、さらに、少なくとも３つの測定方向ＭＤ１、ＭＤ２及びＭＤ３にそれぞれ対応した第１、第２及び第３の平面状の反射面（ファセットとも呼ぶ。）２０４Ａ、２０４Ｂ及び２０４Ｃを含む。例えば、三角錐形の反射光学素子２０１は、それぞれミラーコートされた平面状の反射面２０４Ａ、２０４Ｂ及び２０４Ｃを有する正三角錐形のプリズムであってもよい。さらに図７を参照すると、三角錐形の反射光学素子２０１は、その頂点２０３が入射測定光ＭＬに面するように配置されている。３つの平面状の反射面２０４Ａ、２０４Ｂ及び２０４Ｃは測定光ＭＬを受け取り、中心Ｚ軸の横方向である少なくとも３つの測定方向ＭＤ１、ＭＤ２及びＭＤ３にそれぞれ沿って、測定光１９６Ａ、１９６Ｂ及び１９６Ｃを被測定穴の内部表面に向けて配光（反射）する。穴は、円形の断面、非円形の断面（例えば、四角形の断面）を有していてもよい。また、前記穴は円形又は非円形の断面の内部表面によって一部分のみが覆われて形成されたものでもよい。
【００３１】
様々な代表的実施形態において、少なくとも３つの測定方向ＭＤ１、ＭＤ２及びＭＤ３は、３６０度を等分した角度ごとに配向されている。例えば、図５に描かれる実施形態において、測定方向ＭＤ１、ＭＤ２及びＭＤ３のうちの隣り合う１対の方向は、それぞれ１２０度の角度となる。平面状の反射面２０４Ａ、２０４Ｂ及び２０４Ｃのそれぞれの有効開口数（ＮＡ）は、入射測定光ＭＬの開口数をＮＡとすると、約０．６ＮＡになる。具体的には、約０．６ＮＡの開口数は平均ビーム直径１．２Ｒに基づく。この平均ビーム直径１．２Ｒは、図５に示されるように、それぞれの測定方向ＭＤ１、ＭＤ２及びＭＤ３において二分割される。ここでＲは、三角錐形の反射光学素子２０１の三角形の底面２０２に投射された入射ビームＭＬの半径である。一方、図６に示されるように、図１の反射素子１５５の開口数はＮＡであり、反射素子１５５に入射した測定光ＭＬのＮＡと同じである。ＮＡは測定方向ＭＤにおいて二分割された長さ２Ｒのビーム三角形底面の大きさに基づく。ここでＲは反射素子１５５の半径である。三角錐形の反射光学素子２０１に関連する開口数０．６ＮＡは、図１の反射素子１５５の開口数ＮＡに比べて極めて小さいわけではない。また、本発明の様々な実施形態によれば、前記開口数０．６ＮＡはクロマティック共焦点ポイント検出測定を行うにあたり十分な量の測定光を受け取り、出力するのに適している。
【００３２】
実際には３つの測定光ビームはそれぞれ３つの平面状の反射面を反射するが、図７では、３つの平面状の反射面の内の２つを反射する３つの測定光ビームの内の２つの測定光ビーム１９６Ａと１９６Ｂを模式的に示す。特に、図７において、第１の平面状の反射面から反射される第１の測定光１９６Ａは第１の測定方向ＭＤ１に沿って伝播され、第２の平面状の反射面から反射される第２の測定光１９６Ｂは第２の測定方向ＭＤ２に沿って伝播される。光学ペン１２０は、描かれているように第１と第２の測定方向ＭＤ１とＭＤ２のそれぞれに沿った測定範囲Ｒ’を持ち、前記測定範囲Ｒ’はＲＭＩＮ’とＲＭＡＸ’によって区切られている。図７には示されていないが、第３の平面状の反射面から反射される第３の測定光１９６Ｃは第３の測定方向ＭＤ３に沿って伝播され、同じくＲＭＩＮ’とＲＭＡＸ’によって区切られた測定範囲Ｒ’を持つ。
【００３３】
図８は、三角錐形の反射光学素子２０１の形をしたビーム分割偏向素子２００の設計における一般論を示す。図８は、以下図１５から図１７を参照して詳述される円錐形の光学素子３４０の形をしたビーム分割偏向素子２００の実施形態にも適用される。一般的に、三角錐形の反射光学素子２０１（又は円錐形の光学素子３４０）の半頂角は、以下の式（１）で算出される。
【００３４】
【数１】
2015114326.tif 000003
【００３５】
例えば、入射ビームＭＬの開口数ＮＡが０．２と仮定すると、その頂点半角は４２．１１度と算出できる。
【００３６】
図８は、図１で示された反射素子１５５の断面図と比較した、三角錐形の反射光学素子２０１（又は円錐形の光学素子３４０）の断面図を示す。三角錐形の反射光学素子２０１又は円錐形の光学素子３４０にとって、中心Ｚ軸と測定光の光軸とで定まる平面内における当該中心Ｚ軸に関する反射表面の半頂角は、４５度未満であることが望ましい。こうすれば、測定光の主光線を光学ペンの中心Ｚ軸に関して９０度にできる。上記で算出された半頂角４２．１１度はこの要件を満たす。様々な代表的実施形態において、図８に示されるように、測定光ＭＬのＮＡ角度の１／４を差し引くことによって、半頂角を４５度未満にするべきである。
【００３７】
様々な実施形態によると、本実施形態に係る方法を用いれば、５マイクロメートルという微細な測定分解能にて穴の幾何学的特性を測定することが可能である。
【００３８】
