(57)【要約】光学式スキャナは、ハウジング内に位置する光源を備える。開口を有するレチクルは、光源から放射された第１の光ビームを受光するようにハウジング内に配置されている。レチクルは、開口を介して第２の光ビームを透過させるように構成されている。ミラーは、レチクルを透過した第２の光ビームを受光し、ハウジングの第１の窓を介して物体の対象表面上へと第２の光ビームを反射するようにハウジング内に配置されている。受光器は、ハウジングの第２の窓を介して物体の対象表面からの第３の光ビームを受光するように構成されており、１つ以上の光位置の値を取得して物体の対象表面のパラメータを決定するように構成されている。光学式スキャナを利用する物体の３次元像の生成方法も開示される。2018506725.tif 000003
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に位置する光源と、
開口を有するレチクルであって、前記光源から放射された第１の光ビームを受光するように前記ハウジング内に配置されており、かつ前記開口を介して第２の光ビームを透過させるように構成されている、前記レチクルと、
前記レチクルを透過した前記第２の光ビームを受光し、前記ハウジングの第１の窓を介して物体の対象表面上へと前記第２の光ビームを反射するように前記ハウジング内に配置されている、ミラーと、
前記ハウジングの第２の窓を介して前記物体の前記対象表面からの第３の光ビームを受光するように構成されている受光器であって、１つ以上の光位置の値を取得して前記物体の前記対象表面のパラメータを決定するように構成されている、前記受光器と
を備える、光学式スキャナ。
【請求項２】
前記光源が発光ダイオードである、請求項１に記載の光学式スキャナ。
【請求項３】
前記光源が半導体レーザーである、請求項１に記載の光学式スキャナ。
【請求項４】
前記光源がパルス式光源である、請求項１に記載の光学式スキャナ。
【請求項５】
前記光源が５００ｎｍ未満の波長を有する、請求項１に記載の光学式スキャナ。
【請求項６】
前記受光器が撮像レンズを更に備える、請求項１に記載の光学式スキャナ。
【請求項７】
前記撮像レンズが、物体空間においてテレセントリックである、請求項６に記載の光学式スキャナ。
【請求項８】
前記光源によって放射された波長の光のみを実質的に透過させるように構成されている光フィルタを更に備える、請求項６に記載の光学式スキャナ。
【請求項９】
前記物体の前記対象表面上の少なくとも１つの位置に対して撮像レンズの軸が実質的に垂直な状態で、前記撮像レンズが前記ハウジング内に配置されている、請求項６に記載の光学式スキャナ。
【請求項１０】
透過開口パターンを有する前記第２の光ビームを前記ミラー上に投影するように配置されている投影レンズを更に備える、請求項１に記載の光学式スキャナ。
【請求項１１】
前記ハウジングが２５ｍｍ未満の幅を有する、請求項１に記載の光学式スキャナ。
【請求項１２】
前記開口が、前記第２の光ビームの透過パターンを形成する、請求項１に記載の光学式スキャナ。
【請求項１３】
前記透過パターンが、楕円、直線、または十字線パターンである、請求項１に記載の光学式スキャナ。
【請求項１４】
前記ハウジングが密封されている、請求項１に記載の光学式スキャナ。
【請求項１５】
前記受光器が、少なくともレンズ及び光センサを備える、請求項１に記載の光学式スキャナ。
【請求項１６】
前記光センサが、４分割センサ、画像センサ、または位置検出デバイスのうちの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載の光学式スキャナ。
【請求項１７】
前記ミラーが、前記ハウジング内に固定的に配置されている、請求項１に記載の光学式スキャナ。
【請求項１８】
前記ハウジングを支持しかつ前記物体に対して移動可能であるように構成されている回転可能なステージを更に備える、請求項１７に記載の光学式スキャナ。
【請求項１９】
前記回転可能なステージが、軸に沿って平行移動するように更に構成されている、請求項１７に記載の光学式スキャナ。
【請求項２０】
前記回転可能なステージが、３次元像を生成すべく前記物体の全表面領域にわたって前記第２の光ビームを走査するために１回以上の回転または平行移動を行うように構成されている、請求項１８に記載の光学式スキャナ。
【請求項２１】
前記ミラーが、前記物体の少なくとも１つの軸に沿って前記第２の光ビームを走査するために回転するように構成されている走査ミラーである、請求項１に記載の光学式スキャナ。
【請求項２２】
前記走査ミラーが微小電気機械式走査ミラーである、請求項２１に記載の光学式スキャナ。
【請求項２３】
前記走査ミラーが、前記ハウジング内に、静電的もしくは電磁的に、または静電的かつ電磁的に配置されている、請求項２１に記載の光学式スキャナ。
【請求項２４】
前記走査ミラーが、約１０００走査／秒の速度で前記物体の少なくとも１つの軸に沿って前記第２の光ビームを走査するために回転するように構成されている、請求項２１に記載の光学式スキャナ。
【請求項２５】
前記走査ミラーが、約５０走査／秒の速度で前記物体の少なくとも１つの軸に沿って前記第２の光ビームを走査するために回転するように構成されている、請求項１９に記載の光学式スキャナ。
【請求項２６】
前記走査ミラーが、ラスターパターンである走査パターンを有するように更に構成されている、請求項２１に記載の光学式スキャナ。
【請求項２７】
前記ハウジングを支持しかつ前記物体に対して移動可能であるように構成されている回転可能なステージを更に備える、請求項２１に記載の光学式スキャナ。
【請求項２８】
前記回転可能なステージが、軸に沿って平行移動するように更に構成されている、請求項２１に記載の光学式スキャナ。
【請求項２９】
前記回転可能なステージが、３次元像を生成すべく前記物体の全表面領域にわたって前記第２の光ビームを走査するために１回以上の回転または平行移動を行うように構成されている、請求項２８に記載の光学式スキャナ。
【請求項３０】
前記ハウジング付近に配置されているステージングであって、前記第２のビームが前記物体の前記対象表面上へと反射されるように前記物体を支えるように構成されており、３次元像を生成すべく前記物体の全表面領域にわたって前記第２の光ビームを走査するために１回以上の平行移動を行うように構成されている、前記ステージングを更に備える、請求項１に記載の光学式スキャナ。
【請求項３１】
前記ハウジング内で前記第１の光源の反対側に位置する、第２の光源と、
第２の開口を有する第２のレチクルであって、前記第２の光源から放射された第４の光ビームを受光するように前記ハウジング内に配置されており、かつ前記第２の開口を介して第５の光ビームを透過させるように構成されている、前記第２のレチクルと、
前記第２のレチクルを透過した前記第５の光ビームを受光し、前記ハウジングの第３の窓を介して前記物体の前記対象表面上へと前記第５の光ビームを反射するように前記ハウジング内に配置されている第２のミラーであって、前記受光器が、前記ハウジングの前記第２の窓を介して前記物体の前記対象表面からの第６の光ビームを受光し、１つ以上の光位置の値を取得して前記第３の光ビームと前記第６の光ビームの両方に基づいて前記物体の前記対象表面の前記パラメータを決定するように構成されている、前記第２のミラーと
を更に備える、請求項１に記載の光学式スキャナ。
【請求項３２】
前記ハウジングの前記第１の窓または前記第２の窓のうちの一方に接着された直角プリズムであって、前記直角プリズムを通過する光の全内部反射をもたらすように構成されている、前記直角プリズムを更に備える、請求項１に記載の光学式スキャナ。
【請求項３３】
以下の工程を含む、物体の３次元像を生成する方法：
ハウジング内に位置する光源と、
開口を有するレチクルであって、前記光源から放射された第１の光ビームを受光するように前記ハウジング内に配置されており、かつ前記開口を介して第２の光ビームを透過させるように構成されている、前記レチクルと、
前記レチクルを透過した前記第２の光ビームを受光し、前記ハウジングの第１の窓を介して物体の対象表面上へと前記第２の光ビームを反射するように前記ハウジング内に配置されている、ミラーと、
前記ハウジングの前記第２の窓を介して前記物体の前記対象表面からの第３の光ビームを受光するように構成されている受光器であって、１つ以上の光位置の値を取得して前記物体の前記対象表面のパラメータを決定するように構成されている、前記受光器と
を備えた光学式スキャナを提供する工程；
前記物体に対して前記光学式スキャナを位置付ける工程；
前記受光器により、前記対象表面からの前記第３の光ビームを受光する工程；ならびに
前記対象表面からの受光した前記第３の光ビームに基づいて、前記物体の前記対象表面の前記パラメータを決定する工程。
【請求項３４】
前記光源が発光ダイオードである、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記光源が半導体レーザーである、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記光源がパルス式光源である、請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記光源が５００ｎｍ未満の波長を有する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
前記受光器が撮像レンズを更に備える、請求項３３に記載の方法。
【請求項３９】
前記撮像レンズが物体空間においてテレセントリックである、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記光学式スキャナが、前記光源によって放射された波長の光のみを実質的に透過させるように構成されている光フィルタを更に備える、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記撮像レンズが、前記物体の前記対象表面上の少なくとも１つの位置に対して撮像レンズの軸が実質的に垂直な状態で前記ハウジング内に配置されている、請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
前記光学式スキャナが、透過開口パターンを有する前記第２の光ビームを前記ミラー上に投影するように配置されている投影レンズを更に備える、請求項３３に記載の方法。
【請求項４３】
前記ハウジングが２５ｍｍ未満の幅を有する、請求項３３に記載の方法。
【請求項４４】
前記開口が、前記第２の光ビームの透過パターンを形成する、請求項３３に記載の方法。
【請求項４５】
前記透過パターンが、楕円、直線、または十字線パターンである、請求項３３に記載の方法。
【請求項４６】
前記ハウジングが密封されている、請求項３３に記載の方法。
【請求項４７】
前記受光器が少なくともレンズ及び光センサを備える、請求項３３に記載の方法。
【請求項４８】
前記光センサが、４分割センサ、画像センサ、または位置検出デバイスのうちの少なくとも１つを含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記ミラーが、前記ハウジング内に固定的に配置されている、請求項３３に記載の方法。
【請求項５０】
前記光学式スキャナが、前記ハウジングを支持しかつ前記物体に対して移動可能であるように構成されている回転可能なステージを更に備える、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記回転可能なステージが、軸に沿って平行移動するように更に構成されている、請求項４９に記載の光学式スキャナ。
【請求項５２】
３次元像を生成すべく前記物体の全表面領域にわたって前記第２の光ビームを走査するために前記回転可能なステージの１回以上の回転または平行移動を行う工程を更に含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記ミラーが、前記物体の少なくとも１つの軸に沿って前記第２の光ビームを走査するために回転するように構成されている走査ミラーである、請求項３３に記載の方法。
【請求項５４】
前記物体の少なくとも１つの軸に沿って前記走査ミラーを回転させることにより、前記光源によって放射された前記第２の光ビームを前記物体の前記対象表面のある領域にわたって走査する工程を更に含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記走査ミラーが微小電気機械式走査ミラーである、請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】
前記走査ミラーが、前記ハウジング内に、静電的もしくは電磁的に、または静電的かつ電磁的に配置されている、請求項５３に記載の方法。
【請求項５７】
前記走査ミラーが、約１０００走査／秒の速度で前記物体の少なくとも１つの軸に沿って前記第２の光ビームを走査するために回転するように構成されている、請求項５３に記載の方法。
【請求項５８】
前記走査ミラーが、約５０走査／秒の速度で前記物体の少なくとも１つの軸に沿って前記第２の光ビームを走査するために回転するように構成されている、請求項５３に記載の方法。
【請求項５９】
前記走査ミラーが、ラスターパターンである走査パターンを有するように更に構成されている、請求項５３に記載の方法。
【請求項６０】
前記光学式スキャナが、前記ハウジングを支持しかつ前記物体に対して移動可能であるように構成されている回転可能なステージを更に備える、請求項５３に記載の方法。
【請求項６１】
前記回転可能なステージが、軸に沿って平行移動するように更に構成されている、請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
３次元像を生成すべく前記物体の全表面領域にわたって前記第２の光ビームを走査するために前記回転可能なステージの１回以上の回転または平行移動を行う工程を更に含む、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記光学式スキャナが、前記ハウジング付近に配置されているステージングであって、前記第２のビームが前記物体の前記対象表面上へと反射されるように前記物体を支えるように構成されている前記ステージングを更に備え、
