(57)【要約】  計測装置およびそのような装置に使用される共焦点感知器について述べる。共焦点感知器（１）は光束（２）が通過するのに適した光学ピンホール（１１）を有する。この感知器の光学的組立体は、屈折断面形状（１２１）および回折断面形状（１２２）を有する第１のレンズ（１２）と、少なくとも屈折断面形状（１３１）を有する第２のレンズ（１３）を有する。第１のレンズ（１２）の屈折断面形状（１２１）および第２のレンズ（１３）の屈折断面形状（１３１）は光束（２）を集光して集光束（２１）にする。第１のレンズ（１２）の回折断面形状（１２２）は、集光束（２１）が縦方向の深度（Ｒ）を持つ焦点領域を有するように縦方向の色収差を生じさせる。【選択図】図１
2015504178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を測定されるべき特性を有する表面に向け、前記表面からの反射光を検出器へ供給する光学組立体を有する共焦点感知器であって、
前記光学組立体は、前記共焦点感知器の光路に沿って順に位置決めされている第１のレンズおよび第２のレンズを備え、
前記第１のレンズおよび第２のレンズのそれぞれは、前記光源からの光を集光させて集光束にする屈折断面形状を有し、
前記第１のレンズおよび第２のレンズの少なくとも１つは、前記集光束が前記光路に沿う縦方向の深度を持つ焦点領域を有するように、色収差を導入して異なる複数の波長を前記光路に沿って異なる複数の点に合焦させる回折断面形状を有し、
前記共焦点感知器は、焦点からの反射光以外の光の前記検出器への進入を抑制する光学的開口を有する、
ことを特徴とする共焦点感知器。
【請求項２】
前記第１のレンズおよび第２のレンズの少なくとも１つは、前記光路に沿って移動可能で、前記集光束の前記縦方向の焦点深度を変える、
請求項１記載の共焦点感知器。
【請求項３】
前記第１のレンズおよび第２のレンズの少なくとも１つは、型成形および機械加工から成る群から選ばれた少なくとも１つの方法で製造されている、
請求項１または２記載の共焦点感知器。
【請求項４】
前記第１のレンズの前記屈折断面形状および前記第２のレンズの前記屈折断面形状の少なくとも１つは、非球面形状を備える、
請求項１乃至３のいずれかに記載の共焦点感知器。
【請求項５】
前記第１のレンズの前記回折断面形状は、非球面形状を備える、
請求項１乃至４のいずれかに記載の共焦点感知器。
【請求項６】
前記第１のレンズの前記回折断面形状は、前記第１のレンズの前記屈折断面形状の反対側に配置されている、
請求項１乃至５のいずれかに記載の共焦点感知器。
【請求項７】
前記第２のレンズ（１３）の前記屈折断面形状は、前記第２のレンズの前記第１のレンズと反対側にある、
請求項１乃至６のいずれかに記載の共焦点感知器。
【請求項８】
前記第２のレンズは、前記第１のレンズの前記回折断面形状と協働して縦方向の色収差を大きくする回折断面形状を備える、
請求項１乃至７のいずれかに記載の共焦点感知器。
【請求項９】
前記第２のレンズの前記回折断面形状は、前記第１のレンズに面している、
請求項８記載の共焦点感知器。
【請求項１０】
前記第２のレンズの前記回折断面形状は、非球面形状を備える、
請求項８または９記載の共焦点感知器。
【請求項１１】
前記第１のレンズおよび前記第２のレンズは、前記焦点領域内に複数の回折モードの重なりを生じさせるように構成されている、
請求項１乃至１０のいずれかに記載の共焦点感知器。
【請求項１２】
前記第１のレンズおよび前記第２のレンズは、前記共焦点感知器が次式のような比ｒを有するように構成されており、
１．５≦ｒ≦３．０
ここにｒは次式で規定され、
【数１】
2015504178.tif 000007
式中ＷＤは前記第２のレンズと前記焦点領域の近位焦点の間の距離であり、
Ｒは縦方向の深度である、
請求項１乃至１１のいずれかに記載の共焦点感知器。
【請求項１３】
共焦点感知器であって、
光束を通過させるのに適した光学的開口と、
前記光学的開口の下流の前記光束の前方光路に配置されている第１のレンズを備え、前記第１のレンズは
前記光学的開口に面している屈折断面形状と、
前記第１のレンズの前記屈折断面形状と反対側の面に配置されている回折断面形状を有し、前記共焦点感知器はさらに