穴の様々な幾何学的特性の検査への適用において、光学ペン１２０は従来のどんな三次元座標測定機（ＣＭＭ）に結合されてもよい。前記三次元座標測定機は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸のぞれぞれに沿って光学ペン１２０を精密な位置に制御できる。通常、ＣＭＭはＸ−Ｙ平面の１つの軸に沿って移動可能な梁部を有し、Ｘ−Ｙ平面の他の軸に沿って前記梁部を移動可能なスライダー部を有する。Ｚ軸移動は、スライダー部を上下に動く主軸部２１０の端部によって実行される。図９Ａに示されるように、ＣＭＭ２０９の主軸部２１０の端部はプローブヘッド２１２を有する。このプローブヘッド２１２は、本発明の様々な実施形態によれば光学ペン１２０など種々の交換可能な伸長プローブを受け取れるように設計されている。一実施形態において、ＣＭＭのプローブヘッド２１２は、英国グロスターシアにあるレニショー・メトロロジー社によって製造され、産業上特定の適用に広く使用されている標準のレニショー（登録商標）自動ジョイント接続設計を組み込んでもよい。図９の例において、光学ペン１２０は、ネジ山２１３を有する穴の幾何学的特性を調べるために、プローブヘッド２１２に結合されている。前記ＣＭＭは、データ転送回線１９９（例えば、バス）を通じて他の構成部分へ信号を伝達する。データ転送回線１９９は、コネクタ２０８（例えば「ｍｉｃｒｏ−Ｄ」型コネクタ）によって、光学ペン１２０からの入力信号及び出力信号を流すプローブヘッドケーブル２１１につながっている。光学ペン１２０に結合されたＣＭＭ２０９は、ＣＭＭコントローラ２０２によって制御される。制御中、光学ペン１２０は、ＣＰＳペン信号演算及び制御回路２０７とデータを交換し、それに制御される。例えば、一実施形態では、図１の電装部１６０の信号演算器１６６及び記憶部１６８によってＣＰＳペン信号演算及び制御回路２０７が実現される。ユーザは、コンピュータ及びユーザーインターフェース２０６を通じて、全ての構成部分を制御することができる。
【００３９】
ＣＭＭコントローラ２０２は、プローブヘッド制御装置２０３と、モーション制御装置２０５を有する。前記プローブヘッド制御装置２０３は、プローブヘッド２１２の動作を制御可能に構成されている。前記モーション制御装置２０５は、周知のように、プローブヘッド２１２及び光学ペン１２０のＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向における精密な位置及び動作を制御可能に構成されている。前記ＣＭＭコントローラ２０２は、プローブヘッド２１２のＸ−Ｙ−Ｚ位置を生成する位置ラッチ２０４を有する。ＣＰＳペン信号演算及び制御回路２０７に内蔵された対応する位置ラッチは、光学ペン１２０のＸ−Ｙ−Ｚラッチ信号を生成する。また、ＣＰＳペン信号演算及び制御回路２０７の位置ラッチは、光学ペン１２０の測定座標とＣＭＭ２０９の座標を一致させるために、ＣＭＭコントローラ２０２の位置ラッチ２０４と信号を授受し合う。したがって、ＣＭＭに結合された光学ペン１２０によって検査される穴の中心位置などの穴の幾何学的特性は、穴内部に配置された光学ペン１２０の位置を示すＣＭＭ座標に基づいて決定される。
【００４０】
以下に詳述されるが、本発明の様々な実施形態によれば、ユーザがＣＰＳペンを回転させることなく、ワーク表面の穴の幾何学的特性を検査する又は測定する方法が提供される。様々な適用において、前記方法は、光学ペン１２０を回転させずに穴の内部表面の少なくとも３つの測定点を決定するために、光学ペン１２０を穴に配置することを含む。更なる適用において、前記方法は、光学ペン１２０を回転させずに穴の内部表面の少なくとも３つの測定点を決定するために、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸のうちの１以上の軸に沿って光学ペン１２０を直線的に移動させることを含む。光学ペン１２０のそのような直線移動は、光学ペン１２０が結合され得る如何なる標準的なＣＭＭによっても容易に達成することができる。穴など様々な検査対象となる特性を有したワークを検査する指示は、ＣＭＭによって実行されるワークプログラム又はパートプログラムによって、一般的に具体化される。
【００４１】
別の例として、光学ペン１２０は、周知の画像測定機と関連して利用されてもよい。周知の画像測定機として、例えば、米国イリノイ州オーロラ所在のミツトヨアメリカ社の顕微型画像測定機のクイックビジョン（登録商標）  ＱＶ  Ａｐｅｘシリーズなどがある。概して、画像測定機は、移動可能な画像装置（カメラ）と、画像測定されるワークが置かれる移動ステージを有する。前記画像装置、及び／又は、ステージは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿って移動可能であり、それによって、画像装置は、測定及び解析対象としてステージに置かれたワークの完全なイメージを取得することができる。穴など、様々な被測定要素を有するワークのイメージを取得する為、及び、得られたイメージを測定する為の指示は、画像測定機で実行できるワークプログラム又はパートプログラムによって一般的に具体化される。いくつかの画像装置は、プローブ・サブシステムを有する。該プローブ・サブシステムは、本発明の様々な実施形態によれば、光学ペン１２０などの専用プローブを持つように構成されている。したがって、画像装置のプローブ・サブシステムに光学ペン１２０を結合すれば、ユーザは、Ｘ、Ｙ及びＺ軸に沿った光学ペン１２０の位置及び直線的な動きを制御するために画像測定機のコントローラを利用することができる。そして、穴の内部表面の少なくとも３つの測定点を取得することができる。このことは、光学ペン１２０の位置及び直線的な動きを制御するためにＣＭＭを用いることと同じである。この構成において、プローブ・サブシステムを制御するために標準のＣＭＭ技術を標準の画像測定技術と関連づけて利用してもよい。こうすれば、本発明の様々な実施形態において、被測定穴に関し、光学ペン１２０及び光学ペン１２０のビーム分割偏向素子２００を自動的に配置し移動させることができる。
