JP2008256679A - クロマティック共焦点センサ - Google Patents

Abstract

【課題】標準的な商業的光学ペンに適合する寸法を有しながら、改良された範囲検知性能を与えるレンズ構造を与える。
【解決手段】色分散レンズ構造は、色範囲検知のために光学ペン中で利用される。レンズ構造は、負パワー複レンズと正パワーレンズ部分を含む。正パワーレンズ部分に含まれるレンズのアッベ数は、複レンズの２つの部分のアッベ数の間にある。複レンズの２つの部分で使用された材料のアッベ数の間の関係は、同様の形状寸法の標準的な複レンズで用いられるそれらの関係と、ほぼ逆である。複レンズは、正レンズ部分で生ずる正の球面収差を効率的に打ち消す負の球面収差を有する。１つの実施形態において、レンズ構造中の全てのレンズ要素は球面レンズである。
【選択図】図１

Description

本発明は、概ね精密測定装置に係り、特に、色共焦点範囲検知用の光学ペン中で利用されるような色センサレンズ構造に関する。

制御された色収差技術は、距離検知測定分野に利用され得る。非特許文献１に記載されている如く、制御された長手方向色収差を光学結像系に導入し、結像系の焦点距離が波長と共に変化するようにし、この波長が光学測定用の手段を与える。特に、レンズを、その背面焦点距離（ＢＦＬ）が波長の単調関数であるように設計することができる。白色光での動作で、そのようなレンズは軸方向に分散した焦点の虹を呈し、距離検知分野の分光プローブとして用いることができる。

色共焦点技術を光高さセンサに用いることも知られている。特許文献１に記載されているように、軸方向色収差（軸方向又は長手方向色分散とも称する）を有する光学要素を、広帯域光源を集束するのに用いて、焦点までの軸方向距離が波長により変化するようにすることができる。従って、唯一つの波長のみが表面上に正確に集束し、表面の高さが、どの波長が最も良く集束するかを決定する。表面から反射された光は、ピンホール又は光ファイバ端部のような、小さな検出器アパーチャ上に再び集束する。表面から反射され、光学系を通って入力／出力ファイバに戻る際に、表面上によく集束された波長のみがファイバ上によく集束される。他の波長は全て、ファイバ上に不完全に集束し、多くのパワーをファイバ中にカップリングしない。従って、信号レベルは、物体の高さに対応する波長で最大となる。検出器の所の分光計が、各波長の信号レベルを測定し、これが物体の高さを効率良く示す。

いくつかのメーカーは、クロマティック共焦点センサ（ＣＰＳ：chromatic confocal point sensor）及び／又は「光学ペン」として工業的な環境中に拡がる色共焦点に適した実用的で小型の光学アセンブリに言及している。Ｚ高さを測定する（ＣＰＳ）光学ペン装置の一例は、フランス国エクサンプロバンスのＳＴＩＬ Ｓ．Ａ．社（ＳＴＩＬ Ｓ．Ａ．）により製造されている物である。特定の例として、ＳＴＩＬ光学ペンモデル番号ＯＰ３００ＮＬは、Ｚ高さを測定し、３００μｍレンジを有する。

米国特許第ＵＳ２００６／０１０９４８３Ａ１号公報 "Ｐseudocolor Ｅffects of Ｌongitudinal Ｃhromatic Ａberration"，Ｇ．Ｍolesini and Ｓ．Ｑuercioli，Ｊ．Ｏptics（Ｐaris），1986，Ｖolume 17，Ｎo．6，pages 279−282

しかしながら、様々な分野において、現在利用可能な光学ペンの様々な側面での改良（例えば、改良された光スループット、より小さな測定スポットサイズ、改良された測定分解能等）が望まれていた。

