JP2015014604A - クロマティックレンジセンサを構成する光学ペン用の交換可能光学エレメント、および、その分離状態の検出方法 - Google Patents

クロマティックレンジセンサを構成する光学ペン用の交換可能光学エレメント、および、その分離状態の検出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 クロマティックレンジセンサ（ＣＲＳ）プローブ用の分離センサに関するシステム及び方法を提供すること。
【解決手段】 ＣＲＳシステム１００を構成する光学ペン２２０用の交換可能光学エレメント２８０が、光源光を受光する位置に設けられた分離信号エレメント２９９を有する。分離信号エレメント２９９は、システムの測定範囲に応じた測定波長域の光の大半を透過し、分離信号波長域の光の少なくとも一部を反射するように構成されている。例えば、分離信号エレメント２９９は高感度エッジフィルタのような薄膜コーティングを備える。分離状態の検出には、他の外部センサの追加やプローブ叉は三次元座標測定機への追加配線を必要としないで、既存のプローブ電装部１６０を用いて実行できる。分離状態の感知は、衝突の影響を最小限にするために、プローブ動作の緊急停止用に用いられる。
【選択図】 図１

Description

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クロマティックレンジセンサプローブシステムと組合せて利用できる分離感知方法に関する。
様々な種類の三次元座標測定機は、ワーク表面のポイントをプローブによって検出する。ある種類のプローブは、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。特定の三次元座標測定機は、光学的測定検出器と機械的測定検出器の両方を利用する。そのような測定機が、特許文献１と特許文献２に記載されており、複数のプローブ、プローブホルダー、及び、カメラ用選択型取付レンズなど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。
自動交換ラックに関して言うと、頻繁に交換される交換可能測定プローブは、種々の「プローブヘッド」に設けられた自動交換ジョイント接続エレメントによって、三次元座標測定機に取り付けられる。現在のところ、レニショー（商標）のプローブヘッドが、この産業界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メトロロジーリミテッド（Renishaw-Metrology Limited）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、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、その他のプローブに対しては、発揮できなくなり、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。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、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が原因である。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。
米国特許第４，９０８，９５１号公報 米国特許第５，８２５，６６６号公報 米国特許第７，８７６，４５６号公報 米国特許第７，９９０，５２２号公報 米国特許出願公開第２０１３／０３１４６９０号公報 （米国特許出願第１３／５４２，１４４号） 米国特許出願公開第２０１３／０３１４６８９号公報 （米国特許出願第１３／４８１，７３４号） 米国特許第８，２１２，９９７号公報 （米国特許出願第１３／０３３，５６５号） 米国特許出願公開第２０１３／０１６３００６号公報
測定プローブの問題の１つは、ワークとの衝突の危険性である。測定動作中、測定プローブは、ワーク表面を測定する為に異なる物理的位置へ、三次元座標測定機によって動かされる。その際に、測定プローブとワーク又はその他の物理的対象との間で、偶発的に衝突が起きることがある。そのような衝突は、プローブ、三次元座標測定機、及び／又は、ワークを破損することがある。
三次元座標測定機にて、例えば自動交換ラックを用いて、レニショータイプのプローブヘッドシステム等を利用する場合に、及び／又は、光学ペンのベース部材に対して自動装着や自動交換が可能な構成の光学ペンを利用する場合に、クロマティックレンジセンサプローブが、衝突時にその光学ペンの一部が分離したことを感知する能力を持っているとよい。
本発明は、クロマティックレンジセンサプローブ用の分離センサに関するシステム及び方法を提供する。本システムの発明の一側面は、三次元座標測定機にてワーク測定情報を提供するためのクロマティックレンジセンサ（ＣＲＳ）システムを構成する光学ペンを含むことである。前記光学ペンは、交換可能光学エレメントと、前記三次元座標測定機の可動部分に対して固定される光学ペンベース部材を含む。前記ベース部材は、これに装着される前記交換可能光学エレメントを該ベース部材に対して一定の関係で保持する。ここに開示される方法に従って、前記交換可能光学エレメントは、分離信号エレメント部を含む。前記分離信号エレメント部は、前記クロマティックレンジセンサシステムの測定範囲に応じた測定波長域の光の大半を透過し、分離信号波長域の光の少なくとも一部を反射するように構成されている。
本発明の他の側面は、前記分離信号波長域が前記測定波長域に含まれないように、前記分離信号エレメント部が構成されていることである。前記分離信号波長域の方が前記測定波長域よりも波長が短くなるように、前記分離信号エレメント部が構成されてもよい。前記分離信号波長域の光は、分離信号波長域用の感知ピクセルのセットによって検出されるものとし、該感知ピクセルのセットは、前記測定波長域の光を感知するピクセルのセットに含まれていないようにしてもよい。一実施形態では、前記測定波長域の光は、前記分離信号波長域の光の検出にも利用される波長検出器によって検出されるようにしてもよい。一実施形態では、前記分離信号波長域の一部が前記測定波長域に重なってもよい。
本発明の他の側面は、前記分離信号エレメント部が、前記分離信号波長域の光の大半を反射するように設定されていることである。様々な実施例では、前記分離信号エレメント部が、ローパス反射フィルタ、ハイパス反射性エッジフィルタ、バンドパス反射性フィルタ等の構成部品を備えていてもよい。
本発明の他の側面は、前記センサシステムの検出部において、前記測定波長域の光とは異なる光路を辿るように前記分離信号波長域の光を偏向させる偏向手段を備えていることである。例えば、前記分離信号波長域の光を、分離信号専用のセンサに向けてもよい。他の例として、前記分離波長域の光を前記センサシステムの波長検出器の分離信号用のピクセルのセットに向けて、該分離信号用のピクセルのセットを前記分離信号波長域の信号感知に用いてもよい。
本発明の他の側面は、前記分離信号エレメントからの信号を補正することである。すなわち、前記交換可能光学エレメントが前記光学ペンに取り付けられている場合、前記分離信号波長域に対応する領域で「ピーク」を示さないように、前記センサシステムからの出力信号を補正してもよい。この設定により、前記交換可能光学エレメントが取り外された場合、前記補正された出力信号は、前記分離信号波長域に対応する領域に谷、すなわち負のピークを示す。
本発明の他の側面は、前記分離信号エレメントからの信号を、光学ペン補正の一部としては、補正しないことである。光学ペン補正の対象から前記分離信号エレメントの信号を除外する。すなわち、前記交換可能光学エレメントが取り付けられている場合、前記光学ペン補正を受けた前記センサシステムからの出力信号は、前記分離信号波長域に対応する領域にピークを示すようになる。この設定により、前記交換可能光学エレメントが取り外された場合、前記補正を受けた前記センサシステムからの出力信号は、前記分離信号波長域に対応する領域にピークを示さない。
本発明の他の側面は、前記分離信号エレメントが１ｍｍ未満の厚さの基板を有していることである。一実施例として、前記分離信号エレメントが薄膜反射性フィルタを有していてもよい。前記薄膜反射性フィルタは、レンズ、ビームスプリッタ、及び、封止窓のうちの少なくとも１つを備えた光学素子に付けられていてもよい。前記クロマティックレンジセンサシステムの通常の測定範囲に応じた測定波長域から外れた波長域の光を、前記薄膜反射性フィルタが反射するようにしてもよい。
本発明の他の側面は、前記共焦点アパーチャーに隣接する位置、及び／又は、前記光源光の大半の焦点が合う位置の隣接位置、及び／又は、前記光源光の大半が平行光になる位置の隣接位置に、前記分離信号エレメントが配置されることである。
本発明の他の側面は、前記交換可能光学エレメントが分離した時に生じる信号の変化を、分離状態の検出に利用できることである。一実施例として、この分離状態の検出を、ワークとの衝突による損傷を防止する為に利用してもよい。具体的には、検査動作中に前記三次元座標測定機が前記クロマティックレンジセンサプローブを光学ペンごと他の位置へ移動させる際、ワーク又はその他の対象と衝突する危険性が生じる。衝突により前記交換可能光学エレメント部が分離した場合、直ちに動作を停止して損傷を最小限にする為の信号を、前記三次元座標測定機へ送ってもよい。本発明のシステムおよび方法によれば、既存のクロマティックレンジセンサの構成を利用して分離状態を検出できるので、前記クロマティックレンジセンサ又はプローブに新たなセンサや配線を追加することなく、上述の機能を発揮することができる。このようにして、レニショー又はその他のプローブヘッドシステムを利用するための既存の付属部品を引き続き利用することができる。
分離信号エレメント付き交換可能光学エレメントを有する光学ペンを備えた代表的なクロマティックレンジセンサ（ＣＲＳ）システムのブロック図である。 三次元座標測定機と、分離信号エレメント付き交換可能光学エレメントを有する光学ペンを備えたＣＲＳプローブと、コントローラと、ユーザインターフェースとを構成要素とする三次元座標測定システムのブロック図である。 図２の分離信号エレメント付き交換可能光学エレメントを有する光学ペンを備えた本発明のＣＲＳプローブの第１実施形態の内部構造を示す図である。 分離信号エレメント付き交換可能光学エレメントを有する光学ペンを備えた本発明のＣＲＳプローブの第２実施形態の内部構造を示す図である。 図３、４と同様の光学ペンの代表的な実施形態の詳細構造を示す図であり、前記分離信号エレメントの配置可能な３つの位置を示す図である。 前記交換可能光学エレメント内に光学ペンの共焦点アパーチャーの動作位置が設定されるように構成された前記光学ペンの代表的な実施形態の構成を示す図であり、前記分離信号エレメントの配置可能な５つの位置を示す図である。 分離信号エレメント付き交換可能光学エレメントを回転させるために回転部を備えた前記光学ペンの代表的な実施形態の構成を示す図である。 ＣＲＳからのプロファイルデータの線図であり、検出器アレイ内のピクセルの電圧オフセット信号レベル、及び、分離信号エレメントに対応する信号を示すものである。 ＣＲＳからのプロファイルデータの線図であり、測定距離指示座標に対応するピーク領域信号、及び、分離信号エレメントに対応する信号を示すものである。 ＣＲＳからのプロファイルデータの線図であり、分離信号エレメントに対応する信号の代用として、これに様々な信号処理を施したものを示すものである。 分離信号エレメントの代表的な一実施形態の特性を示す応答曲線の図である。 分離状態を検出するための分離信号エレメントの使用ルーチンの代表的な一実施形態を示すフロー図である。