【００４２】
図９Ｂは、本発明の様々な実施形態における穴の幾何学的特性を調べるためにＣＰＳ装置を利用する方法の一般的なフローチャートである。
【００４３】
ブロック２２０において、第１工程は穴の中の位置に光学ペン１２０を配置する工程である。この配置工程では、少なくとも３つの測定方向に沿って穴の内部表面に測定光が入射するように、光学ペン１２０を配置する。例えば、ＣＰＳ１００の電装部１６０は、少なくとも３つの測定方向に沿って内部表面に測定光が入射するように作動する。
【００４４】
ブロック２２２において、第２工程は測定光を受け取る工程である。この受取工程では、少なくとも３つの測定方向から反射されて戻ってくる測定光を、穴内部における上記の位置に配置された光学ペン１２０の共焦点アパーチャー１９５を通じて受け取る。例えば、分光器（図７の符号１６２）が、共焦点アパーチャー１９５を通って戻る、少なくとも３つの測定方向からの反射測定光を受け取る。
【００４５】
ブロック２２４において、第３工程はＣＰＳ装置を作動させる工程である。この作動工程では、測定光のスペクトル強度プロファイルを取得するためにＣＰＳ装置を作動させる（図２を参照）。前記スペクトル強度プロファイルは、少なくとも３つの測定方向に沿った光学ペンの測定範囲“Ｒ”内に位置する内部表面までの距離に応じたスペクトルピーク成分を含む。以下の様々な例に詳述されるように、スペクトルピーク成分は、互いに独立していても、独立していなくてもよい。
【００４６】
ブロック２２６において、第４工程は穴の幾何学的特性を決定する工程である。この決定工程では、少なくとも第１の測定方向に沿った光学ペン１２０から内部表面までの少なくとも第１の距離測定値を決定する為に、スペクトル強度プロファイルを解析する。さらにこの解析を含む信号演算動作の少なくとも一部の動作に基づいて、穴の幾何学的特性を決定する。
【００４７】
ブロック２２６の第４工程は、ＣＰＳ１００の電装部１６０により実行されてもよいし、ＣＰＳ１００を結合するＣＭＭなどの外部装置により実行されてもよい。又は、第４工程は本発明の様々な実施形態を組み合わせた構成により実行されてもよい。ブロック２２６の第４工程は、例えば以下の工程ａ）、ｂ）及びｃ）の少なくとも１つの工程を順番に含んでもよい。すなわち、
ａ）電装部１６０の信号演算器が、少なくとも第１の測定方向に沿った光学ペンから内部表面までの第１の距離測定値を決定するために、スペクトル強度プロファイルを解析すること、及び、電装部１６０の信号演算器が、前記解析を含む信号演算動作の少なくとも一部の動作に基づき、穴の幾何学的特性を決定する工程、
ｂ）電装部１６０の信号演算器が、少なくとも第１の測定方向に沿って光学ペンから内部表面までの少なくとも第１の距離測定値を決定するために、スペクトル強度プロファイルを解析すること、及び、電装部１６０の信号演算器が、少なくとも第１の距離測定値の少なくとも一部に基づき穴の幾何学的特性を決定するよう構成されたＣＭＭなどの外部装置に、少なくとも第１の距離測定値を出力する工程、及び、
ｃ）電装部１６０の信号演算器が、ＣＭＭなどの外部装置にスペクトル強度プロファイルを出力する工程である。ここで、ＣＭＭなどの外部装置は、少なくとも第１の測定方向に沿って光学ペンから内部表面までの少なくとも第１の距離測定値を決定するために、スペクトル強度プロファイルを解析すること、及び、ＣＭＭなどの外部装置は、前記解析を含む信号演算動作の少なくとも一部の動作に基づいて、穴の幾何学的特性を決定するよう構成されている。
【００４８】
様々な実施形態において、測定される穴は半径ｒを有する。また、本発明の方法は、少なくとも３つの各測定方向に沿った光学ペンの測定範囲Ｒが、光学ペンの中心Ｚ軸からＲＭＡＸ’の距離（なお、ＲＭＡＸ’＞ｒである）に少なくとも届くように、光学ペン１２０を構成又は選択することを含んでもよい。これは、全ての測定方向に沿って、測定される穴の内部表面が光学ペン１２０の測定範囲Ｒ内に収まることを保証する。そして、穴の中に光学ペン１２０を配置する第１の工程（ブロック２２０）は、穴のほぼ中心に光学ペン１２０を配置することを含んでもよく、この配置工程は、少なくとも３つの測定方向に沿って内部表面の平均半径を示す複合スペクトルピークを形成するために、スペクトル強度プロファイルの全スペクトルピーク成分を実質的に一致させる目的で行われる。例えば、穴の複数の位置に配置された光学ペン１２０によって得られた複合スペクトルピークのうち、最も高い、又は、最も狭い複合スペクトルピークを提供する位置に光学ペン１２０を配置することを、第１工程は含んでもよい。上述の三角錐形の反射光学素子２０１、又は、図１５〜１７を参照して以下に詳述される円錐形の反射光学素子によって、この結果は得られる。光学ペン１２０がＣＭＭに結合されると、ＣＭＭは光学ペン１２０を穴のほぼ中心に配置することができる。例えば、被測定穴などのワーク要素を含む特定のワークを調べるためのパートプログラムは、ワークの各穴の大きさと位置を明確にする。そのため、ＣＭＭは、前記パートプログラムを参照してＣＭＭ座標系に、光学ペン１２０を穴に応じて配置し配向させることができる。穴の中心は、ＣＭＭによって制御された光学ペン１２０の位置に対応するＣＭＭ座標に基づいて決定される。