本発明は、色範囲検知用のＣＰＳ光学ペン中で用いられるような、改良された色センサレンズ構造を提供することを課題とする。

小型のＣＰＳ光学ペンのための色センサレンズ構造が与えられる。この色センサレンズ構造は、色が分散したレンズ構造である。ここに開示された設計様相の価値を評価するために、本発明の主題であるＣＰＳ光学ペンのタイプが、非常に高感度であり、ナノメートルのオーダーの表面高さ測定分解能を与えることを評価するのが本質的である。この特別な測定性能は、その代わり、光学ペンの正確な組立の影響を非常に受け易くなる。測定性能は、光学ペンの配置の最小の変化によって変化し、及び／又は、低められる。この流れにおいて、本発明による色センサレンズ構造は、ＣＰＳ光学ペンで以前に用いられたレンズ構造に対して重要な利点を与える。

本発明の一側面に従えば、１つの実施形態において、色分散レンズ構造は、ハウジング、入力／出力光ファイバ、及び、検出器アパーチャも含むＣＰＳ光学ペンの光学要素部分として利用される。入力／出力光ファイバは、光源放射を出力し、反射した放射を検出器アパーチャを通して受光する。レンズ構造は、光軸に沿って配列される。レンズ構造は、アパーチャからの光源放射を受光し、ワーク表面に向けて軸方向色分散を伴って集束する。それは更に、ワーク表面から反射された放射を受光し、反射された放射を軸方向色分散を伴って検出器アパーチャの近くに集束する。

本発明のもう１つの側面に従えば、１つの実施形態において、色分散レンズ構造は、複レンズ要素と、この複レンズ要素よりもアパーチャから離れて配置された正パワーレンズ部分を含む。複レンズ要素は、アパーチャ近くに位置する第１の部分と、アパーチャから離れて位置する第２の部分を含む。複レンズの第１の部分は、比較的低いアッベ数を有するのに対し、第２の部分は、比較的高いアッベ数を有する。いくつかの実施形態において、正パワーレンズ部分中に含まれる各レンズ要素の平均アッベ数は、複レンズ要素の部分の比較的低いアッベ数と比較的高いアッベ数の間にある。

本発明のもう１つの側面に従えば、複レンズ要素は負パワーレンズ要素である。様々な実施形態において、複レンズ要素は、低い値の負パワーレンズ要素である。

本発明のもう１つの側面に従えば、１つの実施形態において、正パワーレンズ部分は、全て球面を有する３つの空気で離された単レンズ（例えば１つの両凸レンズ要素及び２つのメニスカスレンズ要素）から形成される。球面レンズの利用は、レンズ構造の複雑さと全体の出費を低減させる。本発明の更なる側面に従えば、１つの実施形態において、複レンズ要素も球面である。

本発明のもう１つの側面に従えば、複レンズ要素の第１及び第２の部分で用いられた材料の、ある材料特性間の関係は、同様な形状寸法の標準的な複レンズで用いられる、それらの関係の逆である。

本発明のもう１つの側面に従えば、複レンズ要素は、正レンズ部分で生じる球面収差の本質的な部分を効率的に打ち消す負の球面収差の望ましいレベルを与える。本発明の更なる側面に従えば、１つの実施形態において、複レンズ要素の第１及び第２の部分の平均アッベ数は、正レンズ部分のレンズの平均アッベ数に、ほぼ適合する。

本発明のもう１つの側面に従えば、いくつの実施形態において、本発明によるレンズ構造は、比較的安価な部品（例えば球面レンズ）から作ることができ、レンズ構造の単レンズの比較的単純な調整によって最適化される。

本発明による色分散レンズ構造は、数多くの利点を有する。特に、ＣＰＳ光学ペンは、そのようなレンズ構造を取り込むことができ、ある商業的に利用可能なシステムと同等又は、より小さな物理的寸法及びコストで製造できるにも拘らず、光スループット（例えば１０％〜１００％）も、スポットサイズ（例えば２５％）と同様に改良され、これらは、そのようなＣＰＳ光学ペンの改良された測定分解能に転換される。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明による色分散レンズ構造１００の実施形態の動作を示す模式的な側面図５０である。レンズ構造１００は、複レンズ要素１０１と、正パワーレンズ部分１０５を含む。図１に示される特定の実施形態において、正パワーレンズ部分１０５は、両凸レンズ要素１０２と、メニスカスレンズ要素１０３及び１０４を含む。複レンズ要素１０１は、第１のレンズ部分１０１Ａと第２のレンズ部分１０１Ｂから形成されている。様々な実施形態において、複レンズ要素１０１は、接着された複レンズ又は空気を挟んだ複レンズのいずれでも良い。メニスカスレンズ要素１０３及び１０４は、図１中にほぼ示されるように、同じ方向にカーブし、正の光パワーを与え、レンズ構造１００からの放射出力を集束するように向けられた、両方の表面を有する。図１に示される構成において、正パワーレンズ部分１０５の球面収差は、集束レンズ動作を３つの空気を挟んだ単レンズ１０２−１０４に分けることによって、容易に制御され設計される。しかしながら、様々な他の実施形態において、レンズ１０２−１０４は、正パワーレンズ部分１０５において、より多数のレンズ、あるいは、単一の適切に設計された非球面レンズによって置き換えることができる。