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及び特許文献４に記載のセンサとの間にある共通点を有する。図１に示すＣＲＳシステム１００は、電装部１６０及び光学ペン２２０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。しかしながら、様々な実施形態では、クロマティックレンジセンサなどの代替型クロマティックレンジシステムは、ここに開示されたシステム及び方法に従って動作するように設定されることが好ましい。光学ペン２２０は、特許文献５及び特許文献６により詳細に記載されている。
図１に示される実施形態において、電装部１６０は、波長検出器１６２、ブロードバンド光源１６４、信号演算器１６６、分離感知部１６７、及び、記憶部１６８を含む。様々な実施形態において、波長検出器１６２は、分光器で構成された検出器アレイ１６３を含む。検出器アレイ１６３は、波長検出器１６２の測定軸に沿って分布する複数のピクセルを含み、前記複数のピクセルは、各波長光を受け取り、出力スペクトルプロファイルデータを提供する。様々な実施形態において、記憶部１６８は、補正データ１６９を含む。
下記にさらに詳述されるが、光学ペン２２０の交換可能光学エレメント２８０に関する分離状態を検出する為、ここに記載される方法に従って、分離感知部１６７を利用する。様々な実施例において、分離感知部１６７は、信号演算器１６６と統合された構成要素又は機能を有してもよいし、及び／又は、検出器アレイ１６３の領域で別の検出器を有してもよい。分離感知部１６７は、測定動作中に前記光学エレメント２８０の分離状態を検出したら、分離警告信号を発する。例えば、交換可能光学エレメント２８０の突然の分離は、ワークとの衝突を意味する。光学ペン２２０と、これが取り付けられたＣＲＳプローブとの損傷を最小限にするため、光学エレメントの分離状態を検出したら、プローブを動かしている三次元座標測定機を直ちに停止する指令を出す。この分離状態の検出を、動作中の測定の停止にも利用するし、及び、更なる測定実行の前に交換可能光学エレメント２８０の取付けのやり直しが必要であることをユーザに通知することにも利用する。
後で図２と図３を使って詳述するが、前記特許文献５、特許文献６に記載の通り、電装部１６０の一部の構成が、自動ジョイントコネクタを介してＣＭＭに取り付けられたＣＲＳプローブアッセンブリに含まれることが望ましい。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プローブアッセンブリの中に含めるとよい。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為、測定信号処理制御回路１６０Ｂ中のある構成部分のグループ（例えば、信号演算器１６６と記憶部１６８）を、必要であればＣＲＳプローブアッセンブリの外部に離設するとよい。上記のように、分離感知部１６７の様々な構成又は機能は、特定の実施例の構成及び設定に応じて、光源・波長検出器の構成部分１６０Ａ、又は、測定信号処理制御回路１６０Ｂのどちらかに含まれてもよい。
図１に示すように、ホストシステム１８０に前記電装部１６０を接続して、ホストシステム１８０が電装部１６０との間で制御信号及びデータを受け取ったり、及び／又は、交換したりしてもよい。様々な実施形態で、電装部１６０又はホストシステム１８０のいずれかが、ここに開示するシステムや方法を実行することができる。一実施形態では、例えばマシンビジョン検査システム等のように、上記のホストシステム１８０に自動動作制御を構築し、ＣＲＳシステム１００を非接触測定プローブとして作動させることができる検査用パートプログラムを定義・実行させてもよい。
電装部１６０は、光ファイバーケーブル１１２を含む光路を介して光学ペン２２０と結合している。図１の実施形態は、光路を任意に形成できること又は光路を必要に応じて代替できることを示している。ここでは、光ファイバーの第１セグメント１１２Ａと、第２セグメント１１２Ｂと、これらを接続するコネクタＣＯＮＮＥＣＴ−Ｄと、第２セグメント１１２Ｂを電装部１６０に接合するカプラＣＯＵＰＬＥＲ−Ｏとを含む光ファイバーケーブル１１２が示されている。光源１６４は、光ファイバーケーブル１１２に接続され、入力スペクトルプロファイルを有する波長光を入射する。
光学ペン２２０は、ベース部材２８２と交換可能光学エレメント２８０とを含み、これらは代表的な繰り返し迅速に交換可能な交換マウント２８５によって結合されている。ベース部材２８２は、光ファイバー１１２Ａを保持するための光ファイバーコネクタ２０９を含む。光ファイバー１１２Aはその端部から、共焦点アパーチャー２９５を通じて出力光を出力するとともに、共焦点アパーチャー２９５を通って反射測定信号光を受け取るように、光ファイバーコネクタ２０９に保持される。様々な実施例において、共焦点アパーチャー２９５は、ベース部材２８２、又は、交換可能光学エレメント２８０の中に配置されてもよい。交換可能光学エレメント２８０は、分離信号エレメント２９９、転送レンズアッセンブリ２５１と、色分散光学系２５０を含む。後でさらに詳述するが、分離信号エレメント２９９は、分離信号波長域の光（以降、分離信号波長光、あるいはさらに簡略化して分離信号光とも呼ぶ。）の少なくとも一部を反射し、光ファイバー１１２Ａに通して戻す。分離信号エレメント２９９は、クロマティックレンジセンサシステムの測定範囲に対応する測定波長域の光（以降、測定波長光、あるいはさらに簡略化して、測定光とも呼ぶ。）の大半を透過する。様々な実施形態での光学ペン２２０に追加された構成部品に関する具体的な詳細を、後で図５に基づいて詳述するが、特許文献５と特許文献６にも記載されている。
図１に示す実施形態にて、測定動作のために、測定波長域の光を含む光が光ファイバー１１２Ａの端部から共焦点アパーチャー２９５を通して放射され、その後、転送レンズアッセンブリ２５１を通って色分散光学系２５０によって焦点を結び、反射素子２９４によって測定表面２９０へ向けられる。色分散光学系２５０は軸方向（縦方向）の色分散を提供する。この軸上色分散によって、光の焦点は、その波長に応じて光軸上の異なる距離に位置するようになり、このことはＣＲＳシステムの原理として知られている。測定表面２９０からの反射光は、色分散光学系２５０によって、転送レンズアッセンブリ２５１を通して共焦点アパーチャー２９５で再び焦点を結ぶ。色分散光学系２５０によって提供される軸上色分散により、ある波長の焦点距離のみが、光学ペン２２０に固定された基準位置から測定表面２９０までの距離である測定距離“Ｚ”と一致する。ＣＲＳシステム１００は、測定表面２９０で最も良く焦点を結ぶ光の波長と共焦点アパーチャー２９５で最も良く焦点を結ぶ光の波長とが一致するように設定されている。共焦点アパーチャー２９５が反射光を空間的にフィルタリングするので、最も良く焦点を結んだ波長光が、共焦点アパーチャー２９５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。以下に詳述するように、光ファイバーケーブル１１２Ａは測定波長信号光を波長検出器１６２に伝搬する。この波長検出器１６２は、測定表面２９０までの測定距離Ｚに応じた最も光強度の強い測定光の波長を決定する為に用いられる。
通常の測定動作中、信号演算器１６６にて制御されるブロードバンド光源１６４は、光源側ファイバーセグメント１６５Ｉ、２×１カプラのＣＯＵＰＬＥＲ−Ｅ、ＣＯＮＮＥＣＴ−Ｅ、及び、光ファイバー１１２Ａを含む一連の光ファイバー経路を介して、ＣＲＳ光学ペン２２０と結合する。上述の通り、測定範囲に対応する波長光の大半は、分離信号エレメント２９９を透過し、光学ペン２２０を通って測定表面２９０まで進む。最も効率的に透過して、光学ペン２２０および共焦点アパーチャー２９５を通って光ファイバー１１２Ａに戻った反射測定光の波長は、測定表面２９０で焦点を結んだ光の波長である。反射測定光の約５０％が信号側ファイバーセグメント１６５Ｓを通って波長検出器１６２に向かうように、反射測定光は光ファイバー経路を通って電装部１６０およびカプラＣＯＵＰＬＥＲ−Ｅに戻されていく。波長検出器１６２は、反射測定光（光強度）を受けて、反射測定光を出力スペクトル強度プロファイル（簡潔には、出力スペクトルプロファイルとも言う。）に変換する。このプロファイルは、検出器アレイ１６３の測定範囲内で、測定軸方向に並べられたピクセル・アレイ上に分布したものである。さらに、波長検出器１６２は、検出アレイ１６３からのピクセルデータ出力に基づいて、これに対応した出力スペクトルプロファイルデータを提供する。
分離信号光の波長（すなわち、分離信号波長域）に関しては後で図８〜１０を使って詳述するが、一実施例では、検出器アレイ１６３での特定範囲のピクセルが分離信号光の波長検出に用いられる。この分離信号光は、光ファイバー１１２Ａを通って戻ってくる反射光であり、波長検出器１６２内でその波長光が分光されるまでは、前述の反射測定光と同様の経路をたどる。あるいは、例えば、別の検出器アレイや他の光センサのように、別個の検出器を分離信号光の波長検出用として設けてもよい。そのために、分離信号光が、既知の方法により、さらにフィルタリングされるか、あるいは、測定光波長から分光され、及び／又は別個の分離信号光の波長検出器に向かうようにしてもよい。
測定光の波長（すなわち、測定波長域。簡潔には、測定波長とも言う。）に関して言うと、一実施例として、波長検出器からの波長プロファイルのデータ出力のピークに対応するサブピクセル分解能の距離指示座標（ＤＩＣ：distance indicating coordinate）が信号演算器１６６によって算出されるようにしてもよい。また、このＤＩＣに基づいて、記憶部１６８に保存した距離校正ルックアップテーブル等を介して測定表面２９０までの測定距離Ｚを決定してもよい。後で図９を使って詳述する。例えば、プロファイルデータのピーク領域に含まれるプロファイルデータの重心を決定することなど、様々な方法によって距離指示座標を決定することができる。分離信号光に関する一実施例として、信号演算器１６６、及び／又は、分離感知部１６７を使って、分離信号光の出力変化を監視して、これによって分離状態を検出してもよい。以下に詳述する。
図１は、基準座標系として直交ＸＹＺ座標軸を含む。Ｚ方向を、光学ペン２２０の光軸または距離測定軸に対して平行に規定する。ＣＲＳシステム１００の代表的な特性及び動作を以下に詳述する。