前記第１のレンズの下流の前記光束の前方光路に配置されている第２のレンズを備え、前記第２のレンズは
前記第２のレンズの前記第１のレンズと反対側の面に配置されている屈折断面形状を備え、前記第１のレンズの前記回折断面形状および前記第２のレンズの前記屈折断面形状は、前記光束を前記前方光路内で集光させて集光束にするのに適しており、前記第２のレンズはさらに
前記集光束が縦方向の深度を有するように前記第１のレンズの前記回折断面形状と協働して大きな縦方向の色収差を生じさせるのに適し、かつ前記第１のレンズに面している回折断面形状を備え、
前記第２のレンズはさらに、焦点領域の前記縦方向の深度を変えるために他方のレンズに対する縦方向の移動に適している、
共焦点感知器。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれかに記載の少なくとも１つの共焦点感知器と、前記光学的開口を通過する光を検出し波長に依存した信号を提供する検出器
を備える装置。
【請求項１５】
前記検出器は波長分離器と感知器を備える、
請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
多色光源をさらに備える、
請求項１４または１５記載の装置。
【請求項１７】
前記光源からの光を前記共焦点感知器へ伝達する光ファイバー結合器と、前記共焦点感知器からの光を前記検出器へ伝達する光ファイバー結合器をさらに備える、
請求項１４乃至１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
前記検出器は帯域通過フィルターをさらに備える、
請求項１４乃至１７のいずれかに記載の装置。
【請求項１９】
前記検出器は光強度検出器をさらに備える、
請求項１４乃至１８のいずれかに記載の装置。
【請求項２０】
請求項１４乃至１９のいずれかに記載の装置を備える、内視鏡システム。
【請求項２１】
請求項１４乃至１９のいずれかに記載の装置を備える、工具計測装置。
【請求項２２】
光束を生成する多色光源と、
共焦点感知器と、
前記光源からの前記光束を前記共焦点感知器へ伝達する光ファイバー結合器を備えるシステムであって、前記光ファイバー結合器は光学的開口を備え、
前記共焦点感知器は、前記光学的開口を通過する光を受ける第１のレンズおよび前記第１のレンズからの光を受ける第２のレンズによる光路を有し、
前記第１のレンズは
前記光学的開口に面している前記第１のレンズの第１の面で提供されている屈折断面形状と、
前記第１のレンズの前記第１の面と反対側の第２の面で提供されている回折断面形状
を備え、
前記第２のレンズは、前記第１のレンズの前記第２の面に対向している前記第２のレンズの第１の面で提供されている屈折断面形状を少なくとも備え、
前記第１のレンズの前記屈折断面形状および前記第２のレンズの前記屈折断面形状は、前記光束を集束させて被検物体に向けられる集光束にし、
前記第１のレンズの前記回折断面形状は、前記集光束が縦方向の深度を持つ焦点領域を有するように、前記光路に沿って縦方向の色収差を生じさせ、
前記システムはさらに、
前記被検物体からの反射光を前記光学的開口へ伝達する第２の光ファイバー結合器と、
前記光学的開口を通過する光を受ける検出器を備え、前記検出器は波長分離器および少なくとも１つの感知器を備える、
システム。
【請求項２３】
実質的に、添付図面の図１〜５Ｂを参照してここまで説明された感知器および／またはそれらの図面に説明された感知器。
【請求項２４】
実質的に、添付図面の図１〜４を参照してここまで説明された装置および／またはそれらの図面に説明された装置。
【請求項２５】
実質的に、添付図面の図１〜５Ｂを参照してここまで説明されたシステムおよび／またはそれらの図面に説明されたシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共焦点感知器を用いて表面の特性を決定する計測装置、およびそのような装置に使用する共焦点感知器に関する。
【背景技術】
【０００２】
共焦点感知器は被検面上の焦点から反射された光以外の光を、一般に一連の感知要素すなわち感知画素を備える検出器に入れないように設計された共焦点開口（ピンホール）を有する。焦点外の迷光をこのように除去するまたは低減することにより、分解能を上げ信号対雑音比を上げることができる。