図１を参照して、以下により詳細に説明するように、動作に際して、入力／出力光ファイバ１１２からの光は、光軸に沿って出力光ビームを与えるよう、レンズ構造１００に対して固定された検出器アパーチャ１９５から出力される。１つの実施形態において、入力／出力光ファイバ１１２のコアの端部は、アパーチャ１９５（例えばコア直径５０μｍとほぼ同じ、又は、テーパ状ファイバコアに対して２０μｍのアパーチャ）を与える。描写した限界光線ＬＲ１及びＬＲ２内の出力光ビームは、付加的なアパーチャストップ１０８によって制限され、どのような場合でも、複レンズ要素１０１を通り続けて、正パワーレンズ部分１０５によってワーク表面９０上に集束される。ワーク表面９０から反射された光は、限界光線ＬＲ１及びＬＲ２で示したように、レンズ構造１００によってアパーチャ１９５上に再び集束される。距離ＦＲは、レンズ構造１００の後ろとアパーチャ１９５間の間隔を表わす。レンズ構造１００によって与えられた軸方向色分散のため、唯１つの波長のみが表面９０で合焦し、レンズ構造１００から表面９０までの距離が、どの波長が最も良く集束するかを決定する。表面９０で最も良く集束された波長が、アパーチャ１９５で最も良く集束される波長となる。従って、アパーチャ１９５を通って入力／出力光ファイバ１１２のコアに受光された光は、最も良く集束された波長が支配的となるよう空間的にフィルタリングされる。様々な実施形態において、入力／出力光ファイバ１１２は、信号光を、最高信号レベルに対応する波長を決定して、ワーク表面９０までの距離を決定するために利用される分光計（図示省略）に導く。

図１は、集束／発散角θ_１及びθ_２と、前面及び後面焦点距離ＦＦ及びＦＲを示す。後面焦点距離ＦＲは、アパーチャ１９５からレンズ構造１００の後方に延び、前面焦点距離ＦＦは、レンズ構造１００の前方に延びる。１つの実施形態において、検出器集束開口数（ＮＡ_ｄｅｔ）は、次式により角度θ_１と関係する。

ＮＡ_ｄｅｔ＝sinθ_１ …（１）

更に、ワーク表面の物体開口数（ＮＡ_{ｏｐｊｅｃｔ}）は、次式により集束角θ_２と関係する。

ＮＡ_{ｏｐｊｅｃｔ}＝sinθ_２ …（２）

アパーチャ１９５の与えられた寸法に対して、縮小比（ＮＡ_ｄｅｔ／ＮＡ_{ｏｐｊｅｃｔ}）は、ワーク表面９０上に集束された測定スポットの横方向寸法を決定する。従って、縮小比は、ここで詳細に説明するように、様々な実施形態において、レンズ構造１００によって満足されるべき重要な設計パラメータである。