前記方法が、３次元像を生成すべく前記物体の全表面領域にわたって前記第２の光ビームを走査するために前記ステージングの１回以上の平行移動を行う工程を更に含む、
請求項３３に記載の方法。
【請求項６４】
前記光学式スキャナが、
前記ハウジング内で前記第１の光源の反対側に位置する、第２の光源と、
第２の開口を有する第２のレチクルであって、前記第２の光源から放射された第４の光ビームを受光するように前記ハウジング内に配置されており、かつ前記第２の開口を介して第５の光ビームを透過させるように構成されている、前記第２のレチクルと、
前記第２のレチクルを透過した前記第５の光ビームを受光し、前記ハウジングの第３の窓を介して前記物体の前記対象表面上へと前記第５の光ビームを反射するように前記ハウジング内に配置されている、第２のミラーと
を更に備え、
前記方法が、
前記受光器により、前記ハウジングの前記第２の窓を介して前記物体の前記対象表面からの第６の光ビームを受光する工程；及び
３次元像を生成するために、前記対象表面から受光した前記第３の光ビーム及び受光した前記第６の光ビームに基づいて前記物体の前記パラメータを決定する工程；
を更に含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項６５】
前記ハウジングの前記第１の窓または前記第２の窓のうちの一方に接着された直角プリズムであって、前記直角プリズムを通過する光の全内部反射をもたらすように構成されている前記直角プリズムを、前記光学式スキャナが更に備える、請求項３３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１５年１月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／１１０，１５５号及び２０１５年４月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／１５０，７０５号の利点を主張するものであり、これらの仮特許出願は共に、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
分野
本技術は、全体として光学式走査装置及び方法に関し、より具体的には、高速、高精度の３次元光学式スキャナ及びその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
背景
ほとんど全ての製造物は、その作製後に検査を行う必要がある。多くの場合、触覚検出装置を利用して検査に必要な測定を行う。しかしながら、触覚検出装置の場合、複雑な装置、特に、多くの精密表面、または触覚プローブが容易に達することができない表面を有する装置を正確に測定する能力が低い場合がある。様々な光学式装置が、製造中または製造後の検査のために開発されてきた。これらの光学式装置の多くは、部品の表面を走査し、限定的な距離にわたる部品の表面プロファイル、または部品の表面領域を決定することが可能である。
【０００４】
例えば、図１に示す従来技術の光学式スキャナ１について考察する。スキャナ１は、送りねじ１１に連結された第１のモーター１０とねじ込みカプラ１２とからなり、次いで、このねじ込みカプラは、第２のモーター７とポリゴンミラー６に連結されている。スキャナ１は、レーザー２１、集束レンズ１９及び画像センサ３も備える。これらの構成要素の全ては、ハウジング２内に収納されている。動作の際、第１のモーター１０は、ねじ込みカプラ１２、第２のモーター７及びポリゴンミラー６を軸２２に沿って横方向に平行移動させる。加えて、第２のモーター７は、ポリゴンミラー６を軸２２の周りに回転させ、軸２２の周りのポリゴンミラー６の角度方向は、角度エンコーダ８によって測定される。レーザー２１は、励起されると、回転しているポリゴンミラー６に入射するレーザービーム２０を放射し、その反射ビーム２３が窓１３を介してハウジング２を出射する。次いで、反射ビーム２３は、表面形状を測定すべき被検査物１５に入射する。
【０００５】
第１のモーター１０及び第２のモーター７が作動すると、反射ビーム２３は、被検査物１５の対象領域上にラスターパターン（図示せず）を描く。次いで、被検査物１５上のラスターパターンから反射した反射光１８は、画像センサ３の位置４の焦点に反射光１８を集める集束レンズ１９を通過する。焦点位置４に加え、第２のエンコーダ８を介して第２のモーター７の回転位置を、第１のエンコーダ１６を介して第１のモーター１０の回転位置を知ることにより、当技術分野において周知の三角測量アルゴリズムを適用することによってラスター上の各位置について検査表面１５の高さ「ＨＰＯ」を計算することができる。
【０００６】
従来技術にはいくつかの限界がある。第一に、レーザーを光源として使用するが、これにより、レーザー光線に存在する高レベルの干渉性に起因したスペックルノイズが生じる。このスペックルノイズにより、最終的には画像センサ３によって生成された信号の信号対雑音比が低下し、位置４の不確定性の度合いが増大し、最終的には高さＨＰＯの不確定性の度合いが増大する。第二に、被検査物１５全体に走査される光の点は、非偏心の楕円形断面または更には円形断面を有する。このような断面の場合、被検査物１５上の点の真の位置に関する情報が最小となり、被検査物の狭い周辺部分−及び画像センサ３上の見かけの位置−が、被検査物１５内に、またはその表面に存在する欠陥、汚損、基準マークなどによって失われる可能性がある。第三に、三角測量アルゴリズムの正確さは、第１のエンコーダ８、第２のエンコーダ１６、及びポリゴンミラー６の表面精度の電子的・光学的・機械的許容差に依存するが、これらの全ては、正確な調整を行うことが困難または不可能である。第四に、２つの電気モーター７及び１０が使用されるため、スキャナ１は相当量の電力を消費する。これにより、スキャナの内部が加熱され、その結果、ハウジング２の熱膨張係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ：ＣＴＥ）がゼロではないためにスキャナの内部構成要素がずれる。特に、画像センサ３及び集束レンズ１９のずれにより、焦点位置４が誤った位置に置かれ、従ってＨＰＯの算出に誤りが生じる。最後に、先と同様にモーター７及び１０が使用されるため、スキャナ１は、コンパクトではなくなり、モーターの寿命が限られているために信頼性が低くなる。
【発明の概要】
【０００７】
概要
光学式スキャナは、ハウジング内に位置する光源を備える。開口を有するレチクルは、光源から放射された第１の光ビームを受光するようにハウジング内に配置されている。レチクルは、開口を介して第２の光ビームを透過させるように構成されている。ミラーは、レチクルを透過した第２の光ビームを受光し、ハウジングの第１の窓を介して物体の対象表面上へと第２の光ビームを反射するようにハウジング内に配置されている。受光器は、ハウジングの第２の窓を介して物体の対象表面からの第３の光ビームを受光するように構成されており、１つ以上の光位置の値を取得して物体の対象表面のパラメータを決定するように構成されている。
【０００８】
物体の３次元像の生成方法は、光学式スキャナを提供する工程を含む。光学式スキャナは、ハウジング内に位置する光源を備える。開口を有するレチクルは、光源から放射された第１の光ビームを受光するようにハウジング内に配置されている。レチクルは、開口を介して第２の光ビームを透過させるように構成されている。ミラーは、レチクルを透過した第２の光ビームを受光し、ハウジングの第１の窓を介して物体の対象表面上へと第２の光ビームを反射するようにハウジング内に配置されている。受光器は、ハウジングの第２の窓を介して物体の対象表面からの第３の光ビームを受光するように構成されている。受光器は、１つ以上の光位置の値を取得して物体の対象表面のパラメータを決定するように構成されている。光学式スキャナは、物体に対して位置決めされている。第３の光ビームは、対象表面から受光器によって受光される。物体の対象表面のパラメータは、対象表面からの受光した第３の光ビームに基づいて決定される。
【０００９】
本技術は、狭窄空間に位置する表面を測定するのに適したコンパクトな光学式スキャナを有利に提供する。スキャナは、十字線レチクルに照射する光源からなり、次いで、十字線像を表面全体に走査させる微小電気機械システム（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ：ＭＥＭＳ）ミラーを介して、対象表面上にレチクルが画像化される。表面全体の十字線走査によって反射または散乱された光は、次いでテレセントリックレンズによって画像センサ上に集光され、画像化される。画像センサの十字線画像は、次いで読み出され、十字線の中心の位置（すなわち、２本の腕が交差する位置）を見出すためにデジタル的に処理される。その位置、及びＭＥＭＳミラーの角度方向を知ることにより、被検査物の高さを三角測量アルゴリズムによって計算することができる。表面全体に十字線を走査し、３Ｄ空間内のその位置を計算することにより、表面のマップを迅速に作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来技術の３次元スキャナの側面図である。
【図２】３次元光学式スキャナの一例の側面図である。
【図３】３次元光学式スキャナの一例の平面図である。
【図４】３次元光学式スキャナの一例のブロック図である。
【図５−１】図５Ａ〜５Ｍは、３Ｄ走査されている物体に投影される幾何学的パターンとして使用可能ないくつかのレチクルパターンを示す。
【図５−２】図５−１の続きを示す。
【図６】クランクシャフトの側面図である。
【図７】図６のクランクシャフトの拡大部分であり、クランクシャフトの逃げ溝部分を強調している。
【図８】測定位置において測定されている逃げ溝に対する３次元光学式スキャナの位置を示す図である。
【図９】スキャナの放射源アーム内の光線の伝播を示す３次元光学式スキャナの一例の光線図である。
【図１０】スキャナの撮像アーム内の光線の伝播を示す３次元光学式スキャナの一例の光線図である。
【図１１】光がスキャナの放射源アームの走査ミラーから反射するときの光の形状を示す図である。
【図１２】光がスキャナの撮像アームのレンズを通過するときの光の形状を示す図である。
【図１３】３Ｄスキャナを装着具にどのように取り付けることができるかを示す図である。
【図１４】３Ｄスキャナのテレセントリックレンズをどのように調整することができるかを示す図である。
【図１５】図１５Ａ、１５Ｂ及び１５Ｃは、図１４に示した構成によって取得された補正ドットの像である。
【図１６】クランクシャフトなどの被検査物をどのように装着して平行移動及び回転による位置決めを行うことができるかを示す図である。
【図１７】図１７Ａ、１７Ｂ及び１７Ｃは、ミラー角度θが３つの異なる走査位置をとったときの凹面の検査表面上の投影十字線の３つの図である。
【図１８】３Ｄ光学式スキャナの実施形態によるクランクシャフトの油孔の面取り測定を示す図である。
【図１９】３Ｄ光学式スキャナの別の実施形態によるクランクシャフトの油孔の面取り測定を示す図である。
【図２０】３Ｄ光学式スキャナの実施形態によるクランクシャフトの逃げ溝の測定を示す図である。
【図２１】３Ｄ光学式スキャナの別の実施形態によるクランクシャフトの逃げ溝の測定を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な説明
本技術の例示的な光学式走査システム３０を図２〜４に示す。光学式走査システム３０は走査ヘッド３１を含む。この走査ヘッドは、光源３２、基板３４を有するレチクル３６、迷光バッフル３８、投影レンズ４０、全内部反射（ｔｏｔａｌ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ：ＴＩＲｉｎｇ）直角プリズム４２、ＭＥＭＳミラー４６を有するＭＥＭＳ装置４４、第１の窓４８、第２の窓５４、テレセントリック撮像レンズの第１のレンズ素子５６、折り返しミラー５８、テレセントリックレンズと連動する開口絞り６０、テレセントリック撮像レンズの第２のレンズ素子６２、光フィルタ６４、画像センサ６６及び筐体７０を備えることができる。ただし、走査ヘッド３１は、他の構成において他の数及び種類の構成要素を備えることができる。
【００１２】
図４の電気ブロック図に示すように、光学式走査システム３０は、平行移動ステージ７６、回転ステージ７８、垂直方向ＭＥＭＳドライバ８０Ｖ、水平方向ＭＥＭＳドライバ８０Ｈ、画像デジタイザ８２、走査管理コンピューティング装置８４及び補正用マイクロディスプレイ１３０を更に含む。ただし、光学式走査システム３０は、他の構成において他の数及び種類の構成要素を含むことができる。光学式走査システム３０を利用して被検査物５１を走査することにより、単なる一例として、被検査物５１の検査表面５２の表面プロファイルまたは表面形状を測定してもよい。
【００１３】
本技術は、高速、高精度、高分解能の表面プロファイリング方法及びシステムを提供することを含む多くの利点を提供する。この方法及びシステムは、コンパクトであり、かつ狭窄空間環境においてかかる表面を測定することができる。この例示的な技術は、３Ｄ光学式スキャナを提供することを含む多くの利点を提供する。このスキャナを利用して、クランクシャフトまたはカムシャフトなどの、長い距離またはプロファイルを数ミクロンの精度の範囲内で測定しなければならない複雑な物体の３Ｄマップを生成してもよい。加えて、３Ｄ光学式スキャナのこの例を小型フォームファクタ設計で構成することにより、かかる複雑な物体の凹部の測定が可能になる。
【００１４】