図２は、三次元座標測定システム２００と、自動接続可能または自動交換可能なＣＲＳプローブ装置２１５とを示す。すなわち、このＣＲＳプローブ装置２１５が、他の型式の三次元座標測定機（ＣＭＭ）プローブに自動交換される。ＣＲＳプローブシステムは、本願においてＣＲＳプローブと称される。明細書中に別途言及がない場合、複数の図面において同様の接尾文字を持つ符号（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を示すものとする。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推測される。そのような類推が可能であるため、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。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である。
三次元座標測定システム２００は、三次元座標測定機のコントローラ２０２、コンピュータ及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、及び、三次元座標測定機２１０を備えている。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、及び、モーション制御装置２０５を含んでいる。ＣＲＳプローブ装置２１５は、自動交換ジョイント要素２３６を含み、プローブ自動ジョイント接続手段２３０（自動交換ジョイント接続手段とも言う）の係合ジョイント要素を介して、三次元座標測定機２１０に接続される。
当業者は、コンピュータ及びユーザインターフェース２０６がどのようなコンピューティングシステム又は装置からでも一般的に構成され得ることを評価するだろう。適切なコンピューティングシステム又は装置は、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータ、メインフレームコンピュータ、これらのいずれかを含む分散コンピューティング環境（ＤＣＥ）などから構成される。そのようなコンピューティングシステム又は装置は、ここで開示する機能を実行するためのソフトウェアを実施するプロセッサを１つ以上含んでいる。前記プロセッサは、汎用又は専用のプログラム可能なマイクロプロセッサ、プログラム可能なコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラム可能なロジック装置（ＰＬＤ）、又は、同様のもの、若しくは、これらの装置の組合せを含む。ソフトウェアは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、又は、同様のもの、若しくは、これらの構成の組合せのようなメモリに保存されているとよい。また、ソフトウェアは、磁気式又は光学式ディスク、フラッシュメモリ装置、又は、その他如何なるタイプのデータ保存用不揮発性記憶媒体のような１以上の記憶装置にも保存されているとよい。ソフトウェアは、１つ以上のプログラムモジュールを含んでいるとよい。そのプログラムモジュールには、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等が含まれ、これらは、特定のタスクを実行するか、又は、特定の抽象データタイプを実行する。分散コンピューティング環境においては、複数のコンピューティングシステム又は装置にわたってプログラムモジュールの機能が結合・分散され、有線又は無線によるサービスコールによってアクセスされるようになっていてもよい。
三次元座標測定機２１０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「ｍｉｃｒｏ−Ｄ」型コネクタ）によって、ＣＲＳプローブ装置２１５への入力信号及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。三次元座標測定機２１０は、三次元座標測定機用コントローラ２０２によって制御される。一方、ＣＲＳプローブ装置２１５は、プローブ信号処理制御回路２０７との間でデータ交換を行い、このプローブ信号処理制御回路２０７によって制御される。プローブ信号処理制御回路２０７の一実施形態として、図１で測定信号処理制御回路１６０Ｂとして説明したような測定信号処理制御要素２６０Ｂを含んだプローブ信号処理制御回路が挙げられる。ユーザは、コンピュータ及び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。
後で図３を使って詳述するが、ＣＲＳプローブ装置２１５はプローブ電装部２７５と光学ペン２２０とを含む。プローブ電装部２７５は、光源及び波長検出部２６０Ａを含んでいる。一実施形態として、図１で光源・波長検出器の構成部分１６０Ａとして説明したような光源及び波長検出器が挙げられる。光学ペン２２０は、測定表面２９０に測定光２９６を照射する。ここでは特別に雌ネジの内面を測定表面２９０にした例を挙げている。
上述した様々な実施例において、図１の分離感知部１６７を、信号演算器１６６に連動させるとよい。又は、分離感知部１６７は、信号演算器１６６と結合した様々な構成部分を有するとよい。例えば図２の実施形態では、分離感知部１６７又はそれに相当する構成部分は、測定信号処理制御要素２６０Ｂに含まれている。分離感知部１６７がいくつかの構成部分に分かれていて、その構成部分が波長検出器１６２又は検出器アレイ１６３に含まれているとか、若しくは、その構成部分が波長検出器１６２又は検出器アレイ１６３の一部として含まれているとか、といった実施例においては、該分離感知部１６７の構成部分が図２に示す光源及び波長検出部２６０Ａに含まれていてもよい。
図３は、三次元座標測定機２１０とＣＲＳプローブ装置２１５’の構造図であり、図２のＣＲＳプローブ装置２１５の構成を具体的に示したものである。図３に示されるように、三次元座標測定機２１０はプローブヘッド２１３を含んでいて、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は三次元座標測定機の主軸２１７に固定されている。プローブ自動ジョイント接続エレメント２３０を利用して、ＣＲＳプローブ装置２１５’がプローブヘッド２１３に接続される。これは、特許文献５及び特許文献６にも詳述されている。
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、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エレメント２３０は、プローブヘッド２１３にＣＲＳプローブ装置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エレメントになっており、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エレメント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プローブ装置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エレメント２３０には、電気的接触又は電気的接続部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。しかし、以下に詳述するように、比較的ノイズの多い環境でも有効に機能する本発明の構成及び方法を利用することが非常に有利と言える。
ＣＲＳプローブ装置２１５’は、プローブ自動ジョイント接続エレメント２３０を通じて自己の電源と制御信号を受けとる。プローブ自動ジョイント接続エレメント２３０を通じてＣＲＳプローブ装置２１５’に送られる信号は、電気的接続部２３５を通過することになる。図３に示すように、ＣＲＳプローブ装置２１５’は、プローブアッセンブリ２１６と、このプローブアッセンブリ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によって、プローブ自動ジョイント接続エレメント２３０を利用したＣＭＭへの自動接続が可能になる。また、プローブ２１５’に保護カバー又はプローブ筐体２６９（図には模式的に示した。）も含めた方がよい。プローブアッセンブリ２１６は、光学ペン２２０と、電動の光源２６４及び波長検出器２６２を有するプローブ電装部２７５とを含む。これらは全て様々な構造部材によって支持されている。図３に示す実施形態では、この構造部材が自動交換ジョイント要素２３６に固定されたベース２１８から延設されている。
前述の図１にも示したように、光学ペン２２０は、光ファイバーコネクタ２０９と、分離信号エレメント２９９と、共焦点アパーチャー２９５及び色分散光学系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、色分散光学系２５０の交換も、衝突の際の分離も可能にする交換マウント２８５を有しているとよい。
電動の光源２６４は、例えば、市販のクロマティック測距システムに使用されているような周知回路と連動するようにしてもよい。この周知回路は、自動交換ジョイント要素から電力供給を受けるプローブ電装部２７５内のプローブ電源・信号制御回路部２７６に含まれているとよい。
複数の実施形態では、プローブ電装部２７５はシリアル変換器２７７Ｓを含んでいる。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、プローブ自動ジョイント接続エレメント２３０における比較的少ない本数のワイヤを通じて、パラレル変換器に伝達している。なお、パラレル変換器は、例えば、プローブ信号処理制御回路２０７に含められている。図３に示す実施形態では、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、他の実施形態では、シリアル変換器２７７ＳをＣＲＳ波長検出器２６２に含めた方がよい。何故なら、送信すべきシリアル化データの多くが、ＣＲＳ波長検出器２６２で生成される測定スペクトルプロファイルデータであるからだ。他の形態として、シリアル変換器２７７Ｓの位置は、プローブ電装部２７５の中でより望ましい位置、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である。上述の通り、分離感知部１６７の構成部分が図２のプローブ電装部２７５の光源及び波長検出部２６０Ａに含まれている実施形態において、それらの構成部分は図３のプローブ電装部２７５にも同様に含まれる。
光源２６４は、ＣＲＳプローブアッセンブリに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ァイルを持っている。ＣＲＳ波長検出器２６２には、分光器アレンジメント２６２’及び検出器アレイ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、分光器アレンジメント２６２’及び検出器アレイ２６３は、ＣＲＳ波長検出器２６２の検出軸に沿って分布された複数のピクセルから構成される。上述の通り、複数のピクセルは、被測定面で反射して共焦点光学系に戻った測定波長域の光と、分離信号エレメントで反射した分離信号波長域の光とを受け取り、出力スペクトルプロファイルデータを提供してもよい。