【００４９】
本発明の様々な実施形態において、穴の中に光学ペン１２０を配置する第１の工程（ブロック２２０）は、スペクトル強度プロファイル中の少なくとも３つのスペクトルピーク成分が少なくとも３つの測定方向に沿った光学ペン１２０から内部表面までのそれぞれの距離に対応した独立スペクトルピーク成分として得られるように、穴の中心からずれた位置に光学ペン１２０を配置することを含んでもよい。それは、ＣＭＭが、ＣＭＭ座標系内の被検査穴に応じて光学ペン１２０を配置及び配向できるからである。例えば、パートプログラムを実行するＣＭＭに光学ペン１２０が結合されると、少なくとも３つの各測定方向に沿った光学ペン１２０の測定範囲Ｒの位置及び姿勢をＣＭＭによって知ることができ、及び／又は、校正することができる。したがって、前記ＣＭＭは、穴の中に光学ペン１２０を精度よく配置し配向することができる。その際、少なくとも３つの測定方向が、穴の内部表面の少なくとも３つの所望の（所定の）点に向かって延びるが、これら少なくとも３つの被検査点が、少なくとも３つの測定方向に沿った光の測定範囲Ｒ内にそれぞれ入ることをＣＭＭが保証する。そして、少なくとも３つの測定方向から反射された測定光は、単独の強度プロファイルにおいて互いに独立した少なくとも３つのスペクトル強度プロファイルをそれぞれ形成する。前記の少なくとも３つのスペクトル強度プロファイルは、少なくとも３つの測定方向に沿った光学ペン１２０から内部表面までの少なくとも３つの距離測定値を決定することに利用されてもよい。
【００５０】
その他の実施形態及び適用においては、単独のスペクトル強度プロファイルにおいて３又は３以上のスペクトルピーク成分の全てが、互いに独立しているわけではない。例えば、穴（又は穴の直径）が光学ペンの測定範囲Ｒに対して大きすぎるとき、１つの測定方向に沿った１つのスペクトルピーク成分のみが１つのスペクトル強度プロファイルにおいて決定される。具体的には、半径ｒの円形の断面を有する穴の場合、少なくとも３つの測定方向のそれぞれに沿った光学ペンの測定範囲Ｒは、中心Ｚ軸からＲＭＡＸ’の距離（なお、ＲＭＡＸ’＜ｒである）にまでしか届かない。別の例として、四角い穴の一内面の位置を決定することなどへの適用においては、単独のスペクトル強度プロファイルにおいて同時に１つのスペクトルピーク成分を決定することが必要とされる。これらの実施例及び適用において、穴の中に光学ペン１２０を配置する第１工程（ブロック２２０）は、穴の中心からずれた第１の非中心位置に、光学ペン１２０を配置することを含んでもよい。この工程では、スペクトル強度プロファイルの少なくとも第１のスペクトルピーク成分が、第１の非中心位置に対して定まる測定方向に沿った光学ペン１２０から内部表面までの距離に対応する独立したスペクトルピーク成分であるように、光学ペンが配置される。光学ペン１２０から第１のスペクトルピーク成分を生成した内部表面上の一点への角度方向は、穴３０１の公称の中心から第１の非中心位置への方向から推測される。穴３０１を調べるために使用されるＣＰＳ装置及び／又はパートプログラムの初期設定に基づいて、上記の角度方向を知ることができる。
【００５１】
そして、光学ペン１２０がＣＭＭへ結合され、穴の中に光学ペン１２０を配置する為にＣＭＭを使用する際、光学ペン１２０を配置する工程（ブロック２２０）と、測定光を受け取る工程（ブロック２２２）と、スペクトル強度プロファイルを取得するためにＣＰＳ装置を作動させる工程（ブロック２２４）の３つの工程が、光学ペン１２０の第２及び第３の非中心位置にそれぞれ対応して繰り返されてもよい。その結果、第２及び第３のスペクトル強度プロファイルのそれぞれにおいて、少なくとも第２及び第３の独立スペクトルピーク成分が得られる。第２、第３の独立スペクトルピーク成分は、光学ペンから内部表面までの、第２及び第３の非中心位置により定まる測定方向に沿った距離に対応する。これら光学ペンから内部表面までの第２、第３の距離は、第２及び第３の非中心位置に対して定まる測定方向に沿った距離にぞれぞれ対応する。穴の幾何学的特性を決定する工程（ブロック２２６）は、（ａ）少なくとも第１、第２及び第３の非中心位置に対して定まる測定方向に沿った光学ペンから内部表面までの少なくとも第１、第２及び第３の測定距離を決定する為に、第１、第２及び第３のスペクトル強度プロファイルを解析する工程と、（ｂ）第１、第２及び第３の非中心位置にそれぞれ対応する少なくとも第１、第２及び第３の距離測定値及びＣＭＭ座標値に基づき、穴の幾何学的特性を決定する工程、を含む。
【００５２】
図１０及び１１は、一度に１つのスペクトルピーク成分を（単独のスペクトル強度プロファイル中において）独立させる方法、及び、少なくとも３つの独立スペクトルピーク成分を取得するために少なくとも３回その工程を繰り返す方法を示す。図１０（Ａ）を特に参照すると、この実施形態において、穴３０１の直径Ｄは光学ペンの測定範囲Ｒ’に対して大きく、次の式（２）の関係を満たすものと想定される。
