JP2013140094A - 波長検出器および、これを用いた接触プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】光源や受光素子群などの熱源をプローブ本体の筐体から隔離可能で、かつ、高精度測定が可能で、さらに、容易に取り扱うことができる接触プローブを提供する。
【解決手段】接触プローブ１０は、被測定物Ｗに接触する接触部２６を有するスタイラス２２と、その姿勢を光学的に検出する光学検出手段３０とを備える。スタイラスには照射対象の被照射部２４が設けられ、この被照射部には３つの反射面２８が形成されている。光学検出手段は、照射光を伝搬する３つのファイバ３４と、各ファイバに所定の波長幅のスペクトルを示す照射光を供給する光源３２と、各ファイバからの照射光を集光する集光レンズ群３６と、各反射面の反射光を各ファイバ経由で受光し、その波長を検出する波長検出器４０とを有する。波長検出器は、反射面と集光レンズ群との間隔変化に起因する波長変化に基づいて、スタイラスの姿勢情報を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の波長検出器、および、これを用いた接触プローブに関する。特に、三次元測定機用の倣いプローブやタッチトリガープローブなどの接触プローブに関する。

従来の三次元測定機用の接触プローブには、スタイラス（可動体）の姿勢を三角測量する光学検出方式、可動体の移動量をリニアスケールで検出する光学検出方式、可動体の弾性変形部に電歪素子を配置し、歪量を検出することで可動体の姿勢を検出する方式等、様々な方式が存在する。このようなスタイラスの姿勢検出器は、内界センサとして接触プローブの筐体に内蔵されている。例えば、３つのＬＥＤからの光をスタイラス上部の反射ミラーの３つの反射面に当てて、３つの反射光の光量を光センサが検出する。スタイラスの姿勢変化により反射ミラーが変位するので、３つの反射光の反射方向がそれぞれ変化し、光センサ上の入射位置がシフトする。そして、光センサが、それぞれの反射光のシフト量を検出することにより、スタイラスの姿勢変化を算出する。このようなＬＥＤの光を用いたスタイラスの姿勢の光学検出方式が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００７−２１８７３４号公報

しかし、従来の検出方式には以下の課題が有った。まず、光学検出方式の場合、プローブ内の光源や受光素子群のような熱源が原因となって、倣いプローブの高精度化が進む中、プローブ内部の熱源のよるプローブの熱変形がサブミクロンオーダでは無視できない誤差要因となっている。一方で、Ｓ／Ｎ（ＳＮ比）を高めるためには、光学検出方式における受光素子群をできるだけ可動体の近傍に配置することが常套手段である。このような背景から、従来の光学検出方式では、熱源による可動体の熱変形の問題と、Ｓ／Ｎの問題はトレードオフの関係にあった。

特に、光学検出方式のうちの三角測量の場合、受光（検出）素子として２分割あるいは４分割のＰＳＤ（光位置センサ；ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）が広く用いられている。ＰＳＤは高速検出が可能であるという利点があるが、ＰＳＤは光量の重心値を検出する方式であり、可動体の姿勢データと電気ノイズや振動ノイズとを分離することが困難である。また、被測定物の姿勢を検出するには機能性に問題があった。

次に、ＰＺＴに代表される電歪素子を用いる方式では、当該圧電素子が、衝撃による破損やスタイラス交換の困難性の問題を有することから、一般的にその取り扱いが難しい。

本発明の目的は、異なる波長の３以上の光の波長を検出できる波長検出器、および、この波長検出器を用いてスタイラスの姿勢を光学的に検出できる接触プローブを提供することである。特に、波長検出器については、３以上の光の波長を簡単な光学素子の構成によって同時に、しかも、高い精度で検出できること、また、接触プローブについては、光源や受光素子群などの熱源をプローブ本体の筐体から隔離可能であり、該熱源を隔離しても高い精度での測定が可能であり、さらに、容易に取り扱うことができることを目的とする。

＜波長検出器＞
すなわち、本発明に係る波長検出器は、所定の波長域のスペクトルを示す３以上の照射光を被照射部の３以上の反射面に当てた際の、それぞれの反射光から取り出された部分波長の光を受光して、これらの光の波長をそれぞれ検出する波長検出器であって、並行レンズ群、分光素子、検出レンズ群、および、受光素子群を有して構成される。
並行レンズ群は、前記３以上の反射光から取り出された各光を３以上のレンズによって互いに並行な光にする。
分光素子は、前記並行レンズ群からの各光の照射を受けてその波長に応じた方向にそれぞれ出射する。
検出レンズ群は、前記分光素子からの出射方向に応じた各出射光を３以上のレンズによってそれぞれ集光する。
受光素子群は、前記検出レンズ群で集光された３以上の光の焦点位置をそれぞれ検出する。
そして、前記受光素子群は、前記分光素子からの出射方向に応じた３以上の光の焦点位置の各範囲をカバーする複数の素子からなり、前記複数の素子が一平面上に配置され、検出する焦点位置に基づいて各光の波長を算出する。