図２及び３を再度参照すると、走査ヘッド３１は、２つの別々の光学サブシステム、すなわち、（１）光源３２、基板３４を有するレチクル３６、迷光バッフル３８、投影レンズ４０、全内部反射直角プリズム４２、ＭＥＭＳミラー４６を有するＭＥＭＳ装置４４及び第１の窓４８を備えた放射源アーム（ただし、放射源アームは、他の組み合わせにおいて更なる光学部品類などの他の素子を備えてもよい）、ならびに（２）第２の窓５４、テレセントリック撮像レンズの第１のレンズ素子５６、折り返しミラー５８、テレセントリックレンズと連動する開口絞り６０、テレセントリック撮像レンズの第２のレンズ素子６２、光フィルタ６４及び画像センサ６６を備えた撮像アーム（ただし、撮像アームは、他の組み合わせにおいて更なる光学部品類などの他の素子を備えてもよい）を含む。放射源アームは、光学信号を生成し、検査表面５２を有する被検査物５１にそれを投影し、撮像アームは、当該光学信号の反射を集光し、画像センサ６６上にそれを画像化する。また、図２も参照すると、座標系が定義されている。この座標系では、Ｘ軸が走査ヘッド３１の軸に沿い、Ｙ軸が走査ヘッド３１の横方向になり、Ｚ軸が走査ヘッド３１を通って上下に伸びるようになっている。
【００１５】
図２を再度参照すると、光源３２は、筐体７０内に配置された発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。ただし、単なる一例として半導体レーザーなどの他の光源を利用してもよい。ＬＥＤ光源３２は、２０ｎｍのオーダーの光学帯域幅を提供する利点があり、従って、低干渉性の光ビームを出力する。このような光ビームにより、最終画像に見られるスペックルが本質的に除去される。
【００１６】
光源３２の発光波長は、シリコン画像センサ６６の場合の３５０ｎｍから１１００ｎｍまでなどの、画像センサ６６が感度を有する任意の波長とすることができる。ただし、５００ｎｍ未満などのより短い波長で放射するＬＥＤを光源３２に利用してもよい。波長が短くなるほど、狭い十字線レチクルをその波長が通過するとき、特に、十字線スリットの幅が１０μｍ未満である場合、小さい回折が生じるという利点がある。更に、光源３２のＬＥＤ発光波長は、それが光フィルタ６４の光学通過帯域と一致するようにしなければならず、このフィルタは、補正用マイクロディスプレイ１３０の発光波長も通さなければならない。すなわち、光源３２の発光波長は、補正用マイクロディスプレイ１３０の発光波長と実質的に一致しなければならない。本技術で使用される非単色の補正用マイクロディスプレイ１３０の青発光は、４５０ｎｍから４５５ｎｍの領域の発光となることが経験的に求められた。光源３２は、光学式スキャナ３０の小型フォームファクタに物理的に寄与するように物理的に小さく、２０°未満の狭い角度の発光範囲を有する。そのため、レチクル３６が完全に満たされることは全くないが、それによって透過率が低下し、かつ光学的な効率が低下する。ただし、光源３２は他のパラメータを有してもよい。光源３２のための適切なＬＥＤ光源の１つの例は、４５３ｎｍの有力な発光波長を有するＯＳＲＡＭ  Ｏｐｔｏ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ（ミュンヘン、ドイツ）からのＬＤ  ＣＮ５Ｍ  ＬＥＤである。ただし、他の供給元からの他の光源を同様に利用することができる。
【００１７】
光源３２は、ハウジング７０内に固定的に配置されている。それにより、光源３２は、ハウジング７０内で空間的にも角度的にも静止した状態を保つ。光源３２によって生成される光は、連続波ビームであってもよいが、他の種類または数の光ビームを使用してもよい。例えば、光源３２によって放射される光はパルス状であってもよく、このパルス状の光は、測定すべき光を背景光から区別するために光センサまたは画像センサ６６によって利用されてもよい。また、光源３２から放射される光の振幅を、検査表面５２の反射性及び表面の質感に基づいて調節できるようにしてもよい。ただし、光源３２の他の特徴を、マップが作成されているとき、検査表面５２に関連した他の要因に基づいて調節できるようにしてもよい。
【００１８】
別の例において、半導体レーザーを光源３２として利用することができる。一例として、レーザー光源は、走査ヘッド３１の小型フォームファクタに寄与するように直径約５．６ｍｍのハウジング内に収納されてもよい。レーザーアセンブリは、レーザーからの出力光が平行化され、直径１００μｍ未満となるように集束レンズ及び開口を更に含んでもよい。ただし、光源３２は、更なる光学部品類を含んで、後段のレチクル３６を決定的に満たし、または完全に満たす拡散ビームなどの更なる特徴を光ビームに与えてもよい。レーザー光源は、３５０ｎｍから１１００ｎｍまでの範囲の光、または６００ｎｍから６７０ｎｍまでの範囲の赤色光もしくは４２０ｎｍから５００ｎｍまでの範囲の青色光などの可視光などの、画像センサ６６が感度を有する光を放射することができる。ただし、この光源は、単なる一例として、赤外線の光または１３１０〜１５５０ｎｍの範囲の目にとって本質的に安全な光を放射してもよい。一例として、レーザー光源は、３Ｄ光学式スキャナ３０がＣＤＲＨクラスＩＩ装置であるように、またはそれよりも安全であるように利用されてもよい。
【００１９】
差し当たって図４を参照すると、ＬＥＤなどの光源３２はドライバ２９に電気的に接続されており、更にこのドライバはＤ／Ａ変換器２７に接続されている。ドライバ２９は、基本的には、Ｄ／Ａ変換器２７による電気的な電圧出力に応答して光源３２に電力を供給し、またはそれを駆動するための特定の電流を出力するトランスコンダクタンス増幅器である。Ｄ／Ａ変換器２７の出力電圧は、通常０．０（完全なオフ）Ｖから５．０Ｖ（光源３２の全出力）までの範囲であり、ＬＤ  ＣＮ５Ｍ  ＬＥＤ光源の全出力電流が、一例として、２５０ｍＡであるため、このとき、ドライバ２９のトランスコンダクタンス利得は２０アンペア／ボルトである。ドライバ２９の帯域幅を比較的狭くし、数百ヘルツ未満にすることができる。ただし、ドライバ２９は、当該ドライバによって生成される出力電流が時間及び温度の変化に対して安定するように良好な熱経時安定性を有する必要がある。
【００２０】
一例において、走査管理コンピューティング装置８４は、光源３２を駆動する電流（及び従って光源３２によって出力される光の量）を制御する。これにより、画像センサ６６上の画像の輝度を制御することができる。この輝度は、検査表面５２の質感に応じて変化する可能性がある。例えば、検査表面５２が光沢のある（すなわち、非常にマイルドな質感を有する）場合、検査表面５２から拡散して反射され、走査ヘッド３１の撮像アームに入射する光の量は非常に少なくなる。その場合、走査管理コンピューティング装置８４は、１つ以上の命令を（Ｄ／Ａ変換器２７及びドライバ２９を介して）光源３２に与えて光出力を増加させて、画像センサ６６上の画像の輝度を高める。他方、検査表面５２が研削されている（すなわち、より強い質感である）場合、検査表面５２から拡散的に反射され、走査ヘッド３１の撮像アームに入射する光の量はより多くなる。その場合、走査管理コンピューティング装置８４は、１つ以上の命令を（Ｄ／Ａ変換器２７及びドライバ２９を介して）光源３２に与えて光出力を減少させて画像センサ６６上の画像の輝度を弱めるようにすることにより、画像センサ６６が画像の十字線部分において飽和しないようにする。
【００２１】
Ｄ／Ａ変換器２７は、走査管理コンピューティング装置８４から１つ以上のデジタル命令を受け取るように構成され、そのデジタル命令に応答してアナログ電気信号を出力する。通常、このアナログ出力信号は電圧であり、良好な時間的特性及び安定特性を有する。走査管理コンピューティング装置８４からのデジタル命令は、ＵＳＢバスなどのシリアルバスまたはパラレルデータバスを介してＤ／Ａ変換器に送信することができるが、他の通信方法を利用してもよい。Ｄ／Ａ変換器２７のビットに関する分解能は、一例として、８、１０、１２、１４、１６、２０または更には２４ビットにすることができる。一例において、ビットに関する分解能は１２ビットである。この分解能により、コストと分解能の間の良好なトレードオフが実現される。
【００２２】
図２及び図３を再度参照すると、光源３２は、ＬＥＤ光源３２によって放射された光が基板３４上に製造されているレチクル３６に直接導かれるように配置されている。基板３４は、ＬＥＤ光源３２によって放射される光に対して実質的に透過性である。基板３４は、堅固でもあり、実質的に光学的に滑らかな入出力面を有し、広範な温度範囲にわたって、かつ走査ヘッド３１の寿命を通じて寸法的に安定である。ただし、基板３４は他の特徴を有してもよい。基板３４は、その上に設けられるレチクル３６の材料と親和性を有する材料で構成されている。一例において、基板３４は、光透過率を高め、後部に反射される迷光の量を減らすために入力面上に設けられた反射防止膜を有する。反射防止膜は、同じ理由から出力面に設けることもできる。ただし、この反射防止膜は、レチクル３６を構成する材料と親和性を有するものとする。一例として、基板３４は、ポリマー材料で構成することができ、溶融石英ガラスなども同様に利用することができる。
【００２３】
基板３４上に設けられたレチクル３６は、図５Ｃに示すような十字線パターン３５（１）などの、検査表面５２上にその後投影される透過パターンを除き、ＬＥＤ光源３２によって放射された光を通さないが、多種多様なレチクルパターンを使用することができる。このようなレチクルパターンとしては、図５Ａに示すような円形または楕円形のドット３５（２）、図５Ｂに示すような円形または楕円形のブルズアイ３５（３）、図５Ｄに示すような中心ドット３５（４）を有する十字線、図５Ｅに示すような市松模様パターン３５（５）、図５Ｆに示すような十字パターン３５（６）、図５Ｇに示すような枠付き十字線３５（７）、図５Ｈに示すような中心が空隙の十字線３５（８）、図５Ｇに示すような円形もしくは楕円形のドットの配列３５（９）、図５Ｈに示すような中央の正方形もしくは長方形３５（１０）、図５Ｉに示すような正方形もしくは長方形の配列３５（１１）、図５Ｊに示すようなハッシュタグパターン３５（１２）、図５Ｋに示すような三角十字線３５（１３）、図５Ｌに示すような中央の正方形を有する矩形十字線３５（１４）、または図５Ｍに示すような楕円十字線３５（１５）などがある。ただし、上記のパターンの組み合わせまたは置換からなる他のパターンを同様に利用することができる。
【００２４】
十字線３５（１）などの、利用される透過パターンは、そのパターンが検査表面５２上に投影され、続いて画像センサ６６上に画像化されるとき、パターンの中心の局所化を良好に実現する画像処理アルゴリズムを用いて対にされてもよい。レチクル３６の不透明部分は比較的薄いため、レチクル３６は、光を反射して検査表面５２上のレチクル３６の投影像を滲ませる可能性がある側壁を持たない。更に、その不透明部分は、ピンホール及び他の透過性欠陥を持たないようにする必要がある。これらは、所望のパターンの一部であるように現れ、後段の画像処理及び局所化アルゴリズムを混乱させる可能性がある。
【００２５】
レチクル３６は、通常、堆積プロセスによって基板３４上に設けられる。ただし、他のプロセスを同様に利用することができる。レチクル３６の不透明材料は、ＬＥＤ光源３２によって放射される光に対して吸収性を有することができ、または反射性を有することができる。吸収性材料により、閃光または画像のコントラスト低下の原因となる迷光が生じにくくなる。
【００２６】
一例として、レチクル３６を製造するための材料は、クロムまたは黒クロムとすることができる。ただし、他の材料を同様に利用することができる。一例において、レチクル３６を基板３４の出力面に設ける代わりに、当該レチクルをむしろ基板３４の入力面に設けることができる。あるいは、レチクル３６をより厚くして自立させるようにすることができ、それにより基板３４を除くことができる。
【００２７】
レチクル３６とＭＥＭＳミラー４６の間の光学経路に迷光バッフル３８を設けることにより、投影光（図９の１０８）がＭＥＭＳミラー４６を完全に満たさないようにする。その理由としては、ＭＥＭＳ装置４４に達し、ＭＥＭＳミラー４６に入射しない光によって迷光が発生し、それによって閃光が生じ、または検査表面５２上の十字線像のコントラストが低下する可能性があるためである。このように、一例として、迷光バッフル３８は、その開口が光源３２の軸７２を実質的に中心とした状態で、投影レンズ４０の直前に配置することができる。ただし、迷光バッフル３８は、投影レンズ４０の直後または直角プリズム４２の直後に設けることもできる。
【００２８】
迷光バッフル３８は、Ｚ方向よりＹ方向が広くなっている、形状が楕円形の開口を有しており、この迷光バッフルを通過する光（図９の１０６）がＭＥＭＳミラー４６において円形の断面形状となり、それによって光がＭＥＭＳミラー４６を少しばかり不完全に満たすようになっている。ただし、この開口は、多角形などの他の形状を有してもよい。この例において、Ｙ方向の楕円の長軸は４．２ｍｍであり、Ｚ方向の短軸の長さは３．４ｍｍである。ただし、他の軸長を利用することができる。迷光バッフル３８は、基板３４及びレチクル３６と同様に透明な基板及び不透明なコーティングから作ることができるが、迷光バッフル３８の光学的・機械的許容差がレチクル３６より決定的ではないため、迷光バッフル３８は、ポリマーまたは板金などの、任意の自立型の不透明材料から作ることができる。ただし、開口は、良好な正確さで材料に切り込み、または打ち抜くことができるものとする。
【００２９】
直角プリズム４２は、投影光ビーム（図９の１０６）の光学経路内に配置され、投影光ビームを反射するミラーとして作用する。すなわち、光は、直角プリズム４２の短辺に入射し、続いて直角プリズム４２の斜辺に入射する。その後、光は全内部反射（ＴＩＲ）を受け、直角プリズム４２の第２の短辺に反射され、その後、光は直角プリズム４２を出射する。直角プリズム４２は、ＢＫ７ガラスまたは溶融石英ガラスといったガラスなどの、ＬＥＤ光源３２によって放射される光に対して透過性である任意の材料から作ることができ、所望の幾何学的形状に機械加工し、研磨することができる。ただし、ポリマーなどの他の材料を利用してもよい。
【００３０】