sinθ_２、及び、前面焦点距離ＦＦが、レンズ構造１００によって与えられる軸方向色分散のために、光の波長にほぼ依存することが理解される。所望の軸方向色分散を与えるための様々な考慮が、以下に、より詳細に説明される。図１は、レンズ構造１００によるスパンの軸方向寸法を表わすレンズ群長さ寸法Ｌも示す。通常小型のＣＰＳ光学ペンが非常に有益なので、レンズ群長さ寸法Ｌ及び／又は寸法（ＦＲ＋Ｌ）は、様々な実施形態において、レンズ構造１００によって満足されるべき重要な設計パラメータである。ある１つの特定の実施例において、寸法ＦＲとＬの和は、ほぼ１３９ｍｍであり、図１は、ほぼ原寸で描かれている。しかしながら、様々な他の実施形態において、図１の原寸は図示のための例に過ぎず、限定するものではない。より一般的に、図１に示される特定のレンズ構造１００の様々な実施形態は、図１に示されるレンズ表面構造の合理的な変形、及び、図２に示し、参照して以下で説明する材料特性に基づき、これらの変形をガイドするための公知の分析的及び／又はコンピュータ化された光学設計、及び／又は、シミュレーション技術の使用と共に、（例えば適切なレンズ要素表面半径及び軸方向間隔により）様々な適用対象に対して適切であるように実施及び／又は適応される。

与えられた形状寸法に対して、レンズ構造１００によって与えられる前面焦点距離ＦＦ及び軸方向色分散の量は、一般的に、レンズ１０１−１０４の屈折率及びアッベ数に依存する。Ｗarren Ｊ．Ｓmith，Ｍodern Ｏptical Ｅngineering，Ｔhird Ｅdition，ｐ．94，ＭcＧraw−Ｈill，2000に記載されているように、波長による材料屈折率変動は、焦点の軸方向分離を生じ、アッベ数は、次式に従って、波長と共に屈折率の変動を定量化する。

ν_ｄ＝（ｎ_ｄ−１）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ） …（３）

ここで、ν_ｄはアッベ数、ｎ_ｄ、ｎ_Ｆ、ｎ_Ｃは、ヘリウムｄ線５８７．６ｎｍ、及び、水素Ｆ及びＣ線（それぞれ４８６．１ｎｍ及び６５６．３ｎｍ）での材料の屈折率である。より小さいアッベ数は、波長による、より大きな焦点変動を与える。

更に、Ｊoseph Ｍ．Ｇeary，Ｉntroduction to Ｌens Ｄesign，ｐ．176，Ｗillmann−Ｂell，2002に記載されているように、Ｆ波長とＣ波長間の単レンズの焦点距離変動は、次式によって与えられる。

Δｆ_ＦＣ＝ｆ_ｄ／ν_ｄ …（４）

ここで、ｆ_ｄは、ヘリウムｄ波長（５８７．６ｎｍ）の焦点距離である。繰り返すと、より小さなアッベ数のガラスを使ったレンズは、波長による、より大きな焦点距離のシフトを有する。

様々な実施形態において、複レンズ要素１０１及び正パワーレンズ部分１０５は、ＣＰＳ光学ペンの様々な望ましい性質を与えるために、本発明に従って、様々な様相の組合せで設計される。特に、様々な実施形態において、複レンズ要素１０１は、典型的な複レンズではない。一般的に、アパーチャ１９５に、より近い第１のレンズ部分１０１Ａは、少なくとも１つの凹面を有し、アパーチャ１９５から、より離れた第２のレンズ部分１０１Ｂは、少なくとも１つの凸面を有する。本発明の原理に従って、様々な実施形態で、第１のレンズ部分１０１Ａは比較的低いアッベ数を有する一方、第２のレンズ部分１０１Ｂは比較的高いアッベ数を有する。これに対して、従来の複レンズの第１及び第２部分に対応するアッベ数間の関係は、第１及び第２のレンズ部分１０１Ａと１０１Ｂに比較して逆である。

本発明による様々な実施形態において、複レンズ要素１０１は、通常、低パワーレンズ要素、又は、負パワーレンズ要素、又は両者である。図１に示された特定の実施形態において、それは低パワーの負パワーレンズ要素であり、通常、アパーチャ１９５から受け取った出力ビームを拡げる。１つの実施形態において、複レンズ要素１０１は、負パワーの大きさが、レンズ構造１００の総パワーのほぼ１０％である負パワーレンズ要素を与える。より一般的に、いくつかの実施形態において、負パワーの大きさは、最大でレンズ構造１００の総パワーのほぼ５０％であり、他の実施形態において、負パワーの大きさは、最大でレンズ構造１００の総パワーのほぼ２０％であることが有利である。しかしながら、様々な他の実施形態において、複レンズ要素１０１は、ここで開示した他の設計原理が満足されていれば、低パワーの正のレンズ要素を有することができる。例えば、いくつかの実施形態において、正パワーの大きさは、最大でレンズ構造１００の総パワーのほぼ４０％であり、他の実施形態において、パワーの大きさは、最大でレンズ構造１００の総パワーのほぼ２０％であることが有利である。