以上のように、ＣＲＳプローブアッセンブリ自体が測定光を発生させ、かつ、ワークからの反射光を処理するという本発明の構成によって、所望の機能がＣＲＳプローブアッセンブリだけで完結できる。つまり、ＣＲＳプローブアッセンブリ内に必要な要素が全て含まれているので、他の自動交換可能なＣＭＭ用プローブと同様に、本発明のＣＲＳプローブも自動交換動作が可能になった。そのようなＣＲＳプローブ装置は、ＣＲＳプローブアッセンブリから自動ジョイントコネクタを通る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並行して設けられるようないかなる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プローブアッセンブリは、このＣＲＳプローブアッセンブリの外側に延設されるような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。
同様に、そのようなＣＲＳプローブ装置は、自動ジョイントコネクタを通るＣＲＳプローブアッセンブリから外部素子までの分離感知回路用の接続も、自動ジョイントコネクタに並行して設けられるようないかなる他の仮設経路に沿った分離感知回路用の接続をも必要とせず、又は、含んでいない。つまり、分離状態の検出に、既存の、又は、改良されたＣＲＳシステム内部を利用すれば、外部回路又は接続を追加する必要はない。
図４は、三次元座標測定機２１０及び第２実施形態に係るＣＲＳプローブ装置２１５’’の構造図である。このＣＲＳプローブ装置２１５’’は、分離信号エレメント２９９付き交換可能光学エレメントを有する光学ペン２２０を含んでいる点で、図２のＣＲＳプローブ装置２１５に共通する。図４のＣＲＳプローブ装置２１５’’と図３のＣＲＳプローブ装置２１５’との主な相違点は、プローブ電装部２７５を取り除いて遠隔位置へ移動させたことである。図４のＣＲＳプローブ装置２１５’’はプローブ電装部２７５を含んでいないので、光ファイバー接続が必要となる。一実施例によると、その光ファイバー接続は、プローブ自動ジョイント接続エレメント２３０に向けられた、第１配線経路ＲＴ１を通って行われる。代替の実施形態においては、外部に配線された光ファイバー２１２を含む外部配線経路ＲＴ２を使用してもよい。複数の実施形態において、配線経路ＲＴ１又はＲＴ２のどちらを使用するかの設計思想は、プローブ取付動作、機械設計などの固有の設計要因に依存する。図４の実施例では、プローブ電装部２７５が含まれていないため、通常は、図２のＣＲＳプローブ信号処理制御回路２０７の一部であるプローブ信号処理制御要素２６０Ｂの中に分離感知部１６７を含める。
図５は、図１〜４の光学ペン２２０と共通する光学ペン２２０Ａの代表的実施形態の構造図であり、分離信号エレメント２９９Ａ、２９９Ｂ又は２９９Ｃを配置可能な３つの位置を示す。図５に示すように、光学ペン２２０Ａは、代表的な交換マウント２８５によって結合されたベース部材２８２と交換可能光学エレメント２８０を含んでいる。この実施形態において、交換可能光学エレメント２８０は、前板２８６、中空管２３１、色分散光学系２５０、転送レンズ２５１及び分離信号エレメント２９９Ａ、２９９Ｂ又は２９９Ｃを含む。
ベース部材２８２は、交換マウント２８５の第１の片面部材になる面を含んだベース筐体２８２Ａを備えている。また、この面に対応して、前板２８６は、交換マウント２８５の第２の片面部材になる面を含んでいる。一実施形態として、第１及び第２の片面部材の一方又は両方に取り付けた永久磁石が形成する保持力アレンジメントによって、第２の片面部材が第１の片面部材に対して強制的に取り付けられる。通常、保持力アレンジメントには、バネで付勢された機械的ツメ部などの公知機構を用いる。一実施形態において、交換可能光学エレメント２８０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カラー２３２が挿入され、その結果、交換可能光学エレメント２８０がベース部材２８２から自動的に分離されるようになる。このような保持力アレンジメントの１つの利点は、ワークとの衝突時に、ＣＲＳプローブ装置及び／又は三次元座標測定機の損傷が最小限になるように、交換可能光学エレメント２８０を取り外すことができる点である。下記に詳述するが、分離信号エレメント２９９Ａ、２９９Ｂ又は２９９Ｃを用いれば、そのような分離状態を検出することができて、更なる動作の緊急停止信号を制御中の三次元座標測定機に送ることができる。
ベース部材２８２は、外部の測定用の基準座標系に対して光学ペン２２０Ａを安定して保持できるように設計されている。いくつかの実施形態において、ベース筐体２８２Ａには、外部エレメントにベース部材を取り付けるための外部取付面が形成されている。ここで、ベース筐体２８２Ａは、例えば、締結具又は他の取付具を用いて外部エレメントに締結され、又は、取付けられる。外部エレメントとは、外部の基準座標系を定義するものである。例えば、外部エレメントが、固定された基準座標系（例えば、光学ペン用の取付スタンド）を定義する固定エレメントで構成されてもよい。または、外部エレメントが、ここで開示したように、ＣＭＭに取り付けられたＣＲＳプローブアッセンブリで構成されてもよい。ＣＲＳプローブアッセンブリは、機械座標システムからなる外部の基準座標系を定義するＣＭＭに取り付けられている。様々な実施形態では、ベース部材が交換可能光学エレメントの唯一の支えになっており、非常に安定した方法で交換可能光学エレメントを支える。例えば、交換可能光学エレメントには想定された測定環境内でのわずかな振動しか生じない。ここに説明された外部取付構造は、代表的なものに過ぎず、これに限定されるものではない。しかしながら、ベース部材と交換マウントは、光ファイバーを周知の光学ペンに接続する従来型の光ファイバー接続とは区別される。例えば、そのような従来型の光ファイバー接続は、測定用の外部基準座標系と安定した関係を保ちつつ、光学ペンを反復的に取り付けて保持することには適さない。そのような従来の光ファイバー接続は、ここに開示される交換可能光学エレメント２８０といった光学ペンの光学エレメント用の保持部材を唯一支えるものとしての十分な強度及び／又は剛性を備えていない。
一実施形態では、ベース部材２８２は、光ファイバー２１２の端部を含み、その端部は、通常、共焦点アパーチャー２９５に近接した位置に配置されている。この共焦点アパーチャー２９５は、これを囲んだ状態で配置された交換マウント２８５の第１の片面部材に相当する位置に固定されている。いくつかの実施形態では、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。いくつかの実施形態では、共焦点アパーチャー２９５として、光ファイバーの端部に近接した位置又は隣接した位置で接着された薄いアパーチャー部材が採用される。または、以下に詳述するように、共焦点アパーチャー２９５として、光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂに形成された（又は、接着された）孔を採用してもよい。
様々な実施形態では、光学ペンは、光ファイバー２１２の端部を共焦点アパーチャー２９５の動作位置２９７に近接した位置に配置するように構成された光ファイバー端部位置決め機構を備えているとよい。様々な実施形態では、光学ペンのレンズによって光学ペンを通過する測定光が焦点を結ぶ平均的な位置と、共焦点アパーチャー２９５の動作位置２９７とが一致する。特に、図５の実施形態では、ベース部材２８２内に光ファイバー端部位置決め機構２８３全体が配置されていて、光ファイバー端部位置決め機構２８３は光ファイバー保持部材２８３Ａおよび光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂを有し、これらの部材２８３Ａ，２８３Ｂは、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、光ファイバー保持部材２８３Ａは、光ファイバーの保持または位置決めに応じた適合性を持っている。そして、光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂは、光ファイバー２１２の端部を共焦点アパーチャー２９５の動作位置２９７に近接した位置に安定させるように設けられている。
例えば、一実施形態では、光ファイバー２１２及びその端部が、周知タイプの光ファイバーコネクタ中に採用されているバネ付勢型のフェルール２８３Ａ’に固定されてもよい。そのような光ファイバーコネクタは、光ファイバー保持部材２８３Ａおよび光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂを提供する。光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂには、光伝達用の孔を含んだ凹面２８３Ｂ’（例えば、孔、テーパ孔、面取りされた肩部など）が、フェルール用のガイドに囲まれた状態になっているとよい。ガイドは、バネ力で付勢されたフェルールを凹面２８３Ｂ’に向けて案内する。そして、フェルールは凹面２８３Ｂ’に隣接されて、凹面２８３Ｂ’で定まる望ましい位置（例えば、共焦点アパーチャー２９５の動作位置２９７に近接した位置）で安定する。
いくつかの実施形態では、光ファイバー２１２の端部が共焦点アパーチャー２９５を構成してもよい。あるいは、共焦点アパーチャー２９５は、光ファイバー（及び／又は、フェルール２８３Ａ’）の端部に相対する位置に固定されたアパーチャー部材（例えば、箔状または薄膜アパーチャー）のアパーチャーであってもよい。そのような場合、光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂが光ファイバー２１２の端部を安定させることで、共焦点アパーチャー２９５がその動作位置２９７に近接した位置で安定するようになっている。他の実施形態では、共焦点アパーチャーは、その動作位置（例えば、凹面２８３Ｂ’）において光学ペンベース部材２８２および光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂのうちの少なくとも一方に固定されたアパーチャー部材のアパーチャーを有する。この場合、光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂは、光ファイバー２１２の端部を共焦点アパーチャー２９５に近接した位置に安定させるために設けられている。
いくつかの実施形態では、光ファイバー保持部材２８３Ａが光ファイバーを受け取って、これをベース部材に対して十分強固に保持する。これは、光ファイバー２１２の端部を共焦点アパーチャー２９５の動作位置２９７に近接した位置に強固に配置することを担保し、この結果、光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂを取り除くことができる。