直角プリズム４２の入出力面のサイズは、投影光ビームの全断面積を受容する程度に大きくなければならない。このサイズは、迷光バッフル３８の開口のサイズによって制限され、上記の楕円形開口は、上述したように４．２ｍｍ及び３．４ｍｍの長短の軸を有する。これらの寸法を前提として、一例において、直角プリズム４２は５ｍｍ×５ｍｍの短辺サイズを有する。例えば、直角プリズム４２は、ＯｐｔｏＳｉｇｍａ（サンタアナ、カリフォルニア、米国）からのＲＰＢ１−０５−５５０直角プリズムであってもよいが、他の直角プリズムを利用してもよい。
【００３１】
直角プリズム４２は、４５°−９０°−４５°の公称プリズム角度を有するが、このプリズムは、直角プリズムである必要はなく、斜辺においてＴＩＲが維持される限り、４０°−１００°−４０°など代替の角を有することができる。反射防止（ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ：Ａ／Ｒ）コーティングが、直角プリズム４２の入出力面の両方に設けられており、十字線３５（１）の不要なゴースト像を検査表面５２上に生じさせる可能性がある投影光ビームの望ましくない光反射を防ぐようにしている。別の例において、直角プリズム４２は、第一の表面鏡（または第一の表面に良好なＡ／Ｒコーティングを施した第二の表面鏡）と交換することができる。
【００３２】
ＭＥＭＳ装置４４は、静電アクチュエータ（図示せず）及びこの静電アクチュエータによって生成された静電場に応答して旋回点の周りに回転するＭＥＭＳミラー４６を含む。すなわち、一対の印加電圧に応答して、ＭＥＭＳミラー４６は、ＭＥＭＳ装置４４の２つの別々の軸の周りに回転するように作ることができる。ＭＥＭＳミラー４６の角度方向を制御し、ＭＥＭＳミラー４６の角度方向を急速に変化させることが可能であるため、投影されたＬＥＤ光（図９の１０８）がＭＥＭＳミラー４６から反射されるときにその光を走査することが可能となる。この反射された走査投影光（図９の１１０）は、その後、ＭＥＭＳミラー４６の変化中の角度方向に従って対象表面５２全体に走査される。
【００３３】
ＭＥＭＳ装置４４は、様々な回転ミラーサイズ、走査速度、走査共振周波数及び走査出力で利用可能である。更に、ＭＥＭＳ装置４４は、好適な周波数で−一方または両方の軸において−走査ミラー４４が振動または共振する共振モードで作動することができ、あるいはこのＭＥＭＳ装置は、ポイントツーポイントモードで作動することができる。このモードの場合、垂直方向ＭＥＭＳドライバ８０Ｖまたは水平方向ＭＥＭＳドライバ８０Ｈ及び走査管理コンピューティング装置８４によってステップアンドリピートモードの特定の位置にＭＥＭＳミラー４６の角度方向が指示される。フィードバック機構（図示せず）を設けて、ＭＥＭＳミラー４６の正確な角度方向を確認することができ、またはこのＭＥＭＳミラーは、フィードバック機構の利点に関係なく作動することができ、その代わりに位置決め用の所定の補正パラメータに依存する。
【００３４】
ＭＥＭＳミラー４６は、概ね円形の周辺部を有し、Ｍｉｒｒｏｒｃｌｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（リッチモンド、カリフォルニア、米国）からの直径０．８ｍｍから５．０ｍｍまでのものが利用可能である。ただし、他の供給元からの他のミラーサイズを利用してもよい。一例において、ＭＥＭＳ装置４４の位置における投影光のビームの幅よりわずかに広い４．２ｍｍの直径を有するＭＥＭＳミラー４６を利用してもよい。４．２ｍｍの直径のＭＥＭＳミラー４６は、質量が十分小さくなって、良好な時間的特性及び直線性を呈する。
【００３５】
ＭＥＭＳ装置４４は、ＬＣＣ２０を含むいくつかの無鉛チップキャリア（Ｌｅａｄｌｅｓｓ  Ｃｈｉｐ  Ｃａｒｒｉｅｒ：ＬＣＣ）パッケージで利用可能であり、このパッケージは、ハウジング７０内に収まるように十分小さくコンパクトである。全般的に、透明なガラス窓（図示せず）をＭＥＭＳミラー４６のすぐ前のＭＥＭＳ装置４４に設けて、壊れやすいＭＥＭＳミラー４６及び静電アクチュエータを、塵及びＭＥＭＳ装置４４に損傷を引き起こす可能性がある物体との偶発的な接触から保護する。しかしながら、このガラス窓により、スキャナの性能を損なう可能性がある迷光及びゴースト反射が生じる恐れがある。その場合、ＭＥＭＳ装置からガラス窓を取り除くこと（特に、ハウジング７０がＭＥＭＳ装置４４を塵及び偶発的な接触から保護できる場合）、または少なくとも、窓の一方もしくは両方の側面上にＡ／Ｒコーティングを設けることが最良である。
【００３６】
上述したように、ＭＥＭＳ装置４４内のＭＥＭＳミラー４６は、２つの軸で回転することができる。図４を参照すると、水平方向ドライバ８０Ｈは、ＭＥＭＳ装置４４の左右アクチュエータに電気的に接続されており、ＭＥＭＳミラー４６を左右方向（すなわち、図１１のθ方向）に回転させる。同様に、垂直方向ドライバ８０Ｖは、ＭＥＭＳ装置４４の上下アクチュエータに電気的に接続されており、ＭＥＭＳミラー４６を上下方向（すなわち、図１１のφ方向）に回転させる。
【００３７】
特に、Ｍｉｒｒｏｒｃｌｅ  Ａ７Ｂ２．１アクチュエータの場合、７０Ｖのバイアス電圧を印加することによってＭＥＭＳミラー４６が所与の軸に対してその角度範囲の中心に回転し、０Ｖの電圧を印加することによってＭＥＭＳ装置４４の静電アクチュエータがＭＥＭＳミラー４６を−４．８６°まで回転させ、１４０Ｖの電圧を印加することによってＭＥＭＳ装置４４の静電アクチュエータがＭＥＭＳミラー４６を＋４．８６°まで回転させる。垂直方向ドライバ８０Ｖ及び水平方向ドライバ８０Ｈは、これらの電圧、すなわちＡ７Ｂ２．１アクチュエータの場合の０〜１４０Ｖを、垂直方向Ｄ／Ａ変換器７９Ｖ及び水平方向Ｄ／Ａ変換器７９Ｈからそれらのドライバに入力された電圧に従って線形に発生させる。すなわち、垂直方向ドライバ８０Ｖ及び水平方向ドライバ８０Ｈは、例えば、それらの各Ｄ／Ａ変換器（７９Ｖ及び７９Ｈ）から０．０Ｖから５．０Ｖまで信号を入力として受け入れ、０．０Ｖから１４０Ｖまでの信号を出力する線形増幅器である。このように、垂直方向ドライバ８０Ｖ及び水平方向ドライバ８０Ｈの電圧利得は、この例において１４０．０／５．０＝２８である。
【００３８】
垂直方向ドライバ８０Ｖ及び水平方向ドライバ８０Ｈの増幅器は、０．０Ｈｚ（すなわち、ＤＣ入力電圧に対応することができる）を含む帯域幅を有し、内蔵ローパスフィルタによって帯域幅が制限される。このローパスフィルタは、垂直方向ドライバ８０Ｖ及び水平方向ドライバ８０Ｈの出力ノイズを減少させるように機能することができるが、更に重要なことに、このフィルタリングは、ＭＥＭＳミラー４６がその角度位置を即座に変化させるように指示されたときに受けるリンギングを制限することができる。垂直方向ドライバ８０Ｖ及び水平方向ドライバ８０Ｈと一体化された６次ベッセルローパスフィルタは、ＭＥＭＳミラー４６の動作をほぼ決定的に減衰させることが分かっているため、リンギングを制限する。ただし、他のローパスフィルタの種類及び次数も同様に機能する。垂直方向ドライバ８０Ｖ及び水平方向ドライバ８０Ｈのドライバ内の増幅器の応答は極めて線形であり、垂直方向Ａ／Ｄ変換器７９Ｖ及び水平方向Ａ／Ｄ変換器７９Ｈによる電圧出力に対して正確な比率でＭＥＭＳミラー４６が角度を変えるようになっている。そのため、ＭＥＭＳミラー４６の正確な角度位置は既知である。あるいは、ＭＥＭＳミラー４６の角度変動は、垂直方向Ａ／Ｄ変換器７９Ｖ及び水平方向Ａ／Ｄ変換器７９Ｈによる電圧出力の関数として測定され、正確な走査を行うことが可能となる前に補正される。
【００３９】
ＭＥＭＳミラー４６から反射した投影光１１０は、ハウジング７０の開口に設けられている第１の窓４８を通過する。ハウジング７０は、第１の窓４８及び第２の窓５４と共に、走査ヘッド３１を含む電気的、光学的及び機械的構成要素の全てを形の上で覆い、囲んでおり、更に、外部環境からこれらの構成要素を密封して、浮遊塵埃、油、蒸気、煙などが、走査ヘッド３１に入って走査ヘッド３１内の各表面に定着するか、さもなければこれらの表面を汚染することができないようにしている。第１の窓４８は、この環境的な密封機能に寄与しつつ、投影光１１０が、比較的減衰されず、かつ光学的に歪曲することも収差を含むこともなく通過することも可能にする。
【００４０】
第１の窓４８は、その入力面と出力面の両方が平面であり（すなわち、両面共に光屈折力を有する必要がない）、そのため出射光線の方向が窓に入射する光線と同じである。第１の窓４８は、投影光１１０の実質的に全てがＭＥＭＳミラー４６の全範囲にわたってハウジング７０を形の上で出射できるように十分な幅を有しており、投影光１１０が被検査物５１の表面５２全体を走査できるようにしている。第１の窓４８はガラスで構成されているが、いくつかの例においてポリマーを利用してもよい。一例において、第１の窓４８は溶融石英から作られている。溶融石英は熱膨張係数（ＣＴＥ）が小さいが、この熱膨張係数はハウジング７０の小さいＣＴＥと一致する。更に、第１の窓４８の外面は、定期的にクリーニングする必要があるため、ガラスまたは溶融石英には偶発的な擦り傷及び損傷が付きにくくなる。
【００４１】
一例において、第１の窓４８の少なくとも内面は、フレネル反射を最小化し、かつ窓を通過する投影光１１０の量を最大にするためにＡ／Ｒコーティングされている。別の例において、第１の窓４８の外面もＡ／Ｒコーティングされている。ただし、このコーティングは、定期的なクリーニングに耐える程度に機械的に強固であるものとする。第１の窓４８のＡ／Ｒコーティングは、光源３２によって放射される波長ならびに第１の窓４８の入射面及び出射面における投影光１１０の入射角に対して最適化されている。
【００４２】
走査ヘッド３１の設計は、測定すべき検査表面５２を有する特定の被検査物５１に合わせて調整されてもよい。一例として、被検査物５１は、形状を正確に測定すべき表面５２を有する任意の固体物体とすることができる。検査表面５２の質感は、研磨されたもの、けば仕上げされたもの、ピクセル化されたもの（すなわち、添加剤または３Ｄ印刷プロセスによって作られたもの）研削されたもの、鋸挽きされたもの、波打っているもの、ホーニング仕上げされたもの、鋳造されたもの、艶出しされたもの、エッチングされたもの、または０．００１％などの、光入射のうちの少なくとも非常に小さい割合を検査表面５２上に拡散的に散乱させる任意の他の質感とすることができる。
【００４３】
被検査物５１の材料には、ガラス、ポリマー、金属及び木が含まれてもよいが、他の材料も同様に好適である。典型的な被検査物５１は、プロペラ、タービン羽根、カムシャフト及びクランクシャフトなどの、測定すべき表面の形状が複雑な被検査物であり、被検査物５１の他の部分によって隠されているために形状を測定することができない窪みまたは凹部を有する場合があり、あるいはクランクシャフトを用いた場合など、到達するのが困難な検査表面５２を有する場合がある。ただし、本技術を使用して、他の特徴を有する被検査物５１を測定してもよい。
【００４４】
図６は、本技術を使用して測定され得る典型的な内燃機関のクランクシャフト９０を示す。クランクシャフト９０は主軸受ジャーナル９８、ピンジャーナル面９５を有するピンジャーナル９４、平衡錘９６及び接続ウェブ９２を備える。図７は、平衡錘９６、ジャーナル面９５を有するピンジャーナル９４及び逃げ溝９７を示すクランクシャフト９０のピンのより詳細な図面である。逃げ溝９７は、クランクシャフト９０の信頼性にとって決定的に重要である。これは、この逃げ溝が、ピンジャーナル９４と接続ウェブ９２の間の交差部分でクランクシャフトに生じる応力を分散させるためである。このように、逃げ溝９７の位置、深さ及び半径は、厳格な許容差に合わせて製造しなければならず、逃げ溝９７の位置、深さ、半径及び他のパラメータが測定可能であることは、クランクシャフト９０が正確に製造され、エンジンに取り付けられるときに確実に動作することを保証するのに重要である。残念なことに、逃げ溝９７は、少なくとも以下の２つの理由のために測定するのが困難である。それは、第一に、接続ウェブ９２内に逃げ溝が伸長する可能性があり、その場合、逃げ溝は、従来の触覚的及び光学的な（影絵による）方法を用いて検査することができない窪んだ凹部となることであり、第二に、２つの接続ウェブ９２の間の小さい空間に大きな測定プローブを挿入するのが困難なことである。
【００４５】
図８は、本技術の走査ヘッド３１を、光学式走査システム３０が逃げ溝９７の位置、方向、半径及び他の形状的な特徴を測定可能な方向においてクランクシャフト９０の平衡錘９６と接続ウェブ９２の間の空間にどのように挿入することができるかを示す。走査ヘッド３１の長軸−図示されていないが、紙の平面に出入りするように方向付けられている−が接続ウェブ９２の平面と平行であり、走査ヘッド３１が接続ウェブの間に無理なく適合するように走査ヘッド３１の直径が接続ウェブ９２の間の空間の幅より小さいことに注意されたい。走査ヘッド３１は、横から（すなわち、Ｙ及びＺ軸に）、縦向きに（すなわち、Ｘ方向に）、かつ回転して（すなわち、Ｘ軸の周りに）配置されるため、投影光１１０は、接続ウェブ９２の角にもピンジャーナル９４の角にも当たることなく照明位置１１２において逃げ溝９７を照らすことが可能である。照明位置１１２は、レチクル３６の十字線３５（１）の像であることに注意されたい。
【００４６】
照明位置１１２において投影光から拡散的に反射された光の一部は、ハウジング７０の第２の開口に設けられた第２の窓５４を介して走査ヘッド３１に再度入射する。ハウジング７０は、第１の窓４８及び第２の窓５４と共に、走査ヘッド３１を含む電気的、光学的及び機械的構成要素の全てを形の上で覆い、囲んでおり、更に、外部環境からこれらの構成要素を密封して、浮遊塵埃、油、蒸気、煙などが、走査ヘッド３１に入って走査ヘッド３１内の各表面に定着するか、さもなければこれらの表面を汚染することができないようにしている。第２の窓５４は、この環境的な密封機能に寄与しつつ、拡散反射光１１４が、比較的減衰されず、かつ光学的に歪曲することも収差を含むこともなく通過することも可能にする。
【００４７】