【０００３】
被検面の測定点（表面領域すなわち表面画素）が焦点に有るか無いかは、被検面上の測定点の面の相対的高さによって決まる。試料と検出配置（検出器自身または対物レンズ）が光路（ｚ方向）に沿って相対的に移動すると、被検面上の相対的高さの異なる測定点が共焦点感知器の焦面を通過する。走査経路に沿って異なる位置の検出器の感知要素の出力信号を用いて被検面の表面形状を形成してもよい。収束光が被検面の異なる表面画素へ入射するようにｘ方向およびｙ方向に相対的に走査して、この被検面の二次元画像を形成してもよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ｚ方向の走査を不要にするために、色共焦点感知器が提案されている。色共焦点感知器は、異なる波長に対し焦点位置が変わる縦方向の色収差を持つ対物組立体すなわち対物レンズを使用しており、縦方向の深度を有する焦点域を作る。そのような共焦点感知器は広帯域光源または多色（例えば白色光）光源および分光器を用いてもよく、波長調整式の光源を用いてもよい。
【０００５】
色共焦点感知器で検出可能な相対的表面高さの範囲は、規定されたスペクトル帯域幅に対し対物レンズによって与えられる縦方向の色収差の程度に制限される。
【０００６】
色収差を大きくするために回折光学素子（ＤＯＥ＝diffractive optical element）、一般的にはゾーンプレートレンズ（ＺＰＬ＝Zone Plate Lens）を使用することが提案されており、それによって焦点域の縦方向の深度を大きくし、感知器の測定範囲を広げている。しかし、光学要素すなわちＤＯＥを追加すると感知器は光学的に複雑になる。また一般的にＤＯＥの製造には、ガラス板に複数段階（一般的に８段階）の回折断面形状の刻み込みが必要である。この製造法は高価格のリソグラフ装置が必要なため費用が掛かり、かつ８段階のＤＯＥの製造に約２時間を要するため遅い。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の態様は上記問題に対処し、または少なくともこの事態を改善する。
一態様によれば、本発明は共焦点感知器を提供し、共焦点感知器は光学組立体を有し、光学組立体は光源からの光を測定されるべき特性を有する表面に向け、その表面から反射された光を検出器に供給する。光学組立体は感知器の光路に沿って順に位置決めされた第１および第２のレンズを備える。第１および第２のレンズはそれぞれ屈折断面形状を有して光源からの光を集光させて集光束にする。また、第１および第２のレンズの少なくとも１つは回折断面形状を有して色収差を導入し、異なる波長を光路に沿って異なる焦点に集光させ、その結果、焦点域は光軸に沿って縦方向の深度を有することになる。共焦点感知器は光学的開口を有して、焦点からの反射光以外の光が検出器に入らないようにしている。
【０００８】
いくつかの実施形態は少なくとも１つのレンズを備え、レンズは縦方向の色収差を生じさせる回折断面形状を備える。そのため焦点域の縦方向の深度は比較的大きく、それによって測定範囲が広がるようになっている。この回折断面形状はレンズ上に設けられており、レンズには屈折力もあるため感知器は追加の光学要素を必要としない。したがってこの感知器は光学的に単純である。第２のレンズは回折断面形状をさらに備え、第１のレンズの回折断面形状と協働して縦方向の色収差をさらに大きくしてもよい。
【０００９】
回折断面形状は、型成形および／または機械加工で作ることもでき、高価格のリソグラフ装置が不要であることから安価に製造することができる。特に製造過程が型成形の場合は、製造過程の速度を上げることができる。
【００１０】
第１および第２のレンズの間隔を調整式にして焦点域の縦方向の深度を変更できるようにし、測定範囲を能動的に調整できるようにしてもよい。第１のレンズおよび第２のレンズを、その間隔距離がどのように変化しても開口数はほぼ一定に維持されるように設計してもよい。感知器を比較的小型にすることもできる。
【００１１】
集光束の複数の回折モードを重複させて、測定分解能を向上させるように第１のレンズおよび第２のレンズを構成してもよい。
【００１２】