【００５３】
【数２】
2015114326.tif 000004
ここで、ｓは穴３０１の内部に位置付けられた光学ペン１２０の作動距離であり、ｄはビーム分割偏向素子２００をちょうど内包する大きさの光学ペン１２０の直径であり、Ｒ’は光学ペン１２０の測定範囲である。
【００５４】
代表的な方法を描くフローチャートである図１１を更に参照すると、ブロック３３０において、ビーム分割偏向素子２００を有する光学ペン１２０が穴３１０の内部に配置される。図７を参照に上述のとおり、光学ペン１２０は共焦点アパーチャー１９５を持ち、少なくともＭＤ１、ＭＤ２及びＭＤ３の３つの測定方向にそれぞれ沿った測定光１９６Ａ、１９６Ｂ及び１９６Ｃを投射する。穴３０１の内部に光学ペン１２０が配置された後、光学ペン１２０をＺ軸に沿って動かすことにより、Ｚ軸に沿った光学ペン１２０の中心の一連の座標（Ｘ０、Ｙ０）を取得するために初期Ｚスキャンを実行する。以降、これらの動作を合わせて初期Ｚスキャンと呼ぶ。Ｚ軸に沿った各値に対し光学ペン１２０の基準座標（Ｘ０、Ｙ０）を生成するために、初期Ｚキャンは実行される。初期Ｚスキャン中、穴３０１の内部表面は、測定光１９６Ａ、１９６Ｂ及び１９６Ｃのそれぞれの測定範囲Ｒ（又は図７の「ＲＭＡＸ’」）の外にあると予想される。なぜならば、光学ペン１２０の測定範囲に対して穴３０１は大きいとの想定だからである。したがって、今回得られたスペクトルデータは、何ら明確なピーク成分を含まないような弱さであることが予想される。
【００５５】
図１１のブロック３３２において、図１０（Ｂ）を参照すると、３つの測定方向のうち１つの測定方向に沿って光学ペン１２０を動かすように、ＣＭＭは制御される。本実施形態において、矢印３３３によって示されるように第２の測定方向ＭＤ２に沿って光学ペン１２０が動かされ、第２の測定光１９６Ｂが突き当たる穴３０１の内部表面が、第２の測定光１９６Ｂの測定範囲Ｒ内になる。したがって、第２の測定光１９６Ｂは、スペクトルピーク成分３２１Ｂを生じさせる。第２の測定光１９６Ｂが突き当たる穴３０１の内部表面の点の座標（Ｘ１、Ｙ１）を取得するために、前記ピーク成分３２１Ｂは、（図１０（Ｂ）に示されるように）この点での光学ペン１２０の中心座標および初期Ｚスキャンデータと共に使用されてもよい。そして、第１のスペクトルピーク成分３２１Ｂを取得するために穴３０１に対して配置された光学ペン１２０は、Ｚの関数として一連の座標（Ｘ１、Ｙ１）を取得するために、穴３０１のＺ軸沿って動かされる。この点におけるＺスキャンは第１Ｚスキャンと呼ばれ、実行される３つの類似するＺスキャンのうちの１番目のスキャンであり、以下に詳述される。
【００５６】
図１１のブロック３３４において、図１０（Ｃ）を参照すると、３つの測定方向のうちの別のもう１つの測定方向に沿って光学ペン１２０を動かすように、ＣＭＭは制御される。本実施形態において、矢印３３５によって示されるように第３の測定方向ＭＤ３に沿って光学ペン１２０が動かされ、第３の測定光１９６Ｃが突き当たる穴３０１の内部表面が、第３の測定光１９６Ｃの測定範囲内になる。したがって、第３の測定光１９６Ｃがスペクトルピーク成分３２１Ｃを生み出す。前記スペクトルピーク成分３２１Ｃは、第３の測定光１９６Ｃが突き当たる穴３０１の内部表面の点の座標（Ｘ２、Ｙ２）を取得するために、（図１０（Ｃ）に示されるように）この点での光学ペン１２０の中心座標および初期Ｚスキャンデータと共に使用されてもよい。そして、第２のスペクトルピーク成分３２１Ｃを取得するために穴３０１に対して配置された光学ペン１２０は、Ｚの関数として一連の座標（Ｘ２、Ｙ２）を取得するために、穴３０１のＺ軸に沿って動かされる。この点におけるＺスキャンは第２Ｚスキャンと呼ばれ、実行される３つの類似するＺスキャンのうちの２番目のスキャンである。
【００５７】
図１１のブロック３３６において、図１０（Ｄ）を参照すると、３つの測定方向のうち最後の測定方向に沿って光学ペン１２０を動かすように、ＣＭＭは制御される。本実施形態において、矢印３３７に示される第１の測定方向ＭＤ１に沿って光学ペン１２０が動かされ、第１の測定光１９６Ａが突き当たる穴３０１の内部表面が、第１の測定光１９６Ａの測定範囲Ｒ内になる。したがって、第１の測定光１９６Ａはスペクトルピーク成分３２１Ａを生み出す。前記スペクトルピーク成分３２１Ａは、第１の測定光１９６Ａが突き当たる穴３０１の内部表面の点の座標（Ｘ３、Ｙ３）を取得するために、この点で初期Ｚスキャンデータ及び光学ペン１２０の中心座標と共に使用されてもよい。そして、第１のスペクトルピーク成分３２１Ａを取得する為に穴３０１に対し配置された光学ペン１２０は、Ｚの関数として一連の座標（Ｘ３、Ｙ３）を取得する為に、穴３０１のＺ軸に沿って動かされる。この点におけるＺスキャンは第３Ｚスキャンと呼ばれ、実行される３つの類似するＺスキャンのうち最後のスキャンである。
【００５８】
第１、第２及び第３のＺスキャンは、いくつかの実施形態においてＺ軸に沿って同じ方向で実行されてもよい。もう一方で、その他の実施形態においてＺ軸に沿って逆の方向で実行されてもよい。その方向は、各適用及各操作に応じて決められる。
【００５９】