第２の窓５４は、その入力面と出力面の両方が平面であり（すなわち、両面共に光屈折力を有する必要がない）、そのため出射光線の方向が窓に入射する光線と同じである。第２の窓５４は、溶融石英などのガラスから作られているが、ポリマーなどの他の材料を利用してもよい。特に、溶融石英から作られた第２の窓５４は、熱膨張係数（ＣＴＥ）が小さく、この熱膨張係数はハウジング７０の小さいＣＴＥと一致する。更に、第２の窓５４の外面は、定期的にクリーニングする必要があるため、ガラスまたは溶融石英などのより硬質な材料には偶発的な擦り傷及び損傷が付きにくくなる。
【００４８】
一例において、第２の窓５４の少なくとも内面は、フレネル反射を最小化し、かつ窓を通過する拡散反射光１１４の量を最大にするためにＡ／Ｒコーティングされている。別の例において、第２の窓５４の外面もＡ／Ｒコーティングされている。ただし、このコーティングは、定期的なクリーニングに耐える程度に機械的に強固であるものとする。Ａ／Ｒコーティングは、光源３２によって放射される波長ならびに第２の窓５４の入射面及び出射面における拡散反射光１１４の入射角に対して最適化されている。
【００４９】
わずかな導波性が第１の窓４８に生じるため、第１の窓４８の極めて小さい割れ目により、投影光１１０の一部が、第１の窓４８の入射面と射出面の間で全内部反射（ＴＩＲ）する向きを変える場合、第１の窓４８と第２の窓５４は、光吸収性材料によって分離された別々の光学要素でなければならない。さもなければ、窓の中の全内部反射する導波光は、撮像経路の領域内の窓に非常に小さい割れ目があることにより、走査ヘッド３１の撮像経路の窓の外に（再度）向きを変える可能性がある。このように向きが変わった光は、迷光であるため、その後、テレセントリックの第１のレンズ素子５６を介して撮像経路に入射する可能性があり、画像センサ６６上の十字線の画像のコントラストまたは信号対雑音比（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ−ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）を低下させる恐れがある。
【００５０】
第２の窓５４を通過する反射光１１４は、次いで、テレセントリック撮像レンズに入射する。このレンズは、第１のレンズ素子５６、開口絞り６０及び第２のレンズ素子６２を含む。テレセントリックレンズは、検査表面５２に投影された十字線３５（１）の像を画像センサ６６上に作成する。画像センサ６６上の十字線像は良好な忠実度を有する。すなわち、その像には、滲みも収差もなく、樽型歪み及び糸巻型歪みが実質的に存在せず、像のサイズは、検査表面５２と走査ヘッド３１の間の距離「Ｈ」が変化しても変化してはならない。実際、テレセントリックレンズは、像のサイズが物体距離の関数として変化しないレンズである。背面焦点距離（この場合、レンズ素子２６２と画像センサ６６の間の距離）が変化したときに像のサイズも変化しない場合、そのレンズは二重テレセントリックであると言われる。
【００５１】
像のサイズが物体距離ＨＯＨと共に変化しないことは重要である。これは、十字線が検査表面５２上で相当な幅を占めており、この検査表面にわたって距離ＨＯＨが、特に逃げ溝９７を測定するとき、数ミリメートル変化する可能性があるためである。レンズが物体空間においてテレセントリックではない場合、逃げ溝９７の検査表面５２上の十字線の像が画像センサ６６上で歪み、画像処理タスクがはるかに困難なものとなる。
【００５２】
画像センサ６６上の像のサイズが背面焦点距離と共に変化しないことは、走査ヘッド３１が暖められて伸長するときに背面焦点距離が変化する可能性があるために重要でもある。このことは、特に画像センサ６６付近の領域において問題となる恐れがある。というのも、この画像センサは、最大２ワットの電力を動作中に消費し、プロセス内で多量の熱を生成する可能性があるためである。テレセントリックレンズの拡大率は、検査表面５２上の十字線３５（１）のサイズ及び画像センサ６６のサイズに応じて、−０．２から−２．０までとすることができる。ただし、−１．０により近い拡大率を有するレンズは、設計、製造及び組み立てがより容易である。光学歪み及び非テレセントリシティの大部分は良好な設計の実践によってレンズから排除することができるが、一部の除去できない歪み及び非テレセントリシティが残存する。この歪み及び非テレセントリシティは、図１４に関連して後述するようにレンズ補正プロセスによって排除しなければならない。
【００５３】
この例において、第１のレンズ素子５６及び第２のレンズ素子６２は、両方共に正レンズであるため、製造が容易である。この製造は、注射成形プロセス（ポリマー材料の場合）、ダイヤモンド切削、精密成形（ガラス材料の場合）、磁性流体研磨（ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ  ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ：ＭＲＦ）プロセス、または任意の他のレンズ製造プロセスとすることができる。第１のレンズ素子５６及び第２のレンズ素子６２のそれぞれの２つの光学面のうち、一方または両方を非球面とすることも、代わりに球面とすることも可能であり、あるいはそれらの光学面のどちらも非球面としないことも、その代わりに球面としないことも可能である。
【００５４】
第１のレンズ素子５６及び第２のレンズ素子６２の中心厚は、一例として、１．０ｍｍから１０ｍｍまでとすることができる。第１のレンズ素子５６及び第２のレンズ素子６２の直径は、一例として、５ｍｍから２０ｍｍまでとすることができる。一例において、第１のレンズ素子５６及び第２のレンズ素子の２つの光学面のそれぞれはＡ／Ｒコーティングされており、それらの光学面を通過する像の光１１６、１１８、１２０及び１２２の量を最大にし、かつ、ゴースト像を生じさせるか、さもなければ画像センサ６６上の十字線像の忠実度（コントラストを含む）を低下させる可能性がある迷光を最小にするようになっている。第１のレンズ素子５６及び第２のレンズ素子６２は、ＢＫ７ガラスまたは溶融石英などのガラスによって形成することができる。ただし、アクリル、ポリカーボネート、またはポリスチレンといったポリマーなどの他の材料を利用してもよい。この例において、第１のレンズ素子５６及び第２のレンズ素子６２は、溶融石英から製造されるが、これは、そのＣＴＥが小さく、かつ光学特性が優れているためである。
【００５５】
テレセントリックレンズの開口絞り６０は、収差を多く含む光線が画像センサ６６の像平面に到達するのを防ぎ、テレセントリックレンズのテレセントリシティ特性を作り出す。一般に、開口絞り６０の開口が小さくなるほど、レンズは良好に動作する。ただし、より少ない光がより小さい開口を介して伝播し、画像センサ６６上の像平面に像がよりかすかに現れる。２．０ｍｍの開口直径は、一例として適切であるが、０．３ｍｍから５．０ｍｍまでの開口直径も同様に機能することができる。
【００５６】
開口絞り６０は、金属またはポリマーなどの不透明材料から構成され、理想的には黒く塗られるか、さもなければ光を吸収させて、迷光を生成する可能性がある反射を減少させる。一例において、開口絞り６０は、アルミニウムなどの薄い板金から作られ、この板金は、その後、光吸収性が高くなるように黒アルマイト処理される。開口絞り６０は、テレセントリックレンズの全幅にわたって実質的に広がっており、望ましくない光線が、開口絞り６０をよける可能性もなく、画像センサ６６に到達するための代替経路を有することもないようにしている。
【００５７】
次いで、テレセントリックレンズを通過する光１２２は、画像センサ６６に到達する前に光フィルタ６４を通過しなければならない。光フィルタ６４は、光源３２によって放射される光の波長を除いて画像センサ６６が感度を有する光の全ての波長を実質的に遮断するバンドパスフィルタである。このようにして、光源３２によって放射された光からなる十字線像３５（１）が画像センサ６６に到達することを可能にしつつ、筐体７０の外で生じ、第２の窓５４を介して走査ヘッド３１に入射した後に開口絞り６０を通過する好ましくない環境光が画像センサ６６に到達しないようにする。ただし、上記の好ましくない環境光は、光源３２によって放射される波長以外の波長で構成されている。これらの好ましくない環境光信号を遮断することにより、画像センサ６６上の十字線像３５（１）のコントラスト及びＳＮＲが向上し、不要な閃光及び迷光線が遮断され、像が損なわれないようになる。
【００５８】
光フィルタ６４は、少なくとも５０％の通過帯域透過率を有するが、光フィルタ６４は、少なくとも７０％または少なくとも９０％ｌの通過帯域透過率を有してもよい。通過帯域の全幅半値（ｆｕｌｌ−ｗｉｄｔｈ  ｈａｌｆ−ｍａｘｉｍｕｍ：ＦＷＨＭ）幅は、２ｎｍから５０ｎｍまでとすることができるが、１０ｎｍから２０ｎｍまでの範囲を利用して、光源３２の発光波長の中央に合わせてもよい。光フィルタ６４は、画像センサ６６の短い方の波長の限界に至るまで光の少なくとも９９．９９％を遮断する必要がある。一例として、画像センサ６６がシリコンから作られているため、その波長は約３５０ｎｍである。光フィルタ６４は、画像センサ６６の長い方の波長の限界に至るまで光の少なくとも９９．９９％を遮断する必要がある。一例として、画像センサ６６がシリコンから作られているため、その波長は約１１００ｎｍである。
【００５９】
光フィルタ６４は、光が実質的にテレセントリックである撮像アームの部分に配置する必要があるため、光の入射角は、可能な限り０度に近い。１つの位置は、第２の窓５４またはその付近にある、第１のレンズ素子５６の正面である。実際には、光フィルタ６６は、第２の窓５４の中に組み込むこともできる。光フィルタ６６の第２の位置は、図１０に当該光フィルタを示した箇所であり、画像センサ６６のすぐ前である。一例において、光フィルタ６４は、画像センサ６６の入力面に直接接合することができる。このことには、１）光フィルタ６４の出力面及び画像センサ６６の入力面からのフレネル反射を実質的に除去する、２）光フィルタ６４の機械的な装着を簡単にする、及び３）画像センサ６６に到達する前に光フィルタ６４の周囲を迷光が通る可能性を排除するという利点がある。一例において、光フィルタ６４は、ニュートン、ＮＹ、米国のＴｈｏｒｌａｂｓ社からのＭＦ４４５−４５−９ＭＭ−ＳＰであるが、他の光フィルタを利用してもよい。
【００６０】
その後、光フィルタ６４を通過する光は画像センサ６６に到達する。この画像センサは、これに入射した像を電子信号に変換し、この信号は、続いて画像デジタイザ８２によってデジタル形式に変換される。一例において、画像センサ６６は、フォトダイオードのアレイを含む。これらのフォトダイオードのそれぞれは、変換後の画像の１つの画素を構成する。画像センサ６６は、２５０，０００画素から２５，０００，０００画素までの解像度を有することができる。ただし、ＶＧＡ解像度（６４０×４８０もしくは３０７，２００画素）またはＳＶＧＡ解像度（８００×６００もしくは４８０，０００画素）を有する画像センサ６６により、解像度と画像処理の複雑さ及び時間との間の良好なトレードオフが実現される。
【００６１】
この例において、画像センサ６６は、カラー画像センサではなく単色画像センサであるが、これは、画像センサに入射する像の光が実質的に単色であるためである。ただし、他の例においてカラー画像センサを使用してもよい。画像センサ６６のフレームレートは、毎秒１０フレームから１００フレームまでである。フレームレートがより遅くなると、光学式走査システム３０の測定速度に対するボトルネックが現れる場合があり、他方、フレームレートがより高くなると、ＭＥＭＳ装置４４などの光学式走査システム３０内の他の速度的なボトルネックまたは走査管理コンピューティング装置８４内で実行されている画像処理アルゴリズムの処理速度のために、システム性能の向上を伴うことなく画像センサ６６のコストが不必要にも上昇する。
【００６２】
画像センサ６６の有効領域のサイズは、１ｍｍ×１．５ｍｍから最大１０ｍｍ×１５ｍｍまでとすることができる。ただし、検査表面５２上の十字線走査領域の範囲とほぼ同じサイズの場合、テレセントリックレンズの拡大率が約−１．０となるまで駆動される。この拡大率は、先に述べたように、レンズの設計、製造及び組み立てがより容易となる拡大率である。一例において、画像センサ６６は、ＣＭＯＳＩＳ（アントワープ、ベルギー）からのＣＭＶ３００であり、このセンサは、４．７９５×３．６１１ｍｍの有効領域にわたって４８８×６４８（３１６，２２４）画素を有する。ただし、他の画像センサを利用してもよい。ＣＭＶ３００は、７００ｍＷに過ぎない電力も消費し、そのため走査ヘッド３１の内部発熱が最小になり、６０ｄＢのダイナミックレンジを有し、画像デジタイザ８２はこれに組み込まれる。
【００６３】
別の例において、レチクル３６が、十字線３５（１）（図５Ｃ）と同様の腕を有しておらず、その代わりに円形または楕円形のドット３５（２）（図５Ａ）と同様の中心透過開口を有する開口を有する場合、象限検出器または位置検出デバイス（ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ：ＰＳＤ）などの光検出器を画像センサの代わりに使用してもよい。単なる一例として、光センサは、４つの側面のそれぞれに電極を有するシリコンチップで構成されたフォトダイオードを含むＰＳＤであってもよい。この例において、電極による光電流出力の量は、電極に対するＰＳＤ上の像点の近接度に比例する。ＰＳＤは、４ｍｍ×４ｍｍの有効領域を有してもよい。単なる一例として、ＰＳＤは、Ｏｎ−Ｔｒａｋ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓによって製造されたモデル番号２Ｌ４ＳＰであってもよいが、他の種類の光センサを利用してもよい。
【００６４】
４分割センサまたはＰＳＤは、トランスインピーダンス増幅器及びアナログ−デジタル変換器によって走査管理コンピューティング装置８４に接続されてもよい。トランスインピーダンス増幅器は、４分割センサまたはＰＳＤから受信した信号をアナログ−デジタル変換器に対応した電圧まで増幅する。一例において、トランスインピーダンス増幅器は、ＰＳＤの４つの電極のそれぞれに対応する４つの入力チャネル及び各軸に対応する２つの出力チャネルを含む。アナログ−デジタル変換器は、トランスインピーダンス増幅器の出力チャネルによって生成されたアナログ電圧を走査管理コンピューティング装置８４によって読み込まれ得るデジタル信号に変換する。ただし、アナログ−デジタル変換は、ローカルプロセッサによって直接実行されてもよい。
