(57)【要約】【課題】三次元座標測定機（ＣＭＭ）用の交換可能なクロマティックレンジセンサ（ＣＲＳ）プローブを提供すること。【解決手段】ＣＲＳプローブは、プログラム制御で自動的にＣＭＭに接続される。ＣＲＳプローブに標準的なＣＭＭ自動交換ジョイントとの互換性を持たせるため、すべてのＣＲＳ測定光の送信および受信素子（例えば、光源、波長検出器、光学ペンなど）をＣＲＳプローブ本体に内蔵した。また、ＣＲＳプローブ本体は、標準的な自動交換ジョイント接続機構を通してＣＭＭに取り付け可能な自動交換ジョイント要素を含む。標準的なＣＭＭ自動交換ジョイントとの接続について限られたポート数（例えば、１３本のピン）を使って必要な信号を提供するために、低電圧差動信号（ＬＶＤＳ）シリアル変換器は、２つの信号線で追加制御信号とデータ信号を提供する場合に利用できる。【選択図】      図３Ａ
2013246172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元座標測定機のプローブヘッドにプログラム制御で自動接続可能なクロマティックレンジセンサ（ＣＲＳ）のプローブ装置であって、
ＣＲＳプローブ本体と、
前記ＣＲＳプローブ本体に固定されて前記三次元座標測定機のプローブヘッドに対して着脱自在な自動交換ジョイント要素と、を備え、
前記ＣＲＳプローブ本体は、
色分散光学部材を含んだ共焦点光学系を内蔵し、ワークの被測定面に近づけた状態で、前記光学系の測定軸に沿ってペン先からの異なる距離においてそれぞれ異なる波長光の焦点が合うように構成された光学ペンと、
前記自動交換ジョイント要素を通じて電力を受け、このＣＲＳプローブ本体に必要な光、すなわち前記光学ペンに送る波長域の入力スペクトルプロフィルを持つ光を発生する光源と、
前記波長域の光を受けて出力スペクトルプロフィルデータを提供するために検出軸に沿って配置された複数画素を含んだＣＲＳ波長検出器と、を有し、
前記自動交換ジョイント要素を通して、前記光源およびＣＲＳ波長検出器への電源及び制御信号を受けるように構成され、
前記ＣＲＳプローブ本体が前記自動交換ジョイント要素を介して前記三次元座標測定機のプローブヘッドに取り付けられて、かつ、前記光学ペンがワーク表面に対して測定可能な位置に配置され、そして光源が光を発生した場合に、
前記光学ペンが、光源からの入力スペクトルプロフィルに応じた照射光を内蔵した前記共焦点光学系を通じてワーク表面へ出力し、さらに前記共焦点光学系を通じて前記ワーク表面からの反射光を受けて前記ＣＲＳ波長検出器へ出力することによって、前記光学ペンから前記ＣＲＳ波長検出器に出力スペクトルプロフィルが供給されるように前記ＣＲＳプローブ本体が構成されており、
前記出力スペクトルプロフィルは、前記光学ペンから前記ワーク表面までの測定距離に対応した波長ピークを示す距離依存型プロフィル成分を含んでおり、この出力スペクトルプロフィルに対応した出力スペクトルプロフィルデータが、前記ＣＲＳ波長検出器から出力され、このようにして、前記ＣＲＳプローブ本体が前記出力スペクトルプロフィルデータに基づく前記光学ペンおよび前記ワーク表面間の測定距離情報を含んだ測定信号を提供することを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項２】
請求項１記載のプローブ装置において、前記ＣＲＳ波長検出器からの出力スペクトルプロフィルデータは、前記ＣＲＳ波長検出器の検出軸に沿って配置された複数画素の各検出値を合わせて形成されることを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項３】
請求項２記載のプローブ装置において、
前記測定信号は、前記自動交換ジョイント要素の少なくとも１つの導体上を流れてプローブ信号処理制御回路に入り、
前記プローブ信号処理制御回路は、前記測定信号に含まれる出力スペクトルプロフィルデータに基づいて前記測定距離を決定することを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項４】
請求項３記載のプローブ装置において、
前記測定信号は、前記自動交換ジョイント要素に含まれた保護層付き同軸ケーブルを通じて送信されることを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項５】
請求項１記載のプローブ装置において、前記ＣＲＳプローブ本体は、さらに、前記三次元座標測定機およびプローブ信号処理制御回路の少なくとも一方に出力されるプローブ識別データを提供する識別素子を有することを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項６】
請求項１記載のプローブ装置において、前記ＣＲＳプローブ本体は、さらに、当該ＣＲＳプローブ本体用の校正データ及び補償データのうちの少なくとも１つを記憶する記憶部を有することを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項７】
請求項１記載のプローブ装置において、前記ＣＲＳプローブ本体用の校正データか補償データのうちの少なくとも１つは、前記ＣＲＳプローブ本体からの測定信号を受信する前記三次元座標測定機及びプローブ信号処理制御回路のうちの少なくとも一方に格納されていることを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項８】
請求項１記載のプローブ装置において、前記光学ペンの質量中心は、前記ＣＲＳプローブ本体の質量中心と自動交換ジョイント要素の質量中心によって定義された１つの軸上又はその付近に配置されていることを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項９】
請求項１記載のプローブ装置は、前記光学ペンの中心軸（ＣＡＯＰ）が自動交換ジョイント要素の中心軸（ＣＡＪ）と同軸になるように、光学ペンが自動交換ジョイント要素に対して相対的な位置に取り付けられ、これによって、前記三次元座標測定機がその中心軸周りに自動交換ジョイント要素を回転させた際に、その回転によって前記光学ペンの中心軸が実質的に横方向に運動しないで、前記光学ペンがその中心軸周りを回転するように、前記ＣＲＳプローブ本体が構成されていることを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項１０】
請求項１記載のプローブ装置において、前記光学ペンは、前記色分散光学部材を有した交換可能光学機構と、前記交換可能光学機構を受け取って当該光学機構を一定の位置関係で保持する光学ペンベース部材と、を含むことを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項１１】
請求項１０記載のプローブ装置において、
前記光学ペンベース部材は、繰返し高速交換可能な交換マウントの第１の片側部材、および、前記光源と前記波長検出器に接続される光ファイバー端部、を内蔵する筐体を含み、
前記光ファイバー端部は、前記第１の片側部材に対して一定の位置関係で固定された共焦点アパーチャー付近に配置されていることを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項１２】
請求項１１記載のプローブ装置において、前記第１の片側部材は、前記共焦点アパーチャーを囲んでいることを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項１３】
請求項１１記載のプローブ装置において、
前記交換可能光学機構は、前記交換マウントの第２の片側部材と、前記第２の片側部材に対して一定の位置関係に配置されて前記色分散光学部材を含む光学アセンブリと、を含み、
前記光学アセンブリは、ワーク表面からの測定光を受けるとともに、当該測定光を前記共焦点アパーチャーに戻すように構成され、測定軸に沿ったそれぞれの測定範囲の測定光についての軸方向色分散光を供給することを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項１４】
請求項１３記載のプローブ装置において、前記第２の片側部材は、プログラム制御下で、前記第１の片側部材に対して自動的に接続と切り離しができるように構成されていることを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項１５】
請求項１４記載のプローブ装置において、前記第２の片側部材は、前記第１の片側部材に対して、第１および第２の片側部材のいずれか一方または両方に取り付けられた永久磁石の磁力によって取り付けられることを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項１６】