図１に示された特定の実施形態において、第１のレンズ部分１０１Ａ及び第２のレンズ部分１０１Ｂは、ほぼ同じ光パワーであるが、反対符号の光パワーを与え、これは以下で説明するように、複レンズ要素１０１に望ましい球面収差と軸方向色分散の組合せの達成を単純化する。

様々な実施形態において、複レンズ要素１０１は、正レンズ部分で生じる正の球面収差の実質的な部分を効率良く打ち消す負の球面収差の望ましいレベルを与えるように設計される。適切な負の球面収差を与える複レンズ要素は、ここに開示する原理に基づいて、公知のコンピュータによる光学設計及び／又はシミュレーション技術の使用と組合わせて設計される。

いくつかの実施形態において、第１のレンズ部分１０１Ａ及び第２のレンズ部分１０１Ｂが球面レンズ部分であると、より単純で、より製造が容易なレンズ構造になる。いくつかの実施形態において、複レンズ要素１０１の第１及び第２のレンズ部分のアッベ数の平均が、正レンズ部分１０５に含まれるレンズの平均アッベ数とほぼ一致するとき、より単純で、より簡単に製造されるレンズ構造になる。

図１に示された特定の実施形態において、正パワーレンズ部分１０５の構造は、３つの空気を隔てた単レンズ要素１０２−１０４を含む。１つの実施形態において、各レンズ要素１０２−１０４は球面を持つ。球面レンズの利用は、レンズ構造の合計出費を減らす。１つの実施形態において、レンズ構造１００の全てのレンズ要素は球面レンズである。

図２は、図１のレンズ要素１０１Ａ、１０１Ｂ、１０２、１０３及び１０４のアッベ数と屈折率の組の例を示す表２００である。表２００中に示される材料特性は、図１に示されるレンズ構造と組合せて用いられ、上で述べた様相の様々な望ましい組合せの任意の、及び／又は、全てに対応する実施例を与える。より詳しくは、図２に示される実施例において、第１のレンズ部分１０１Ａは、比較的低いアッベ数２５．４と、屈折率１．８を有する一方、第２のレンズ部分１０１Ｂは、比較的高いアッベ数４５．８と屈折率１．５を有する。従って、対応する複レンズ要素１０１の平均アッベ数は３５．６である。レンズ要素１０２は、アッベ数３５．３と屈折率１．７を有する。レンズ要素１０３は、アッベ数３９．３と屈折率１．７を有する。レンズ要素１０４は、アッベ数３９．７と屈折率１．７を有する。従って、対応する正レンズ部分１０５の平均アッベ数は３８．１である。

いくつかの実施形態において、複レンズ要素１０１と正レンズ部分１０５の平均アッベ数間の差が、最大で１０であることが有利であり、最大で５であると、より有利である。図２に示される実施例において、その差は２．５である。

図３は、図１のレンズ構造１００の要素を含むＣＰＳ光学ペン３００の例の選択部分の分解図である。ＣＰＳ光学ペン３００の選択部分は、ハウジングアセンブリ３２０と光学系部分３５０を含み、光学系部分３５０は、他の部品に加えてレンズ構造１００の要素を含む。より詳しくは、図３に示される実施形態において、光学系部分３５０は、レンズ要素１０１Ａ、１０１Ｂ、１０２、１０３及び１０４と同様に、位置決め肩部３５２Ａを含む保持要素３５２と、位置決め肩部３５４Ａ−３５４Ｃを含む組立要素３５４と、保持リング３５６と、位置決め肩部３５８Ａを含む端部要素３５８を含む。