交換可能光学エレメント２８０は、共焦点アパーチャー２９５から測定波長光を受けて、その測定波長光を共焦点アパーチャー２９５に返すように設けられている。また、交換可能光学エレメント２８０は、第２の片面部材に対して固定された光学アッセンブリを含んでおり、この光学アッセンブリは、測定軸に沿った当該交換可能光学エレメント２８０の測定範囲にわたって測定波長光に軸上色分散を与える色分散光学系２５０を含んでいる。また、一実施形態では、光学アッセンブリが、測定波長光の向きを光学ペン２２０Ａの軸に直角に（例えば、中空管２３１の軸に直角に）向ける反射素子２９４を含むとよい。図５に示された実施形態では、色分散光学系２５０は個々のレンズ２５２、２５３および２５４などを含んでいる。一実施形態では、レンズ２５２、２５３および２５４は同一であり、それぞれが軸上色収差に寄与している。図５に示された一実施形態に係る配置構成は、共焦点アパーチャー２９５とミラー素子２９４間におよそ５０ｍｍの光路長を持っている。しかし、この配置は代表例に過ぎず、これに限定されるものではない。他の有用な色分散レンズアッセンブリが特許文献７に記載されているので、以下に詳述する。
図５の実施形態では、さらに、共焦点アパーチャー２９５と色分散光学系２５０の間に転送レンズ（またはレンズアッセンブリ）２５１が配置されており、この転送レンズ２５１は、共焦点アパーチャー２９５の動作位置２９７からの測定波長光を受け取るとともに、戻ってきた測定波長光の焦点をその動作位置２９７に近接した位置で結ばせる役目をする。図５には、いくつかの代表的なコンフォーカル光線（または、光線セグメント）が示されている。特に、光線Ｒ１，Ｒ２は、転送レンズ２５１とアパーチャー２９５の間に示され、光線Ｒ３，Ｒ４は、転送レンズ２５１と色分散光学系２５０の間に示されている。複数の実施形態では、転送レンズ２５１として、コリメートレンズ又はコリメートレンズに類似するレンズが採用される。そして、光線Ｒ３，Ｒ４が、ほぼ平行光か、または、ほぼコリメートされた光となることで、ある実施形態では以下に詳述するような有利点がある。光線Ｒ５，Ｒ６は、色分散光学系２５０の中に示されており、測定光２９６として光線Ｒ７，Ｒ８が生じる。ここで、共焦点アパーチャーの動作位置２９７を、光学ペン２２０Ａのレンズ群の最良の焦点位置に近接した位置またはその焦点位置に合わせるのがよい。特に、この実施形態では、転送レンズ２５１の焦点位置に近接した位置またはその焦点位置に合わせるのがよい。
図５は、分離信号エレメント２９９Ａ、２９９Ｂ又は２９９Ｃの配置可能な３つの位置を示している。図５に示されるように、分離信号エレメント２９９Ａは、光ファイバー２１２の端部に近接し、且つ、共焦点アパーチャー２９５と転送レンズ２５１の間である第１の位置にある。分離信号エレメント２９９Ａの設計に関し、この位置において光源光は放射状に広がっており、また、共焦点アパーチャー２９５及び／又は光ファイバー２１２の端部から、分離信号エレメント２９９Ａまでの間隔に依存しているため、分離信号エレメント２９９Ａによって反射されて光ファイバー２１２に戻される分離信号光の強度は、比較的弱くなる。従って、この位置において強い分離信号を提供する為には、分離信号エレメント２９９Ａが高反射特性を有し（例えば、高い反射性）、反射光の波長選択性が高いことが有利である。これらの特性を有した一つの分離信号エレメントについて、図１１を用いて以下に詳述する。
これに代えて、分離信号エレメント２９９Ｂは、転送レンズアッセンブリ２５１と色分散光学系２５０の間である、第２の位置にある。この位置では、平行光Ｒ３，Ｒ４のように幅広でほぼ平行光にされた分離信号光の光路上に、分離信号エレメント２９９Ｂを配置してもよい。
分離信号エレメント２９９Ｂの設計に関し、この位置において、光源光はほぼ平行化されており、分離信号エレメント２９９Ｂによって反射される分離信号光は、光ファイバー２１２へ強い強度で戻る。従って、この位置において、分離信号エレメント２９９Ｂが、反射光の波長選択性が高いことが有利となるが、反射特性に関しては適度又は低くても十分である。いくつかの実施形態において、このことにより、図１１にて詳述するものより経済的なエレメントの使用が可能となる。
代わりに、分離信号エレメント２９９Ｃは、光源光に軸上色収差を提供する、色分散光学系２５０の中の第３の位置に配置されている。前述した通り、いくつかの実施形態において、レンズ２５２、２５３及び２５４のそれぞれは、軸方向の色収差に寄与する。従って、図５に示されるように、様々な波長の光が、その色分散光学系２５０の内部において、中間レベルの軸方向の色収差の効果を伴った状態で焦点を結ぶようにしてもよい。分離信号エレメント２９９Ｃの設計に関し、特に、光線Ｒ５’とＲ６’に例示されるような分離信号に使用される検出波長光（又は、狭い波長域）が優先的に焦点を結ぶ位置、すなわち、検出波長光の焦点位置ＤＷＦに、分離信号エレメント２９９Ｃの反射面が配置される。なお、この検出波長光は分離信号波長域の光である。一方、クロマティックレンジセンサシステムの特定の測定範囲に対応する測定波長域の光は、この検出波長光の焦点位置ＤＷＦで焦点を結ばない。結果的に、このような設計において、分離信号エレメント２９９Ｃは、焦点の合った分離信号波長光を反射して、光路に沿って戻す。共焦点アパーチャー２９５でその分離信号波長光の焦点を合わせ、光ファイバー２１２に通す。この効率的な焦点の合わせ方により、この位置における分離信号エレメント２９９Ｃの反射特性は低くても十分である（例えば、透明ガラスのエレメントの表面でもよい。）。さらに、分離信号エレメント２９９Ｃの反射特性が低いのであれば、クロマティックレンジセンサシステムの測定範囲に対応する測定波長域の光を含んだ光源光の大半を透過するものでもよく、波長選択性を特に必要としない。そのような実施形態において、とても経済的なエレメントの使用を可能にする（例えば、透明ガラスのエレメントの表面でよく、波長フィルタの特性を有さなくてもよい）。
図６は、前述の光学ペン２２０に共通する光学ペン２２０Ｃの代表的な実施形態を示す構成図である。また、分離信号エレメント２９９Ａ、２９９Ｂ、２９９Ｃ、２９９Ａ’又は２９９Ｃ’を配置可能な５つの位置を示している。さらに、光学ペン共焦点アパーチャーの動作位置２９７Ｃが交換可能光学エレメント２８０Ｃ中に配置されている。図６に示す実施形態では、交換可能光学エレメント２８０Ｃの光学アッセンブリは、図５にて説明したものと共通した光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂを含んでいる。言い換えれば、本実施形態にて、光学ペン２２０Ｃは、交換可能光学エレメント２８０Ｃ中の共焦点アパーチャー２９５の動作位置２９７に近接した位置に光ファイバー２１２の端部を配置するように構成された光ファイバー端部位置決め機構２８３を含んでいる。
特に図６の実施形態では、光ファイバー端部位置決め機構２８３は、その光ファイバー保持部材２８３Ａが部分的にベース部材２８２中に配置されており、また、その光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂが部分的に交換可能光学エレメント２８０Ｃ中に配置されている。この光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂは、交換可能光学エレメント２８０Ｃ中に固定（例えば、接着）されている。この実施形態では、光ファイバー保持部材２８３Ａは、光ファイバーの保持または位置決めに応じた適合性を持っている。そして、光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂは、光ファイバー２１２の端部を共焦点アパーチャー２９５の動作位置２９７に近接した位置に安定させるように設けられている。例えば、一実施形態では、光学ファイバー２１２とその端部が、あるタイプの光ファイバーコネクタ中に採用されているバネ付勢型のフェルール２８３Ａ’に固定されているとよい。そのような光ファイバーコネクタは、光ファイバー保持部材２８３Ａを提供するもので、交換マウント２８５の表面から交換可能光学エレメント２８０Ｃの内部に延びている。光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂは、交換可能光学エレメント２８０Ｃ内への取り付けに適している。光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂには、光伝達用の孔を含んだ凹面２８３Ｂ’（例えば、孔、テーパ孔、面取りされた肩部など）が形成されており、フェルール用のガイドに囲まれている。ガイドは、バネ付勢型のフェルールを凹面２８３Ｂ’に向けて案内する。そして、フェルールは凹面２８３Ｂ’に隣接し、凹面２８３Ｂ’で定まる望ましい位置（例えば、共焦点アパーチャー２９５の動作位置２９７に近接した位置）に安定して配置される。
複数の実施形態では、共焦点アパーチャー２９５は光ファイバー２１２の端部によって構成されてもよい。あるいは、共焦点アパーチャー２９５は、光ファイバー（及び／又は、フェルール２８３Ａ’）の端部に対して固定されたアパーチャー部材（例えば、箔状または薄膜アパーチャー）のアパーチャーであってもよい。そのような場合、光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂが光ファイバー２１２の端部を安定させるように設けられ、その結果、共焦点アパーチャー２９５が動作位置２９７に近接した位置に安定するようになっている。他の実施形態では、共焦点アパーチャーが、その動作位置（例えば、凹面２８３Ｂ’）おいて、交換可能光学エレメント２８０Ｃおよび光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂのうちの少なくとも一方に固定されたアパーチャー部材のアパーチャーにて構成されてもよい。そのような場合、光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂは、共焦点アパーチャー２９５に近接した位置に光ファイバー２１２の端部を安定して配置するように設計される。光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂを交換可能光学エレメント２８０Ｃに配置する利点は、交換可能光学機構２８０Ｃを分離して再度ベース部材２８０に取り付ける際に、他の光学エレメントとの位置関係において共焦点アパーチャー２９５をより精度よく繰り返し位置決めすることができることである。それは、交換マウント２８５が上記位置関係に影響を与えないからである。
一実施形態では、交換可能光学機構２８０は、（例えば前板２８６に取り付けられた）ＩＤ素子２３３を含むとよい。対応する読取素子２３３Ｒは光学ペンベース部材２８２に配置されるとよい。ＩＤ素子２３３は、交換可能光学エレメント２８０用の特定の識別情報でコード化されているとよい。一実施形態では、ＩＤ素子２３３が、無線周波数認識装置（ＲＦＩＤ素子）により構成されるとよく、そのＲＦＩＤ素子は受動型であると更によい。読取素子２３３Ｒ（例えば、ＲＦＩＤ読取素子）は、ＩＤ素子２３３からデータを読むことができるように十分に近接して配置されている。いくつかの実施形態では、もし読取素子２３３ＲがＩＤ素子２３３に隣接して配置されていなければ、ベース部材２８２に孔を形成した方がよい。これにより、ベース部材の材質によってＩＤ素子２３３と読取素子２３３Ｒ間の信号（例えば、電波信号、光信号、光学画像など）変換が妨げられないですむ。いくつかの実施形態では、ＩＤ素子２３３は、識別マーク（例えば、簡単なバーコード）又は識別色を含み、そして、読取素子２３３Ｒは、識別マーク又は識別色に対応する信号を出力する光検出器を含んでいるとよい。いくつかの実施形態では、ＩＤ素子２３３は、ある識別周波数を持った受動型共振回路を備え、そして、読取素子２３３Ｒは、識別周波数への対応信号を出力する励振器／検出器を備えているとよい。