別の態様によれば、本発明は、本発明の態様による少なくとも１つの感知器、および光学的開口を通過する光を検出し波長に依存した信号を提供する検出器を備える装置を提供する。
【００１３】
検出器は波長分離器および感知器を備えてもよい。本装置は多色光源をさらに備えてもよく、光源からの光を感知器に伝達する光ファイバー結合器、および感知器からの光を検出器に伝達する光ファイバー結合器を備えてもよい。検出器は帯域通過フィルターまたは光強度検出器を備えてもよい。
【００１４】
別の態様によれば、本発明は、本発明の態様による装置を備えるシステム、内視鏡システム、工具調整装置の少なくとも１つを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
添付図面を参照して、本発明の実施形態を例示的に説明する。
【図１】共焦点感知器および検出器を備える本発明による計測装置の概略図である。
【図２】感知器の一実施例の概略図である。
【図３】白色光で照明した場合の５２５ｎｍの設計波長に対する厚み次数ｐ＝６の対物レンズの回折モードｍ＝８、７、６、５、４の回折効率曲線である。
【図４】３つの異なる回折モードに対応する３つの光線の空間的重なりを示す図である。
【図５Ａ】本発明による感知器を工具調整に用いた概略図である。
【図５Ｂ】本発明による感知器を工具調整に用いた概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
添付図を参照すると、図１に計測装置の概略図が示されている。この装置は光２を第１の光路５１に沿って光結合器５７へ向ける多色光源５を備える。光結合器５７は、多色光源５から受けた光を第２の光路５３に沿って共焦点感知器１の光学ピンホールすなわち開口１１へ向けるように構成されている。共焦点感知器は、光源５から受けた光が試料台１００に固定された加工品のような試料物体３の表面３１に入射し、その表面からの反射光が光学ピンホールすなわち開口１１経由で光路５３に沿って光結合器５７に戻るように構成されている。光結合器５７は反射光を第３の光路５５に沿って検出器４へ向けるように構成されている。
【００１７】
本実施例では、光路５１、５３、および５５は光ファイバーケーブルで提供されているが、状況によって光路は空気でもよい。図示の実施例では、光結合器５７はＹ結合器である。別の可能性として、光結合器は光束分離プリズムでもよい。
【００１８】
光学ピンホール１１は板または絞りの実際の穴でもよいが、本実施例では、感知器１に連結されている光ファイバーケーブル５３の端面で提供されている。
【００１９】
本実施例では、検出器４は感知器４５を有する。感知器４５は一次元配列または二次元配列の感知要素を備えてもよく、例えば荷電結合素子（ＣＣＤ）または相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）感知器でもよい。また検出器は異なる波長を分離する波長分離器４３を有して、異なる波長を感知器４５の異なる感知要素に入射するようにしてもよい。波長分離器４３は分光回折格子でもよいが、線形可変フィルターまたは帯域通過フィルターでもよく、または撮像装置でもよい。検出器４は必要なら光学ピンホール４１を有して光の選別を改善してもよい。
【００２０】
共焦点感知器１の実施形態を図２に示す。
本実施例では、共焦点感知器１は第１および第２のレンズ１２、１３を有する。第１および第２のレンズ１２、１３は光学ピンホール１１から共焦点感知器１の射出孔１ａ（図１）までの光路に沿って間隔を置いて配置されている。
【００２１】
第１のレンズ１２は屈折断面形状１２１および回折断面形状１２２を有し、第２のレンズ１３は少なくとも屈折断面形状１３１を有する。
【００２２】
第１および第２のレンズ１２、１３の屈折断面形状１２１、１３１は集光束を物体３の表面３１に向けるように作用する。図２に示した実施例では、屈折断面形状１２１、１３１は、第１のレンズ１２の光学的開口１１に向いた表面、および第２のレンズ１３の第１のレンズ１２と反対側を向いた表面によって提供されている。
【００２３】
第１のレンズ１２の回折断面形状１２２は縦方向の色収差を取り入れて異なる波長を異なる焦点に合焦させ、集光束２１が縦方向の深度Ｒを持つ焦点域を有するようになっている。ここにＲは近位焦点Ｒ１と遠位焦点Ｒ２の間の距離である。深度Ｒによって共焦点感知器の測定範囲、すなわち共焦点感知器で測定可能な例えば表面高さの差が決まる。