この時点で、以下の３セットの座標値が取得されている。すなわち、第２の測定光１９６Ｂが突き当たる穴３０１の内部表面の第１の位置を示す一連の座標（Ｘ１、Ｙ１）、第３の測定光１９６Ｃが突き当たる穴３０１の内部表面の第２の位置を示す一連の座標（Ｘ２、Ｙ２）、及び第１の測定光１９６Ａが突き当たる穴３０１の内部表面の第３の位置を示す一連の座標（Ｘ３、Ｙ３）である。Ｚの関数による一連の座標によって、各セットの座標値が構成されている。そして、図１１のブロック３３８において、穴の半径などの穴３０１の幾何学的特性は、Ｚの関数として（すなわち、Ｚ軸に沿って）、Ｘ−Ｙ平面上の３つの点を示すこれら３セットの座標に基づき決定されてもよい。
【００６０】
本発明のいくつかの代表的実施形態において、例えば直径などの異なる物理的構成、及び、例えば測定範囲Ｒなどの異なる光学的特性を持つ光学ペンが用意されてもよい。また、測定される穴の大きさによって適切な光学ペンが選択されてもよい。
【００６１】
本発明のいくつかの代表的実施形態において、穴の内部表面はネジ山を有し、光学ペン１２０は、光学ペン１２０を配置するために用いられるＣＭＭに結合される。穴の中に光学ペン１２０を配置する工程（図９Ｂのブロック２２０）は、光学ペンを現在位置に配置する工程を含む。前記現在位置は、穴の中心軸に平行な軸方向（すなわち、Ｚ方向）の位置、及び、穴の中心軸に対して横方向への中心からずれた位置、に対応する。ここで、対応するスペクトル強度プロファイルにおける少なくとも第１のスペクトルピーク成分が、現在位置に対して定まる測定方向における光学ペン１２０から内部表面までの距離に対応する独立スペクトルピーク成分として取得されるようになっている。前記方法はさらに、以下の工程を繰り返すことを含む。すなわち、軸上位置（Ｚ軸に沿った位置）が異なる複数の現在位置において、光学ペン１２０を配置する工程（図９Ｂのブロック２２０）と、測定光を受け取る工程（図９Ｂのブロック２２２）と、スペクトル強度プロファイルを取得するためにＣＰＳ装置を作動させる工程（図９Ｂのブロック２２４）である。ネジ山の高さなど、ネジ山を含む穴の幾何学的特性は、以下のように決定される。すなわち、（ａ）軸上位置が異なる複数の現在位置において、非中心位置に対応して定まる測定方向に沿った光学ペン１２０からネジ山までの複数の距離測定値を決定するために、軸上位置が異なる複数の現在位置のそれぞれに対応した複数のスペクトル強度プロファイルを解析し、（ｂ）軸上位置が異なる複数の現在位置における複数の距離測定値のうちの少なくともいくつかに基づいて、ネジ山の幾何学的特性を決定する。ＣＭＭ座標は、少なくともいくつかの複数の異なる現在位置を特徴づけてもよい。
【００６２】
図１２及び図１３は、穴の幾何学的特性を調べるためにＣＰＳ装置を作動させる別の方法を示す。この方法は、図１０及び図１１を参照し上記に詳述された穴が比較的大きい場合とは異なり、穴が光学ペン１２０の測定範囲Ｒに対して小さい場合の方法である。特に図１２（Ａ）を参照すると、この実施形態において、穴は、光学ペン１２０の測定範囲Ｒ’に対して小さい直径Ｄを持つと想定され、次の式（３）の関係を満たす。
【００６３】
【数３】
2015114326.tif 000005
ここで、ｓは穴３００の内部に位置された光学ペン１２０の作動距離であり、ｄは光学ペン１２０の直径であり、ｄはビーム分割偏向素子２００をちょうど内包する大きさの光学ペン１２０の直径であり、Ｒ’は光学ペン１２０の測定範囲である。
【００６４】
代表的な方法を描いたフローチャートである図１３を更に参照すると、ブロック３２０において、ビーム分割偏向素子２００を有する光学ペン１２０が、穴３００の内部に置かれる。図７を参照し上記に詳述されているように、光学ペン１２０は共焦点アパーチャー１９５を持ち、少なくとも３つの測定方向ＭＤ１、ＭＤ２及びＭＤ３それぞれに沿って測定光１９６Ａ、１９６Ｂ及び１９６Ｃを投射する。穴３００の内部に光学ペン１２０が置かれたとき、光学ペン１２０が結合され得るＣＭＭによって、光学ペン１２０の中心の座標（Ｘ０、Ｙ０）が取得される。Ｚ軸に沿って一連の（Ｘ０、Ｙ０）座標を取得するため、光学ペン１２０はＺ方向にスキャンされる（初期Ｚスキャン）。Ｚ軸に沿った各値に対し光学ペン１２０の基準座標（Ｘ０、Ｙ０）を生成するように、初期Ｚスキャンは実行される。初期Ｚスキャン中、３つの測定光１９６Ａ、１９６Ｂ及び１９６Ｃは、穴３００の内部表面までのほぼ同一の又は近似する距離を進むことが予想され、互いに概ね一致する３つのスペクトルピーク成分３２１を生み出す。なお、ＣＰＳ１００の電装部１６０（及び／又は、図９ＡのＣＰＳペン信号演算制御回路２０７）は、３つの異なるピーク成分を含むスペクトルデータを演算するよう構成されている。すなわち、３つの異なるピーク成分のそれぞれに対し、図２で示されているようなスペクトルピーク成分生成処理を実行する。
【００６５】