上記実施形態は代表例に過ぎず、これに限定されるものではない。いくつかの実施形態において、共焦点アパーチャー２９５の動作位置２９７を交換可能光学エレメント２８０Ｃまで伸ばすことが望まれる場合がある。交換マウント２８５を用いて光ファイバー保持部材２８３Ａの位置を維持し、交換可能光学エレメント２８０Ｃ内で光ファイバー２１２の端部を共焦点アパーチャー２９５の動作位置２９７に近接した位置に確実に配置することによって、その光ファイバー保持部材２８３Ａが光ファイバーを受け取って、ベース部材２８０と交換可能光学エレメント２８０Ｃとに対して該光ファイバーを十分に強固に保持することができる。その結果、分離された光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂを取り除くことができる。
図６はさらに、分離信号エレメント２９９Ａ、２９９Ｂ、２９９Ｃ、２９９Ａ’又は２９９Ｃ’の配置可能な５つの位置を示している。分離信号エレメント２９９Ａの設計は、図５を用いて詳述された上記の分離信号エレメント２９９Ａと共通している。様々な代替の実施例において、分離信号エレメント２９９Ａの位置は、共焦点アパーチャー２９５と転送レンズ２５１の間に示されるが、光ファイバー２１２の端部と共焦点アパーチャー２９５の間に位置してもよい。上述の通り、例えば、共焦点アパーチャー２９５は、交換可能光学エレメント２８０Ｃ、及び、交換可能光学エレメント２８０Ｃの中で固定（例えば、結合）された光ファイバー端部位置決め部材２８３Ｂのうち少なくとも１つに固定されたアパーチャーによって構成されてもよい。そのような場合、分離信号エレメント２９９Ａ（例えば、薄い被膜）は、光ファイバー２１２の端部と共焦点アパーチャー２９５の間に配置されてもよい（例えば、分離信号エレメントの薄い被膜はアパーチャー部材の内側の表面に配置されてもよい）。
分離信号エレメント２９９Ｂと２９９Ｃの設計は、図５を参照にそれぞれ上記に詳述された分離信号エレメント２９９Ｂと２９９Ｃと共通しており、類推によって理解される。
分離信号エレメント２９９Ａ’の設計は、光ファイバー２１２を通って戻される測定波長光と同じ光路に沿って分離信号波長光を反射させる為、交換可能光学エレメント２８０Ｃの先端部付近であればどこに配置されてもよい（例えば、光源光の収束部）。分離信号エレメント２９９Ａと同様の理由で、この位置において、分離信号エレメント２９９Ａ’によって反射されて光ファイバー２１２に戻される波長光の強度は、比較的弱い。従って、この位置において大きな分離信号を提供する為には、分離信号エレメント２９９Ａ’が高反射特性であり、反射光の波長選択性が高いことが有利となる。これらの特性を持った分離信号エレメントの１つを、図１１を参照に後で詳述する。一実施形態において、分離信号エレメント２９９Ａ’は、光学ペン２２０Ｃを封止する保護窓材として用いられる。
分離信号エレメント２９９Ｃ’の設計に関し、図５を参照に上記に詳述された分離信号エレメント２９９Ｃと共通しており、類推によって理解される。特に、分離信号エレメント２９９Ｃ’の反射面は、交換可能光学エレメント２８０Ｃの先端部付近の、分離信号に使用される検出波長光（又は、狭い波長域）が優先的に焦点を結ぶ位置、すなわち、検出波長光の焦点位置ＤＷＦ’に配置される（例えば、光学ペン２２０Ｃの測定範囲に隣接した位置）。一方、クロマティックレンジセンサシステムの特定の測定範囲に対応する測定波長域の光は、検出波長光の焦点位置ＤＷＦ’で、焦点を結ばない。図５に示される分離信号エレメント２９９Ｃに関して前述した動作と結果的に同様の動作になり、共通のエレメントが使用されてもよい（例えば、透過ガラスのエレメントの表面でよく、波長フィルタを含める必要はない）。分離信号エレメント２９９Ｃ’は周知の機械的技術を使用して適正な位置で支えられ、光学ペン２２０Ｃを封止する保護窓材として用いられる。
図７は、分離信号エレメント２９９を有する交換可能光学エレメント２８０Ｈを回転させるための回転エレメント７１０を含んだ光学ペン２２０Ｈの代表的実施形態を示す構成図である。図７に示されるように、ベース部材２８２Ｈは回転エレメント７１０の部分を含んで構成される。転送レンズ２５１は、ベース部材２８２Ｈの拡張部２８２ＨＸの中に配置されている。転送レンズ２５１は、筒部２８２ＨＸ’、又は機械加工された取付器具などによって、共焦点アパーチャー２９５から適切な距離を置いて配置される。光線Ｒ１とＲ２は、転送レンズ２５１から拡張部２８２ＨＸを通って、共焦点アパーチャー２９５が配置されている操作位置２９７に近い焦点位置へ進む。転送レンズ２５１からのほぼ平行な光線Ｒ３とＲ４は、交換マウント２８５を通る。そして、中空管２３１Ｈを通って、色分散光学系２５０へ進む。
図７に示されるように、この実施形態では特に、回転エレメント７１０が、交換マウント２８５の第１の片側部材になる面を持った回転部７１２を含んでいる。第１の片側部材は、前板２８６に配置された交換マウント２８５の第２の片側部材と連結できるようになっている。また、回転エレメント７１０は回転駆動用のモーター７１６及び歯車７１８とともに、ベアリング７１４を含んでいて、回転部７１２を回転させることができる。代替の構成として、モーター及び回転アクチュエータ（例えば、モータースリーブ機構など）を利用してもよい。一般的に、転送レンズ２５１がベース部材２８２Ｈに配置されている時、回転による光伝達の誤差／影響は少なくなる。これは、回転ジョイントを通る平行光Ｒ３とＲ４で示す幅広の平行光の伝達が、アライメントの変動に対してそれほど敏感に反応しないからである。この設計では、分離信号エレメント２９９が転送レンズ２５１と色分散光学系２５０の間に配置される為、分離信号エレメント２９９は平行光Ｒ３とＲ４によって示される幅広な平行化された光線の光路上に配置される。このような場合、分離信号エレメント２９９による反射波長光についても、反射波長光を運ぶ幅広い平行化光線の性質によって、光伝達の誤差／影響は少なくなる。しかしながら、この配置は代表的なものに過ぎず、これに限定するものではない。図５及び図６の構成のいずれも、この開示に基づいて明らかなわずかな適合により、交換可能光学エレメントを回転させる類似の構成に変更され得る。複数の実施形態では、回転位置にかかわらず最も良い校正及び精度を得るために、光学ペンが交換可能光学エレメントの複数の回転位置にそれぞれ対応した特有の各校正データからなる校正データによって特徴づけられるとよい。そのような校正は、回転位置に相関する様々なミスアラインメントを補正できる。
図８は、クロマティックポイントセンサからのプロファイルデータの線図８００である。線図８００は、検出器アレイ１６３内のピクセルに関する電圧オフセットの信号レベルＶｏｆｆｓｅｔｐと、分離信号エレメント２９９に対応する無補正の分離感知信号ＤＳＳについて説明している（例えば、図１）。プロファイルデータは、測定表面がない時（例えば、図１と図２の測定表面２９０がない時）の電圧オフセットの信号レベルＶｏｆｆｓｅｔｐを示す。電圧オフセットの信号レベルＶｏｆｆｓｅｔｐは、１，０２４個のピクセルのそれぞれの正規化電圧がプロットされたものである。「正規化電圧」では、１．０の値が検出器アレイ１６３の飽和電圧に割り当てられている。
電圧オフセットの信号レベルＶｏｆｆｓｅｔｐは、アレイ全体に渡って一定であるように示されているバイアスの信号レベルＶｂｉａｓと、アレイ全体に渡ってピクセル座標ｐに依存しているように示されている雑音信号成分Ｖｂａｃｋｐとを含む。変動する雑音信号成分Ｖｂａｃｋｐは、クロマティックポイントレンジセンサシステムの光ファイバー内の波長依存性の疑似反射等からの背景光といった信号はもちろん、様々なピクセルｐの暗電流による信号を表している。様々な実施形態では、検出器アレイ１６３のピクセル配置を校正又は補正する為に、継続して、その信号成分Ｖｂａｃｋｐ（又は、これと同様の変動を示す信号、例えば電圧オフセット信号Ｖｏｆｆｓｅｔｐ）を記憶し、また、これらのデータを用いて各ピクセルｐから後続する全てのプロファイルデータ信号を（例えば、減算によって）補正することが有利にある。いくつかの実施形態において、時間が経っても比較的安定している雑音信号成分Ｖｂａｃｋｐとは対照的に、周囲温度の変化及び動作中に電装部１６０の発熱に伴って生じる電圧ドリフトの結果として、座標非依存性のバイアス信号レベルＶｂｉａｓは変動し得る。バイアス信号レベルＶｂｉａｓの補正方法の代表的な方法の１つが、特許文献８に詳述されている。
無補正の分離感知信号ＤＳＳは、交換可能光学エレメント２８０の反射性分離信号エレメント２９９によって生じる追加信号（例えば波長光のピーク）を表す。上述の通り、分離信号エレメント２９９は、分離信号波長域の光を少なくとも部分的に反射する。図８に示されるように、分離感知ピクセル範囲ＤＳＰＲのピクセルが分離信号波長光を検出すると、無補正の分離感知信号ＤＳＳが得られる。検出器アレイの分離感知ピクセル範囲ＤＳＰＲの位置が示すように、この特定の実施形態において、分離信号波長光は、比較的短い波長光からなる。特定の実施例において、分離信号波長光に短い波長光を利用することは、より長波長側の範囲にある測定波長光と干渉しにくいため、有利である。
いくつかの実施形態において、分離感知信号ＤＳＳは、上述の通り、検出器アレイ１６３のピクセル配置を電圧オフセットの信号レベルＶｏｆｆｓｅｔｐに沿って校正又は補正する為に、信号成分Ｖｂａｃｋｐと共に記憶される。また、各ピクセルｐから後続する全てのプロファイルデータ信号中の分離感知信号ＤＳＳに対応する信号は、記憶したデータによって（例えば、減算によって）、継続的に補正され、または「取り消される」。そのようにして分離感知信号ＤＳＳが補正された場合、交換可能光学エレメントの適正な取付状態は、対応するピクセルの補正した信号が、“ゼロ付近信号”又はヌル信号（ｎｕｌｌ ｓｉｇｎａｌ）を示す。さらに、そのような場合、交換可能光学エレメントの分離状態又はこれがない状態は、対応するピクセルからの信号を補正した結果は、大きな負の信号レベルを示す。
逆に、いくつかの実施形態では、分離感知信号ＤＳＳを補正しない。分離感知信号ＤＳＳが無補正の場合、交換可能光学エレメントの適正な取付状態は、描かれているピーク信号（ＤＳＳ）のように、対応するピクセルで波長光ピークを示す。さらに、この場合、交換可能光学エレメントの分離状態又はこれがない状態は、対応するピクセルでゼロ付近信号又はヌル信号を示す。これらのことは、図１０を参照に以下に詳述する。
図９は、クロマティックポイントセンサからのプロファイルデータ９１０の線図９００である。線図９００は、測定距離指示座標に対応したピーク領域信号、及び、無補正の分離感知信号ＤＳＳを示す。ＣＰＳ検出器（例えば、波長検出器１６２）からのプロファイルデータ９１０（例えば、測定プロファイル信号データ）は、ＣＰＳ測定動作中に取得される。ＣＰＳ測定動作中とは、特定の光学ペン又は全体のシステムについての校正動作中でも、通常の測定動作中でもよい。プロファイルデータ９１０は、プロファイル信号ＭＳｐとも称される。但し、ＭＳｐは、検出器アレイ（例えば、検出器アレイ１６３）の各ピクセルｐでの信号レベル（正規化電圧で示される）である。図９の線図９００は、光学ペン２２０の光軸ＯＡ上のある距離に目標表面を位置決めした状態で作成されたもので、距離に対応した主波長のピーク領域を有する測定プロファイルデータ９１０が生成されることが分かる。