【００６５】
ハウジング７０は、走査ヘッド３１を含む構成要素を囲むために使用される。これらの内部走査ヘッド３１の構成要素は、ハウジング７０に直接載置することができ、あるいは、ハウジング７０に取り付けられるフレームまたは他の半組立部品に内部構成要素の一部または全てを載置することができる。ハウジング７０は、２５ｍｍ未満、または好ましくは１８ｍｍ未満の断面直径を有する、実質的に円筒形状とすることができ、その結果、図８に図示されているように、クランクシャフト９０のウェブ９２の間の空間などの狭い溝に当該ハウジングを適合させることができる。ハウジング７０の長さは、クランクシャフト９０を測定するときに比較的制約されない。ただし、他の被検査物５１は、長さ（Ｘ軸）寸法の制約を課す場合があり、そのためハウジングの長さも同様に最小限に留める必要がある。単なる一例として、ハウジング７０は、２５０ｍｍ未満または２００ｍｍ未満の長さを有してもよい。ハウジング７０の断面は、実質的に円形となるように描かれている。ただし、この断面を、楕円形、矩形または更には台形にとして、測定表面５２の制約された位置に走査ヘッド３１が容易に接近しやすくすることができる。
【００６６】
ハウジング７０は、アルミニウムまたは別の金属などの硬質材料から作られているが、ポリマーまたはセラミック材料を利用してもよい。特に、ある特定の新型セラミックまたは炭素繊維などのＣＴＥが小さい材料により、内部走査ヘッド構成要素の有用な光学的・機械的許容差が実現される。ハウジング７０のための１つの例示的な材料は、エルブリッジ、ＮＹ、米国のＡｌｌｒｅｄ＆Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社の事業部からのＤｒａｇｏｎＰｌａｔｅ炭素繊維チューブである。ＤｒａｇｏｎＰｌａｔｅ炭素繊維材料は、１５．９７５ｍｍの内径及び１８．４１５ｍｍの外径を有するチューブに利用可能である。この内径は、走査ヘッド３１の内部部品が適合する程度に大きく、この外径は、実質的に全ての自動車用クランクシャフト９０のウェブ９２の間に適合する程度に小さい。更に、炭素繊維材料は、通常、色が黒い。これにより、ハウジング７０内に存在し得る不要な迷光が有利に吸収され、低減される。
【００６７】
ハウジング７０は、２つの窓穴を有し、一方は第１の窓４８であり、もう一方は第２の窓５４である。ハウジング７０の２つの端部は、エンドキャップ（図示せず）で覆われており、このエンドキャップは、電線を通過させることが可能な更なる穴を有することができる。エンドキャップにより、走査ヘッド３１をそのステージングに容易に装着させることもできる。いずれにしても、ハウジング７０に関連した穴、窓、エンドキャップなどの全ては、一例として、気密封止などで密封されなければならない。その結果、ハウジングが気密ハウジング７０として密封されるため、汚れ、塵、油、溶媒及び他の浮遊汚染物質がハウジング７０に入り、走査ヘッド３１の光学構成要素を汚損することがなくなる。
【００６８】
次に図４を参照すると、光学式走査システム３０のいくつかの電子サブシステムがあり、それらは走査ヘッド３１のハウジング７０の外部に位置し得る。例えば、ＬＥＤドライバ２９は、公称量かつ安定した量の電子電流をＬＥＤ光源２９に供給するために使用されるが、ハウジング７０の外部に位置しているため、ＬＥＤドライバが生成する熱によって走査ヘッド３１が加熱されない。ＬＥＤドライバ２９は、走査管理コンピューティング装置８４からデジタル命令を受け入れるＤ／Ａ変換器２７からアナログ電圧コマンド信号を受け入れる。ただし、ＬＥＤドライバ２９は、デジタル信号を直接受け入れることができる。
【００６９】
ＬＥＤドライバ２９の出力が電流であり、その入力が電圧であるため、ＬＥＤドライバ２９は、基本的にはトランスコンダクタンス増幅器である。ＬＥＤドライバ２９は、電流ゼロから−その場合、ＬＥＤ光源３２はオフである−ＬＥＤ光源の損傷閾値の直前の量まで、ＬＥＤ光源３２に電流を供給する。この損傷閾値は、通常、数百ミリアンペアである。この特定の例において、ＬＥＤドライバ２９は、ボーデンハイム、ドイツのｉＣ−Ｈａｕｓによって製造されたＬＥＤ／レーザーダイオードドライバＩＣ−ＷＫＮなどのシングルチップソリューションである。ただし、他の種類及び／または数の他のドライバを利用してもよい。
【００７０】
走査管理コンピューティング装置８４は、アナログ−デジタル変換器、シリアルバス、汎用入出力ピン、ＲＡＭ及びＲＯＭなどの様々なオンボードハードウェア機能を有する高集積マイクロコントローラ装置である。ただし、走査管理コンピューティング装置８４は、パーソナルコンピュータ、デジタルシグナルプロセッサ（ｄｉｇｉｔａｌ  ｓｉｇｎａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ：ＤＳＰ）または更にはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ｆｉｅｌｄ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ：ＦＰＧＡ）とすることができる。更に、Ｄ／Ａ変換器２７、７９Ｖ及び７９Ｈの一部または全てを走査管理コンピューティング装置８４のハードウェアに組み込むことができる。
【００７１】
光学式走査システム３０の走査管理コンピューティング装置８４は、本明細書において一例として説明及び図示されているような本技術の１つ以上の態様のために記憶命令のプログラムを実行する。ただし、他の種類及び／または数の処理装置及び論理を使用することができ、ローカルプロセッサは、他の数及び種類のプログラムされた命令を実行することができる。別の実施形態において、走査管理コンピューティング装置８４は、光学式走査システム３０とは別個に位置してもよい。走査管理コンピューティング装置８４は、シリアルデータバスを介するなどして、他のコンピューティング装置と更に通信してもよい。ただし、走査管理コンピューティング装置８４は、他の種類及び数の通信ネットワークを介して通信してもよい。
【００７２】
光学式スキャナ３０の走査ヘッド３１は、クランクシャフト９０のピンの間に適合するように構成されている。図６に示すように、クランクシャフト９０は、ジャーナル面９４を有するピンジャーナル９５、主ジャーナル９８、主ジャーナル９８とピンジャーナル９５を接続するウェビング９２、及び平衡錘９６を備える。クランクシャフト９０は、通常、多くの（直線、角度、表面及び空間の）限界寸法及び許容差を有し、これらの寸法のそれぞれは、正確に測定される必要がある。
【００７３】
図７を参照すると、クランクシャフト９０のピンジャーナル９５は、ピンジャーナル９５がウェビング９２と整合する箇所にある応力除去用逃げ溝９７を有することができることが示されている。応力除去用逃げ溝９７の半径は、クランクシャフト９０の機能にとって決定的な寸法であり、図８には、応力除去用逃げ溝９７の半径を測定できるようにするために走査ヘッド３１をどのようにウェビング９２の間に配置し、角度的に方向付けることができるかが示されている。
【００７４】
次に図１３を参照すると、走査ヘッド３１の装着及びステージングの一方法が示されている。図１３において、走査ヘッド３１は、左回転ステージ１４０及び右回転ステージ１４２の上に装着される。これらのステージは合わせて、Ｘ軸周りの角度方向を制御する。左回転ステージ１４０は、左ステージ装着具１４４に取り付けられており、右回転ステージ１４２は右ステージ装着具１４６に取り付けられている。後部送りねじ１４８及び前部送りねじ１５０は、左ステージ装着具１４４及び右ステージ装着具１４６を貫通し、それらと連結されている。従って、後部送りねじ１４８と前部送りねじ１５０が同期して回転すると、左ステージ装着具１４４、右ステージ装着具１４６、及び走査ヘッド３１がＸ軸に沿って平行移動する。後部送りねじ１４８及び前部送りねじ１５０は、送りねじモーター（図示せず）に連結されている。このモーターは、装着面１５８を有するステージ台１５４に載置されており、この台を別のステージに装着して、走査ヘッド３１を被検査物５１に関して更なる程度で回転運動または平行移動させることができるが、他の装着構成を利用してもよい。
【００７５】
テレセントリックレンズは、非常に厳格な許容差に合わせて製造し、組み立てることができるが、実際には、レンズの拡大率、歪み及び除去できない非テレセントリシティ特性を測定及び補正して、これらの影響を画像から除去できるようにしなければならない。これらのレンズ特性の３つ全ては、補正パターンを表示可能なピクセル化されたディスプレイ１３２を有するマイクロディスプレイ１３０を使用して特徴付けることができる。
【００７６】
例示的な補正方法において、図１４から理解できるように、マイクロディスプレイ１３０は、補正プロセス中、走査ヘッド３１の下に配置され、テレセントリックレンズの光軸６８が実質的に中心に位置する。テレセントリックレンズを補正するために、正方形パターンなどのドットのパターンをピクセル化されたディスプレイ１３２に表示させ、続いて画像センサ６６に画像を提示する。この画像は、次いで走査管理コンピューティング装置８４によって読み出され、処理される。ピクセル化されたディスプレイ１３２上の枠のサイズを知ることにより、更には画像センサ６６上の枠の像のサイズを算出することにより、テレセントリックレンズの拡大率を走査管理コンピューティング装置８４によって計算することができる。
【００７７】
ピクセル化されたディスプレイ１３２に表示される枠パターンのサイズを変えることにより、更には画像センサ上の枠パターンのサイズの変化を算出することにより、テレセントリックレンズの光学歪みを走査管理コンピューティング装置８４によって計算することができる。最後に、ピクセル化されたディスプレイ１３２と走査ヘッド３１の間の（Ｚ方向における）距離を変えることにより、更には画像センサ６６上の枠パターンのサイズの変化（ピクセル化されたディスプレイ上の枠の像を一定に保っている）を算出することにより、テレセントリックレンズの非テレセントリシティを走査管理コンピューティング装置８４によって計算することができる。
【００７８】
補正中、ピクセル化されたディスプレイ１３２に表示されるパターンは、ドットの配列、楕円、直線、または図５Ａから５Ｍに図示したほぼあらゆるパターンの配置を含むことができる。図１５Ａは、正方形に配置された点（図５Ａのドットに類似している）の配列からなる画像センサ６６上の像を示す。他方、図１５Ｂ及び図１５Ｃは、同様の像を示すが、これらの図では、正方形のサイズをある既知の量だけ増加させている。このようにして、テレセントリックレンズの拡大率及び歪みを測定することができる。ピクセル化されたディスプレイ１３２の様々な（既知の）高さにてこのプロセスを繰り返すことにより、テレセントリックレンズの非テレセントリシティ特性を決定することができる。補正に使用され得る１つの例示的なマイクロディスプレイ１３０は、ウェストボロー、マサチューセッツ州、米国のＫｏｐｉｎ社からのＲｕｂｙ  ＳＶＧＡカラーマイクロディスプレイである。ただし、他のマイクロディスプレイを利用してもよい。
【００７９】
一例において、被検査物５１を堅固に装着し、図１３に関連して記載されているように走査ヘッド３１をステージング装置に装着して、表面５１の走査及び測定が可能な位置に走査ヘッド３１を容易に配置することができる。あるいは、図１６に関連して後述するように被検査物５１を回転ステージ及び／または平行移動ステージに装着することができ、走査ヘッド３１を所定の位置に堅固に固定することができ、または被検査物５１と走査ヘッド３１の両方を各種の平行移動ステージ及び回転ステージに載置して所望の検査形状に対応させることができる。走査ヘッド３１を高性能ステージングに載置する場合、ＭＥＭＳ装置４４及びそのＭＥＭＳミラー４６を固定ミラーと交換し、そのステージングによって走査ヘッド３１を全体として移動させることによって、ＭＥＭＳの走査動作を模倣することができる。あるいは、被検査物５１を、干渉計による計測及びフィードバックによって得られるステージングなどの高性能ステージングに載置する場合、ＭＥＭＳ装置４４及びそのＭＥＭＳミラー４６を固定ミラーと交換することができ、そのステージングを用いて被検査物５１を移動させることによって、ＭＥＭＳの走査動作を模倣する。
【００８０】
被検査物５１のための１つの可能なステージングを図１６に示す。図中、被検査物はクランクシャフト９０である。図１６に示すように、走査ヘッド３１を、Ｘ軸の周りの走査ヘッド３１の角度方向を与える左回転ステージ１４０及び右回転ステージ１４２に載置する。走査ヘッド３１は、照明位置１１２に投影光１１０を放射するように示されており、反射光１１４は、走査ヘッドに再度入射するように示されている。主ジャーナル９８及びピンジャーナル９４を備えたクランクシャフト９０をその軸に関して回転ステージ１８０に載置する。このステージは、Ｙ軸の周りに当該クランクシャフトを回転させる。回転ステージ１８０は、クランクシャフト９０をＸ、Ｙ及び方向のいずれかまたは全てに平行移動可能な平行移動ステージ１８２に載置するようにも示されている。平行移動ステージ１８２が、干渉計による計測及びフィードバックによって得られる精度及び繰り返し性などの、良好な精度及び繰り返し性を有する場合、平行移動ステージ１８２によってクランクシャフト９０を走査ヘッド３１の視野全体にわたって走査させることができ、走査用ＭＥＭＳミラー４６を、走査ヘッド３１のハウジング７０内に堅固に装着されているミラーと交換することができる。
【００８１】