図１３のブロック３２２において、図１２（Ｂ）を参照すると、３つの測定方向のうち１つの方向に沿って光学ペン１２０を動かすようにＣＭＭは制御される。本実施形態において、矢印３２３に示されるように第２の測定方向ＭＤ２に沿って光学ペン１２０は動かされる。前記光学ペンは、第２の測定光１９６Ｂが進む穴３００の内部表面までの距離が、他の２つの測定光（１９６Ａ及び１９６Ｃ）が進む穴３００の内部表面までの距離よりも長くなるように動かされる。これは、第１及び第３の測定光１９６Ａ及び１９６Ｃのそれぞれに基づいたスペクトルピーク成分３２１Ａ及び３２１Ｃが短い波長側へシフトするのに対し、第２の測定光１９６Ｂに基づいたスペクトルピーク成分３２１Ｂの長い波長側へのシフトをもたらす。実際には、図１２（Ｂ）に示されるように、残りのスペクトルピーク成分３２１Ａ及び３２１Ｃから、スペクトルピーク成分３２１Ｂは独立することができる。
【００６６】
図１３のブロック３２４において、図１２（Ｃ）を参照すると、３つの測定方向のうち別のもう一方向に沿って光学ペン１２０を動かすようにＣＭＭは制御される。別のもう一方向とは、矢印３２５によって示されるような第１の測定方向ＭＤ１のような方向である。したがって、第１の測定光１９６Ａが進む穴３００の内部表面までの距離は、第３の測定光１９６Ｃが進む穴３００の内部表面までの距離より短くなる。第３の測定光１９６Ｃに基づくスペクトルピーク成分３２１Ｃが長い波長側へシフトするのに対し、第１の測定光１９６Ａに基づくスペクトルピーク成分３２１Ａは短い波長側へシフトする結果をもたらす。実際には、スペクトルピーク成分３２１Ａはスペクトルピーク成分３２１Ｃから独立させることができる。前記スペクトルピーク成分３２１Ａ及び３２１Ｃは、図１２（Ｂ）を参照に上述のとおり、第２の測定光１９６Ｂに基づくスペクトルピーク成分３２１Ｂから独立されたものである。したがって、この時点では、図１２（Ｃ）に描かれた方法で穴３００に対して光学ペン１２９が配置された時、スペクトルピーク成分３２１Ａ、３２１Ｂ及び３２１Ｃは互いに独立している。
【００６７】
図１３のブロック３２６において、スペクトルピーク成分３２１Ａ、３２１Ｂ及び３２１Ｃが互いに独立するように配置された光学ペン１２０は、穴３００のＺ軸に沿って動かされ、Ｚの関数として穴３００の幾何学的測定値（例えば、直径など）を取得する。一連の基準座標（Ｘ０、Ｙ０）を取得するための上記の工程３２０（図１２（Ａ）を参照）において実行される初期Ｚスキャンに対して、この時点でのＺスキャンは最終Ｚスキャンと呼ばれる。いくつかの実施形態において、初期Ｚスキャン及び最終Ｚスキャンは共に同じ方向に向かって実行される。また、別の実施形態においては、上記２つのスキャンはＺ軸に沿った逆の方向に向かって実行されてもよい。直径や、例えばネジ山の高さなどのネジ山プロファイル測定値のような穴の様々な幾何学的特性は、初期Ｚスキャンに基づいて決定されてもよい。すなわち、Ｚ軸に沿った基準座標（Ｘ０、Ｙ０）の集合データと、３つのスペクトルピーク成分を達成するために穴３００の中で光学ペン１２０が動かされた後の光学ペン１２０の中心座標データと、異なるスペクトルピーク成分３２１Ａ、３２１Ｂ及び３２１Ｃの読み取りデータとによって、幾何学的特性が決定される。例えば、Ｚ軸に沿ったＺの各値に対し、穴３００を横切る３つの測定光１９６Ａ、１９６Ｂ及び１９６Ｃによって定まるＸ−Ｙ平面上の３つの測定点は、以下のデータに基づいて取得される。すなわち、（ｉ）初期Ｚスキャンデータと、（ｉｉ）３つの異なるスペクトルピーク成分を得るために動かされた光学ペン１２０の中心座標データと、（ｉｉｉ）３つの異なるスペクトルピーク成分３２１Ａ、３２１Ｂ及び３２１Ｃの読み取りデータである。そして、取得された３つの測定点に基づいて、（描かれている例のように円形の断面を持つ）穴３００の直径Ｄは、図４に示される原理を用いて取得することができる。その他の例として、ネジ山の高さは、ネジ山の一番下までの距離とネジ山の一番上までの距離の差を計算することで取得することができる（図３の(３)を参照）。
【００６８】
ビーム分割偏向素子２００は、測定光ＭＬを受け取り、４つ以上に分割するように構成された光学素子によって提供することもできる。このような光学素子は、９０度ずつに分けられた４つの測定方向に対応する４つの平面状の反射面を有する四角い底面の直角錐などでよい。しかしながら、穴の幾何学的特性を測定する目的において、更なる測定光線は不要であり、更なる測定光線は各測定光線のＮＡを更に減少させてしまうばかりか、露光／サンプリング期間を延ばすことが要求され、測定処理能力が低下してしまう。さらに、このような構成は、上述の三角錐形の反射光学素子２０１のときよりも、組み立てて光学ペン１２０に組み込むことが難しくなる。したがって、本発明の様々な代表的実施形態によれば、ビーム分割偏向素子２００は、多くても４つの測定方向に対応する４つの平面状の反射面を持った角錐形の反射光学素子である。
【００６９】
図１４及び図１２（Ａ）を参照すると、円形の断面を持つ穴の半径又は直径を決定するためにＣＰＳ装置を作動させる別の方法が詳述されている。図１２（Ａ）に示されるように、この実施形態において、穴３００の直径Ｄは、光学ペンの測定範囲Ｒに対して小さく、式（３）を満たしていると想定される。すなわち、穴３００のほぼ中心に配置された光学ペン１２０に対して、穴３００の内部表面が、測定光線１９６Ａ、１９６Ｂ及び１９６Ｃのそれぞれの測定範囲Ｒ内に位置するようになっている。
【００７０】