この構成によれば、３以上の光について、各波長を同時に検出することができる。具体的には、焦点位置を検出することにより、光の波長を特定している。
分光素子によって、並行レンズ群からの３以上の光は、それぞれの波長に応じた方向に進行する。並行レンズ群を用いるので、３以上の光が光ファイバなどからの放射光であっても、効率よく互いに並行する光を作り出せる。分光素子としては、プリズムや回折格子を利用できるが、特に、省スペース化のためには回折格子を採用することが好ましい。
また、分光素子の出射側に検出レンズ群を設けている。分光素子からの各光は、対応する個々の検出レンズで集光されて、その後段に設けられた受光素子群の受光面で焦点を結ぶ。
さらに、受光素子群は複数の素子からなる多素子型であるので、受光素子群に集光された光の強度は複数の素子によって検出される。そのため、焦点位置を中心とする複数の素子にまたがった強度分布が得られ、そのピーク位置を焦点位置として検出することができる。この際、１つの平面上に複数の素子を配置し、この素子群に３つの光を互いに干渉しない位置関係で照射すれば、１つの受光素子群によって、同時に３つの光の波長が独立して検出される。なお、受光素子群としては、複数の素子が一列に並んでいる素子列（ラインイメージセンサとも呼ばれる。）を採用できるが、ＣＣＤ等いわゆるエリアセンサでも構わない。
並行レンズ群および検出レンズ群を使うことで、分光素子と受光素子群をそれぞれ１つの共通部品とすることができ、３以上の光ごとに分光素子と受光素子群を個別に設ける必要が無くなる。そのため、個別に設けた場合のアライメント調整の手間が省け、光学特性の個体差や個々のアライメントによって生じる検出誤差などの影響を排除することができる。このように、本発明によれば、３以上の光の各波長を簡単な光学素子の構成によって同時に、しかも、高い精度で検出することができる。

また、前記受光素子群は、複数の素子が一列に並んでいる素子列を複数含み、これらの複数の素子列を一平面上に配置して構成されたものであることが好ましい。
発明者らは、光の強度分布からピーク位置を検出することにより波長を特定するのであれば、最低１列の素子列さえあれば光の波長を検出することができることに着目し、この考えを３以上の光の波長検出の場合に応用した。すなわち、受光面に複数の素子列を配置して、各光が少なくともいずれかの素子列によって検出されるようにした。この構成によれば、例えばＣＣＤのように受光面全体に隙間無く素子が配置されているものと比較して、必要な素子の数を大幅に削減することができ、無駄な素子による信号処理時間を省くことができる。その結果、信号処理スピードが高まり、測定の高速化を実現することができる。

また、前記各素子列は、前記分光素子からの出射光の波長に応じた方向の変化に対して、その変化範囲をカバーする方向に並んでおり、対応する光の波長を特定することが好ましい。
この構成では、各素子列が、対応する検出レンズからの光の取り得る焦点位置の範囲をカバーして、各素子列に対応する光の波長を特定する。すなわち、１つの光の波長はいずれか１つの素子列によって検出される。この結果、受光面のなかで素子の無い部分に光が焦点を結んでしまうようなことを確実に避けることができる。

＜接触プローブ＞
次に、本発明に係る接触プローブは、
先端が被測定物に接触するとともに接触に応じて姿勢が変化するように保持されたスタイラスと、前記スタイラスの姿勢を光学的に検出する光学検出手段とを備え、姿勢情報から被測定物の接触位置の座標を取得する接触プローブにおいて、
前記スタイラスには、前記光学検出手段の照射対象になる被照射部が設けられ、この被照射部には３以上の反射面が形成され、
前記光学検出手段は、３以上のファイバ、光源、集光レンズ群、および、前述の波長検出器を有して構成される。
各ファイバは、前記各反射面への照射光を伝搬する。
光源は、前記各ファイバに所定の波長幅のスペクトルを示す照射光を供給する。
集光レンズ群は、前記ファイバおよび対応する前記反射面の間の光軸上にそれぞれ設けられて前記各ファイバからの照射光をそれぞれ集光する。
波長検出器は、波長幅に応じた照射光の焦点位置の範囲内にある前記各反射面からの各反射光を前記各ファイバ経由で受光して、各反射光の波長を検出する。
そして、前記波長検出器は、前記３以上の反射面と集光レンズ群との各間隔の変化によって生じる各反射光の波長変化に基づいて、前記スタイラスの姿勢情報を算出する。

この構成によれば、光源や受光素子群などの熱源をプローブ本体の筐体から隔離可能であり、該熱源を隔離しても高い精度での測定が可能であり、さらに、容易に取り扱うことができる。

また、前記被照射部に形成された３以上の反射面は、プローブ軸をその軸とする円錐面上あるいは逆円錐面上に配置されていることが好ましい。あるいは、前記被照射部に形成された３以上の反射面は、プローブ軸に直角な平面上に配置されていることが好ましい。