請求項１記載のプローブ装置において、
前記プローブヘッドから見て前記ＣＲＳプローブ本体の遠方端部に、前記光学ペンが取り付けられていることを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項１７】
請求項１６記載のプローブ装置において、前記ＣＲＳプローブ本体は、
前記自動交換ジョイント要素に取り付けられたプローブベース部材と、
前記プローブベース部材と結合した波長検出器取付部材と、
前記プローブベース部材と結合して、波長検出器を移動させずに前記光学ペンを移動できる光学ペン取付部材と、含むことを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項１８】
請求項１７記載のプローブ装置において、前記光学ペン取付部材は、前記光学ペンベース部材から見て前記ＣＲＳプローブ本体の遠方端部に向けて延びた中空管によって構成されていることを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項１９】
請求項１記載のプローブ装置において、前記自動交換ジョイント要素での２つの接続ポートを通じて、３以上の異なった信号を供給するための低電圧差動信号（ＬＶＤＳ）のシリアル変換器を備えることを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【請求項２０】
請求項１記載のプローブ装置において、当該ＣＲＳプローブ装置の測定位置決め動作を前記三次元座標測定機の測定位置決め動作と同期させるためのＸＹＺラッチ信号を備えることを特徴とするＣＲＳプローブ装置。
【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、特に三次元座標測定機用のプローブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある種類の三次元座標測定機は、ワーク表面をプローブでスキャンし、スキャン後に、ワークの三次元プロフィルを算出する。ある種類の走査プローブは、ワーク表面に沿った様々なポイントに対して、プローブを機械的に接触させることによって、ワークを直接測定する。多くの場合、機械的接触はボールによる。
【０００３】
他の三次元座標測定機は、ワーク表面と非接触でワークを測定する光プローブを利用する。ある光プローブ(例えば、三角測距プローブ)は、ワーク表面のポイント測定に光を利用する。そして、光プローブは、ワーク表面の二次元（２Ｄ）断面の画像処理用（イメージング用）のビデオカメラ（例えば、ステレオビジョンシステム、または、構造化された光システム）を併せ持っている。あるシステムは、ワークの幾何学的部分の座標を画像処理ソフトウェアで決定している。
【０００４】
また、光学測定検出器と機械的測定検出器の両方を使用する「複合型の」三次元座標測定機も知られている。そのような測定機の１つが、特許文献１に記載されており、その測定機は２個のスピンドルを持っている。一方のスピンドルは、機械式接触プローブを運ぶためのものであり、他方のスピンドルは、ビデオカメラを保持するためのものである。このビデオカメラの光路は、レーザプローブがＺ軸すなわちビデオカメラの光軸に沿ってビデオカメラと同時に測定できるように、設定されている。
【０００５】
特許文献２には、光学三次元座標測定機が記載されており、その測定機の光学的接触プローブは、標準的プローブの接触子の遠方端を第１ターゲットに設定している。標準的なプローブがビデオカメラに取り付けられ、ビデオカメラがそのカメラ上のターゲットをイメージングする。Ｘ−Ｙ座標系でのターゲットの移動および位置は、その測定機のコンピュータ画像処理装置に表示される。第２ターゲットは、プローブの近接端に取り付けられており、Ｚ座標の移動および位置を表示する。第２ターゲットは、光検出器を覆い隠すかもしれないが、Ｘ−Ｙ平面に平行な光ビームによって、そのカメラ上に同焦点を結ぶことができる。ここで、２つの第２ターゲットは、Ｘ−Ｙ平面に平行、かつ互いに直交するビームに照らされることができる。そして、スタープローブ（star probes）を使用するとき、Ｚ軸周りの回転は、コンピュータによって計算される。また、複数のプローブ、プローブホルダー、および、カメラへの選択的な取付用の複数レンズをそれぞれ保持するための自動交換ラックが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４，９０８，９５１号公報
【特許文献２】米国特許第５，８２５，６６６号公報
【特許文献３】米国特許第７，８７６，４５６号公報
【特許文献４】米国特許第７，９９０，５２２号公報
【特許文献５】米国特許公開２０１２００５０７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
種々の「プローブヘッド」に含まれている自動交換ジョイント接続機構(単に、自動ジョイントとも呼ぶ)によって、三次元座標測定機に対して測定プローブが頻繁に互換性を持って取り付けられている。現在のところ、レニショー（商標）のプローブヘッドは、この産業界で特定のアプリケーションとして最も一般的に使用されている。これらのプローブヘッドは、英国グロスターシアにあるレニショー計量株式会社によって製造されている。レニショータイプのプローブヘッドシステムは、この産業界で最も一般的に使用されているが、ある特定の技術については、これをレニショータイプのシステムに組み入れることが容易ではないことが分かってきた。その上、既存のレニショータイプのプローブヘッドシステムを、これよりも高度な性能を備えたシステムにアップグレードする試みは、多大な費用、及び/又は、不便さを伴ってしまう。例えば、レニショータイプのプローブヘッドシステムに接続（インターフェース）できるように構成された他のタイプのプローブを用いた場合、レニショータイプのプローブヘッドシステムに適合しているはずの特定の技術が、その他のタイプのプローブに対しては、発揮できなくなる。例えば、人の介入のない測定機制御下での交換機能のような自動交換機能を優先するがために、本来の望ましい特徴、望ましいレベルの制御性、及び/又は、処理能力を欠いてしまう。
【０００８】
発明者らは、レニショータイプのプローブヘッドシステム又は同様のシステムの使用に関する特定の問題は、その自動交換ジョイントにおいて、測定機とプローブ間での既存のデータ接続及び制御信号接続用の信号線の本数が限定されていることや、光ファイバーや光学経路による接続を用いていないことが原因だと考えた。このことは、プローブヘッドシステム用として、取り付けられ、及び/又は、交換されるプローブに対して、新たな技術及び/又は特徴を付加することを事実上困難にする「ボトルネック」になっている。特に、レニショータイプのプローブヘッドシステム又は同様のものを使用する場合、既存のクロマティックレンジセンサを取り付けること、及び/又は、交換することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、三次元座標測定機(ＣＭＭ)用の交換可能なクロマティックレンジセンサ（ＣＲＳ）プローブ装置を提供する。本発明の一面によると、ＣＲＳプローブ装置は、プログラム制御でＣＭＭに自動的に接続できるようになっている。すなわち、本発明に係る一実施形態では、標準的なＣＭＭ自動交換ジョイント（例えば、限定された数の導体接続数を含むが、光ファイバー接続には対応していないジョイントなど）との互換性を持たせるため、ＣＲＳ測定光の全ての送信素子および受信素子（例えば、光源、波長検出器、光学ペンなど）をＣＲＳプローブ本体に含めている。
【００１０】
本発明の他の側面は、ＣＲＳプローブ装置が自動交換ジョイント要素とＣＲＳプローブ本体を含むことである。この自動交換ジョイント要素は、標準的な自動交換ジョイント接続機構を利用してＣＭＭに取り付けられる。自動交換ジョイント素子を介したＣＭＭへの自動接続ができるように、ＣＲＳプローブ本体には自動交換ジョイント要素が取り付けられる。
【００１１】
本発明の他の側面は、ＣＲＳプローブ本体が、光学ペン、光源、および、ＣＲＳ波長検出器を含んでいることである。この光学ペンは、色分散光学部材を有した共焦点光学系を含み、光学系の測定軸に沿ったワークの被測定面付近でのペン先からの異なる距離においてそれぞれ異なる波長光が焦点を結ぶように、構成されている。また、光源は、自動交換ジョイント要素を通じた電力を受けて、ＣＲＳプローブ本体に必要な光を発生し、そして、その光は光学ペンに送られる波長光の入力スペクトルプロフィルを持っている。ＣＲＳ波長検出器は、その検出軸に沿って狭い間隔で分布した複数画素（すなわち、狭い間隔で配置された光検出素子）を備え、これらの複数画素が、被測定面を反射して共焦点光学系に戻ってきたそれぞれの波長光を受けて、出力スペクトルプロフィルデータを提供する。