組立てられた時、レンズ要素１０２は、位置決め肩部３５４Ａと位置決め肩部３５２Ａの第１の側に接する一方、レンズ要素１０１は、位置決め肩部３５２Ａの他方の側に接する。レンズ要素１０３は、位置決め肩部３５４Ｃと保持リング３５６に接する。レンズ要素１０４は、位置決め肩部３５８Ａに接する。組立要素３５４は、端部要素３５８とハウジング３２０に、ほぼ接する。圧縮、隣接面、及び／又は、摩擦力によって、その場所に保持されない任意の要素は、接着剤又は他の従来の手段によって、その位置に固定される。

１つの実施形態において、レンズ要素１０４は、端部要素３５８に固定され、レンズ要素１０１−１０３は、端部要素３５８を組立要素３５４に固定する前に組立要素３５４に固定される。このような実施形態において、レンズ要素１０４の軸方向位置及び傾きは、レンズ要素１０１−１０３に対して調整される。調整手順の一例は、ここで説明するように行なわれる。端部要素３５８は、組立及びテスト治具中で、組立要素３５４に、ほぼ接するように組立てられる。広帯域の光が、標準化された入力／出力テストアパーチャ（例えば図１に示され、参照して説明された後面焦点距離ＦＲに対応して位置された入力／出力ファイバアパーチャ）から、組立要素３５４中のレンズ要素１０１−１０３を通して、端部要素３５８中のレンズ要素１０４に投射される。レンズ要素１０４は、広帯域の光を所望の「平均」焦点面上のスポットに集束する。このスポットは、所望の焦点面で、任意の便利な手段により観測される。端部要素３５８とレンズ１０４の軸方向位置は、焦点面で最小のスポットサイズを与えるように調整され、それらの傾きは、スポット内で最も対称な照明分布を与えるように調整される。最小のスポットサイズと分布対称性の総合的に最も良い組合せは、通常、入力／出力光ファイバに取り付けられた分光計で測定される最大の信号強度と最狭のスペクトルピークを与えるよう、標準化された入力／出力テストアパーチャに戻る反射光ビームを生じる。所望の性能が、スポットサイズと対称性、及び／又は、所望により結果として生じる分光特性に関して与えられた時、端部要素３５８は、接着剤又は他の従来の手段によって組立要素３５４に固定される。勿論、この調整方法は、同様な結果を与える多くの可能な光学調整手順の１つに過ぎず、従って、説明のためだけで、限定するものではないと考えられるべきである。

１つの実施形態において、レンズ１０４の軸方向位置及び傾きのみを、「機械的に組立てられた」レンズ１０１−１０３の組に対して調整する調整手順が、図１及び図２の特定の構造に従って作られた多数の色分散レンズに適用された。レンズ１０１−１０３に対するレンズ１０４の必要な軸方向調整範囲は、レンズ要素が容易に利用可能なレンズ製造公差を用いて製造された時には、＋／−０．１ｍｍのオーダーである。図４に示され、参照して以下で説明されるＣＰＳ光学ペン構造中で使われると、その結果は、信号強度、スペクトルピーク幅、スペクトルピーク対称性のような特性が、対応する既知のＣＰＳ光学ペンに対して大幅に改良された分光計信号を与えるのに十分である。特に、妥当に対比され得る従来のＣＰＳ光学ペン（同様の公称スタンドオフと測定範囲を有する従来のペン）と比べて、本発明によるレンズ構造を用いた実際のＣＰＳ光学ペンは、次のような様相及び利点を与えた。同一のペン直径が使われた。同一の広帯域波長範囲（例えば４５０−７００ｎｍ）が使われた。同一のアパーチャ直径（例えば２０−５０μｍの範囲内）が使われた。同一のＮＡ_{ｏｂｊｅｃｔ}＝０．５とスタンドオフ距離＝５．６８ｍｍが使われた。従来のＣＰＳ光学ペンの対比される寸法（例えば１４０ｍｍのオーダー）よりも小さな代表的な寸法（ＦＲ＋Ｌ）を用いても、改良された縮小比（０．１４のオーダー）が与えられた。従来のＣＰＳ光学ペンによって与えられるスポット直径（例えば４μｍのオーダー）より、ほぼ２５％小さな、改良されたスポット直径が与えられた。更に、従来のＣＰＳ光学ペンのスポットサイズが５％以上変動したのに対し、波長に対してスポットサイズは、検出できないぐらいの変動レベルまで改良された。