様々な実施形態において、無補正の分離感知信号ＤＳＳの波長光は、測定光に対するものと同じ構成（検出手段）によって検出され処理される。例えば、この検出手段には、クロマティックレンジセンサの波長検出器の検出器ピクセルのサブセットである分離信号ピクセルのセットが利用される。または、無補正の分離感知信号ＤＳＳの波長光の処理には、その他の検出手段を利用してもいい。例えば、検出部に設けられた偏向手段によって、分離信号エレメント専用のセンサに向かう別の光路を辿るように、分離感知信号ＤＳＳの波長光を偏向させてもよい。
上述の通り、様々な実施形態において、分離感知信号ＤＳＳは無補正でもよいし、補正されてもよい。この場合、分離感知信号ＤＳＳおよびその他の信号を一緒に補正してもよいし、又は、その他の信号は補正しないで分離感知信号ＤＳＳだけを補正してもよい。ここで言うその他の信号とは、例えば、図８で上述した信号Ｖｂａｃｋｐ等を示す。
もし、分離感知信号ＤＳＳが無補正の場合で交換可能光学エレメントが取付状態の時、上記の検出手段は、測定波長光に基づく図９に示される測定波長光ピーク領域を生成すると同時に、分離感知信号ＤＳＳに基づいてピクセル信号中に破線で示された波長光ピークを生成する。逆に、もし、分離感知信号ＤＳＳが補正されている場合で交換可能光学エレメントが取付状態の時、上記の検出手段は、測定波長光に基づく図９に示される測定波長光ピーク領域を生成すると同時に、補正されて平坦信号又はヌル信号になったピクセル信号（例えば、ＭＶｂｉａｓのレベル）を提供する。
分離感知信号ＤＳＳがどのように処理されようとも、クロマティックレンジセンサシステムの測定範囲（すなわち、分離感知ピクセル範囲とは反対側の範囲）に応じた信号又は波長光に基づいて、測定波長光に対する距離指示座標（ＤＩＣ）が決定される。具体的には、そのような決定に関するデータとして、図９には、測定バイアスの信号レベルＭＶｂｉａｓ（正規化電圧で示す）、ピークのピクセル座標ｐｐｃ、ピーク位置のインデックス座標ｐｐｉｃ、及び、データ閾値ＭＶｔｈｒｅｓｈｏｌｄが示されている。データ閾値ＭＶｔｈｒｅｓｈｏｌｄは、ピーク領域内のデータの距離指示サブセットの下限を定義する。全ての「ＭＶ」値は正規化電圧である。図９は、校正スペクトルのピーク領域内のデータの距離指示サブセットに基づいて決定される距離指示座標（ＤＩＣ）も示す。データ閾値ＭＶｔｈｒｅｓｈｏｌｄは、インデックス特性の閾値ＭＶｔｈｒｅｓｈｏｌｄ（ｐｐｉｃ）としてもよい。
簡潔に言えば、一実施形態において、距離指示座標（例えば、プロファイルデータ９１０に関して説明した距離指示座標ＤＩＣ）を決定する測定動作は、以下の工程からなる。
・目標表面を光軸ＯＡに沿って位置決めし、結果として生成されるプロファイルデータ９１０を取り込む。
・ピークのピクセル座標ｐｐｃ（すなわち、最大信号を有するピクセル）を決定する。
・ピーク位置のインデックス座標ｐｐｉｃを決定する。このインデックス座標ｐｐｉｃは、特定の校正データ（例えば、インデックス特性の閾値校正データ）を記憶し、及びその校正データを検索するためのインデックスである。いくつかの実施形態では、これはピークのピクセル座標ｐｐｃと同じにしてもよい。
・測定バイアスの信号レベルＭＶｂｉａｓを決定する。
・データ閾値ＭＶｔｈｒｅｓｈｏｌｄを決定する。（例えば、ピーク高さの存在する割合として決定する。又は、現在のピーク位置のインデックス座標ｐｐｉｃに対応するインデックス特性の閾値校正データに基づいて決定する。）
・測定ピーク領域において、データ閾値ＭＶｔｈｒｅｓｈｏｌｄよりも大きな値のデータである距離指示サブセットに基づいて、サブピクセル分解能での距離指示座標（ＤＩＣ）を決定する。
・距離校正の測定の場合、（例えば、干渉計によって）所望の精度で、目標表面までの対応する距離を独立して決定する。そして、距離校正のテーブル内または曲線上での距離校正データの位置を決定する。
・ワーク距離の通常測定の場合、記憶された距離校正データ内での対応する距離に、測定ＤＩＣを相関付けることによって、測定距離を決定する。
上記動作では、データ閾値ＭＶｔｈｒｅｓｈｏｌｄよりも上のデータである距離指示サブセットに基づいて、距離指示座標ＤＩＣをサブピクセル分解能で決定することができる。いくつかの異なる方法のうちの１つによって、測定ＤＩＣを決定することができる。一実施形態では、測定ＤＩＣは、データの距離指示サブセットの重心ＸCをサブピクセル分解能で表わした座標として、決定される。例えば、１０２４個のピクセルを有する検出器の場合、重心ＸCは、次の式（１）に従って決定することができる。
ここで、式（１）中のＳM(p)は、次の式（２）で与えられる。
特定の一例では、式（１）において、ｎ＝２である。式（２）は、重心の計算に使用されるデータを、距離指示サブセットのデータ内に制限することが好ましい。校正動作中に、距離指示座標ＤＩＣが決定される場合は、距離指示座標ＤＩＣを校正距離指示座標と呼ぶ。同様に、測定動作中に決定される場合は、距離指示座標ＤＩＣを測定距離指示座標と呼ぶ。
図１０は、クロマティックポイントセンサからのプロファイルデータの線図１０００である。線図１０００は、図８及び図９の分離感知信号ＤＳＳについて代替可能な様々な信号処理を示す。図１０に示すように、第１実施形態の信号１０１０ａは、分離信号エレメント２９９を含んだ交換可能光学エレメント２８０が取り付けられている場合の（例えば、検出器１９３のピクセルからの）生の無補正信号を表す。信号１０１０ａについては、検出器アレイから得られた生の無補正ピクセル信号１０１０ａ’の前後に含まれている。（例えば、前述した雑音信号電圧オフセット信号Ｖｏｆｆｓｅｔｐが無補正であるようなところに含まれている。）もしそのような生の信号が、交換可能光学エレメントの取付／分離の検出に用いられる場合、示されているトリガー電圧レベル１０２０ａは、生の無補正信号１０１０ａの分離トリガー閾値を示すものとして用いられる。具体的には、一実施形態において、周知の方法による信号処理が提供されてもよい。もし生の無補正信号１０１０ａが、分離感知ピクセル範囲ＤＳＰＲの閾値電圧１０２０ａより低いと、分離状態が検出される。逆に、分離感知ピクセル範囲ＤＳＰＲの閾値電圧１０２０ａよりも高いと、取付状態が検出される。
代替の実施形態において、分離信号エレメント２９９を含んだ交換可能光学エレメント２８０からの分離感知信号ＤＳＳは、上述の通り、電圧オフセット信号Ｖｏｆｆｓｅｔｐに沿って補正される。各ピクセルｐから後続する全てのプロファイルデータ信号中の分離感知信号ＤＳＳに対応する信号は、（例えば、減算によって）継続的に補正され、または「取り消される」。そのような実施形態にて、補正された交換可能光学エレメントが適切に取り付けられた状態では、波長検出器からの補正された出力信号は、図１０に示される信号１０１０のようになる。そのような実施形態にて、信号１０１０ｂは交換可能光学エレメントの分離状態を示す。
具体的には、補正された交換可能光学エレメントが分離した状態又はこれがない状態では、分離信号エレメント２９９が分離信号波長光を反射して返さないため、補正された分離感知信号ＤＳＳによって、図示のような「負のピーク」の信号レベル１０１０ｂに補正されたピクセル信号が生じる。言い換えると、もし、図８の分離感知信号ＤＳＳを含めて補正がなされて、検出器の出力信号を補正する為に分離感知信号ＤＳＳが減算され、そして、分離信号エレメント２９９を含む交換可能光学エレメント２８０が分離されたならば、減算後の信号は負のピーク信号１０１０ｂを含むようになる。
この実施形態において、トリガー電圧レベル１０２０ｂは、補正された信号１０１０ｂの分離トリガー閾値を示す。言い換えると、もし、分離感知ピクセル範囲ＤＳＰＲにおいて補正された信号１０１０ｂが電圧レベル１０２０ｂよりも負になった場合に、分離状態が検出される。逆に、もし、分離感知ピクセル範囲ＤＳＰＲにおいて補正された信号１０１０ｂが電圧レベル１０２０ｂよりも負にならない（このレベルよりも正側になった）場合に、補正された信号１０１０ｂは、例えば、信号１０１０のレベルでのゼロ付近信号又はヌル信号になり、取付状態を示すことになる。上述の通り、このような実施形態で、交換可能光学エレメントが適切に取り付けられていて、測定範囲内に測定表面がない場合には、波長検出器からの補正出力信号は信号１０１０のようになる。
実施形態にて期待される唯一の有意な信号が、測定されるワーク表面２９０からのものである、ということが望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、必要に応じて、測定範囲内の波長の光を分離信号に用いてもよい。例えば、分離信号エレメント２９９としては、分離信号波長光の一部分しか反射せず、それらの波長光を測定波長光としても用いることができるように十分に透過するものでもよい。このような場合は、測定表面からのピークは正になって、分離されたプローブからの信号は負になってもよい。適切な分離信号の処理が、周知技術によって実行され、混合がないようになる。
更なる実施形態では、電圧オフセット信号Ｖｏｆｆｓｅｔｐについては上述の通りに補正を実行し、分離信号エレメント２９９を含む交換可能光学エレメント２８０からの分離感知信号ＤＳＳについては補正を実行しないようにしてもよい。このような実施形態において、補正された交換可能光学エレメントが適切に取り付けられている場合、波長検出器からの補正出力信号は、図１０に示される信号１０１０のようになる。ただし、分離感知ピクセル範囲ＤＳＰＲは除かれ、このＤＳＰＲの範囲では破線の分離信号ピーク１０１０ｃが生じる。
この実施例では、トリガー電圧レベル１０２０ｃが有用な分離トリガー閾値を表す。言い換えると、もし、分離感知ピクセル範囲ＤＳＰＲ内の電圧信号１０１０ｃが電圧レベル１０２０ｃよりも負になる場合は、分離状態が検出される。逆に、分離感知ピクセル範囲ＤＳＰＲにおいて電圧レベル１０２０ｃよりも信号レベルが高い場合は、取付状態を示す。
図１１の線図１１００は、特定の実施例の分離信号エレメント２９９についての一特性を表す応答曲線１１１０である。上述の通り、様々な実施形態において、分離信号エレメント２９９は分離信号エレメントがターゲットにする分離信号波長域の光の大半を反射するように設計されている。分離信号エレメントは、ローパス反射性フィルタ、ハイパス反射性エッジフィルタ、バンドパス反射性フィルタ等の部材を備えるようにしてもよい。
図１１の特定の実施例では、その応答曲線が示された分離信号エレメントが、ローパスリフレクターとして用いられる高感度エッジフィルタを形成する薄いフィルム状の被膜によって構成されている。その応答曲線１１１０は、例えば４５０ｎｍ以上のように波長の長い測定波長域において高い透過率を維持しながら、４４０ｎｍ以下の波長範囲でほぼ１００％の反射特性を示す。このような高感度エッジフィルタは、ニューヨーク州、ロチェスター所在のセムロック社（Ｓｅｍｒｏｃｋ Ｉｎｃ．、ｗｗｗ．ｓｅｍｒｏｃｋ．ｃｏｍ）等から市販されている。このタイプの応答曲線は、特定のタイプのシステムの利用に申し分なく適している。一実施例として、測定光を提供する蛍光体（りん光体）を励起させるためのＬＥＤを含んだ光源１６４を利用してもよい。ＬＥＤの励起波長が４４０ｎｍで、測定波長光として利用可能な安定した発光波長光が５００ｎｍから７００ｎｍの範囲内であるような実施例では、図１１に示される応答曲線が比較的理想的なものとなる。