（Ａ）は本発明の一実施形態に係る接触プローブの全体構成図であり、（Ｂ）〜（Ｄ）は接触プローブの姿勢の検出原理を説明するための図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、前記スタイラスが鉛直上方に移動した場合の姿勢変化の検出原理を説明するための図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、前記スタイラスが鉛直下方に移動した場合の姿勢変化の検出原理を説明するための図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、前記スタイラスが傾いた場合の姿勢変化の検出原理を説明するための図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、環境変化によって前記スタイラスの基準姿勢が変化した場合の姿勢変化の検出原理を説明するための図である。 前記接触プローブの変形例を示す図である。 （Ａ）は前記接触プローブの着脱部についての説明図であり、（Ｂ）は着脱部の変形例についての説明図である。 前記接触プローブの変形例についての全体構成図であり、可動体の反射面を４箇所とするものである。 前記接触プローブの別の変形例についての全体構成図であり、４つの光ファイバを伝搬された４つの反射光の光軸を平面配列としたものである。 前記接触プローブの更に別の変形例についての全体構成図であり、４つの素子列を四角形の周上に配置したものである。

本発明の第一実施形態に係る接触プローブ１０について図面に基づいて説明する。
図１に示す接触プローブ１０は、三次元測定機用の倣いプローブである。同図（Ａ）のように、接触プローブ１０は、被測定物Ｗとの接触によって姿勢が自在に変化する可動体２０と、可動体２０の姿勢を光学的に検出する光学検出手段３０とを備え、その姿勢情報から被測定物Ｗの接触位置の座標を取得する。本実施形態では倣いプローブに関する。従って、可動体２０が被測定物Ｗと接触した状態を保って、プローブ１０を表面に沿って移動させると、可動体２０の姿勢が連続的に検出されて、被測定物Ｗの表面性状（粗さ上方や凹凸情報等）を測定することができる。なお、本発明の接触プローブ１０をタッチトリガープローブとして用いることもできる。

＜可動体＞
可動体２０は、スタイラス２２と、スタイラス２２の上端に設けられた被照射部２４とからなる。スタイラス２２は、その下端の接触部２６が被測定物Ｗに接触するとともに、その接触状態に応じて姿勢が変化する。被照射部２４はスタイラス２２と一体に形成されており、光学検出手段３０の照射対象になる。スタイラス２０の保持機構については詳しく説明しないが、例えば、特許文献１に記載のような切込みを有する支持プレートによって、被照射部２４をプローブ本体の筐体６０に保持させてもよい。スタイラス２２の接触部２６が被測定物Ｗに接触すると、支持プレートの弾性変形によってスタイラス２２の姿勢が自在に変化する。

被照射部２４の上部は、円錐体に形成されている。この円錐面上の３箇所に反射面２８が形成されている。反射面２８の表面は粗面である。これは、照射光が特定の反射角に反射することを抑えて、照射光の大部分を表面にて散乱させ、可動体２０の傾き角に対する姿勢（角度）検出可能範囲を広げるためである。

＜光学検出手段＞
光学検出手段３０は、光源３２、ファイバ伝搬部（３以上のファイバ）３４、集光レンズ群３６、および、波長検出器４０を有して構成される。
光源３２は、ファイバ伝搬部３４に所定の波長幅のスペクトルを示す光、例えば白色光を照射光として供給する。

ファイバ伝搬部３４は、３つのファイバ経路を構成する。１つ目の経路３４Ａは、光源３２から第１反射面２８Ａに照射光を伝搬するとともに、第１反射面２８Ａからの反射光を波長検出器４０に伝搬する経路である。経路の途中には、分岐部３４Ｄが設けられており、分岐部３４Ｃから集光レンズ群３６までのファイバは照射光と反射光の両方が通過する。２つ目、３つ目の経路３４Ｂ，３４Ｃも、１つ目の経路３４Ａと同様に、それぞれ、光源３２から第２反射面２８Ｂ、第３反射面２８Ｃに各照射光を伝搬するとともに、第２反射面２８Ｂ、第３反射面２８Ｃからの各反射光を波長検出器４０に伝搬する。照射光の出口となる３つのファイバの先端は、可動体２０の被照射部の上方にプローブ軸（スタイラス２２の長手方向の中心軸）を中心に１２０度ピッチで配置されている。

集光レンズ群３６は、ファイバおよび対応する反射面２８の間の光軸上にそれぞれ設けられた集光レンズから構成され、各ファイバからの照射光をそれぞれ反射面２８に向けて集光する。本実施形態では、２組のレンズアレイ３７，３８を用いて、前段のレンズアレイ３７によりファイバの各出口から放射される照射光を集めて、互いに並行する直線光にする。そして、後段のレンズアレイ３８により各直線光をそれぞれ対応する反射面２８に向けて集光する。

ここで、後段のレンズアレイ３８の位置調整を説明する。スタイラス２２の基準姿勢の状態で、集光レンズ群３６からの照射光が反射面２８で焦点を結ぶように、反射面２８に対して後段のレンズアレイ３８の相対的な位置関係を調整する。「基準姿勢」とは、スタイラスの接触部２６が被測定物Ｗと接触していない状態、つまり、可動体２０に外力が作用していない状態での姿勢を示す。