【００２４】
装置の稼働中は、測定されるべき表面形状を有する物体は試料台１００上に位置決めされている。多色光源５の前方の光路の光２０は共焦点感知器によって試料３の表面に合焦し、その表面から反射された光２２は戻り光路に沿ってレンズ１３およびレンズ１２を通って伝達される。
【００２５】
試料表面に合焦した光は後方へ反射され、ピンホール１１に合焦し、その表面からの他の反射光は全てではないがほとんどがピンホール１１で遮断または選別される。特定の波長が試料３の表面に合焦するか否かは、その表面の相対的高さ、すなわち、その表面が存在する範囲Ｒ内の場所によって決まる。
【００２６】
ピンホール１１を通る光はＹ結合器５７を経由して光路５５へ進み、ピンホール４１（存在すれば）を通り、検出器４に到達し、波長分離器４３によって感知器４５に結像する。異なる波長は異なる感知要素へ入射する。次に感知要素の出力を演算装置（図示せず）で処理して出力信号が最大の感知要素（つまり波長）を決定してもよい。試料台１００と検出器（または対物レンズ）の間のｘ方向および／またはｙ方向の相対移動によってその表面の他の位置の測定を繰り返し、得られるパワースペクトルを解析して（ｘ方向またはｙ方向の）表面形状を作り、または（ｘ方向およびｙ方向の）表面地図を作ることができる。この表面地図ではパワースペクトルから特定される合焦波長が相対的表面高さに関連付けされている。物体が少なくとも部分的に透明である場合、パワースペクトルに他の頂部が含まれる場合がある。これらの頂部は、例えば物体内または背面のような試料の前側表面下にある屈折率境界部からの反射に起因する。これらのパワースペクトルを解析して物体内の構造を決定してもよい。
【００２７】
正確に規定された既知形状の表面を有する校正物体を用いて本装置を校正してもよい。
第２のレンズ１３は回折断面形状１３２を有してもよく、これが第１のレンズ１２の回折断面形状１２２と協働して縦方向の色収差をさらに大きくし、深度Ｒひいては測定範囲を広げる。図２に示した実施例では、回折断面形状は第１および第２のレンズ１２、１３の対向面に設けられている。
【００２８】
有益な一実施形態によれば、第１のレンズ１２の屈折断面形状１２１および第２のレンズ１３の屈折断面形状１３１は球面形状である。球面形状は製造し易く安価である。しかし当然だが、形状１２１、１３１を非球面形状にすることもできる。第１および第２のレンズの屈折断面形状は異なっていてもよい。
【００２９】
第１のレンズ１２の回折断面形状１２２および／または第２のレンズ１３の回折断面形状１３２は球面形状でも、または非球面形状でもよい。回折断面形状１２２および／または１３２の設計に関し、非球面形状は高効率を提供するという点で有利である。
【００３０】
有利なことに、第１のレンズ１２および／または第２のレンズ１３は型成形および／または機械加工される。
【００３１】
レンズ１２および／または１３を例えばダイヤモンド旋盤を用いて正確に機械加工することができる。好ましくは、回折断面形状１２２および／または１３２の機械加工はそれぞれレンズ１２および／または１３の既存の非球面（または球面）形状に施される。
【００３２】
有利なことに、レンズ１２および／または１３を型成形すると製造時間が大きく削減される。
【００３３】
レンズ１２および／または１３をプラスチック材料またはガラスで作ってもよく、プラスチック材料の場合はレンズ１２および／または１３の重量が大きく低減される。
【００３４】
レンズ１２、１３の一方または両方とも、縦方向に（つまり光路すなわち光軸沿って）移動可能でもよい。例えば第２のレンズ１３は第１のレンズ１２の方へ、またはそれから離れるように移動可能にして、焦点域の縦方向の深度Ｒを変え測定範囲Ｒを能動的に調整できるようにしてもよい。
【００３５】
第１のレンズではなく第２のレンズ１３が縦方向に移動可能であることには利点がある。理由は、第１のレンズ１２はピンホール１１からの光束２０を受け、被験試料すなわち物体に向かう前方光路に最初に色収差を生じさせるからである。したがって、第２のレンズ１３だけを縦方向に移動させることによって、第１のレンズ１２は常にピンホール１１から最適な距離にあり、集光束２１の深度Ｒを一般にさらに５倍だけ変えることができる。しかし当然だが、第２のレンズ１３の代わりにまたは第２のレンズ１３と同様に、第１のレンズ１２を縦方向に動かすこともできる。