様々な実施例において、分離信号エレメント２９９は様々な物理的特性を有してもよい。例えば、薄膜や窓材として利用する場合、分離信号エレメントは、１ｍｍ未満の基板によって構成してもよく、より具体的には、５０μｍから２５０μｍの範囲内であってもよい。様々な実施形態では、レンズ、ビームスプリッタ、及び封止窓など、光学ペンにおいて他の目的に用いるための光学素子に薄膜の反射性フィルタを適用してもよい。図１１を用いて上述した分離信号エレメントを、ここに開示したいずれかの分離信号エレメントの配置位置に用いてもよい。しかしながら、様々な実施形態において、それぞれの光学特性に応じて適切な位置に設定された一層経済的なエレメントを使用してもよい。例えば、分離信号エレメント２９９Ｂ、２９９Ｂ’、２９９Ｃ及び２９９Ｃ’について詳述した通りである。
図１２は、分離状態を検出する分離信号エレメントを利用するためのルーチン１２００の代表的実施形態を示すフロー図である。ブロック１２１０では、色分散光学系および分離信号エレメントを有する交換可能光学エレメントを含んだ光学ペンが提供される。前記分離信号エレメントは、クロマティックレンジセンサシステムの測定範囲に対応する測定波長域の光の大半を透過し、分離信号波長域の光の少なくとも一部を反射するように設計されている。ブロック１２２０では、分離信号波長域の光がもはや部分的にも反射されなくなった時に、光学ペンから交換可能光学エレメントが分離した印として捉えられ、分離状態が検出される。ブロック１２３０では、分離状態の検出に応答して、分離表示信号が提供される。上述の通り、分離表示信号は、様々な目的に利用されるとよい。例えば、衝突が起きた際、更なる破損を防ぐために、三次元座標測定機を直ちに停止させること等である。
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及び動作手順に基づく、多くの変形例がある。例えば、当業者は、記載されたフローチャートを様々な態様に変形できる。より具体的には、工程の順序を変えても、複数の工程を併行に実施してもよい。工程を省略しても、他の工程が含まれてもよい。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。
１００ クロマティックレンジセンサ（ＣＲＳ）システム
１１２，２１２ 光ファイバー
１６２，２６２ 波長検出器
２１０ 三次元座標測定機（ＣＭＭ）
２２０ 光学ペン
２５０ 色分散光学系
２５１ 転送レンズアッセンブリ
２８０ 交換可能光学エレメント
２８２ ベース部材
２８５ 交換マウント（マウント部）
２９５ 共焦点アパーチャー
２９９ 分離信号エレメント
ＤＳＰＲ 分離感知ピクセル範囲
ＤＳＳ 分離感知信号
ＤＷＦ 検出波長光の焦点位置

Claims (20)

  1. 三次元座標測定機にてワーク測定情報を提供するためのクロマティックレンジセンサシステムを構成する光学ペン用の交換可能光学エレメントであって、
    前記光学ペンは、前記測定機の可動部分に固定されるベース部材を備え、
    前記ベース部材は、光源光を出力する光ファイバーを含み、
    前記光ファイバーは、共焦点アパーチャーを通過するように前記光源光を出射すると共に、ワークで反射されて再び前記共焦点アパーチャーを通過して戻ってくる反射測定信号光が入射されるものであり、
    該交換可能光学エレメントは、
    前記ベース部材に対して前記光学エレメントを一定の関係で保持するために前記ベース部材に装着されるマウント部と、
    前記共焦点アパーチャーから出射された光源光が入射され、当該光源光に測定範囲に沿った軸上色収差を与えて焦点を結ばせると共に、前記測定範囲に位置するワーク表面で反射された前記反射測定信号光を前記共焦点アパーチャーに戻すように構成された色分散光学部と、
    前記光源光を受光する位置に設けられる分離信号エレメント部と、を備え、
    前記分離信号エレメント部は、
    前記センサシステムの前記測定範囲に対応する測定波長域の光の大半を透過し、
    分離信号波長域の光の少なくとも一部を反射して前記光ファイバーへ戻すように構成されることを特徴とする交換可能光学エレメント。
  2. 請求項１記載の交換可能光学エレメントにおいて、
    前記分離信号エレメント部は、前記分離信号波長域の光が前記測定波長域の光に含まれないように構成されていることを特徴とする交換可能光学エレメント。
  3. 請求項１または２記載の交換可能光学エレメントにおいて、
    前記測定波長域の光は、前記分離信号波長域の光の検出にも利用される波長検出器によって検出されることを特徴とする交換可能光学エレメント。
  4. 請求項１から３のいずれかに記載の交換可能光学エレメントにおいて、
    前記分離信号波長域の光は、分離信号波長域の光用の感知ピクセルのセットによって検出され、該感知ピクセルのセットは、前記測定波長域の光を感知するピクセルのセットに含まれていないことを特徴とする交換可能光学エレメント。
  5. 請求項１から４のいずれかに記載の交換可能光学エレメントにおいて、
    前記分離信号エレメント部は、前記分離信号波長域の方が前記測定波長域よりも波長が短くなるように構成されていることを特徴とする交換可能光学エレメント。
  6. 請求項１から５のいずれかに記載の交換可能光学エレメントにおいて、
    前記分離信号エレメント部は、前記分離信号波長域の光の大半を反射するように構成されていることを特徴とする交換可能光学エレメント。
  7. 請求項１から６のいずれかに記載の交換可能光学エレメントにおいて、
    前記分離信号エレメント部は、ローパス反射フィルタ、ハイパス反射性エッジフィルタ、及び、バンドパス反射性フィルタのうちの少なくとも１つを備えることを特徴とする交換可能光学エレメント。
  8. 請求項１から７のいずれかに記載の交換可能光学エレメントにおいて、
    前記センサシステムの検出部において、前記測定波長域の光とは異なる光路を辿るように前記分離信号波長域の光を偏向させる偏向手段を備えていることを特徴とする交換可能光学エレメント。
  9. 請求項８記載の交換可能光学エレメントにおいて、
    分離信号専用のセンサを備え、前記偏向手段は、前記分離信号波長域の光を該分離信号専用のセンサに向けることを特徴とする交換可能光学エレメント。
  10. 請求項８記載の交換可能光学エレメントにおいて、
    前記センサシステムの波長検出器に、前記分離信号波長域の光を感知するための分離信号ピクセルのセットを設けて、
    前記偏向手段は、前記分離信号波長域の光を前記分離信号ピクセルのセットに向けることを特徴とする交換可能光学エレメント。
  11. 請求項１から１０のいずれかに記載の交換可能光学エレメントにおいて、
    該交換可能光学エレメントが前記ベース部材にマウントされている場合、前記分離信号波長域の光が、前記光ファイバーを通って戻されて、該交換可能光学エレメントの取付状態を示すことを特徴とする交換可能光学エレメント。
  12. 請求項１から１１のいずれかに記載の交換可能光学エレメントにおいて、
    前記共焦点アパーチャーに隣接する位置、
    該交換可能光学エレメントの中で前記光源光の大半の焦点が合う位置の隣接位置、及び
    該交換可能光学エレメントの中で前記光源光の大半が平行光になる位置の隣接位置、のうちの少なくとも１つに前記分離信号エレメント部が配置されることを特徴とする交換可能光学エレメント。
  13. 請求項１から１２のいずれかに記載の交換可能光学エレメントにおいて、
    前記分離信号エレメント部は、薄膜反射性フィルタを有することを特徴とする交換可能光学エレメント。
  14. 請求項１３記載の交換可能光学エレメントにおいて、
    前記薄膜反射性フィルタは、該交換可能光学エレメントの中に含まれている１つの光学素子に付けられており、
    前記光学素子は、いずれも１ｍｍ未満の厚さの、レンズ、ビームスプリッタ、封止窓、及び、透過性基板のうちの少なくとも１つを備えていることを特徴とする交換可能光学エレメント。
  15. 請求項１３または１４記載の交換可能光学エレメントにおいて、
    前記薄膜反射性フィルタは、前記センサシステムの通常の前記測定範囲に対応した波長域外の波長域の光を、反射するように構成されていることを特徴とする交換可能光学エレメント。
  16. 三次元座標測定機にてワーク測定情報を提供するためのクロマティックレンジセンサシステム用の分離状態の検出方法であって、
    前記センサシステム用の光学ペンを供給する工程と、
    ここで、前記光学ペンは、色分散光学系および分離信号エレメント部からなる交換可能光学エレメントを含み、前記分離信号エレメント部は、前記センサシステムの前記測定範囲に対応した測定波長域の光の大半を透過するように設定され、かつ、分離信号波長域の光の少なくとも一部を反射するように設定され、
    前記分離信号波長域の光の前記少なくとも一部が前記分離信号エレメント部によって反射されない状態が続いた場合に、前記交換可能光学エレメントが前記光学ペンから分離した状態になったことを示す分離状態を検出する工程と、
    前記分離状態が検出された場合に分離表示信号を供給する工程と、
    を備えることを特徴とする前記センサシステム用の分離状態の検出方法。
  17. 請求項１６記載のクロマティックレンジセンサシステム用の分離状態の検出方法であって、前記交換可能光学エレメントが前記光学ペンに取り付けられている時に、前記センサシステムの出力信号が前記分離信号波長域でピークを示さないよう、前記分離信号エレメントからの反射光による信号成分を補正する工程を備えることを特徴とする前記センサシステム用の分離状態の検出方法。
  18. 請求項１７記載のクロマティックレンジセンサシステム用の分離状態の検出方法であって、前記交換可能光学エレメントが取り外された時に、前記センサシステムからの補正された出力信号は、前記分離信号波長域で負のピークを示すことを特徴とする前記センサシステム用の分離状態の検出方法。
  19. 請求項１６記載のクロマティックレンジセンサシステム用の分離状態の検出方法であって、前記交換可能光学エレメントが取り付けられている時に、前記センサシステムの出力信号において、前記分離信号エレメントからの反射光による信号成分が、前記分離信号波長域でピークを示すことを特徴とする前記センサシステム用の分離状態の検出方法。
  20. 請求項１９記載のクロマティックレンジセンサシステム用の分離状態の検出方法であって、前記交換可能光学エレメントが取り外された時に、前記センサシステムの出力信号は、前記分離信号波長域でピークを示さないことを特徴とする前記センサシステム用の分離状態の検出方法。
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