照射光は所定の波長域のスペクトルを示す光であるので、集光レンズ群３６による照射光の焦点位置は、波長に応じて照射光の光軸上で変化する。つまり、所定の焦点範囲がある。よって、厳密には、接触プローブ１０の使用条件に応じて、どの波長の焦点位置を反射面２８に合わせるかによって調整状態が異なる。例えば、スタイラス２２の基準姿勢の状態で、照射光の波長域の中間波長の焦点位置を反射面２８に合わせてもよい。この場合は、スタイラス２２の基準姿勢からの姿勢の変化を検出するのに適する。また、基準姿勢ではなく、接触部２６が所定の押圧力で被測定物Ｗに接触している状態をプローブの「中立姿勢」として、この中立姿勢の状態で、照射光の波長域の中間波長の焦点位置を反射面２８に合わせてもよい。この場合は、接触部２６を被測定物Ｗの表面に沿ってスキャンするのに適する。

なお、本実施形態では、集光レンズ群３６において３つの照射光の光軸は互いに平行となるようにレンズが配置されている。つまり、ファイバの各出口３４Ｅと、反射面２８の各中心とを結ぶ光軸が互いに平行になっている。この点については、各光軸が互いに平行でなくてもよい。その理由は、本発明では、後段のレンズアレイ３８から反射面２８までの間隔をそれぞれ測定することによって、スタイラス２２の姿勢を検出しているからであり、３つの光軸が平行でなくても姿勢検出は可能になる。しかし、本実施形態のように３つの光軸を平行にすることで、光軸同士の間隔を最小にすることができるので、レンズアレイ３７，３８のレンズ間隔が小さくなって、プローブ本体の筐体６０をコンパクトにすることができる。

また、本実施形態では、３つのファイバ出口３４Ｅを可動体２０の被照射部２４の上方に配置しているが、次のような変形例もある。まず、可動体２０の被照射部２４の形状を下向きに尖った円錐形状にする。そして、この逆円錐面上に３つの反射面２８を配置する。３つのファイバ出口３４Ｅを被照射部２４の下方に配置して、照射光を上方に向けて各反射面２８を狙って出射するように構成してもよい。

図１（Ｂ）は、可動体２０をＺ軸上方から見た図である。被照射部２４の円錐面上に配置された円形の反射面２８は、プローブ軸を中心に１２０°ピッチで配置されている。集光レンズ群３６は、反射面２８の各中心を狙って照射光を集光する。反射面２８上の照射位置をｐ１〜ｐ３で示す。

＜波長検出器＞
次に、本発明で特徴的な波長検出器４０について図１に基づいて説明する。
波長検出器４０は、照射光の焦点位置の範囲内に位置する各反射面２８からの反射光をファイバ経由で受光して、各反射光の波長を検出する。すなわち、反射面２８と後段のレンズアレイ３８との位置関係に応じて反射面２８で焦点を結ぶ波長が決まり、集光レンズ群３６で集光される反射光は、その波長の光になる。そして、波長検出器４０は、後段のレンズアレイ３８とこれに対応する反射面２８との間隔の変化によって生じる反射光の波長変化を検出し、この波長変化に基づいて、スタイラス２２の姿勢情報を算出する。

具体的には、波長検出器４０は、並行レンズ群４２、回折格子（分光素子）４４、検出レンズ群４６、および、受光素子群４８を有して構成される。
図１（Ｃ）は、並行レンズ群４２および回折格子４４を反射光の入射方向から見た図である。便宜上、両者を重ねて表記している。同図のように並行レンズ群４２は、矩形の枠材に３つのレンズ５０を直線上に配置したレンズアレイである。反射光を出射するファイバの各出口３４Ｆが並行レンズ群４２の各レンズ５０を向くように配置されている。本実施形態では、ファイバの光軸とレンズ５０の光軸が一致している。同図のＳ１〜Ｓ３は、３つの反射光の光軸を示す。この並行レンズ群４２により、３つの反射光が互いに並行な光になる。

また、回折格子４４は矩形板状であり、例えば、等ピッチで形成された多数の平行溝を有する回折格子を利用してもよい。少なくとも、互いに平行な３つの反射光の光軸が回折格子４４を同時に通過するように、並行レンズ群４２と回折格子４４との位置関係が調整されている。本実施形態では、回折格子４４への入射光の入射角αは、α＞０度で固定されている。α＝０度でもよい。一方、回折格子４４を透過した光は、その波長に応じた回折角の方向において最も強く検出される。よって、回折格子４４は、並行レンズ群４２からの各反射光の照射を受けてその波長に応じた回折方向に反射光を出射することになる。なお、本実施形態では、透過型の回折格子４４を用いているが、反射型の回折格子を用いても、その回折方向に検出レンズ群４６と受光素子群４８を配置することで、同様の効果が得られる。

回折格子４４の出射側に検出レンズ群４６を設けて、回折格子４４からの各反射光を検出レンズ群４６で集光する。検出レンズ群４６は、３つのレンズを直線上に配置したレンズアレイであり、前述の並行レンズ群４２と同じものを使用してもよい。回折格子４４からの各光は、対応する個々の検出レンズで集光されて、その後段に設けられた受光素子群４８の受光面で焦点を結ぶ。回折格子４４の透過光の回折方向は波長に応じて異なるが、対応する個々の検出レンズは、どの方向に進行する光も集光できるサイズを有する。