【００１２】
本発明の他の側面は、ＣＲＳプローブ本体が、自動交換ジョイント接続機構を通して電源と制御信号を受けるように構成されていることである。具体的にはＣＲＳプローブ本体は、以下のように構成されている。つまり、自動交換ジョイント要素がＣＭＭに取り付けられ、光学ペンが測定動作を実行可能なワーク表面に対する位置に配置され、そして、光源が光を発生した際に、入力スペクトルプロフィルを持った光源光を受けた光学ペンが、これに応じた照射光を共焦点光学系を通じてワーク表面に出力し、さらに共焦点光学系を通してワーク表面からの反射光を受ける。そして、出力スペクトルプロフィルを供給するためにその反射光をＣＲＳ波長検出器に出力するように、ＣＲＳプローブ本体が構成されている。
出力スペクトルプロフィルは、光学ペンからワーク表面まで測定距離を示す波長ピークを持った距離依存型プロフィル成分を含んでいる。そして、ＣＲＳ波長検出器が、対応する出力スペクトルプロフィルデータを提供する。ＣＲＳプローブ本体は、出力スペクトルプロフィルデータに基づく測定信号を出力するように構成され、その測定信号はワーク表面までの測定距離を示している。様々な実施形態では、測定信号は自動交換ジョイント要素の少なくとも１本の導体を流れる。複数の実施形態では、信号の一部又は全部が無線送信されて、プローブ自動ジョイント接続機構を迂回するようにしてもよい。以上のように、ＣＲＳプローブ本体の自己収容動作、および／または、自動交換動作を可能にする構成によって、当該ＣＲＳプローブ装置が、測定光の発生およびワークからの反射光の処理をＣＲＳプローブ本体の中でできるようになった。
【００１３】
本発明の他の側面は、測定信号が、ＣＲＳ波長検出器の複数画素からの出力スペクトルプロフィルデータを含むことである。本発明の一態様として、測定信号が自動交換ジョイントの保護層付き同軸ケーブルを通して送信され、また、自動交換ジョイント要素を通してその測定信号が、出力スペクトルプロフィルデータに基づいて測定距離を決定するプローブ信号処理制御回路に受信されるようにしてもよい。
【００１４】
本発明の他の側面は、ＣＲＳプローブ本体が、さらに、自動交換ジョイント要素を通して、ＣＭＭおよびプローブ信号処理制御回路の少なくとも一方に出力されるＣＲＳプローブ本体用識別データを提供する識別素子を有することである。本発明の一態様として、ＣＲＳプローブ本体は、さらに、当該ＣＲＳプローブ本体用の校正データ及び補償データのうちの少なくとも１つを記憶する記憶部を有することである。本発明の他の態様として、ＣＲＳプローブ本体用の校正データか補償データのうちの少なくとも１つが、ＣＲＳプローブ本体の外部に記憶されていることである。例えば、自動交換ジョイント要素を通じてＣＲＳプローブ本体からの測定信号を受信するＣＭＭ及びプローブ信号処理制御回路のうちの少なくとも一方に記憶されている。
【００１５】
本発明の他の側面は、光学ペンの質量中心が、ＣＲＳプローブ本体の質量中心と自動交換ジョイント要素の質量中心によって定義された１つの軸上又はその付近に配置されていることである。本発明の一態様として、光学ペンの中心軸が自動交換ジョイント要素の中心軸と同軸になるように、光学ペンが自動交換ジョイント要素に対して相対的な位置に取り付けられていることである。これによって、ＣＭＭがその中心軸周りに自動交換ジョイント要素を回転させた際に、その回転によって光学ペンの中心軸が横方向には実質的に運動しないで、その中心軸周りを回転するようになっている。ここで、プローブの測定光を光学ペンの中心軸に向けた状態での測定においては、自動交換ジョイント要素の中心軸を、ＣＲＳプローブが決定した測定距離の基準軸とみなすことが好ましい。
【００１６】
本発明の他の側面は、光学ペンが、色分散光学部材を有した交換可能光学機構と、その交換可能光学機構を受け取って当該光学機構を一定の位置関係で保持する光学ペンベース部材と、を含むことである。本発明の一態様として、光学ペンベース部材は、繰返し高速交換可能な交換マウントの第１の片側部材、および、光源と波長検出器に接続される光ファイバー端部、を内蔵する筐体を含む。ここで、光ファイバー端部は、第１の片側部材に対して一定の位置関係で固定された共焦点アパーチャー付近に配置されている。また、第１の片側部材は、共焦点アパーチャーを囲んでいることが好ましい。交換可能光学機構は、交換マウントの第２の片側部材と、この第２の片側部材に対して一定の位置関係に配置されて色分散光学部材を含んでいる光学アセンブリと、を含む。光学アセンブリは、ワーク表面からの測定光を受けるとともに、当該測定光を共焦点アパーチャーに戻すように構成され、測定軸に沿ったそれぞれの測定範囲の測定光についての軸方向色分散光を供給する。また、交換マウントの第２の片側部材は、プログラム制御下で、第１の片側部材に対して自動的に接続と切り離しができるように構成されている。第２の片側部材は、第１の片側部材に対して、第１および第２の片側部材のいずれか一方または両方に取り付けられた永久磁石の磁力によって取り付けられる。
【００１７】
本発明の他の側面は、プローブヘッドから見てＣＲＳプローブ本体の遠方端部に、光学ペンが取り付けられていることである。本発明の一態様として、ＣＲＳプローブ本体は、自動交換ジョイント要素に取り付けられたプローブベース部材と、このプローブベース部材と結合した波長検出器取付部材と、プローブベース部材と結合した光学ペンマウント部材とを含み、波長検出器を移動させないで光学ペンを移動させるようになっている。複数の実施形態では、光学ペン取付部材は、光学ペンベース部材から見てＣＲＳプローブ本体の遠方端部に向けて延びた中空管によって構成されている。
【００１８】
本発明の他の側面は、ＣＲＳプローブ本体用の自動交換ジョイント要素のポート数が、既存システムと一致していることである。例えば、既存のレニショータイプのシステムには、標準的なピン数（例えば、１３本のピン）の接続ポートを有する。このように標準的な接続機構を有した自動ジョイント機構を提供することによって、ＣＲＳプローブ装置を既存システムに一層容易に用いることができる。
【００１９】
本発明の他の側面は、ＣＲＳプローブ装置が、自動交換ジョイント要素での２つの接続ポートを通じて、３以上の異なった信号を供給するための低電圧差動信号（ＬＶＤＳ）のシリアル変換器を備えることである。また、ＣＲＳプローブ装置の測定位置決め動作をＣＭＭの測定位置決め動作と同期させるためのＸＹＺラッチ信号を備えることである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る光学ペンを有した代表的なＣＲＳシステムのブロック図である。
【図２】三次元座標測定機、光学ペンを含むＣＲＳプローブ、コントローラ及びユーザインターフェースを備えた三次元座標測定システムのブロック図である。
【図３Ａ】図２のＣＲＳプローブであって、本発明の第1実施形態に係るＣＲＳプローブの内部構造を示すブロック図である。
【図３Ｂ】図２のＣＲＳプローブであって、本発明の第1実施形態に係るＣＲＳプローブの内部構造を示すブロック図である。
【図４Ａ】図３Ａ,３Ｂの交換マウントおよび交換可能光学機構を含む、光学ペンの構造を示すブロック図である。
【図４Ｂ】図３Ａ,３Ｂの交換マウントおよび交換可能光学機構を含む、光学ペンの構造を示すブロック図である。
【図５】図２のプローブコントローラの構造を示すブロック図である。
【図６】図２のプローブデータケーブルの断面図である。
【図７】図６の自動ジョイント接続機構の接続ピンおよびケーブルを使った一実施形態の接続及び／又は信号の一覧表である。
【図８】図２のＣＲＳプローブであって、本発明の第２実施形態に係るＣＲＳプローブに使用する光学系を示し、ＣＲＳプローブ装置で使用する測定光がファイバーではなく自由空間内の光学部材を通って進行することを示すブロック図である。