大部分のクランクシャフト９０、特に自動車用クランクシャフトに共通する１つの特徴は油孔９３である。この油孔は、主ジャーナル９８とピンジャーナル９４の間のクランクシャフト内に穿孔されて、それらの表面の間の潤滑油の流れを促進する孔である。図１８に示すように、クランクシャフト９０のジャーナルを通して穿孔された油孔９３には円錐形の面取り９１も形成されており、ここで油孔９３がジャーナル面と交差する。面取り９１は、油の流れも促進するが、油孔の穿孔作業から生じるバリも除去しなければならない。クランクシャフト９０の大部分の特徴と同様に、面取り９１の深さ、幅及び位置を測定しなければならない。
【００８２】
しかしながら、図１８において更に示すように、投影光１１０は、面取り９１の近端１０７と実質的に平行である。これにより、走査ヘッド３１によって近端１０７の表面を測定することができなくなる。１つの対応策は、面取り９１の形状の大部分を可能な限り測定し、次にＺ軸の周りに走査ヘッド３１を１８０度反転させ、続いて面取り９１の大部分を可能な限り再測定した後、２つの不完全な形状図を合わせてスティッチングして面取り９１の完全な形状プロファイルを得るものである。しかしながら、走査ヘッド３１を反転する動作には広角ステージングが更に必要となる。このステージングには費用がかかる可能性があり、更に、形状のスティッチ・アルゴリズムは、問題を伴う可能性があり、不正確となる恐れがある。
【００８３】
油孔の面取り９１の全表面プロファイルを測定する代替的な方法を図１９に示す。図１９に示した走査ヘッド２３１の実施形態には、２つの放射源アーム−右放射源アーム及び左放射源アーム−及び１つの光軸６０に沿った１つの撮像アームがあるが、これは、折り返しミラー５８が除かれているためである。走査ヘッド２３１の左放射源アームは、先に記載したような走査ヘッド３１の放射源アームと実質的に同一であり、他方、走査ヘッド２３１の右放射源アームは左放射源アームの鏡像である。この構成には、付随するＤ／Ａ変換器と共に、更なる一式のＭＥＭＳドライバ（図４の８０Ｖ及び８０Ｈ）及び更なるＬＥＤ光源ドライバ（図４の２９）も必要となることに注意されたい。この構成により、油孔の面取り９１を投影光１１０Ｌ及び投影光１１０Ｒによって完全に照射することができる。というのも、投影光の両方のビームと平行になる面取り９１の部分がないためである。
【００８４】
多くのクランクシャフト９０、特に自動車用クランクシャフトに関して共通の別の特徴は逃げ溝９７である。図２０に示すように、走査ヘッド３１によって放射された投影光１１０は、照明位置１１２の逃げ溝９７に入射する。しかしながら、投影光１１０は、逃げ溝９７の内側面１１３と実質的に平行になる可能性があり、または逃げ溝９７の内側面１１３は、表面９４の影になる可能性がある。更に、内側面１１３の照射、走査及び測定を可能にする位置に走査ヘッド３１を再配置することができない。
【００８５】
逃げ溝９７の内側面１１３を測定する代替方法を図２１に示す。図２１に示した例において、直角プリズム１１１は、プリズム１１１の斜辺から投影光１１０が全内部反射するように第１の窓４８及び第２の窓５４に接着されている。反射された投影光１１０Ａは、次いで逃げ溝９７に導かれ、内側面がもはや表面９４の影でもなく、反射された投影光１１０Ａと内側面１１３が平行に近くなることもない。この例の１つの変形は、第１の窓４８及び第２の窓５４に直角プリズム１１１を接着するのではなく、その代わりに窓を除き、それらの位置に直角プリズム１１５を設けたものである。直角プリズム１１５を介して放射源アームから撮像アームに光が伝わらないようにするため、直角プリズム１１５を２つのプリズムに分割して、一つ目を第１の窓４８の位置に、二つ目を第２の窓５４の位置に配置することができる。
【００８６】
次に、光学式走査システム３０の例示的な動作を図４、９及び１０を参照して説明する。３Ｄ表面プロファイル測定を開始するため、走査管理コンピューティング装置８４は、１つ以上の命令を平行移動ステージ７６及び回転ステージ７８に与えて、測定すべき検査表面５２に隣接する測定位置に走査ヘッド３１を位置付ける。被検査物５１もそのステージングに設け、方向付けて、走査ヘッド３１の配置を容易にし、検査表面５２の測定を最適化できるようにする。
【００８７】
測定動作には以下の３つのモードがある。１）ＭＥＭＳミラー４６が、検査表面５２全体に投影光１１０を走査させる；２）投影光１１０が実質的に静止し、被検査物５１がそのステージング（図１６の１８０及び１８２）によって移動して、静止した投影光の下で検査表面５２が等しく走査されるようにする；または３）被検査物５１と投影光１１０の両方が静止し、検査表面５２のプロファイルの測定が、投影光１１０によって検査表面５２に投影されたレチクルパターンの画像を処理することによって行われる。一般に、２つの走査測定モードでは、より高い精度の表面測定値がより高い解像度で得られるのに対し、非走査モードでは、実装のコストが非常に安くなる。
【００８８】
ＭＥＭＳミラー４６の走査モードにおいて、被検査物５１が適切に配置され、走査ヘッド３１がその測定位置に来た後、走査管理コンピューティング装置８４は、Ｄ／Ａ変換器２７に１つ以上の命令を発行し、このＤ／Ａ変換器は、ＬＥＤなどの光源３２に電力を供給するためにＬＥＤドライバ２９にアナログ電子信号を出力し、その時点で光源３２が光１０２を放射し始める。
【００８９】
その後、放射光１０２が入射し、レチクル３６の透過パターンを決定的に満たし、または完全に満たす。透過光１０４は、レチクル３６を通過する光であり、一例として図５Ａから５Ｍのパターンなどのパターンを有する。このパターンは、当該パターンを検査表面５２の後段の像において識別できるように透過光において符号化されている。透過光１０４は、レンズ開口３８を決定的に満たし、または完全に満たす。その後、楕円形の開口３８を通過する透射光１０４は、投影レンズ４０に入射する。投影レンズ４０は、レチクル３６のパターンの投影像を検査表面５２上に作成する。
【００９０】
投影レンズ４０を介して出射する光１０６の実質的に全ては、直角プリズム４２の短辺に入射する。次いで、光１０６は、直角プリズム４２の第１の短辺によって屈折してプリズムに入射し、その後、この光は、直角プリズム４２の斜辺に入射するようになる。直角プリズム４２の斜辺に入射する光は、全反射プロセスで反射され、直角プリズム４２の第２の短辺に反射され、その後、この光は、第２の短辺によって屈折してプリズム光１０８となる。
【００９１】
その後、プリズム光１０８は、この例においては投影光１１０を走査するためのＭＥＭＳミラー４６に入射する。ただし、投影光１１０が静止している他の例において静止ミラーを利用してもよい。プリズム光１０８は、ＭＥＭＳミラー４６を不完全に満たす。というのも、ＭＥＭＳミラー４６を外れた光があると、それがＭＥＭＳ装置４４に入射し、迷光として反射され、検査表面５２に投影されるレチクル像の質を劣化させるためである。開口３８は、プリズム光１０８がＭＥＭＳミラー４６を不完全に満たすことを確実なものとするようにサイズ設定され、位置付けられている。
【００９２】
この例では、投影光１１０が検査表面５２全体を走査し、この走査はＭＥＭＳミラー４６の回転によって行われる。投影光１１０の走査を行うため、走査管理コンピューティング装置８４は、Ｄ／Ａ変換器７９Ｖ及び７９Ｈの一方または両方に１つ以上のデジタル命令を発行する。次いで、これらのＤ／Ａ変換器は、垂直方向ＭＥＭＳミラードライバ８０Ｖ及び水平方向ＭＥＭＳミラードライバ８０Ｈの入力に送られるアナログ電子信号をそれぞれ出力する。これらのアナログ電子信号の変化により、垂直方向ＭＥＭＳミラードライバ８０Ｖ及び水平方向ＭＥＭＳミラードライバ８０Ｈの出力電圧がそれに応じて変化し、これらの出力電圧がＭＥＭＳ装置４４の静電アクチュエータに伝わるため、ＭＥＭＳミラー４６は、その電圧に従って当該ミラーの垂直軸及び水平軸の周りに回転する。このようにして、ＭＥＭＳミラー４６の角度方向を走査管理コンピューティング装置８４の制御下で変化させる。
【００９３】
ＭＥＭＳミラー４６は、静止したプリズム光１０８を反射して走査投影光１１０にする。次いで、投影光１１０は、第１の窓４８を通過し、続いて検査表面５２上の照明位置１１２の焦点に実質的に達する。すなわち、ＭＥＭＳミラー４６は、表面測定プロセス中、レチクル３６の投影パターンによって検査表面５２全体を走査させる。別の例において、投影光１１０は、走査を行わずに静止しており、レチクル３６の投影パターンも同様に空間に静止している（走査ヘッド３１も空間に静止しているものとする）。
【００９４】
直角プリズム４２を走査ヘッド３１の放射源アームから除外し、光１０６の異なる入射角に対応するようにＭＥＭＳ装置４４の角度位置を変えることが可能である。しかしながら、図１１に関連して後で明らかになるように、ＭＥＭＳミラー４６に対する入力光の入射をできる限り垂直にすることにより、検査表面５２において公称走査パターン幅を生じさせるためにＭＥＭＳミラー４６が受ける必要のある角度θの回転変動を抑制するようにすることが極めて望ましい。直角プリズム４２が含まれていることにより、光１０６は、上方に導かれ、ＭＥＭＳミラー４６に入射するときには垂直から数十度に過ぎない方向になる。直角プリズム４２がないと、ＭＥＭＳミラー４６に対する光の入射が垂直から７０°〜８０°となり、ＭＥＭＳミラー４６は、検査表面５２上で同一の走査範囲を得るために非常に大きい角度にわたって回転する必要がある。
【００９５】
この例において、レチクル３６のパターンは、図５Ｃに示した十字線パターンであるが、他のパターンのいずれを利用してもよい。検査表面５２が平面である場合、十字線パターンの像も、十字線の腕が直線であり、かつ歪んでいない十字線となる。実際には、この状況において、十字線の像は、レチクル３６の十字線の開口と基本的には同じであり、投影レンズ４０によって定められる光学系の拡大率によって変化するのみである。この拡大率は、単なる一例として、−０．４から−４．０までとすることができる。しかしながら、例えば、検査表面５２が逃げ溝９７である場合、投影された十字線の像は逃げ溝９７の曲率に従って歪む。図１７Ａ、１７Ｂ及び１７Ｃは、逃げ溝９７に投影された十字線の像である。図中、ＭＥＭＳミラー４６は、そのθ方向に−１．０°、０．０°及び１．０°回転した。図１７Ａ、１７Ｂ及び１７Ｃに示すように、十字線の水平弧は、検査表面５２の曲率に従って曲がっており、検査表面５２の曲率が大きくなるほど、水平十字線に存在する湾曲が大きくなる。実際には、十字線の曲率の程度を計算することにより、走査を行う必要なく検査表面５２の曲率の計算が可能となる。
【００９６】
検査表面５２上の照明位置１１２の光は、その後、反射光１１４として検査表面から反射される。反射光１１４の一部は、第２の窓５４に入射し、この窓を通過する。そこで、この光は、続いて第１のレンズ素子５６に入射することになる。次いで、第１のレンズ素子５６は、反射光を屈折させ、透過させて、続いてミラー５８に入射する光１１６にする。次いで、ミラー５８は、光軸６８に沿った実質的に縦の方向に光１１６を反射する。その後、この光は、続いて開口絞り６０に遭遇する。
【００９７】
この例において、ミラー５８は、４５度の角度で設けられ、配置されている。それにより、テレセントリックレンズの像の光は、９０度反射され、走査ヘッド３１の軸と実質的に平行な方向になる。このようにして、走査ヘッド３１がＺ軸にむやみに遠くに広がらず、被検査物５１の狭い凹部に適合できるように走査ヘッド３１を小さくコンパクトにすることができる。反射光１１８には、収差を多く含む光線及び非テレセントリックである光線を含む多種多様な光線が含まれる。開口絞り６０は、これらの望ましくない光線の大部分を遮断してそれらが画像センサ６６の後段の像平面に到達しないようにしており、従って、これらの望ましくない光線により、画像センサ６６上に形成される十字線の画質が劣化しない。
【００９８】
その後、開口絞り６０の開口を通過する光線１２０は、第２のレンズ素子６２に入射する。このレンズ素子は、光を再屈折させ、透過させて光束１２２を出力する。光束１２２は、ここではテレセントリックとすることもでき、光フィルタ６４に入射する。このフィルタは、光源３２によって放射される波長以外の波長を有する光束１２２の光線を遮断する。このようにして、第２の窓５４を介して走査ヘッド３１に入射する迷光、例えば、頭上の部屋照明は、光フィルタ６４によって実質的に遮断され、画像センサ６６の後段の像平面に到達しないようになる。従って、これらの望ましくない光線により、画像センサ６６上に形成される十字線の画質が劣化しない。
【００９９】
次いで、光フィルタ６４を通過する光束１２２の光線は、続いて画像センサ６６に入射する。その後、検査表面５２上に形成される十字線像の高品質な像が画像センサ６６上に形成される。次いで、画像センサ６６は、その入力面上に形成された光学像を像の電子的表現に変換してからそれを画像デジタイザ８２に出力し、この画像デジタイザは、続いてそれをデジタル形式に変換する。これは、その後、走査管理コンピューティング装置８４の入力に送られる。次いで、走査管理コンピューティング装置８４は、走査式測定方法の場合、十字線の腕が交差する位置を計算し、または非走査式測定方法の場合、十字線の腕の曲率を解析して検査表面５２の曲率を決定する。
【０１００】
走査の例として、走査管理コンピューティング装置８４は、（Ｄ／Ａ変換器７９Ｖ及び７９Ｈを介し、垂直方向ＭＥＭＳドライバ８０Ｖ及び水平方向ＭＥＭＳドライバ８０Ｈを介して）ＭＥＭＳミラー４６をその次の走査位置に回転させるために命令をここで与え、または、平行移動ステージ７６及び／もしくは回転ステージ７８を介して被検査物をその次の測定位置に移動させるために１つ以上の命令を与える。このステップアンドリピートプロセスは、被検査物５１の全ての検査表面５２が走査されるまで繰り返される。
【０１０１】
本技術の重要な構成要素は、画像センサ６６上の十字線の交差点の位置の情報及び走査用ＭＥＭＳミラー４６の角度方向の情報から検査表面５２上の３Ｄ検査点の位置を算出することである。次に、これについて図１１及び図１２を参照して説明する。
【０１０２】