受光素子群４８は、回折格子４４の透過光の焦点位置を、その回折方向に応じて検出する。図１（Ｄ）は、受光素子群４８を入射方向から見た図である。同図に示すように、受光素子群４８は、複数の素子５２が一列に並んでいる素子列である。この素子列は、３つの領域に区分され、３つの領域で回折格子４４の３つの透過光をそれぞれ受光する。つまり、各領域の素子列が、回折格子４４からの回折方向に応じた光の焦点位置の範囲をカバーしている。従って、回折格子４４からの光は、少なくともいずれかの素子に集光される。なお、素子列は矩形の基板上に配置されている。そして、各素子５２の受光強度情報より焦点位置を算出し、焦点位置に基づいて回折光の波長を算出する。さらに、その波長変化を取得して、スタイラス２２の姿勢の変化を導出する。これらの演算処理は、図示しない演算手段において実行するようにしてもよい。

＜検出原理＞
以上の構成の接触プローブ１０を用いて、スタイラス２２の姿勢を検出する原理について、図２〜図４を用いて説明する。ここでは、接触プローブ１０を倣いプローブとして用いて、可動体の３方向の姿勢変化（Ｚ軸方向（鉛直方向）の移動、Ｘ軸周りの回転、Ｙ軸周りの回転）を検出する。

まず、鉛直方向の移動について説明する。可動体２０が鉛直上方に移動した場合、図２（Ａ）のように反射面２８上の照射位置ｐ１、ｐ２、ｐ３は、共に上方に移動する。同図（Ｂ）に照射位置ｐ１〜ｐ３の平面配置を示す。このとき、反射面２８で焦点を結ぶ波長は、プローブの中立姿勢で焦点を結ぶように設定した波長よりも短くなる。このとき、集光レンズアレイ３８で最も多く集光される光の波長は、反射面２８で焦点を結んでいる光の波長である。そうすると、同図（Ｃ）の回折格子４４を通過する反射光の強度が最も高くなる波長は、反射面２８で焦点を結んだ光の波長となる。つまり、可動体２０の鉛直上方移動の際、短い波長の光が受光素子群４８を最も強く照射する。

同時に、透過型の回折格子４４は、波長に応じた回折角の方向に強い光（回折光）を生じる。図２のように回折格子４４への３つの入射光がいずれも短い波長になる場合、いずれも小さい回折角の光が受光素子群４８を照射する。従って、素子列上の光強度分布は、同図（Ｄ）のようになり、中立状態での光強度分布を点線、可動体２０の上方変位状態での光強度分布を実線でそれぞれ示すと、可動体２０の上昇前後で素子列上の三つの山の頂点（ピーク位置）は、すべて下方へ変位Δｐ１、Δｐ２、Δｐ３だけ移動する。

これとは逆に、図３（Ａ）のように可動体２０が鉛直下向きに移動すると、同図（Ｄ）に実線で示す素子列上の三つの山の頂点は点線の頂点よりもすべて上方へ移動する。このピーク位置が上方へ移動する理由は、前述のように、反射面２８の下降に伴って、回折格子４４への入射光が長い波長の光に移行するため、回折光の回折角が大きくなるからである。
なお、可動体２０の鉛直方向の移動では、受光素子群４８の素子列上のピーク位置の変位は、Δｐ１＝Δｐ２＝Δｐ３となる。

次に、可動体２０が傾いた場合、つまり、可動体２０がＸ軸周りに回転、Ｙ軸周りに回転、または、Ｘ軸周りおよびＹ軸周りに回転した場合について説明する。
まず、便宜的に可動体２０が、図４（Ａ）のようにＹ軸周りに角度θＹだけ回転した場合を説明する。反射面２８内の照射位置ｐ１、ｐ２、ｐ３のうち、ｐ１は下方に移動して、ｐ２とｐ３は上方に移動する。照射位置ｐ１については、反射面２８で焦点を結ぶ波長は中立状態での設定波長よりも長くなる。その結果、長い波長の光が大きい回折角で受光素子群４８を照射するので、同図（Ｄ）のように、素子列上のｐ１に対応する反射光のピーク位置は、上方へ移動する。一方、照射位置ｐ２とｐ３の２つについては、それぞれの反射面２８で焦点を結ぶ波長は、中立状態での設定波長よりも短くなる。その結果、短い波長の光が小さい回折角で受光素子群４８を照射するので、同図（Ｄ）のように、ｐ２とｐ３に対応する各反射光のピーク位置はそれぞれ下方へ移動する。

なお、図４（Ｂ）にはＸ軸とＹ軸を記載し、Ｚ軸を両軸の交点で示している。本実施形態では照射位置ｐ１〜ｐ３をプローブ軸中心に１２０°ピッチで配置し、さらに、同図のようにｐ１をＸ軸上に配置している。Ｙ軸から各照射位置までの距離に基づいて、照射位置ｐ１の下方変位量と、ｐ２（ｐ３）の上方変位量との比は２：１になる。この関係は、同図（Ｄ）の各ピーク位置の変位の関係にも表れて、ピーク位置の変位Δｐ１、Δｐ２、Δｐ３は、２：（−１）：（−１）の関係になる（ここで、マイナスは変位方向が逆であることを表わす）。