【図９】ＣＭＭ上に交換可能なＣＲＳプローブ装置を構成し、当該ＣＲＳプローブ装置を動作させる手順を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、三次元座標測定機(ＣＭＭ)用として望ましい動作原理を備えた代表的なクロマティックレンジセンサ（ＣＲＳ）システム１００の基本構成を示すブロック図である。このＣＲＳシステム１００は、特許文献３および特許文献４に記載のセンサに類似する。図１に示すＣＲＳシステム１００は、光学部材１２０および電子機器部１６０を含み、１回で１点を測定するクロマティックポイントセンサのシステムである。以降、図１の光学部材を光学ペン１２０とも呼ぶ。しかしながら、様々な実施形態では、クロマティックラインセンサなどの代替型クロマティックレンジシステムは、ここに開示された機器構成および動作方法に従って動作するように構成されることが好ましい。
【００２２】
光学ペン１２０は、光ファイバーコネクタ１０９と、筐体１３１（例えばアッセンブリ中空管）と、色分散光学部材１５０とを含む。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いる。光ファイバーコネクタ１０９は、内蔵された入出力光ファイバーケーブル１１２（詳細には示していない。）を通じて、入出力用光ファイバーを保持している。入出力用光ファイバーは、ファイバーアパーチャー１９５を通して光源からの測定光を出力し、そのファイバーアパーチャー１９５を通して反射された測定信号光を受け取る。
【００２３】
測定動作中、ファイバー端部からファイバーアパーチャー（開口部）１９５を通って放射された広周波数帯域の測定光（例えば白色光）は、色分散光学部材１５０により焦点を合わせられる。この色分散光学部材１５０は、軸方向の色分散を促す単レンズまたは複合レンズを含む。軸方向の色分散とは、共焦型のクロマティックポイントセンサ装置で周知のように、光軸ＯＡに沿った焦点が、測定光の波長に応じて異なった距離に生じる現象をいう。光源光は、光学ペン１２０からＺ軸方向にあるワーク表面１９０上に焦点が合う波長光を含むような測定光１９６を形成する。ワーク表面１９０からの反射光は、再び、色分散光学部材１５０によってファイバーアパーチャー１９５上で焦点が合う。測定可能な測定光および反射光は、限定光線ＬＲ１，ＬＲ２によって、その境界が限られている。軸方向の色分散により、ある波長光のみが、光学ペン１２０からワーク表面１９０までの測定距離に一致する前方の焦点距離ＦＦを示す。ワーク表面１９０で最も良く焦点が合う測定光の波長が、ファイバーアパーチャー１９５で最も良く焦点が合う反射光の波長と一致するように、光学ペン１２０が構成される。アパーチャー１９５が反射光を空間的にフィルターするので、最も良い焦点を合わせた波長光が、アパーチャー１９５を通って光ファイバーケーブル１１２の芯部へ入るようになる。以下の詳述するように、光ファイバーケーブル１１２は反射光を波長検出器１６２に伝搬する。この波長検出器１６２は、ワーク表面１９０までの測定距離に対応する主強度の波長を決定するために用いられる。
【００２４】
また図１は、破線で示された任意の反射素子１５５を示す。特許文献５に記載の反射素子を、本発明の測定光ＳＢの経路に配置してもよい。そのような実施例では、光軸ＯＡと同軸の測定軸ＭＡというより、むしろ、測定アプリケーションの必要に応じて、反射素子を異なる方向（例えば、光軸に直交する方向）の測定軸ＭＡ’に沿って、測定光１９６を照射した方がよい。そのような直交方向への測定軸の変換は、以下に詳述するように図２および図４Ａの実施形態で用いている。
【００２５】
電子機器部１６０は、ファイバー・カップラ（結合器）１６１、波長検出器１６２、光源１６４、信号演算器１６６および記憶部１６８を含む。様々な実施形態では、波長検出器１６２は、分光計または分光器アレンジメントを含んでいる。その波長検出器１６２の中の例えば回折格子のような分散光学部材が、光ファイバーケーブル１１２を通る反射光を受光し、さらに、結果として生じるスペクトル強度プロフィルをその分散光学部材が検出器アレイ１６３へ伝達するようになっている。波長検出器１６２は、関連する信号演算処理機能（例えば、いくつかの実施形態では信号演算器１６６により提供される機能）も備えているとよい。その機能とは、プロフィルデータから特定検出器の誤差成分を取り除いたり、またはプロフィルデータを補償したりする機能である。従って、波長検出器１６２および信号演算器１６６という特定の態様を統合してもよく、または区別をなくしてもよい。
【００２６】
白色光源１６４は、信号演算器１６６によって制御されており、光学カップラ１６１（例えば、２×１光学カップラ）によって光ファイバーケーブル１１２に接続されている。上述したように、放射光が光学ペン１２０を通過するときに、光学ペン１２０が軸方向の色収差を生成する。これは、放射光の波長に応じてその焦点長さが変化するためである。光ファイバーを逆方向に通過する際に、最も効率よく伝達される放射光の波長は、Ｚ軸方向においてワーク表面１９０上に焦点の合った波長である。その後、波長依存の反射光の強度は、再びファイバー・カップラ１６１を通過して、放射光の約５０％が波長検出器１６２に向けられるようになっている。この波長検出器１６２は、検出器アレイ１６３の測定軸に沿ったピクセルアレイ上に分布するスペクトル強度プロフィルを受け取り、対応するプロフィルデータを提供するように動作する。手短に言えば、例えばピーク位置座標のような、プロフィルデータのサブピクセル分解能距離指示座標（sub pixel-resolution distance indicating coordinate）が、信号演算器１６６により計算される。そして、波長ピークに対応する距離指示座標（ＤＩＣ）により、距離の校正用ルックアップテーブルを介して表面１９０までの測定距離が決まる。校正用ルックアップテーブルは記憶部１６８に記憶されている。距離指示座標（ＤＩＣ）は、例えば、プロフィルデータのピーク領域に含まれるプロフィルデータの重心を決定する方法などの様々な方法で決定されるようになっている。
【００２７】
一般的に、光学ペン１２０には、Ｚ軸方向における最小の測距距離ＺＭＩＮと最大の測距距離ＺＭＡＸによって規定された測定範囲Ｒがある。いくつかの周知光学ペンの例における測定範囲Ｒは、公称スタンドオフ（nominal standoff）またはペン端からの動作可能距離のおよそ１／１０であること（例えば、数十ミクロンから数ミリメートルまでの範囲）が好ましい。図１は、反射素子１５５を使用する場合に、その反射素子１５５（例えば、ｘ軸）の配置によって規定される測定軸ＭＡ’に沿って測定範囲Ｒ’が定まることを示す。この場合、測定範囲Ｒ’は、Ｘ軸方向における最小の測距距離ＸＭＩＮと最大の測距距離ＸＭＡＸによって規定される。
【００２８】
電子機器部１６０は、通常、光学ペン１２０から分離して設けられている。カスタム設計されたブラケットを使用して、ＣＭＭに、図１の光学ペン１２０に類似の光学ペンを取り付けて、また、光ファイバーケーブル１１２に類似の光ファイバーを、ＣＭＭ装置の外部の仮設経路に沿って、電子機器部１６０に類似の遠隔の電子機器部に向けて配線することが知られている。自動交換可能なＣＲＳプローブ装置を使用できる望ましい構成のＣＲＳシステムがなかったため、このような不十分で不便な方法が長年行なわれてきた。その結果、ＣＲＳシステムを組み合せたＣＭＭの利用が制限されてきた。
【００２９】
図２，３Ａ，３Ｂに基づいて説明すると、技術的、経済的に魅力的な自動交換型のＣＲＳプローブ装置を可能とする望まれた構成の組合せを提供するためには、電子機器部１６０の一部分を、自動ジョイントコネクタを通してＣＭＭに取り付けられるＣＲＳプローブ本体中に含めることが望ましい。例えば、本発明の一態様として、光源・波長検出器の構成部分１６０Ａ（例えば、波長検出器１６２と光源１６４）のグループをＣＲＳプローブ本体の中に含めるとよい。プローブ信号処理制御回路１６０Ｂ中のある構成成分のグループ（例えば、信号演算器１６６と記憶部１６８）を、必要であれば（例えば、プローブの軽量化とサイズのコンパクト化を維持するため）、ＣＲＳプローブ本体の外部に離設するとよい。
【００３０】
図２は、三次元座標測定システム２００と、自動的に接続・交換可能なＣＲＳプローブ装置２１５のブロック図である。すなわち、ＣＲＳプローブ装置２１５を他のタイプのＣＭＭプローブへ自動交換することができる。ここでは、ＣＲＳプローブ装置を単にＣＲＳプローブと呼ぶ。別途明細書中に言及のない場合、複数の図面において同様の接尾文字を持っている符号（例えば、符号１ＸＸと同じ接尾文字ＸＸを持っている符号２ＸＸ）は、基本的に類似の構成とする。そして、類似する構成１ＸＸの記載に基づいて構成２ＸＸへ変更することは、一般に、周知技術から容易に類推される。しかし、そのような類推にもかかわらず、異なる実施形態においては様々な構成の異なった態様が当然存在するのは明らかであるから、本発明の構成が周知技術の１つに限定して解釈されるべきではない。