【００３６】
本発明の実施形態では、屈折断面形状１２１、１３１の屈折力によって光束２は物体３上に合焦することができ、第２のレンズ１３が第１のレンズ１２に対して縦方向に移動可能な場合であっても、感知器１に対する開口数はほぼ一定であり倍率も小さい。
【００３７】
本発明の実施形態では、回折断面形状１２２（および任意選択的に回折断面形状１３２）の回折色収差は波長に非常に敏感であり、したがって屈折断面形状に比べて高効率の色収差が得られる。
【００３８】
感知器１の比ｒを次式で規定してもよい。
【数１】
2015504178.tif 000003
式中ＷＤは第２のレンズ１３と焦点域の近位の焦点Ｒ１の距離、Ｒは集光束２１の縦方向の深度である。これらは図１および２に示されている。
【００３９】
第１のレンズ１２および第２のレンズ１３は感知器１の比ｒが小さくなるように構成されていると都合が良い。感知器１の比ｒが小さい場合、感知器１の焦点距離（およびしたがって深度Ｒ）の分散曲線は波長λの関数としてほぼ線形挙動を示す。ｒの一般的な値は１．５〜３でもよい。しかし、第１のレンズ１２および第２のレンズ１３は、感知器１の比ｒがさらに小さくなるように構成されてもよい。
【００４０】
一般にＲは１００μｍ〜３０ｍｍ（例えば４００μｍまたは２５ｍｍ）の範囲である。ＷＤは１０〜８０ｍｍ（例えば１２．６または７１ｍｍ）の範囲でもよい。
【００４１】
Ｒ＝２５ｍｍかつＷＤ＝７１ｍｍの感知器の場合、ｒは２．８４に等しく、深度Ｒは波長λの関数としてほぼ線形に変更されることになる。
【００４２】
Ｒ＝１０ｍｍかつＷＤ＝１２．６ｍｍの感知器は小型で専有面積が小さく、場所が限られる場合に適するようになっており、例えば凹みがある面および／または形状が複雑な面など近づくことが難しい表面の測定を要する場合に適している。そのような感知器１は内視鏡装置の場合にも役に立つ。
【００４３】
Ｒ＝４００μｍの場合、感知器の開口数を０．４８まで大きくすることができる。感知器の開口数が大きいと、集光束に対する角度が大きい（すなわち急勾配の）面を測定することができるようになる。
【００４４】
図３には、波長に対する回折効率η（％）のグラフが示されている。実線の曲線は、白色ＬＥＤ（点線の曲線）で照明した場合の厚み次数ｐ＝６（設計波長λ０が５２５ｎｍ（焦点距離Ｆ０）の場合）の回折対物レンズの回折モードｍ＝８、７、６、５、４の回折効率を示している。モードｍ＝７、６、および５がスペクトル的に（すなわち波長λに対して）重なっていることがわかる。
【００４５】
下の式１に示す様に、焦点距離Ｆは波長λによって決まることから、複数のモードｍは集光束２１内で空間的に重なることもできる。
Ｆ（λ）＝ｐλ０Ｆ０／ｍλ（式１）
【００４６】
したがって、スペクトル的に重なっている複数のモード（例えば図３のモードｍ＝７、６、および５）が空間的にも重なるように、第１のレンズ１２および第２のレンズ１３を設計することができる。
【００４７】
図４には、感知器の光路に沿った距離に対する回折効率ηのグラフが示されている。スペクトル的に重なっている複数の回折モードの複数の光線が焦点領域のＣで示した主重複領域で空間的に少なくとも部分的に重なるように、かつ領域Ｃの両端領域に部分的な空間的重なりが存在するように、レンズ１２およびレンズ１３は設計されている。例えば図４に示した実施例では、３つのモードｍ−１、ｍ、およびｍ＋１が領域Ｃで重なっており、２つのモードｍ−１およびｍが領域Ｐ１で重なっており、２つのモードｍおよびｍ＋１が領域Ｐ２で重なっている。しかし領域Ｅ１には１つのモードｍ−１だけが存在し、領域Ｅ２には１つのモードｍ＋１だけが存在している。好ましくは、領域Ｃは焦点領域の中央に配置される。
【００４８】
そのような構成では、被検面に対応する焦点には、範囲Ｒ内のその表面の縦方向位置に応じて、１つ以上の回折モードからの複数の光線が含まれており、単一光線ではなく対応する数の複数の光線が反射され、検出器で検出される。そのような実施例では、検出器４は追加の帯域通過フィルターを有して異なる回折モードの複数の光線を分離してもよく、追加の感知器を有して各光線をそれぞれ測定してもよい。