このようなピーク位置が移動する原理は、可動体２０がＸ軸周りに回転する場合も同じである。Ｘ軸周りに角度θＸだけ回転した場合、つまり、図１（Ａ）のプローブ１０が中立姿勢であるとして、この状態からスタイラス２２が傾いて、接触部２６が図面奥（Ｙ軸の正方向）に向かって微小変位した場合には、反射面２８内の照射位置ｐ１〜ｐ３のうち、ｐ１は変化せず、ｐ２は上方に移動し、ｐ３は下方に移動する。このため、素子列上のｐ１に対応する反射光のピーク位置も移動せず、ｐ２に対応するピーク位置は下方へ移動し、ｐ３に対応するピーク位置は上方へ移動する。なお、前述のＹ軸周りに角度θＹと、上記のＸ軸周りの角度θＸとが同じ場合、Ｙ軸周りに回転した際のピーク位置の変位Δｐ１、Δｐ２、Δｐ３は、０：−(√３)：(√３)の関係になる。

このような関係から、可動体２０がＸ軸周りに回転、Ｙ軸周りに回転、または、Ｘ軸周りおよびＹ軸周りに回転して傾いた場合、ピーク位置の変位Δｐ１、Δｐ２、Δｐ３の検出値に基づいて、各反射面２８と対応する各集光レンズとの相対距離を算出することによって、可動体２０の傾きが一義的に定まる。つまり、変位Δｐ１、Δｐ２、Δｐ３を検出することで、可動体２０の姿勢（スタイラス２２の鉛直方向の変位、および、スタイラス２２の傾き）情報を導出することができる。

上記の波長検出器４０を用いることで、３つの反射光の各波長を独立して同時に検出することができる。また、検出器４０を少ない光学素子の配置で構成することができ、しかも、波長の変化を高い精度で検出することができる。
特に、反射光を伝搬する各ファイバからの出射光を、一つの回折格子４４（またはプリズム）を介して、一つの受光素子群４８で検出しているので、光学素子の個体差や個々のアライメントによって生じる姿勢検出誤差を軽減することができる。
そして、このような波長検出器４０を接触プローブ１０の内界センサとして用いれば、光源３２や受光素子群４８などの熱源が、プローブ本体の筐体６０内に配置する必要がなくなり、かつ、スタイラス２２の姿勢を高い精度で検出することができる。

さらに、ファイバの直径がサブミリメートルであることから直径ミリメートルのコンパクトな接触プローブ１０を実現することができる。

また、先述の通り、波長検出器４０は、各ファイバの軸上の集光レンズと反射面２８の距離を測るものであるから、本実施形態のように、プローブ軸をその軸とする円錐面上（あるいは逆円錐面上でもよい。）に各反射面２８を配置することによって、測定環境の変化前後における可動体２０の基準姿勢の変化をも検出することができる。例えば、図５（Ａ）に示すように測定環境が変化して、可動体２０の基準姿勢がＸ軸方向に変化量Δｘだけ平行移動した場合、同図（Ｂ）のように測定環境の変化前後の各ピーク位置を比較することによって、その変位Δｐ１、Δｐ２、Δｐ３に基づいて変化量Δｘを検出することができる。同様に、測定環境の変化によるＹ軸方向の変化量Δｙ、Ｚ軸方向の変化量Δｚについてもそれぞれ検出することができる。このように、スタイラスの接触部２６が被測定物Ｗに接触していないにも関わらず、受光素子群４８からの検出信号が変化している場合には、可動体２０の基準姿勢がその初期状態から異なる状態にあると判断することができる。従って、本実施形態の接触プローブは、可動体２０の基準姿勢の変化を検出することができる。

これを応用して、非接触状態での可動体２０の基準姿勢を常時観測することで、測定の直前でのスタイラス２２の接触部の位置が、定期的な校正時における位置から外れてしまったとしても、受光素子群４８上のピーク位置の変位Δｐ１、Δｐ２、Δｐ３から基準姿勢の各変化量Δｘ、Δｙ、Δｚを算出し、座標測定値からこれらの変化量Δｘ、Δｙ、Δｚをキャンセルすることができる。従って、より高精度な測定が可能となる。

本発明の接触プローブ１０において、三つのピーク位置の変位Δｐ１、Δｐ２、Δｐ３から同定することができる可動体２０の姿勢変化は、Ｚ軸方向（鉛直方向）の移動、Ｘ軸周りの回転、Ｙ軸周りの回転の３つである。よって、可動体２０の自由度は３自由度になる。例えば、図６に示すように、反射面２８がプローブ軸に直角な平面上に配置された可動体２０Ａの場合には、Ｘ−Ｙ平面の併進、θｚの回転変位が発生しないように可動体２０Ａの自由度を拘束するように可動体２０Ａを支持すれば、可動体２０Ａの自由度が３自由度になる。従って、このような可動体２０Ａを備えた接触プローブにも本発明の波長検出器４０を適用することができる。