【００３１】
三次元座標測定システム２００は、三次元座標測定機（ＣＭＭ）のコントローラ２０２、コンピュータおよびユーザインターフェース２０６、プローブ信号処理制御回路２０７、および、三次元座標測定機（ＣＭＭ）２１０を備えている。ＣＭＭコントローラ２０２は、プローブヘッド制御装置２０３、位置ラッチ２０４、および、モーション制御装置２０５を含んでいる。ＣＲＳプローブ２１５は、自動交換ジョイント要素２３６を含み、自動交換ジョイント接続機構２３０（自動ジョイント接続とも呼ぶ。）の係合ジョイント要素を介して、ＣＭＭ２１０に接続される。
【００３２】
ＣＭＭ２１０は、データ転送回線２０１（例えばバス）を通して、他の構成部分のすべてと信号授受を行う。データ転送回線２０１は、コネクタ２０８（例えば、「マイクロＤ」型コネクタ）によって、ＣＲＳプローブ２１５への入力信号およ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。ＣＲＳプローブ２１５は、例えば、図１でプローブ信号処理制御回路１６０Ｂについて説明したように、プローブ信号処理制御要素２６０Ｂを含んだプローブ信号処理制御回路２０７に制御され、この制御回路２０７との間でデータ交換を行っているが、ＣＭＭ２１０の制御はＣＭＭコントローラ２０２が行っている。ユーザは、コンピュータ・ユーザインターフェース２０６を通して、全ての構成部分を制御できる。
【００３３】
上述の図２に基づいて説明すると、ＣＲＳプローブ２１５はプローブ電子機器部２７５を含み、このプローブ電子機器部２７５は、光源・波長検出器の構成部分２６０Ａ（例えば、図１で構成部分１６０Ａについて説明したように、光源および波長検出器）、および、被測定面２９０に測定光２９６を照射する光学ペン２２０を含んでいる。特定の一態様としては、被測定面２９０を雌ネジの内面とした。そのような表面を周知のＣＭＭプローブ（例えば、接触プローブ）を使って完全に、かつ信頼性よく測定することは、困難であるか、または不可能である。本発明のＣＲＳプローブによれば、測定の完全性、正確性および汎用性が向上されたことにより、そのような表面（雌ねじの内面など）をも走査して測定できる。
【００３４】
図５に基づいて説明すると、一実施形態として、光学ペン２２０、及び／又は、交換可能光学機構２８０に関するデータ（例えば、識別データ、校正データ、補償データなど）は、ＣＲＳプローブ２１５の外部（例えば、プローブ信号処理制御回路２０７）に格納することが好ましい。代替の態様として、そのようなデータの一部をＣＲＳプローブ２１５中に格納、または、他のコードデータとして格納してもよい。
【００３５】
図３Ａ、３Ｂは、ＣＭＭ２１０とＣＲＳプローブ２１５’の構成図であり、図２のＣＲＳプローブ２１５の構成を具体的に示したものである。図３Ａは正面図であり、図３ＢはＣＭＭ２１０とＣＲＳプローブ２１５を異なった角度から見た図である。図３Ａと３Ｂで示されるように、ＣＭＭ２１０はプローブヘッド２１３を含む。このプローブヘッド２１３は、プローブヘッドケーブル２１１を通してプローブ信号を送受信する。プローブヘッド２１３はＣＭＭの主軸２１７に固定されている。プローブ自動ジョイント接続機構２３０を利用して、プローブ２１５’がプローブヘッド２１３に接続される。図６参考。
【００３６】
プローブヘッド２１３は、一実施形態においては、水平面上を３６０度回転するとともに、適当なタイプのＵ字型ジョイントを含んでいる。プローブ自動ジョイント接続機構２３０は、プローブヘッド２１３にＣＲＳプローブ２１５’を機械的に強固に締め付けて固定する電気駆動型の接続機構になっており、プローブを外して他のプローブを取り付けることができるように構成されている。一実施形態では、プローブ自動ジョイント接続機構２３０は、第１及び第２自動交換ジョイント要素２３４，２３６を有して構成され、この第１自動交換ジョイント要素２３４がプローブヘッド２１３に取り付けられ、第２自動交換ジョイント要素２３６がＣＲＳプローブ２１５’に取り付けられている。一実施形態では、プローブ自動ジョイント接続機構２３０には、電気的接触または電気的接続部２３５が形成されており、プローブを取り付ければ、自動的な電気的接触が保証されて電気的接続がなされるように構成されている。複数の実施形態では、この接続方法のために、ＣＲＳシステムに比較的多くの信号ノイズが発生してしまう。以下に詳述するが、その信号ノイズの影響を回避できる点で、比較的ノイズの多い環境でも有効に機能する本発明の機器構成およびその動作手順の利用が非常に有利であることが分かるであろう。
【００３７】
ＣＲＳプローブ２１５’は、自動ジョイント接続機構２３０を通じて電源と制御信号を受ける。自動ジョイント接続機構２３０を通じてＣＲＳプローブ２１５’に送られた信号は、後述の図６に詳述するように電気的接続部２３５を通過する。図３Ａ、３Ｂに示すように、ＣＲＳプローブ２１５’は、プローブ本体２１６と、このプローブ本体２１６に取り付けられた自動交換ジョイント要素２３６とを含む。自動交換ジョイント要素２３６は、プローブ自動ジョイント接続機構２３０を利用してプローブをＣＭＭに自動接続するためのものである。また、プローブ２１５’に防護カバーまたはプローブ筐体２６９（図には模式的に示した。）も含めた方がよい。プローブ本体２１６は、光学ペン２２０と、光源２６４及び波長検出器２６２を有するプローブ電子機器部２７５とを含む。これらは、プローブ本体２１６のもつ様々な構造部材によって全て支持されている。
【００３８】
図３Ａと３Ｂに示す実施形態では、自動交換ジョイント要素２３６に固定されたベース部材２１８から構造部材が延設されている。光学ペン２２０（または、光学ペン１２０に類似する光学部材）は、光ファイバーコネクタ２０９と、アパーチャー２９５及び色分散光学部材２５０を有する共焦点光学系とを含んで構成され、測定光２９６を出力する。複数の実施形態では、光学ペン２２０は、色分散光学部材２５０の交換を可能にするために、繰返し高速交換可能な交換マウント２８５を有すると良い。電動の光源２６４（例えば、広帯域スペクトルＬＥＤ光源）へは、自動交換ジョイント要素を通じた電力を供給し、プローブ電子機器部２７５のプローブ電源・信号制御回路部２７６に含まれている周知回路（例えば、市販のクロマティック測距システムに使用の回路など）に連動させるとよい。複数の実施形態では、プローブ電子機器部２７５はシリアル変換器２７７Ｓを含み、このシリアル変換器２７７Ｓは、様々なデータ信号をシリアル化（直列化）して、自動ジョイント接続機構２３０における比較的少ない本数のワイヤを通じて、パラレル変換器（例えば、プローブ信号処理制御回路２０７に含める。）に伝達する。
【００３９】
図３Ａで示された実施形態では、シリアル変換器２７７Ｓは、プローブ電源・信号制御回路部２７６に含まれている。しかし、他の形態で、送信すべきシリアル化データの多くがＣＲＳ波長検出器２６２にて生成される測定スペクトルプロフィルデータである場合は、シリアル変換器２７７ＳをＣＲＳ波長検出器２６２に含めた方がよい。一般的には、シリアル変換器２７７Ｓは、プローブ電子機器部２７５の望ましい位置、すなわち、十分に低いノイズレベルとクロストーク特性を提供可能な位置に配置された方がよい。
【００４０】
光源２６４は、ＣＲＳプローブ本体２１６で必要な光を発生させる。その光は、光ファイバー２１２を通して光学ペン２２０に送られる波長域の入力スペクトルプロフィルを持っている。ＣＲＳ波長検出器２６２には、分光器アレンジメント２６２’および検出器アレイ２６３に連動する周知回路（例えば、市販のクロマティック測距システムに使用される回路など）を含めてもよい。なお、検出器アレイ２６３は、ＣＲＳ波長検出器２６２の検出軸に沿って分布された複数画素から構成され、これら複数画素へは、被測定面を反射して共焦点光学系に戻った反射光のそれぞれの波長光が照射されて、ＣＲＳ波長検出器２６２が出力スペクトルプロフィルデータを提供できるようになっている。
【００４１】
以上のように、測定光を発生し、かつ、ワークからの反射光を処理する機能をＣＲＳプローブ本体２１６自体が発揮できるようにした本発明の構成によって、ＣＲＳプローブ本体２１６の自己収容動作および自動交換動作が可能になった。
【００４２】
結局、そのようなＣＲＳプローブ装置は、ＣＲＳプローブ本体から自動ジョイントコネクタを通って外部素子までの光ファイバー接続も、自動ジョイントコネクタに平行して設けられるようなどんな他の仮設経路に沿った光ファイバー接続をも必要とせず、又は、含んでいない。言い換えると、そのようなＣＲＳプローブ本体は、このＣＲＳプローブ本体から外部に延びる光ファイバーに接続されていないし、又は、そのような光ファイバーを含んでいない。