図１１は、光線がＭＥＭＳミラー４６から反射するときの当該光線の形状を示す。特に注目されるのは、光１０８が直角プリズム４２を出射し、ＭＥＭＳミラー４６に入射することを表すベクトルＩ、ＭＥＭＳミラー４６の表面に垂直であるベクトルＮ、及び投影光１１０がＭＥＭＳミラー４６から反射されることを表すベクトルＲである。図１１においては、Ｘ軸に沿ったベクトルＮの方向余弦であるＡＮ、Ｙ軸に沿ったベクトルＮの方向余弦であるＢＮ、及びＺ軸に沿ったベクトルＮの方向余弦であるＣＮも定義される。図１１においては、ベクトルＩとベクトルＮの間の角度である角度α、ＭＥＭＳ装置４４の垂直軸の周りのＭＥＭＳミラー４６の回転角である角度θ（このミラーは、更にＺ軸からＹ軸の周りに回転する）、及びＹ軸の周りのＭＥＭＳミラー４６の回転であるφも定義される。
【０１０３】
ＭＥＭＳミラー４６の角度θ及びφは、ＭＥＭＳ装置４４の補正情報により、更には水平方向ドライバ８０Ｈ及び垂直方向ドライバ８０ＶによってＭＥＭＳ装置４４に印加された動作電圧の情報により、光学式スキャナ３０によって事前に知られている。この情報から、ＭＥＭＳミラー４６の法線ベクトルの方向余弦ＡＮ、ＢＮ及びＣＮを計算することができ、検査表面５２上の十字線の位置（すなわち、十字線像の各線が交差する箇所）を、画像センサ６６上の十字線の測定後の位置（すなわち、十字線像の各線が交差する箇所）からの入力を用いて計算することができる。
【０１０４】
ベクトルＩは方向余弦ＡＩ、ＢＩ及びＣＩを有し、ベクトルＲは方向余弦ＡＲ、ＢＲ及びＣＲを有することに注意されたい。ベクトルＩは、ＭＥＭＳミラー４６に対する光線の入射を表しており、実質的にＸ−Ｚ平面にあるため、ＢＩはゼロであり、以下の解析において考察から除くものとする。ベクトルＩがＺ軸となす角度（通常は１０°）をφＩが表す場合、ＡＩ＝ｓｉｎ（φＩ）であり、ＣＩ＝ｃｏｓ（φＩ）である。座標系の原点は、ベクトルＩ、Ｎ及びＲがＭＥＭＳミラー４６の中心と交差する箇所であることに注意されたい。また、ベクトルＩの大きさが１．０であり、ベクトルＮ及びＲの大きさも同様に１．０であることにも注意されたい。検査によって、ベクトルＮの方向余弦は、ＡＮ＝ｃｏｓ（θ）ｓｉｎ（φ）、ＢＮ＝ｓｉｎ（θ）及びＣＮ＝−ｃｏｓ（θ）ｓｉｎ（φ）となる。
【０１０５】
解析のこの時点で、ベクトルＩ及びベクトルＮの成分は既知であり、ベクトルＲの成分を決定しなければならない。ベクトルＲには、その計算を規定する以下の２つの制約がある。１）ベクトルＩとベクトルＮの間の角度αは、ベクトルＮとベクトルＲの間の角度と同一でなければならない。換言すれば、それらの内積は同一でなければならない。すなわち、Ｉ・Ｎ＝Ｎ・Ｒである。第二に、３つのベクトルＩ、Ｎ及びＲの全ては、同一の幾何学的平面内になければならない。この幾何学的平面は、その法線ベクトルＰによって定義され、このベクトルは、任意の２つのベクトルの外積によって知ることができる。換言すれば、ベクトルＰ＝Ｉ×Ｎであり、Ｐ＝Ｎ×Ｒであり、従ってＩ×Ｎ＝Ｎ×Ｒである。内積の式Ｉ・Ｎ＝Ｎ・Ｒを書き直すと、ベクトルの成分に関して、ＡＩＡＮ＋ＣＩＣＮ＝ＡＲＡＮ＋ＢＲＢＮ＋ＣＲＣＮが得られる。ＣＲについて解くと、ＣＲ＝（ＡＩＡＮ＋ＣＩＣＮ−ＡＲＡＮ−ＢＲＢＮ）／ＣＮとなる。Ｐ＝Ｎ×ＲからベクトルＰの各成分は、ＡＰ＝ＢＮＣＲ−ＢＲＣＮ、ＢＰ＝ＡＲＣＮ−ＡＮＣＲ及びＣＰ＝ＡＮＢＲ−ＡＲＢＮとなる。同様に、Ｐ＝Ｉ×ＮからベクトルＰの各成分は、ＡＰ＝−ＢＮＣＩ、ＢＰ＝ＡＮＣＩ−ＡＩＣＮ及びＣＰ＝ＡＩＢＮとなる。２つの異なる外積から分かったＰの３つの成分は同一でなければならないことに注意されたい。２つのＣＰの式を等しく置くと、ＡＮＢＲ−ＡＲＢＮ＝ＡＩＢＮが得られ、そこからＡＲ＝（ＡＮＢＲ−ＡＩＢＮ）／ＢＮとなる。同様に、２つのＡＰの式を等しく置くと、ＡＰ＝ＢＮＣＲ−ＢＲＣＮ＝−ＢＮＣＩが得られ、そこからＢＲ＝（ＢＮＣＩ＋ＢＮＣＲ）／ＣＮとなる。
【０１０６】
ＡＲ及びＢＲの各式をＣＲに挿入して簡単にすると、ＣＲ＝ＡＩＡＮＣＮ＋ＣＩＣＮ２−ＡＮ２ＣＩ＋ＡＮＡＩＣＮ−ＢＮ２ＣＩが得られる。次いで、この結果をＢＲの式に挿入することができ、その結果をＡＲの式に挿入してベクトルＲのこれらの最終的な２つの成分を知ることができる。
【０１０７】
次に図１２を参照すると、この図は、走査ヘッド３１における撮像アームの断面表現であるが、折り返しミラー５８の除去によって簡素化されており、画像センサ２６６、検査表面２５２及び代表的な光線を示す。この光線は、検査表面２５２上の物体位置２７０で始まる物体空間側光線２７２、開口絞り２５９の開口２６０を通過する内部光線２７４、及び像位置２７８において画像センサ２６６に入射する像光線２７６からなる。レンズが物体空間においてテレセントリックであるため、物体光線２７２はレンズ軸２６８と実質的に平行であることに注意されたい。また、レンズが像空間においてテレセントリックであるため、像光線２７６はレンズ軸２６８と実質的に平行であることにも注意されたい。
【０１０８】
動作中、画像センサ２６６が読み出され、像位置２７８の座標（ＸＩ、ＹＩ）を見出すために走査管理コンピューティング装置８４によって画像が処理される。次いで、撮像アームレンズの既知の拡大率Ｍから物体位置２７０の座標（ＸＯ、ＹＯ）：ＸＯ＝ＸＩ／Ｍ及びＹＯ＝ＹＯ／Ｍを見出すのは簡単なことである。位置（ＸＯ、ＹＯ）は、１）投影十字線の２本の線が交差する箇所であり、２）図１１のベクトルＲが検査表面２５２または５２と交差する箇所であることに注意されたい。良好に補正されたシステムにおいて、座標ＸＩとＸＯの両方は、座標系の原点に対して正確に知られている。ＸＯを知ることにより、ベクトルＲの実際の長さを算出することが可能となるが、これは、ベクトルＲが位置２７０で終わっているためである。この長さは、ＬＲ＝（ＸＯ−０．０）／ＡＲである。ＺＯ＝ＣＲＬＲであるため、ここから、物体位置２７０の３Ｄ位置のうち、最終的な未知の座標ＺＯを見出すのは簡単なことである。
【０１０９】
検査表面５２または２５２の３Ｄ走査中、ＭＥＭＳミラー４６がこれに印加された動作電圧に応答して回転する場合、上記の数値演算を適用して走査の各位置について物体位置２７０を計算しなければならない。すなわち、ＭＥＭＳミラー４６の各走査位置について、ＭＥＭＳミラー４６の法線ベクトルＮの成分ＡＮ、ＢＮ、ＣＮを計算し、反射され、投影された光１１０の成分ＡＲ、ＢＲ、ＣＲを計算し、画像センサ６６または２６６上の十字線の位置（ＸＩ、ＹＩ）を計算し、その後、検査表面５２上の３Ｄ位置の座標（ＸＯ、ＹＯ）を計算し、反射された投影光１１０のビームの長さを計算しなければならず、そこから、検査表面５２上の３Ｄ位置の座標ＺＯを計算する。
【０１１０】
あるいは、ＭＥＭＳミラー４６を固定された静止ミラーと交換し、走査ヘッド３１に対して検査表面２５２または５２を移動させることによって走査を行う場合、この例において、この走査ヘッドは静止しており、上記の数学的プロセスは単純化される。これは、ベクトルＮの方向余弦が走査プロセス中に変化しないためである。この場合、検査表面２５２または５２の各位置について、画像センサ６６または２６６上の十字線の位置（ＸＩ、ＹＩ）を計算し、その後、検査表面２５２または５２上の３Ｄ位置の座標（ＸＯ、ＹＯ）を計算し、反射された投影光１１０のビームの長さを計算しなければならず、そこから、検査表面２５２または５２上の３Ｄ位置の座標ＺＯを計算する。
【０１１１】
しかしながら、走査ヘッド３１が３Ｄ走査の一部として移動する場合、検査表面５２が移動するかどうかに関わらず、光学ヘッドを出射する投影光１１０のビームの方向比ＡＥ、ＢＥ、ＣＥを計算しなければならない。すなわち、光学ヘッド３１の各走査位置について、投影光１１０のビームの成分ＡＥ、ＢＥ、ＣＥを計算し、画像センサ６６または２６６上の十字線の位置（ＸＩ、ＹＩ）を計算し、その後、検査表面５２上の３Ｄ位置の座標（ＸＯ、ＹＯ）座標を計算し、出射する投影光１１０の長さを計算しなければならず、そこから、検査表面５２上の３Ｄ位置の座標ＺＯを計算する。
【０１１２】
最後に、検査表面５２の３Ｄ形状測定中に走査が行われない場合、上記のベクトル演算を行う必要はない。というのも、画像センサ６６上の（レチクル３６のパターンと比較した）像の偏差に検査表面５２の表面形状が本質的に含まれるためである。
【０１１３】
上述したように、テレセントリックレンズを良好に補正した場合、上記演算は、物体位置（ＸＯ、ＹＯ、ＺＯ）の正確な予測を提供するのみである。特に、走査管理コンピューティング装置８４上で実行される画像処理ソフトウェアによって像位置（ＸＩ、ＹＩ）を正確に計算することができるが、ＸＯ＝ＸＩ／Ｍ及びＹＯ＝ＹＩ／Ｍの正確な値を見出すには、拡大率Ｍが、正確に分かっており、テレセントリックレンズの視野全体で変化せず、更にテレセントリックレンズと検査表面５２の間の距離によって変化もしないことが前提となる。
【０１１４】
しかしながら、全般的に、拡大率は、テレセントリックレンズの「設計拡大率」とはわずかに異なり、拡大率は、光学歪み（例えば、除去できない樽型もしくは糸巻型歪み、またはそれらの組み合わせ）のためにテレセントリックレンズの視野全体で変化し、拡大率は、検査表面５２とテレセントリックレンズの間の距離に従ってわずかに変化する（すなわち、テレセントリックレンズは、その動作範囲または被写界深度にわたり、物体空間において除去できない非テレセントリック挙動を呈する）。幸いにも、拡大率のこれらの変化の全ては、後述するようにマイクロディスプレイ系補正装置によって量子化することができ、それらの影響は、（ＸＯ、ＹＯ）を（ＸＩ、ＹＩ）から計算するときに打ち消される。
【０１１５】
テレセントリックレンズの拡大率をその視野及び被写界深度にわたって補正するため、走査ヘッド３１は、ピクセル化されたディスプレイ１３２の像が画像センサ６６の実質的に中心に配置されるようにマイクロディスプレイ１３０上に配置され、走査ヘッド３１とピクセル化されたディスプレイ１３２との間の距離は、その実用被写界深度の最も外側の範囲にある。補正プロセスの開始時において、ピクセル化されたディスプレイ１３２の画素ピッチは、例えば、座標測定機（ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｍａｃｈｉｎｅ：ＣＭＭ）を用いた、当該ディスプレイの製造方法によって、または直接測定によって周知であることに注意されたい。
【０１１６】
次に、小さい四角の四隅にある同一グループの画素（画像センサ６６上のその像を図１５Ａに示す）などの、画素の既知のパターンをピクセル化されたディスプレイ１３２に呼び出し、４つの有効なグループのそれぞれの拡大率を、走査管理コンピューティング装置８４上で実行中のソフトウェアによって算出し、拡大率の値を後で処理できるように記憶する。
【０１１７】
次に、中型の四角の四隅にある同一グループの画素（画像センサ６６上のその像を図１５Ｂに示す）などの、画素の別の既知のパターンをピクセル化されたディスプレイ１３２に呼び出し、４つの有効なグループのそれぞれの拡大率を算出し、後で処理できるように記憶する。
【０１１８】
最後に、大きい四角の四隅にある同一グループの画素（画像センサ６６上のその像を図１５Ｃに示す）などの、画素の別の既知のパターンをピクセル化されたディスプレイ１３２に呼び出し、４つの有効なグループのそれぞれの拡大率を算出し、後で処理できるように記憶する。補正中のレンズの歪み及び非テレセントリシティ特性がレンズの軸に関して略対称であるため、レンズの歪み及び非テレセントリシティ特性を、補間を使用することにより、全ての物体平面にわたって−この物体距離において−ここで決定することができる。
【０１１９】
次に、２００μｍなどのわずかな量だけ走査ヘッド３１を下げることにより、走査ヘッド３１とマイクロディスプレイ１３０の間の距離が短くなる。ピクセル化されたディスプレイ１３２上に３つの異なる大きさのドットパターンを表示するプロセスを繰り返し、この物体平面の位置におけるレンズの拡大率の変化を再度測定し、後で使用できるように記憶する。レンズとマイクロディスプレイ１３０の距離を短くする（更にはドットを表示し、拡大率を測定する）プロセスを、テレセントリックレンズの実用被写界深度の最も内側の範囲に対応する、走査ヘッド３１とピクセル化されたディスプレイ１３２との間の距離を上限として拡大率が特徴付けられるまで繰り返す。この補正プロセスが完了した時、レンズの正確な拡大率は、その全ての視野にわたって、かつその全ての焦点深度にわたって（離散的な標本点間の補間を使用することにより）既知となっている。次いで、補正済みの拡大率データを、上述したような（ＸＩ、ＹＩ）からの（ＸＯ、ＹＯ、ＺＯ）の決定に適用する。ただし、他の補正方法を利用してもよい。
【０１２０】
従って、本技術により、クランクシャフトまたはカムシャフトなどの複雑な物体に対して非常に正確な３Ｄマップを形成することができる。スキャナの精度は、５μｍまたはそれよりも良好とすることができる。被検査物の表面は、毎秒１ｃｍ２の速度で測定することができる。標本点密度は、１０，０００点／ｃｍ２とすることができる。この密度は、測定中の物体上で走査距離１００μｍ毎の標本に対応する。
【０１２１】
このように本発明の基本概念を説明してきたが、前述の詳細な開示が、単なる一例として提示されるように意図され、限定されるものではないことは当業者にとってむしろ明らかであろう。本明細書において明示的に述べられてはいないが、各種の変更、改良及び修正が行われ、当業者に想起されよう。これらの変更、改良及び修正は、ここに示唆されるように意図され、本発明の思想及び範囲内に含まれる。従って、本発明は、以下の特許請求の範囲及びそれとの均等物によってのみ限定される。
【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５−１】
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【図５−２】
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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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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