重要な点として、本発明による実際のＣＰＳ光学ペンで光スループットも改良された。特に、いくつかの測定距離に対するスペクトルピークの分析に基づき、従来のＣＰＳ光学ペンに使われた同じ分光計を用いて、光スループット（即ちスペクトルピーク高さ）は、１０％から１００％向上した。更に、スペクトルピークも、より対称になり易かった。対称なスペクトルピークは、分光計検出器アレイ上のピーク位置の改良された画素以下の補間をサポートし、従って、ＣＰＳ光学ペンの可能性のある距離測定分解能及び精度を向上した。

図４は、組立てられたＣＰＳ光学ペン４００の断面図である。図４に示されるように、ＣＰＳ光学ペン４００は、ハウジングアセンブリ３２０´と光学系部分３５０´を含み、これらは、図３中に示される同様の番号が付された（重要でない）部品と同様又は同一である。いずれの場合も、光学系部分３５０´は、本発明による色分散レンズ構造を含む。ＣＰＳ光学ペン４００の一般的な動作は、先行図面及び、ここに開示した説明に基づいて理解される。

ＣＰＳ光学ペン４００は、更に、取付ねじ４１０を用いてハウジング３２０´の端部に取り付けられる取付要素４８０を含む入力／出力光ファイバサブアセンブリ４０５を含む。入力／出力光ファイバサブアセンブリ４０５は、入力／出力光ファイバ（図示せず）を、それを包む光ファイバケーブル４１２´、及び、光ファイバコネクタ４０８を通して受け入れる。入力／出力光ファイバは、アパーチャ４９５を通して出力ビームを出力し、図１中に示される入力／出力光ファイバ１１２とアパーチャ１９５を参照して既に説明したと同様の方法で、アパーチャ４９５を通して、反射された測定信号光を受光する。１つの実施形態において、アパーチャ４９５は、入力／出力光ファイバのコアの端部で与えられる。

本発明による色分散レンズ構造は、多数の利点を有する。特に、ＣＰＳ光学ペンは、そのようなレンズ構造を取り込み、ある商業的に利用可能なシステム（例えばＳＴＩＬペンＯＰ３００ＮＬ）と同等の寸法で製造できるが、その光スループット（例えば１０％から１００％）と同様にスポットサイズ（例えば２５％改良）も改良され、これは、システムの改良された測定分解能に転換される。更に、本発明によるレンズ構造は、いくつかの実施形態において、比較的安価な部品（例えば球面レンズ）から製造され、レンズ構造の単レンズの比較的単純な調整によって最適化される。

発明の好適な実施形態が図示され説明されたが、図示され説明された様相の配置及び動作の流れの様々な変形が、この開示に基づいて当業者に明らかである。従って、本発明の精神及び範囲を外れることなく、様々な変更がなされ得る。

本発明による色分散レンズ構造の実施形態の模式的な側面図 図１のレンズ構造のレンズ要素のアッベ数と屈折率の組の一例を示す表 図１のレンズ構造を含むＣＰＳ光学ペン構造の例の選択部分の分解図 図３に示されたものと同様の部品を含み、更に入力／出力光ファイバ部分を含む、組立てられたＣＰＳ光学ペンの断面図

符号の説明

９０…ワーク表面
１００…色分散レンズ構造
１０１…複レンズ
１０２…両凸レンズ要素
１０３、１０４…メニスカスレンズ要素
１０５…正パワーレンズ部分
１１２…光ファイバ
１９５…アパーチャ
３００、４００…ＣＰＳ光学ペン
３２０、３２０´…ハウジングアセンブリ
３５０、３５０´…光学系部分
３５２…保持要素
３５４…組立要素
３５６…保持リング
３５８…端部要素
４８０…取付要素

Claims (17)