【００４３】
様々な実施形態では、プローブヘッド２１３から見てＣＲＳプローブ本体２１６の遠方端部に光学ペン２２０を取り付けることによって、ＣＲＳプローブ本体２１６が構成される。図３Ａと３Ｂの実施形態では、ＣＲＳプローブ２１５’は、ベース部材２１８と、このベース部材２１８に結合された波長検出器取付部材２１９Ａと、前記ベース部材２１８に結合された光学ペン取付部材２１９Ｂとを含む。光学ペン取付部材２１９Ｂは、波長検出器２６２を保持しないで、光学ペン２２０を保持している。これにより、光学ペン２２０から撓みや振動に関連する熱と質量を隔離することができる。複数の実施形態では、取付部材２１９Ａ，２１９Ｂの一方又は両方が、ベース部材２１８からＣＲＳプローブ本体２１６の遠方端部に向けて延びる中空管（例えば、炭素繊維管）を含んでいるとよい。
【００４４】
一実施形態では、光学ペン２２０の質量中心は、ＣＲＳプローブ２１５’の残りの質量中心ＣＭＰＡとプローブ自動ジョイント接続機構２３０の中心軸ＣＡＪとによって定義された１本の軸上又はその付近に配置されている。その構成を利用してＣＲＳプローブ２１５’を移動させれば、プローブヘッド２１３の円滑動作（例えば、不要な追加トルク、振動、たわみなどの回避）が可能になる。また、本発明の一態様として、光学ペン２２０の中心軸ＣＡＯＰ（例えば、測定用の基準軸）が自動交換ジョイント接続機構２３０の中心軸ＣＡＪと同軸になるように、光学ペン２２０がプローブ自動ジョイント接続機構２３０に相対して取り付けられている。また、そのような構成において、ＣＭＭがその軸周りにプローブ自動ジョイント接続機構２３０を回転させると、Ｘ−Ｙ平面内の測定基準軸が横移動することなく、光学ペン２２０をその軸周りに回転させることができる。そのような構成であれば、例えば、機械的安定性の向上、ＣＭＭによる位置決めに対する光学ペン２２０の測定位置計算の簡素化などといった利点をもたらす。
【００４５】
図４Ａ，４Ｂは、上述の図３Ａ，３Ｂの光学ペン２２０の構成を具体的に示した図であり、これを用いて代表的な交換マウント２８５を含んだ実施形態を説明する。図４Ａと４Ｂで示された実施形態では、光学ペン２２０はベース部材２８２と交換可能光学機構２８０を含む。交換可能光学機構２８０は、前板２８６、中空管２３１および色分散光学部材２５０を含む。光学ペンのベース部材２８２は、交換マウント２８５の第１の片側部材２８５Ａになる面を含んだベース筐体２８２Ａを備えている。
また、この表面に対応して、前板２８６は、交換マウント２８５の第２の片側部材２８５Ｂになる面を含んでいる。一実施形態として、第１及び第２の片側部材２８５Ａ，２８５Ｂの一方又は両方に取り付けた永久磁石２８５Ｃによって形成された保持力アレンジメントで、第２の片側部材２８５Ｂが、第１の片側部材２８５Ａに対して強制的に取り付けられる。より一般的には、保持力アレンジメントは、バネで付勢された機械的ツメ部などの公知機構を用いればよい。そのような構成によれば、第２の片側部材２８５Ｂを、プログラム制御（例えば、コンピュータ及びユーザインターフェース２０６による制御）によって、第１の片側部材２８５Ａと自動的に接続したり、第１の片側部材２８５Ａから自動的に切り離すことができる。例えば、一実施形態では、光学ペン２２０にプログラム制御で誘導されるカラー２３２などを設けるとよい。これにより、ＣＭＭの移動可能範囲内のプローブ・ラック上に設けられた係合フォークの腕に光学ペン２２０を挿入できる。次に、ＣＭＭはＣＲＳプローブ２１５’を移動して、係合フォークの腕がカラー２３２を引っ掛けて、プローブ・ラックに交換可能光学機構２８０を引っ掛けた状態にして、交換マウント２８５の２つの片側部材２８５Ａ，２８５Ｂを分離できる。また、逆の動作を行なえば、交換可能光学機構２８０を再びベース部材２８２に取り付けることもできる。さらに、そのような構成によれば、ワークとの側部衝突の場合には、交換可能光学機構２８０がベース部材２８２から分離するから、交換可能光学機構２８０の破損を防ぐことができる。
【００４６】
一実施形態では、交換マウント２８５は、第１の片側部材２８５Ａに対して第１三角形パターン（例えば、正三角形）で固定された３つの球体又はボール２８５Ｄを含んでいるとよい。また、第２の片側部材２８５Ｂに対して同じ係合パターンで形成された３方向の放射状Ｖ溝２８５Ｅを含んでいるとよい。交換マウント２８５をこのように構成すれば、交換可能光学機構２８０からの横向きの測定光２９６について、その測定光の向きが軸回りに１２０度間隔の３つの方向の中から選択された向きになるように、交換可能光学機構２８０を取り付けることができる。上記の実施形態は代表的な構成ではあるが、本発明がこれに制限されるわけではない。他にも様々な周知の交換マウントの構成を採用してもよく、適切な取付・取外の反復特性を具備する交換マウントを提供できるだろう。
【００４７】
交換可能光学機構２８０は、色分散光学部材２５０（例えば、図１の色分散光学部材１５０に類似するもの）を含んでいる。一実施形態では、ベース部材２８２は、ファイバーコネクタ２６１を通して、ＬＥＤ光源２６４および分光器アレンジメント２６２’に接続される光ファイバー２１２の端部を含んでいる。通常は、共焦点アパーチャー２９５を囲んだ状態で配置された交換マウント２８５の第１の片側部材２８５Ａに相対する位置に固定された共焦点アパーチャー２９５付近に、光ファイバーの端部が配置されている。複数の実施形態では、光ファイバーの端部によって共焦点アパーチャー２９５が形成される。複数の実施形態では、共焦点アパーチャー２９５として、（例えば、光ファイバーを支えるホルダーかコネクタ上で）光ファイバー端部に近接した位置に接着された薄いアパーチャー、または、光ファイバー端部に隣接した、薄いアパーチャーを採用できる。図４Ａで示された実施形態では、ベース部材２８２は、光ファイバー保持部材（例えば、この実施形態のコネクタ２０９につながった光ファイバーコネクタなど）を有する光ファイバー端部位置決め機構２８３を含む。そして、光ファイバー保持部材は、交換マウント２８５の第１の片側部材２８５Ａに近接した位置にあるベース部材２８２に固定（例えば、接着）されている。
本実施形態では、光ファイバー端部位置決め機構２８３は、光ファイバー（例えば、コネクタ２０９を通る光ファイバー）を保持する光ファイバー保持部材を有する。この光ファイバー保持部材は、交換マウント２８５の第１の片側部材２８５Ａに相対する位置で光ファイバー端部と共焦点アパーチャー２９５とを固定する。しかしながら、他の実施形態では、共焦点アパーチャー２９５がベース部材２８２に固定され、これとは別々に、必要に応じた適当な光ファイバー端部位置決め機構２８３によって、光ファイバーの端部が共焦点アパーチャー２９５に近接した位置に固定されるとよい。
【００４８】
交換可能光学機構２８０は、共焦点アパーチャー２９５から測定光を受け、共焦点アパーチャー２９５へワークを反射した測定光を返す。そして、測定軸に沿ったそれぞれの測定距離での測定光の軸方向色分散光を供給する。また、一実施形態では、色分散光学部材２５０が、光学ペン２２０の軸に直交する方向（例えば、中空管２３１の中心軸を横切る方向など）に測定光を照射するための反射素子２９４を含む。
【００４９】
図５は、図２に示したコンピュータ及びユーザインターフェース２０６とプローブ信号処理制御回路２０７のブロック図である。図５に示すように、プローブ信号処理制御回路２０７は、パラレル変換器２７７Ｄ、位置ラッチ５１５、ＣＲＳプローブＩＤ５２０および光学ペンＩＤ５２５を含む。プローブ信号処理制御回路２０７の各構成は、データ転送線２０１で互いに接続し、またコンピュータ及びユーザインターフェース２０６とも接続している。パラレル変換器２７７Ｄは、図３Ａのシリアル変換器２７７Ｓに連動して様々なデータ信号をシリアル化して、比較的わずかな数のワイヤからなる自動ジョイント接続機構２３０を通じてそれを伝達する。
【００５０】
シリアル変換器２７７Ｓとパラレル変換器２７７Ｄは、複数の実施形態において使用する低電圧差動信号（ＬＶＤＳ）の利用に関連する。図７参照。簡潔に言うと、シリアル変換器とパラレル変換器との同期を確実に実行するために、同期信号がシリアル変換器とパラレル変換器の間に提供されている。関連のデータ信号が信号線に供給された後、同期信号をオンした位置において、パラレル変換器の動作が完了するまで、対応する信号線にクロック信号（例えば、前のクロック信号と正反対のクロック信号など）が送られる。
【００５１】