本実施形態では図７（Ａ）に示すように、点線で囲った部分がプローブ本体の筐体６０となっており、スタイラス２２を交換する場合には、被照射部２４を含む可動体２０全体を取り外すことになる。しかし、可動体の構成はこれに限定されるものではない。例えば、同図（Ｂ）に示すように、可動体２０Ｂの被照射体を、Ｚ軸方向に分離できる２つの部材２４Ａ，２４Ｂで構成してもよい。すなわち、反射面２８を有する上側被照射体２４Ａと、スタイラス２２と一体形成された下側被照射体２４Ｂとの２部材としてもよい。これらの部材に、例えば、三つのＶ溝、三つの球、および２部材を吸着するための磁石を含めて被照射体２４を構成することで、６点接触によるキネマティックに６自由度が拘束された構成の可動体２０Ｂが得られる。つまり、反射面２８は可動体２０Ｂの一部でありつつ、筐体６０Ａの一部に含めることができ、上側被照射体２４Ａとスタイラス２２の一体部分のみを着脱できる。この構造の利点は、反射面２８を有する上側被照射体２４Ａと、筐体６０Ｂとの弾性連結部材（支持プレートなど）を筐体６０Ｂの共通部品として扱えることにあり、接触プローブの製作が安価にできることにもある。その他に、波長検出器４０のような非接触型の検出方式が抱える防塵性の問題も軽減できるという効果もある。

ファイバで伝搬される照射光の照射対象は、前述の三つの反射面２８に限定されるものではなく、図８に示す接触プローブ１１０ように、可動体１２０の四つの反射面２８を照射対象としてもよいし、五以上の反射面を照射対象としてもよい。図８のケースでは、ファイバ伝搬部１３４は４つのファイバ経路を構成する。並行レンズ群１４２は４つのレンズが一直線上に配置されたレンズアレイであり、回折格子１４４および受光素子群１４８も一直線状である。

図１や図８の例では、反射光を伝搬する各ファイバの出口（Ｓ１〜Ｓ４）が一直線上に並んでいるが、図９に示す接触プローブ２１０のように、各ファイバの出口（Ｓ１〜Ｓ４）を一平面上に２次元配置してもよい。この場合の利点は、ファイバの受光素子群４８側でのアライメントを行う必要がなくなることである。この場合、同図（Ｃ）のように、並行レンズ群２４２も一平面上に２次元配置され、回折格子２４４は並行レンズ群２４２からの４つの並行光をすべてカバーできるサイズになる。
受光素子群２４８としては、ＣＭＯＳタイプのエリアイメージセンサを用いれば、構成が簡易となるが、より高速な検出を実現したい場合は、同図（Ｄ）のように基板の表面に４つの素子列を配置したものを用いるとよい。素子列とは、複数の素子５２が一列に並んでいるもので、例えば、ラインセンサなどがある。
各素子列は、波長に応じた回折格子２４２の出射方向の変化に対して、その変化範囲をカバーする方向に並んでおり、対応する光の波長を特定する。素子列のアライメントを簡易化するために、予め一つの基板上に複数の素子列が並列配置されたものを適用してもよい。

更には、図１０に示す接触プローブ３１０のように、４枚の回折格子を一平面上に配置したものを分光素子として用いてもよい。例えば、同図（Ｃ）のように、並行レンズ群２４２の４つのレンズ５０が、円形枠材３４４Ａ〜３４４Ｄの中心に対して回転対象に配置されている場合に、この対象性を保つように４つの回折格子３４４Ａ〜３４４Ｄが配置されている分光素子３４４を用いることができる。
また、受光素子群３４８についても、複数の素子列を互いに直交させて配置したものを用いてもよい。例えば、同図（Ｄ）のように、４つの素子列が正方形の周に沿って配置されたものを利用できる。

以上のように本発明の波長検出器４０，１４０，２４０，３４０は、熱源を隔離することばかりでなく、高速検出、コンパクト化を実現する優位性を持っている。また、波長検出器の変位検出は大気の環境変化にロバストであり、プローブとしての環境ロバスト性にも繋がる。
高速検出に関しては、数十キロＨｚ程度のサンプリングが可能であり、コンパクト化に関しては、数ミリメートル径の接触プローブを実現することができる。その一方、集光レンズに対する反射面の移動範囲（作動距離）を大きく保つことが可能なため、プローブの内界センサとして用いた場合、スペースを広くとれるため、機構設計の自由度が高くなる利点を持つ。機構設計面での優位性としては、他の非接触内界センサと同様、検出部と可動体が分離されているため、スタイラスチェンジや修理等のメンテナンスを考慮した機構設計が容易である。

＜偏光を利用した接触プローブ＞
また、前述の接触プローブに偏光を利用して、図１におけるファイバ伝搬部３４を１つのファイバ経路を構成するファイバ伝搬部としてもよい。このような接触プローブは、光源、１経路のファイバ、反射面側の偏光分岐手段、集光レンズ群、検出器側の偏光分岐手段、および、波長検出器を有する光学検出手段を備える。可動体や、集光レンズ部、波長検出器については、図１と同様の構成になる。