1. 表面までの距離の測定に使用可能な信号を与えるように動作可能なクロマティック共焦点センサであって、
   ハウジングと、
   光源からの放射を出力し、反射された放射を受光するアパーチャと、
   該アパーチャからの光源放射を受光し、該光源放射を集束して、軸方向色分散を伴いつつ前記表面に向けて出力し、前記表面から反射された放射を受光し、該反射された放射を、軸方向色分散を伴いつつ前記アパーチャの近くに集束するための、クロマティック共焦点センサの光軸に沿って配列されたレンズ構造であって、
   前記アパーチャに近い方に位置する第１の部分と、アパーチャから遠い方に位置する第２の部分を有する複レンズ要素、及び、
   該復レンズ要素よりも前記アパーチャから離れて位置する、少なくとも１つのレンズ要素を含む正パワーレンズ部分を有するレンズ構造とを有し、
   前記複レンズの第１の部分が第２の部分より低いアッベ数を有し、前記複レンズの第２の部分が第１の部分より高いアッベ数を有し、前記複レンズが、ａ）負の光パワーと、ｂ）レンズ構造の総光パワーの４０％より小さい、正の光パワーと、の一つである光パワーを与えるようにされているクロマティック共焦点センサ。
2. 前記複レンズが、前記レンズ構造の総光パワーの５０％よりも小さな大きさを持つ負の光パワーを与える請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ。
3. 前記複レンズが、前記レンズ構造の総光パワーの２５％よりも小さな大きさを持つ負の光パワーを与える請求項２に記載のクロマティック共焦点センサ。
4. 前記複レンズが、前記レンズ構造の総光パワーの１５％よりも小さな大きさを持つ負の光パワーを与える請求項３に記載のクロマティック共焦点センサ。
5. 前記複レンズが、前記レンズ構造の総光パワーの２５％よりも小さな大きさを持つ正の光パワーを与える請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ。
6. 前記複レンズが、前記レンズ構造の総光パワーの１５％よりも小さな大きさを持つ正の光パワーを与える請求項５に記載のクロマティック共焦点センサ。
7. 前記複レンズが、前記レンズ構造の総光パワーの２５％よりも小さな大きさを持つ負の光パワーを与え、前記正パワーレンズ部分が、
   前記複レンズ要素の第２の部分の近くに位置される両凸レンズ要素と、
   該両凸レンズ要素の近くに位置される第１のメニスカスレンズ要素と、
   該第１のメニスカスレンズ要素の近くに位置される第２のメニスカスレンズ要素とを有する請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ。
8. 前記第１及び第２のメニスカスレンズ要素が、それぞれ正の光パワーを与える請求項７に記載のクロマティック共焦点センサ。
9. 前記両凸レンズ要素が、正の光パワーを与える請求項８に記載のクロマティック共焦点センサ。
10. 前記両凸レンズが最小３２最大３８のアッベ数を有し、前記第１及び第２のメニスカスレンズが、それぞれ、最小３７最大４２のアッベ数を有する請求項７に記載のクロマティック共焦点センサ。
11. 前記両凸レンズが最小１．７最大１．８の屈折率を有し、前記第１及び第２のメニスカスレンズが、それぞれ、最小１．６最大１．７の屈折率を有する請求項１０に記載のクロマティック共焦点センサ。
12. 前記レンズ構造の各レンズ要素が、球面レンズ要素である請求項７に記載のクロマティック共焦点センサ。
13. 前記複レンズの第１の部分のアッベ数が３０より小さい請求項７に記載のクロマティック共焦点センサ。
14. 前記複レンズの第１の部分が、最小１．７０最大１．９０の屈折率を有する請求項１３に記載のクロマティック共焦点センサ。
15. 前記複レンズの第２の部分のアッベ数が５０より小さい請求項１３に記載のクロマティック共焦点センサ。
16. 前記複レンズの第２の部分が、最小１．４５最大１．６５の屈折率を有する請求項１５に記載のクロマティック共焦点センサ。
17. 前記正パワーレンズ部分に含まれる、少なくとも１つの各レンズ要素の個々のアッベ数が、前記複レンズの第１の部分のアッベ数と、前記複レンズの第２の部分のアッベ数の間にある請求項７に記載のクロマティック共焦点センサ。

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