位置ラッチ５１５は、後述する図７に示すＸＹＺラッチ信号に関連する。簡潔に言うと、ＸＹＺラッチ信号は、ＣＲＳプローブの測定位置決め動作をＣＭＭコントローラ２０２の測定位置決め動作に同期させるために供給される（例えば、図２で説明したように）。一実施形態では、位置ラッチ５１５は、ＣＭＭ２１０の座標位置が適切に同期するのを確実にするためにＣＭＭコントローラ２０２の位置ラッチ２０４と交信する。言い換えれば、派生的な測定の全てについてその測定精度を確実に得るために、位置ラッチ５１５と位置ラッチ２０４を結合する。これにより、ＣＭＭ機械座標（特定の測定中に、ＣＲＳプローブの位置を反映する）が、ＣＲＳプローブ測定（ＣＲＳプローブ位置に関連する測定）に適切に結合されるようになる。
【００５２】
ＣＲＳプローブＩＤ５２０は、ＣＲＳプローブ２１５’を識別するために利用される。例えば、ＣＲＳプローブ２１５’に含まれていた識別素子から得られた識別信号を読み取って処理することによって識別する。また、光学素子ＩＤ（５２５）は、交換可能光学機構２８０を識別するために利用される。例えば、交換可能光学機構２８０に含まれていた識別素子から得られた識別信号を読み取って処理することによって識別する。ＣＲＳプローブ２１５’と交換可能光学機構２８０の適切な識別によって、ＣＲＳプローブ２１５’と交換可能光学機構２８０からの正確な動作およびその結果である正確な測定値を確認するために、適切な機器構成と校正データを利用することが可能になった。
【００５３】
図６は、図２のプローブヘッドケーブル２１１の断面図である。図６で示されるように、プローブヘッドケーブル２１１は、保護管６０５と、シールテープ層６１０と、外側の電気的絶縁層６１５と、中心導体１及び内部絶縁層６２５を含む同軸ケーブル６２０と、を有する。追加導体２〜１４は、同軸ケーブル６２０を囲むように配置されている。これらの配置は、従来のレニショー（商標）の配置に従って、図７に詳細に示すようになっている。
【００５４】
図７は、図６のプローブヘッドケーブル２１１、及び／又は、図３Ａと図３Ｂに示された自動ジョイント接続機構２３０を使用できる１つの代表的な接続一覧表、及び／又は、信号一覧表を示したテーブル７００である。「ワイヤ番号」の欄の接続番号は、別の説明がない限り、自動ジョイントピン（例えば、ある標準的なレニショー（商標）の自動ジョイント接続機器）に接続されるケーブル２１１のワイヤ番号を示す。
【００５５】
テーブル７００に示すように、本実施形態では、電源および信号の接地接続、低電圧差動信号（ＬＶＤＳ）シリアル変換器信号（ＳＥＲＤＥＳ＋、ＳＥＲＤＥＳ−およびＳＥＲＤＥＳ  Ｌｏｃｋ／Ｓｙｎｃ）、分光器／検出器リセット用のＣＲＳ信号、ＣＲＳ制御クロック信号、および、ＣＲＳデータ信号（例えば、Ｉ２Ｃクロック信号およびＩ２Ｃデータ信号）が様々なワイヤおよび接続された自動ジョイントピンに供給される。ある標準的な自動ジョイント、及び／又は、ＣＭＭコントローラの設計要求（例えば、あらゆる単一導体につないでも３００ｍＡ以上は流れないなどの条件）を満たすために、多くのワイヤが、ＣＲＳ−ＣＭＭプローブへの電源供給と併用されることになってもよい。例えば、それぞれ１２Ｖ、３００ｍＡの２本のワイヤを使用すると、標準的な自動ジョイント、及び／又は、ＣＭＭコントローラの仕様内で、７．２ワットのデリバリング性能が得られる。
【００５６】
一般に、様々な信号が、適当なワイヤ、及び／又は、自動ジョイントピンに送られる。シリアル変換器信号ＳＥＲＤＥＳ＋，ＳＥＲＤＥＳ−は、パラレル変換器（直並列変換器）２７７Ｄおよびシリアル変換器２７７Ｓを接続する信号線／ピンを流れる。実験用、及び／又は、分析用として用いる際には、信頼できる信号伝送を提供する接続機構を選択し、及び／又は、これを確かめる必要がある。様々な実施形態では、図７に示すように、内部シールドと外部シールドがＣＲＳ接地につなげられて、ワイヤ（ＣＯＡＸ／１）がＣＲＳ検出器信号（すなわち、出力スペクトルプロフィルデータ又は測定信号であり、分光器のピクセル値信号を含むもの）を運ぶのに使用されることが、特に有利になる。ＣＲＳシステムでは、分光器信号が最小量の変形または追加ノイズを受けることが、比較的重要である。ケーブル２１１のＣＯＡＸ部（すなわち、Ｎｏ．１ワイヤ）を利用することによって、信号劣化は最小量に抑えられ、その結果、分光器信号の送信用として信頼性のある接続機構を提供できる。
【００５７】
ＬＶＤＳシリアル変換器信号ＳＥＲＤＥＳ＋、ＳＥＲＤＥＳ−に関して、これらの信号は、接地された３番目のワイヤ、および、その２本のワイヤを流れる。また、ＳＥＲＤＥＳ  Ｌｏｃｋ／Ｓｙｎｃ信号は、追加ワイヤを流れる。シリアル化シーケンスに関して、一実施形態では、位置Ｄ０が検出器ピクセルクロック用である。位置Ｄ１は、スペクトルプロフィル測定データのプロフィル開始信号用である。位置Ｄ２は、分光器の準備完了信号用である。位置Ｄ３は、ＸＹＺラッチ信号用であり、例えば、図５の位置ラッチ５１５に関して説明したように指定される。位置Ｄ４は、検出器温度アラーム用である。位置Ｄ５は、分光器温度アラーム用である。位置Ｄ６〜Ｄ９は、未指定であり、この実施形態では明確に割り当てられていない。
【００５８】
ある一態様として、ＬＶＤＳシリアル変換速度に関して、最も速く利用可能なディジタル信号（例えば、数ＭＨｚの検出器ピクセルクロック信号）を利用してもよい。シリアル変換器は、比較的高速（例えば、検出器ピクセルクロックの２倍のレート）でディジタル信号を抽出できる。一実施形態では、ＬＶＤＳシリアル変換器は、サンプリングサイクル毎に最大１０のディジタル信号を抽出できる。次に、シリアル変換器は、非常に高速のレート（例えば、検出器ピクセルクロックの２倍のレート「１０のディジタル信号＋２つの同期ビット」）で結合した信号を送信できる。複数の実施形態で、そのレートは１００ＭＨｚ以上のビットレートになる。
【００５９】
低電圧差動信号（ＬＶＤＳ）シリアル変換器の利用は、ポート数が限られている場合に特に有利になる。それは、限られたポート数のコネクタとして、標準的な自動ジョイントコネクタを採用できるからである。言い換えれば、標準的な自動ジョイントコネクタは、限られたポート数（例えば、１３本のピン）しか提供できない。これに対して、標準的なＣＲＳシステムは、コントローラと分光器を接続する際などには、かなり多くの導体（例えば、２４個の導体）を利用する可能性がある。重要でない信号を避けることによって、導体の数を部分的に抑えることができる。しかしながら、残りの信号に関しては、図７に説明されているように、ＬＶＤＳシリアル変換器のテクニックによって、２本の信号線だけの使用でコントローラへより多くの信号を提供することができる。
【００６０】
そのようなＬＶＤＳシリアル変換のテクニックは、自動交換ジョイント要素の２本の接続／導体だけを使用して、少なくとも３以上の異なった信号を供給できる。また、他の実施形態では、自動交換ジョイント要素の２本の導体だけを使用して、最大１０のディジタル信号又はディジタル形式の情報を供給できる。差動信号がコモンモードノイズを無視するので、信号はロバストになる。そのテクニックは小出力（例えば、ある実施形態では、１Ｖオフセットを伴った＋／−５００ｍＶで信号）で送ることができる。このことは、ＣＭＭプローブを適用する際に重要になる。高速を達成することができる（例えば、１００ＭＨｚからＧＨｚへの動作速度の飛躍）。信号は、比較的長いワイヤを流れる。適切な端部を備えていれば、例えば、数メートルのワイヤを利用できる。一実施形態では、ＬＶＤＳシリアル化のテクニックにおいては、米国テキサス州ダラスのテキサス・インスツルメンツ社製のＳＮ６５ＬＶ１０２３型シリアル変換器とＳＮ６７ＬＶ１２２４型パラレル変換器を使用することができる。上記の信号通信プロトコル、又はプロトコルを示す他の周知のＬＶＤＳを使用できる。
【００６１】
図８は、図２に示す第２実施形態のＣＲＳプローブで使用される構成および光路を模式的に示した図である。この図では、ＣＲＳプローブ本体で用いる光を、光ファイバーに通すことなく、一定の位置関係にある光学素子に通すことにして、光が自由空間を伝播するようにした。
【００６２】
図８に示されるように、ＣＲＳプローブ８１５’は、自動交換ジョイント要素２３６と、これに取り付けられたプローブ本体８１６とを含む。これは、プローブ自動ジョイント接続機構２３０によるＣＭＭへの自動接続のためである。また、プローブ８１５’は防護カバー又は筐体（図示しない。）を含む。プローブ本体８１６は、光学ペン８２０、光源８６４、および、フレーム８１９で支持された波長検出器８６２を含む。フレーム８１９は、様々な構造部材を含んでおり、自動交換ジョイント要素２３６に取り付けられたベース部材８１８から延設されている。１セットの光路要素（例えば、レンズ、ビームスプリッターなど）と同様に、フレーム８１９は、上述のようにプローブ本体８１６で使用する光のために必要な光路を形成するように一定の位置関係にある様々な部材を保持している。光学ペン８２０（光学ペン２２０に類似のもの）は、アパーチャー８９５と色分散光学部材８５０を有する共焦点光学系を含んでおり、測定光８９６を出力する。複数の実施形態では、光学ペン８２０は、交換マウント８８５を含んでおり、前述の交換マウント２８５と同様に、色分散光学部材８５０を交換自在に構成されている。