偏光を利用した光学検出手段の構成について簡単に説明する。
光源は、所定の波長幅のスペクトルを示す照射光を１経路のファイバに供給する。
反射面側の偏光分岐手段は、前記１経路のファイバ出口に配置され、ファイバにより伝搬された照射光を受光して、これを３つの異なる状態の偏光にするとともに、偏光状態ごとに分岐して、後段の集光レンズ群の各レンズに向けて出射する。
反射面側の偏光分岐手段には、例えば、偏光素子と、スプリッタなどの分岐素子とから構成したものを採用できる。一例として、まず、白色光を偏光フィルターに通して、所定の偏光面の直線偏光を取り出し、この直線偏光を３つに分岐する。分岐した１つの直線偏光を１／２位相板に通して、円偏光を得る。また、分岐した他の１つの直線偏光を１／４位相板に通して、もとの直線偏光と直交する偏光面を有する直線偏光を得る。このようにして得た３つの異なる状態の偏光を、後段の集光レンズ群の対応するレンズに入射させてもよい。

集光レンズ群は、３つの異なる状態の偏光をそれぞれ対応する反射面に向けて集光する。
各反射面からの反射光は、前記の偏光分岐手段で合成され、１経路のファイバを経由して検出器に向けて伝搬される。
検出器側の偏光分岐手段は、該ファイバからの反射光を偏光状態ごとに３つの反射光に分岐する。
波長検出器は、分岐された各反射光の波長を検出する。
そして、波長検出器は、３つの反射面と集光レンズ群との各間隔の変化によって生じる各反射光の波長変化に基づいて、スタイラスの姿勢情報を算出する。

この構成によれば、集光レンズ群の前段において、照射光を異なる３つの状態の偏光にすることで、前述の複数のファイバを用いた可動体の多点測長を一つのファイバで実現することができる。すなわち、３つの反射面の反射光をそれぞれ独立した３つのファイバで伝搬するのではなく、光の偏向を用いて１のファイバでまとめて伝搬することで、ファイバの共通化を実現でき、３つの反射光の光学特性の均一化が可能となる。

１０ 倣いプローブ（接触プローブ）
２０ 可動体
２２ スタイラス
２４ 被照射部
２８ 反射面
３０ 光学検出手段
３２ 光源
３４ ファイバ伝搬部
３６ 集光レンズ群
４０ 波長検出器
４２ 並行レンズ群
４４ 回折格子（分光素子）
４６ 検出レンズ群
４８ 受光素子群
６０ 筐体

Claims (7)

1. 所定の波長域のスペクトルを示す３以上の照射光を被照射部の３以上の反射面に当てた際の、それぞれの反射光から取り出された部分波長の光を受光して、これらの光の波長をそれぞれ検出する波長検出器であって、
   前記３以上の反射光から取り出された各光を３以上のレンズによって互いに並行な光にする並行レンズ群と、
   前記並行レンズ群からの各光の照射を受けてその波長に応じた方向にそれぞれ出射する分光素子と、
   前記分光素子からの出射方向に応じた各出射光を３以上のレンズによってそれぞれ集光する検出レンズ群と、
   前記検出レンズ群で集光された３以上の光の焦点位置をそれぞれ検出する受光素子群と、を有し、
   前記受光素子群は、前記分光素子からの出射方向に応じた３以上の光の焦点位置の各範囲をカバーする複数の素子からなり、前記複数の素子が一平面上に配置され、検出する焦点位置に基づいて各光の波長を算出することを特徴とする波長検出器。
2. 請求項１記載の波長検出器において、
   前記受光素子群は、複数の素子が一列に並んでいる素子列を複数含み、これらの複数の素子列を一平面上に配置して構成されたものであることを特徴とする波長検出器。
3. 請求項２記載の接触プローブにおいて、
   前記各素子列は、前記分光素子からの出射光の波長に応じた方向の変化に対して、その変化範囲をカバーする方向に並んでおり、対応する光の波長を特定することを特徴とする波長検出器。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の波長検出器において、
   前記分光素子は回折格子であることを特徴とする波長検出器。
5. 先端が被測定物に接触するとともに接触に応じて姿勢が変化するように保持されたスタイラスと、前記スタイラスの姿勢を光学的に検出する光学検出手段とを備え、姿勢情報から被測定物の接触位置の座標を取得する接触プローブにおいて、
   前記スタイラスには、前記光学検出手段の照射対象になる被照射部が設けられ、この被照射部には３以上の反射面が形成され、
   前記光学検出手段は、
   前記各反射面への照射光を伝搬する３以上のファイバと、
   前記各ファイバに所定の波長幅のスペクトルを示す照射光を供給する光源と、
   前記ファイバおよび対応する前記反射面の間の光軸上にそれぞれ設けられて前記各ファイバからの照射光をそれぞれ集光する集光レンズ群と、
   波長幅に応じた照射光の焦点位置の範囲内にある前記各反射面からの各反射光を前記各ファイバ経由で受光して、各反射光の波長を検出する請求項１から４のいずれかに記載の波長検出器と、を有し、
   前記波長検出器は、前記３以上の反射面と集光レンズ群との各間隔の変化によって生じる各反射光の波長変化に基づいて、前記スタイラスの姿勢情報を算出することを特徴とする接触プローブ。
6. 請求項５記載の接触プローブにおいて、
   前記被照射部に形成された３以上の反射面は、プローブ軸をその軸とする円錐面上あるいは逆円錐面上に配置されていることを特徴とする接触プローブ。
7. 請求項５記載の接触プローブにおいて、
   前記被照射部に形成された３以上の反射面は、プローブ軸に直角な平面上に配置されていることを特徴とする接触プローブ。

Images