【００４９】
このようにすると、異なる回折モードの各光線によって独立した測定が行われ信号対雑音比が改善されることから、表面３１の形状測定の分解能が上がる。一般に、ｘ個の異なる回折モードの光線が集光束２１内で重なるようにレンズ１２および１３を設計することができる。信号対雑音比を最大次式まで改善することができる。
【数２】
2015504178.tif 000004
これは、例えばその表面が範囲Ｒの領域Ｃにある場合、測定値を単に平均するだけで得られる。一実施例として、ｘが例えば３の場合、図３のモード７、６、および５に対応してもよく、信号対雑音比を最大次式まで改善することができる。
【数３】
2015504178.tif 000005
これは３つのモードの３個の測定値を平均することで得られる。
【００５０】
もちろん、領域Ｐ１およびＰ２で得た測定値で信号対雑音比を改善してもよく、その場合は上記実施例で次式となり
【数４】
2015504178.tif 000006
これら領域にはスペクトル的に重なっているモードが２つだけなので、２つのモードの２個の測定値を平均して得られる。
【００５１】
レンズ１２および１３の厚み次数を増やして重なっているモードの数を増やしてもよく、レンズ１２および１３の厚み次数を減らして重なっているモードの数を減らしてもよい。
【００５２】
表面３１のスペクトル反射が分かったら、異なる複数モードの複数の反射光線の間の反射強度の釣り合いを追加の独立した測定値として用いて、信号対雑音比をさらに改善してもよい。その場合、検出器４は追加の光強度検出器が必要である。
【００５３】
図２に示した実施例では、第１のレンズ１２の屈折断面形状１２１および回折断面形状１２２は、レンズ１２と逆の面に配置されている。当然だが、形状１２１および形状１２２それぞれの光路に沿った位置は感知器の働きには影響しない。すなわち、図３のレンズ１２の形状１２１および形状１２２のそれぞれの位置が逆になるように第１のレンズを光路に対して図示の状態の鏡像にすることができる。同様に、形状１３１が第２のレンズ１３の反対側の面にあるように第２のレンズを光路に対して図２に示した状態の鏡像にすることができる。また、試料表面に向けられた光が最初に第２のレンズを通り次に第１のレンズを通るように、第１のレンズ１２および第２のレンズ１３の順序を逆にすることもできる。
【００５４】
感知器を種々の計測分野の距離および形状の正確迅速な非接触測定に使用してもよく、例えば内視鏡検査や工具計測用に用いてもよい。
【００５５】
図５Ａおよび５Ｂには上記感知器を組み込んだ工具計測装置６の使用が概略的に示されている。
【００５６】
この実施例では、装置６は３つの直交した感知器１を備えて、３つの直交したｘ方向、ｙ方向、およびｚ方向それぞれの測定ができるようになっている。これらの感知器は各集光束２１が測定中心Ｏで交差するように構成されている。したがって、集光束２１で規定される領域によって測定領域６１が規定されている。装置６は例えば以下の用途に用いてもよい。
・工具検査。領域６１に置かれた例えば（フライス盤の側面刃物のような）工具の歯の破損、欠け、摩耗その他の検査。
・寸法検査。例えば真円度、切削直径その他。
・三次元描画。
・三次元の簡単な参照。
【００５７】
上記実施例は本発明の説明を目的としたものである。本発明の別の実施例も考えられる。任意の一実施例に関連して説明されたどの特徴も、それを単独で用いても、または他の説明済みの特徴と組み合わせて用いてもよく、任意の他の実施例の１つ以上の特徴と組み合わせて用いても、任意の他の実施例の任意の組み合わせに用いてもよい。さらに、本明細書に説明されていない均等物および改変形態を用いてもよく、添付の特許請求の範囲に規定されている本発明の範囲に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図４】
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【国際調査報告】
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