【００６３】
運転中、光源８６４は、自動交換ジョイント要素を通して電力供給され、ＣＲＳプローブ本体に必要な光を発生する。その光は、光学ペンに送られる波長域の入力スペクトルプロフィルを含んでいる。図８に示す実施形態では、集光及び／又は形成された入力光８４５を供給する光源光学系８４４を通って、入力スペクトルプロフィルが出力される。入力光８４５は、ビームスプリッタ８４６を反射して、光路８４７に沿って光学ペン８２０の共焦点アパーチャー８９５に向けて進む。光学ペンは、照射光をワーク表面まで導き、これを測定光８９６として出力する。また、ワーク表面からの反射光を受ける。そして、光学ペンは、光路８４７を逆にビームスプリッタ８４６まで反射光を戻して、共焦点アパーチャー８９５からの反射光を出力する。このようにして、光学ペンは、分光器入力側の光学素子８４９、および、ＣＲＳ波長検出器８６２の分光器８６２’に出力スペクトルプロフィル８４８を供給する。出力スペクトルプロフィルは、光学ペンからワーク表面まで測定距離を示す波長ピークを持った距離依存型プロフィル成分を含んでいる。そして、ＣＲＳ波長検出器は、対応する出力スペクトルプロフィルデータ（例えば、プローブ自動ジョイント接続機構２３０を通る電気信号による出力など）を前述のＣＲＳプローブの動作原理に応じて出力する。
【００６４】
ＣＲＳプローブ本体２１６中に光ファイバー光路を有するという前述の実施形態と同様に、必要な測定光を発生し、かつ、ワークからの反射光を処理する、ということをＣＲＳプローブ本体８１６の中で可能にした。このような本実施形態の構成によって、ＣＲＳプローブ８１５’の自己収容動作および自動交換動作が可能になる。（例えば、ＣＭＭ機械制御プログラムを使用して、他のタイプのＣＭＭプローブとの交換が可能になる。）様々な実施形態では、そのようなＣＲＳプローブ装置は、自動ジョイントコネクタと平行して自動ジョイントコネクタを通る、または、いかなる他の仮設経路に沿ったＣＲＳプローブ本体から外部素子までのファイバー接続を必要としないし、または、含んでいない。様々な実施形態で、そのようなＣＲＳプローブ本体は、ＣＲＳプローブ本体から外部に延びる光ファイバーを接続していないし、または含んでいない。
【００６５】
複数の実施形態では、光学ペン８２０の質量中心は、ＣＲＳプローブ８１５の残りの質量中心およびプローブ自動ジョイント接続機構２３０の中心軸で定義された１つの軸上又はその付近に位置する。また、本発明の一態様として、プローブ自動ジョイント接続機構２３０に相対する位置に光学ペン８２０が設けられ、この光学ペン８２０の中心軸は、プローブ自動ジョイント接続機構２３０の中心軸と同軸にあるように、取り付けられている。複数の実施形態では、光学ペン８２０は、交換マウント８８５を含んでいる。例えば、ベース部材８８２と交換可能光学機構８８０を含んでいる。
【００６６】
図９は、本実施形態のＣＲＳプローブ装置の構成手順、および、その自動交換の手順を示したルーチン９００のフローチャートである。ブロック９１０では、ＣＲＳプローブ装置２３０がプログラム制御で自動的にＣＭＭ２１０に接続される。ＣＲＳプローブ装置２３０は、ＣＲＳプローブ本体２１６と、このＣＲＳプローブ本体２１６に取り付けられた自動交換ジョイント要素２３６と、を含んで構成される。自動交換ジョイント要素２３６を使うことで、標準的な自動交換ジョイント接続機構２３０を利用したＣＭＭ２１０への自動接続が可能となる。様々な実施形態では、上記ＣＲＳプローブ装置２３０は、ＣＲＳプローブ本体２１６から自動ジョイントコネクタを通って外部素子までの間の光ファイバー接続を必要としないし、含んでいない。又は、自動ジョイントコネクタに並行する他のいかなる仮設経路に沿った光ファイバー接続を必要としないし、含んでいない。ＣＲＳプローブ本体２１６は、光学ペン２２０、電力供給を受ける光源２６４、および、ＣＲＳ波長検出器２６２を含む。光源２６４は、自動交換ジョイント要素２３６を通じて電力供給され、ＣＲＳプローブ本体２１６で生じる光を生成する。前述の様々な実施形態では、光学ペン２２０は、色分散光学部材２５０を有した共焦点光学系を形成している。この光学ペン２２０は、光学系の測定軸に沿って、被測定面付近のペン先からの異なる距離においてそれぞれ異なる波長光の焦点が合うように構成されている。ＣＲＳプローブ本体２１６で発生する光は、光学ペン２２０に送られる波長域の入力スペクトルプロフィルを持っている。ＣＲＳ波長検出器２６２は、その検出軸に沿って配置された複数画素を有する。複数画素は、それぞれの波長光を受けて、出力スペクトルプロフィルデータを提供する。
【００６７】
ブロック９２０では、ＣＲＳプローブ装置２１５が、自動交換ジョイント要素２３６を介してＣＭＭに接続される。これによって、ＣＲＳプローブ本体２１６に自動交換ジョイント接続機構２３０を利用した電源および制御信号の提供が行なわれる。
【００６８】
ブロック９３０では、ＣＭＭによって、光学ペン２２０がワーク表面に対して測定動作可能な位置に配置され、ＣＲＳプローブ装置２１５の測定動作が実行される。ここで、光源２６４が発光して、光学ペン２２０に入力スペクトルプロフィルの光が入力されると、光学ペン２２０は、ワーク表面へ入力スペクトルプロフィルに応じた照射光を出力する。そして、光学ペン２２０は、ワーク表面からの反射光を受けて、ＣＲＳ波長検出器２６２に出力スペクトルプロフィルを供給するためにその反射光を出力する。出力スペクトルプロフィルは、光学ペン２２０からワーク表面までの測定距離を示す波長ピークを持った距離依存型プロフィル成分を含んでいる。ＣＲＳ波長検出器２６２は、測定動作の一部として、出力スペクトルプロフィルに対応した出力スペクトルプロフィルデータを提供する。
【００６９】
ブロック９４０では、ＣＲＳプローブ本体２１６が、出力スペクトルプロフィルデータに基づく測定信号を出力する。出力された測定信号はワーク表面までの測定距離情報を有している。複数の実施形態での測定信号は、波長検出器２６２の検出器アレイの画素値（pixel values）に基づいた出力スペクトルプロフィルデータを含んでいる。しかし他の実施形態では、測定信号は、測定されたスペクトルプロフィルデータ（例えば、補正された信号、決定された波長ピーク値、又は、そこから引き出された最終的な距離測定値など）から得られた信号であってもよい。様々な実施形態では、測定信号は、自動交換ジョイント要素の少なくとも１個の導体上を流れる。複数の実施形態では、一部又は全部の信号が無線で伝えられて、プローブ自動ジョイント接続機構を迂回してもよい。以上のように、他のタイプのプローブ（例えば、ＣＭＭ上のプローブ）と一緒に設けられて、それらへ自動交換可能に構成されている本発明のＣＲＳプローブ装置２１５の特徴は、当該ＣＲＳプローブ装置２１５が、測定光を発生し、かつ、ワークからの反射光を処理するということをＣＲＳプローブ本体２１６の中でできるように構成されていることである。
【００７０】
以上説明した様々な実施形態の他にも、ここに開示された発明の構成および動作手順に基づく、多くの変形例がある。例えば、上述の実施形態では、信号形式の制御信号及びデータ信号がプローブ自動ジョイント接続機構２３０を流れることを強調したが、信号の一部又は全部が無線で伝えられて、プローブ自動ジョイント接続機構２３０を迂回するようにしてもよい。ＣＲＳプローブ本体２１６の自己収容動作、および／または、自動交換動作が可能であるという構成により、当該ＣＲＳプローブ装置２１５が測定光を発生し、かつ、ワークからの反射光を処理するという機能をＣＲＳプローブ本体２１６が発揮できるようになった。出力スペクトルプロフィルデータを決定するために反射光を処理した後、必要ならば、その処理信号を無線送信することにより、ＣＲＳプローブ本体２１６の外部での余計な光ファイバー接続を不要にできる。このように、請求項に記載された特許請求の範囲の中で、様々の変形例が可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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