図１４のブロック３３０において、穴３００のほぼ中心に光学ペン１２０は配置される。この時点では、測定光線のそれぞれの測定範囲Ｒ内に内部表面が位置し、３つの測定光線１９６Ａ、１９６Ｂ及び１９６Ｃに基づく３つのスペクトルピーク成分が図１２（Ａ）で示されるように互いに一致していることが期待される。
【００７１】
図１４のブロック３３２において、光学ペン１２０の中心と穴３０１の中心が実質的に一致するまで、Ｘ−Ｙ平面上の光学ペン１２０の位置を調整するためにＣＭＭが制御される。光学ペン１２０の中心と穴３０１の中心が実質的に一致する位置では、３つのスペクトルピーク成分３２１Ａ、３２１Ｂ及び３２１Ｃが互いに精度よく一致して、単独の高い及び／又は狭いピークを生成する。単独の高い及び／又は狭いピークの生成は、穴３００の内部表面に突き当たるまでの第１の測定光１９６Ａ、第２の測定光１９６Ｂ及び第３の測定光１９６Ｃの各進行距離が実質的に同じ距離であることを示すので、その距離が穴３００の半径であるとみなすことができる。したがって、この点で狭く重複したスペクトルピーク成分３２１Ａ、３２１Ｂ及び３２１Ｃは、穴３００の半径を示すものとして使用できる。この半径を示す重複したスペクトルピーク成分の高さ及び／又は狭さは、各適用に応じて調整される。
【００７２】
図１４のブロック３３４において、前記光学ペンのＸ−Ｙ位置は、３つの測定光線１９６Ａ、１９６Ｂ及び１９６Ｃによって生成された単独の高い及び／又は狭いピークが穴３００の半径を示すように、調整されており、穴３００の内部をＺ軸に沿って光学ペン１２０を移動して、Ｚの関数として一連の半径を取得し得る。
【００７３】
図１５から図１７を次に参照すると、本発明の更なる実施形態によれば、特に穴の半径又は直径などの穴の幾何学的特性を測定するためのＣＰＳ装置を作動する更なる方法が詳述される。図１５（Ａ）及び１５（Ｂ）に示されるように、本実施形態は、円錐形の光学素子３４０の形をしたビーム分割偏向素子２００を利用している。図７に示されるように、前述された三角錐形の反射光学素子２０１は、円錐形の光学素子３４０と置き換えられてもよい。また、前記円錐形の光学素子３４０は、光学ペン１２０の共焦点アパーチャー１９５から出力された測定光ＭＬに頂点３４０Ａが面するように、光学ペン１２０の端部に取り付けられてもよい。図１５（Ｂ）に模式的に描かれているように、測定光ＭＬを受け取ると、円錐形の光学素子３４０は、該測定光ＭＬを反射して、被測定穴の内部表面に向かって放射状に投射する測定光３４２の円錐形のディスクを生成する。円錐形の光学素子３４０は、ミラーコートされた円錐表面を持つ円錐形のプリズムであってもよい。これに関し、クロマティック共焦点ポイントセンサ１００の電装部１６０（及び／又は、図９ＡのＣＰＳペン信号演算および制御回路２０７）は、測定光３４２の円錐形のディスクを共に形成する複数の放射状光線に基づく複合スペクトル信号より得られるスペクトルデータを演算処理するように、構成されている。
【００７４】
図１７のブロック３５０において、さらに図１６（Ａ）を参照すると、この実施形態において、半径Ｄの穴３００は、上記式（３）を満たすように光学ペン１２０の測定範囲に対し小さいと仮定する。したがって、穴３００のほぼ中心に配置された光学ペン１２０は、測定光３４２の円錐形のディスクの測定範囲Ｒ内に穴３００の内部表面を持つ。穴３００の中に光学ペン１２０が配置された場合、光学ペン１２０の中心が穴３００の中心と一致しない限り、スペクトルデータは、測定光３４２の円錐形のディスクを共に形成する複数の放射状光線に基づいて、幅広く弱いピークを持つことになると予期される。
【００７５】
図１７のブロック３５２において、図１６（Ｂ）を参照すると、光学ペン１２０の中心が穴３００の中心と一致するまで、光学ペン１２０の位置をＸ−Ｙ平面上で調整するために、ＣＭＭが制御される。その調整された位置では、測定光３４２の円錐形のディスクを共に形成する複数の放射状光線に基づく複数のスペクトルピーク成分が、より強くて狭いピーク３６０を生成するため、互いに精度よく重複している。単独の狭いピーク３６０の生成は、測定光３４２の円錐形のディスクをそれぞれ形成する複数の放射状光線による穴３００の内部表面に突き当たるまでのそれぞれの進行距離が実質的に同一距離であることを示している。また、このような進行距離は、穴３００の半径とみなすことができる。したがって、この点での狭く重複するスペクトルピーク成分３６０は、穴３００の半径を示すものとして使われる。半径を示す重複するスペクトルピーク成分の狭さは、各適用に応じて調整されてもよい。
【００７６】
図１７のブロック３５４において、光学ペン１２０のＸ−Ｙ位置は、測定光３４２の円錐形のディスクに基づく単独で重複する狭いスペクトルピーク成分３６０が穴３００の半径を示すように、調整されており、光学ペン１２０を穴３００の内部をＺ軸に沿って移動して、Ｚの関数として一連の半径を取得し得る。
【００７７】
本発明の装置及び方法に係る様々な実施形態を上記に詳述した。本発明の更なる実施形態を作るために、異なる実施形態の様々な特性が選択的に組み合わされ、又は、置き換えられてもよい。
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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